智慧灯杆在4G网络中的应用研究

【摘 要】智慧灯杆产品能很好地解决现有4G网络建设中遇到的问题，并能在未来搭建5G网络架构时起到关键作用，因此通过对现有4G网络和对智慧灯杆系统的研究，得出了智慧灯杆在4G网络中的适用场景和建设方案，有效解决了现有4G网络中存在的室外道路的连续覆盖、商务热点区域的深度覆盖、建站协调困难区域的盲点补充覆盖等问题。最后探讨了智慧灯杆对未来5G网络架构搭建的作用，梳理了可供参考借鉴的整套接入模式。

【关键词】智慧灯杆 连续覆盖 深度覆盖

[Abstract] The intelligent lamp-post product can satisfactorily deal with difficulties in the 4G network construction and play a key role in the 5G network architecture in the future. Therefore， existing 4G networks and the intelligent lamp-post system were investigated to derive applicable scenes and the construction scheme of the intelligent lamp-post in 4G networks. Problems of the continuous coverage of the outdoor road， the deep coverage of business hot spots and the supplementary coverage of blind spots in 4G networks were effectively solved. Finally， the significance of the intelligent lamp-post in the construction of 5G network architecture was discussed and the complete access mode to be referred was expounded.

[Key words]intelligent lamp-post continuous coverage deep coverage

1 引言

S着现代城市建筑越来越密集，原有的网络水平已不足以满足人们对语音及数据业务的需求，移动网络尤其是4G网络建设规模成倍地扩大。而与此同时，由于城市居民对基站的认知越来越高，对辐射的防范意识也越来越强，导致基站建设选址越来越困难，甚至建好的基站都会出现逼迁等问题。通信基站站址资源紧缺已经成为无线网络建设发展的瓶颈。

面对上述问题，公网通信必须寻求创新思路，利用一切可以利用的公共资源，解决日益紧张的站点资源问题。智慧灯杆的开发能及时地补充移动通信运营商的覆盖问题，解决室外道路的连续覆盖、商务热点区域的深度覆盖以及作为覆盖盲点的补充覆盖等问题。作为公共设施的路灯杆资源和智慧灯杆，将来会遍布于城市的每一条道路及大部分公共场所，而且占杆，将来会遍布于城市的每一条道路及大部分公共场所，而且占地面积小，且相应设有管网设施，对于一些难以建设无线宏基站的区域，能实现快速建站，有效提升网络质量。

本文分析了智慧路灯杆的应用场景，并以此为载体，重点研究了4G公网覆盖的解决问题和未来5G网络的架构。

2 智慧灯杆简介

智慧城市的建设目的是“能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运作核心系统的各项关键信息，从而对民生、环保、公共安全等在内的各种需求做出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活”。因此，智慧城市需要一个信息采集、和传输的载体。而智慧路灯以路灯杆为载体，是集成了各种信息设备、技术创新复合应用的智能产品，具备智慧照明、环境信息采集、安防及道路智慧监控、微基站、信息、应急可视广播以及电动汽车智能充电桩等多种功能。如图1所示，智慧灯杆采用模块化结构设计，可以根据不同需求和不同的应用场合，选择不同的功能模块，成为智慧城市大数据入口的接入点。

3 4G网络建设现状分析

近年来，我国移动通信行业进入高速发展期，尤其是4G网络的建设完成了式的发展。4G网络环境下，移动通信业务呈现了多元化发展趋势，且服务质量得到了大幅度提升。在5G技术还未完善普及之前，4G网络依然是移动通信的主干。

4G网络经过近几年工程建设，已具备相当规模，城区和主要乡镇地区都已完成覆盖，移动和电信的4G+网络也已覆盖至全国所有城市，在网络建设和业务发展上都取得了很大的进步。但是随着业务的发展，4G建设的问题也慢慢凸显出来：

（1）城区热点地区的容量问题；

（2）城区有覆盖需求但是站点协调困难区域；

（3）道路覆盖的连续性问题；

（4）封闭式小区内部弱覆盖问题；

（5）园区、景区等建站困难但需求集中区域。

上述问题如果仅仅采用传统的室外宏站或室内分布系统方式建设，一是很难完全解决，二是浪费投资，所以需要在建设方式上引入更加先进的理念，利用各种资源进行4G网络的建设。

4 智慧灯杆在4G网络中的应用研究

4.1 适用场景

宏基站是4G网络结构的基础，在网络中具有不可替代的作用，但是4G使用的频段较高，导致无线信号的绕射能力减弱，对于现在高楼高架林立的密集城区，会出现很多的末梢阴影区域。而且随着民众自我保护意识的增强，宏站建设的限制越来越多，协调难度也越来越大，进驻困难、租用机房都给宏站建设带来了挑战。

智慧灯杆站的引入，能很好地解决上述问题。从网络结构来看，作为宏蜂窝的补充，在有需求的地方建设智慧灯杆，解决局部盲区、末梢阴影和提升网络容量。从建设难度上来看，智慧灯杆的外型跟传统基站完全不一样，既能满足城市规划建设的美观要求，又能消除大众对基站的恐惧心理。

针对4G网络建设的具体问题，智慧灯杆的典型场景有：

（1）语音和数据业务热点区域：主要包括人流量集中、话务量高、数据业务需求比较大的区域，例如交通枢纽、商业广场、高校等；

（2）城市密集建筑群：解决楼群密集、城区巷道、人口集中居住而宏基站难以覆盖到的弱覆盖区域或覆盖盲区等；

（3）城市道路：解Q道路不连续覆盖问题、新建道路覆盖盲区问题；

（4）工业园区或景区覆盖：由于园区或景区规划，常规站点无法建设区域；

（5）其他宏蜂窝覆盖盲点：因城市发展、密集高楼遮挡等原因而出现的局部区域弱覆盖或覆盖盲区等。

4.2 建设方案

从4G网络的结构上看，智慧路灯在4G网络主要有两种方式引入方式，一种是覆盖盲区或热点区域的单点补充方案；第二种是覆盖工业园区、景区的点、面全覆盖方案。

（1）单点补充覆盖方案

补充覆盖的智慧灯杆位置需要由通信运营商根据需求提供，应用场景主要包括密集巷道、道路、广场、小区等。

智慧路灯杆根据需求，建设高度为6～15 m，无线设备要求挂最上层，可以采用嵌入式方式和外挂设备方式，如图2所示：

应根据不同的覆盖要求，选取不同的智慧灯杆产品。从目前厂家产品来看，适合用于智慧灯杆的产品功率都比较小，覆盖范围不超过250 m，该产品主要适用于对现有无线网络的补充覆盖，满足小范围覆盖需求场景。

方案一：需求覆盖点比较集中，可以采用嵌入式方式、单扇区覆盖方案，设备安装在杆体内部，方向可调整到覆盖方向；

方案二：需求覆盖点比较分散时，需在覆盖区域中间选取合适位置，选用外挂设备方式，可形成多个覆盖方向。

（2）规划区全覆盖方案

目前在工业园区或景区都存在协调困难的情况，对基站的外型有很高的要求，但是这些区域用户集中，对4G覆盖的需求量大。随着智慧灯杆的引入，可以既满足园区/景区的美观要求，又能解决用户的覆盖需求，同时智慧灯杆的其他功能也能为园区/景区的管理带来便利。

对于园区或景区的无线全覆盖，需要做专项的规划，首先收集三家通信运营商的需求，再结合园区/景区的预测用户数进行建模分析，得出需要智慧灯杆的数量和间隔。无线覆盖站点规划是在项目进行的前期，未进行现场站点勘测的情况下，对园区/景区的网络进行的初步规划，主要包括网络估算、初始站点选择、系统仿真几个阶段。

但是一般来说，4G基站的建设距离是远大于路灯杆的间隔的，路灯杆间隔规范间隔跟配光类型、路宽和灯杆高度有关系，如表1所示（其中Weff指路面的有效宽度）：

若灯杆高度按15 m计算，最大间距为52.5 m，4G无线设备覆盖距离按200 m计算（具体覆盖距离需根据链路预算得到）。如图3所示，可以在灯杆1和7安装4G无线设备，每间隔6根灯杆加装1套无线设备。目前中国电信和中国联通在FDD-LTE的1.8G频段可以实现4G设备的共用（独立载波），但是中国移动的TDD-LTE还需要使用独立的设备，所以中国移动和中国电信、中国联通的智慧灯杆基站可以岔开规划，满足天线高度都在最高的平台。

4.3 智慧灯杆配套需求分析

（1）4G设备空间需求

智慧灯杆作为无线设备的载体，需要有一定的空间预留给4G设备，目前微基站具有代表性的产品有华为的Easy Macro系列和BOOK RRU，以及中兴的A8602。Easy Macro和A8602覆盖距离可以达到250 m，可以嵌入智慧灯杆杆体，也可用于外挂式安装。BOOK RRU覆盖距离最远达到150 m，适合用于外挂式安装，覆盖多个方向盲区或热点区域。

（2）电力需求及防雷需求

智慧灯杆通信基站原则上采用220 V交流市电供电，但是具体引入方案受每个点的位置和电力引入条件所限，主要有以下几种方案可以备选：方案1：直接从智慧灯杆电力系统中引电；方案2：单独从供电局引电；方案3：直流远供。

引电方案的选择需结合实际情况综合考虑，选择以上几种方案中实施难度、建设成本及建站效率最佳的方案。

每处智慧灯杆都需设有防雷接地系统，无线设备可共用灯杆接地系统，从路灯杆地下避雷带引出接地引接线，用于无线设备及天馈系统防雷接地。无线设备需在智慧灯杆避雷针45°保护范围之内。

（3）传输光缆需求

每个智慧灯杆处需新建光缆管道，需从附近基站或光缆交接箱新建传输光缆至智慧灯杆，以确保4G设备与传输设备的连通。所以每个灯杆的下面需配置一个光缆终端盒，考虑到后期5G设备的接入需求，光缆终端盒最少需24芯以上，24芯光缆终端盒尺寸为300×125×45（长×宽×高，单位mm）。

（4）内部走线需求

从无线设备到智慧灯杆底部，需预留两根φ=25 mm的PVC管，分别用来布放电源线和尾纤。

5 智慧灯杆在5G网络中的应用展望

面向2020年及未来，移动通信技术和产业将迈入5G时代。当前，5G愿景与需求已基本明确，5G将满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求。与4G相比，5G在技术上能够更加充分地利用频谱资源，尤其是丰富的高频资源，大幅提升频谱效率；在网络结构上将实现更加灵活的部署，支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，提高能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。

智慧灯杆的引入能够更加丰富5G网络的组网方式，5G网络也能够充分利用路灯分布范围广、建设需求稳定、基站伪装性高等优势，尤其在小区、商业广场、工业园区、景区等较为敏感的地区，更具建设意义。智慧灯杆作为5G网络设备的基础设施载体，既可以用来实现广域覆盖，又可以用来实现热点区域覆盖，如图4所示。智慧灯杆可以作为虚拟化小区的载体，搭建成单个5G子网络，成为各切片网络的基础设备。

6 结束语

目前智慧城市还处于初步阶段，系统构建非常复杂，建设阻力也非常之大，而城市智慧路灯项目无疑能够成为最佳落地点。根据本文的分析可知，目前4G网络的建设如果能抓住智慧路灯项目的契机，将能够解决现网中一系列不能解决的疑难问题，补充现网的覆盖漏洞，解决热点地^的深度覆盖问题。通过智慧灯杆不同的使用场景和建设方案，可以解决相应的点、线、面覆盖问题，对整个网络的漏洞做一个很好的补充。而且未来5G网络的规划也可以充分地利用智慧路灯，推动5G无线网络架构的搭建，全面满足未来移动互联网和物联网的发展需求。

由此可见，智慧路灯除了作为传统灯杆的作用之外，还可以解决4G网络中的覆盖难题，是未来无线网络中不可或缺的部分，也是完善网络结构的最佳载体。

参考文献：

[1] 韩苏丹. 4G移动通信网络技术的发展现状及前景分析[J]. 电信快报， 2014（2）： 39-41.

[2] 戴渭. 4G移动网络发展现状及趋势分析[J]. 中国新通信， 2016，18（8）： 117.

[3] 张永民. 智慧城市总体方案[J]. 中国信息界， 2011（3）： 12-21.

[4] 彭木根，王文博. TD-SCDMA网络规划[J]. 电信技术， 2005（5）： 6-10.

[5] 周波，张敏，陈永强. 4G深度覆盖中街道站解决方案研究[J]. 湖南邮电职业技术学院学报， 2015，14（3）： 1-3.

[6] 胡利萍，孙朝晖，张琨，等. 路灯杆通信基站建设方案及管理模式分析[J]. 移动通信， 2015，39（z1）： 148-152.

[7] 上海如通电子科技股份有限公司. 智慧路灯系统方案[EB/OL]. （2016-06-08）. http：///link？url=ZtgbRKs_wE5IYwxnBudok9iUMPdPPUx-3ddjjhHwFWT-eSGkyqPeEL3dvd6m2KnjyR21y8ZGsp58tuSdrJW5WbAXhim5VDzFGgec34ZcD3K.

[8] 陈鑫元，李筠，杨海马，等. 基于物联网技术的智慧路灯系统设计[J]. 数据通信， 2016（1）： 45-49.

[9] 黄祖成，袁峰，李引. 基于使用IPv6的低功耗无线个人局域网的无线传感网在智慧路灯中的应用[J]. 计算机应用， 2014，34（10）： 3029-3033.

[10] 刘欢欢，于磊. LTE网络城中村覆盖解决方案探讨[J]. 信息通信， 2014（11）： 231-232.

[11] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络技术架构白皮书[R]. 2015.

[12] IMT-2020（5G）推进组. 5G无线技术架构白皮书[R]. 2015.