2019-11-13 
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第五代移動通信技術(5G)已開始啟動建設，是工業4.0的基礎支撐。隨著5G技術應用的加快推進，5G站點的數量將成倍增長，而智慧桿是覆蓋廣泛、分布均勻的理想的站址資源。同時，作為智慧城市建設的重要載體，智慧路燈的應用越來越多，應該從桿上的硬件堆疊走向標準化、系統化，來滿足解耦、互通、降低成本的需求。本文分析了移動通信、“多桿合一”、 智慧城市對智慧路燈的需求，并從移動通信基站建設的角度，探討了5G建設的基礎能力需求，給出了智慧桿標準化的建議。
引言
在5G商用時代到來之際，全球信息通信技術(ICT)領先國家都在積極規劃引導5G與公共設施的融合，直接推動了智慧桿的發展。
德國聯邦政府《5G Strategy for Germany》[1]明確，城市現有的承載設施，如燈桿、交通桿將會是5G的重要組成部分。
韓國科技和信息通信技術部(Ministry of Science and ICT)指出，韓國17個行政區的相關部門必須做好(供電、傳輸等)準備，使得5G設備可以安裝在燈桿和交通桿上[2]。
美國聯邦通訊委員會(FCC)在《The FCC's 5G FAST Plan》指出，FCC會減少5G小型化基站在公共設施上部署的審批程序。
中國越來越多的地方政府意識到智慧桿的重要作用，并在政策層面積極推進智慧桿產業的健康有序發展[3,4]。
在宏觀商業層面，智慧桿改變了傳統燈桿模式，其應用涉及多個政府部門和跨行業主體，其投資、運營、管理機制和多方商業模式仍在探索中，缺乏統一的智慧桿基礎設施運營方已成為制約智慧桿規模建設發展的重要因素。
同時在技術標準層面，當前智慧桿缺乏統一有效的規劃，造成重復建設和資源浪費，如城市多桿林立、道路重復開挖等現象就是例證。智慧桿項目缺乏統一的技術規范參考，導致一些功能演進方面的約束和各業務組件方面互聯互通、數據共享的困難。
為此，加快建立智慧桿統一標準規范，建設具有一定規模的智慧桿樣板示范，通過市場檢驗商業模式和跨部門跨行業實現增值，將是下一階段智慧桿產業發展的重點。
智慧路燈的需求分析
從路燈到智慧桿，不是簡單的功能疊加。現階段，推動智慧燈桿建設的方向主要有以下三個，三個方向對智慧桿的關注點略有差異。
1、5G站址的需求
作為第五代通信技術，5G被認為是萬物互聯的開始，更高網速(eMBB)，可靠的低延時(uRLLC)和海量的物聯網(mMTC)所激發的商業潛力巨大。但是由于速率及頻段的提高，在相同配置、相同環境下，5G信號的傳輸距離相較4G信號有所降低。
移動通信行業必須通過多種手段提升5G的覆蓋能力，包括多天線技術、上下行頻段解耦，以及增加小型化站點。在密集城區，移動網絡流量冷熱分布不均，流量“忙”的體驗易受挑戰。同時在居民區、人流密集商業區以及部分環境保護較高的景區，宏站站址難以獲取，容易出現“盲”點。在5G宏站改造完成后，“忙+盲”區域以及“千行百業+5G”的工廠、園區等，將迎來桿站部署的高峰, 5G小型化站點的數量將成倍增長。
5G桿站的部署會逐步進行，因此需要新建智慧桿預留設備掛載接口、電力接入、大帶寬傳輸。其中最重要的是對于5G設備的選型，除了考慮輕巧之外，還要求保證數十瓦級別的功率，以增加覆蓋范圍，最大化單根桿體的價值。
2、集約化建設的需求-“多桿合一”
當前街頭有路燈桿、電力桿、監控桿、交通指示牌、廣告牌等多種桿體,數量多、種類雜、架設亂的問題越來越突出。尤其是路口，出現了“桿件森林”的狀況，影響城市市容，而且浪費公共資源。為了實現資源“共享、集約、統籌”，降低城市建設成本，多地城市管理部門開始實行“多桿合一”方案。
3、智慧城市的需求
隨著城市居住人口的不斷增多，交通擁擠、環境污染、資源浪費等“城市病”不斷出現。“智慧城市”作為解決城市病的方案浮出水面。智慧城市融合人工智能、物聯網、5G、大數據、云計算和邊緣計算技術，將整個城市變成一套完整的神經和記憶系統，對人類行為數據化，收集、存儲、分析，從而得到最優的解決方案。
多功能、多傳感器、支持MBB和IoT(Internet of Things)的智慧桿將成為智慧城市的神經末梢，提供無處不在的智能連接、智能環境感知和智能路況反饋能力，快速處理和匯聚信息，傳送到智慧城市處理中樞，使能各種智慧業務的正常運轉。在這類需求中，智慧桿的運營和管理平臺是未來的靈魂[5，6]。
智慧路燈標準化的建議
移動通信、“多桿合一”、智慧城市對智慧桿的需求側重不同，以下主要從移動通信基站建設的角度，探討5G建設的基礎能力需求及其標準建議。
1、系統架構的“三段式”標準化
圖1智慧桿設備布局;(左)道路場景(右)園區場景
從應用場景看，城市智慧桿應用主要分為兩大類場景(如圖1所示)。
道路場景：桿體高度為9-12 m，滿足城市道路照明、智能交通、智能監控、無線通信、智能物聯等應用;
園區場景：桿體高度為6-9 m，滿足中央商務區、校園、工業園等數字化智能園區應用方案。
無論是道路場景或者是園區場景，對于智慧桿架構的需求是歸一的。根據設備的使用及掛載要求，智慧桿系統架構上我們推薦采用“三段式”標準化，其中：
頂段——放置基站及回傳等通信設備，考慮無線覆蓋效率最優;
中段——掛載攝像頭、顯示屏、傳感器等智慧單元設備，考慮智慧應用易擴展、易維護;
底段——傳輸設備、電源設備、邊緣計算等ICT設備，建議內置桿體。
2、關鍵單元的標準化
2.1 基站單元
考慮無線覆蓋效率，建設成本和環境因素，5G智慧桿站對于射頻設備有如下的要求：
環境友好：能偽裝，可隱藏;
極致體驗：覆蓋區域內提供Gbit/s的速率，具有穿透樹木遮擋和一堵墻壁的能力。城區桿站間距在100—300 m，采用20—60 W基站模塊可實現最佳無縫覆蓋;
保護投資：一次部署，長期演進;
接口解耦：基站和燈桿之間接口標準化，降低適配成本(散熱、防水、信號穿透、設備掛載、防雷、線纜裝配)，如圖2所示。
圖2 5G智慧桿頂桿解耦
使用頂桿設備艙設計可以有效實現基站和燈桿的解耦。通過頂桿倉的標準化法蘭，桿體廠家在設計和建造時只需焊接此標準化法蘭，后續待運營商有加站需求時，直接將頂桿倉加載在智慧桿頂端標準化法蘭上，確保未來加站最小化成本投入，即使基站設備發生改變也不會影響桿體。
2.2 電源單元
★電源一體化MIMO(multiple input multiple output)設計。智慧桿匯集了攝像頭、環境傳感器、WIFI、無線基站等各類設備，設備的供電電壓、功率、輸入輸出等各不相同，因此智慧桿用電源需要滿足MIMO多路輸入輸出和智能管理設計，輸入兼容HVDC與220 VAC，當負載功率較大且有拉遠時選擇HVDC供電，以降低電纜損耗、節約能源;輸出支持12 VDC、24 VAC、-48 VDC等，以滿足不同負載供電。
★智能監控管理。5G的發展帶來海量的智慧桿站點，其維護管理將面臨嚴重的挑戰，智慧桿站電源需要支持智能網管功能，具備監控自身輸入、輸出、故障等運行狀態信息，并上報給網管，以滿足統一遠程架空管理，降低綜合運維成本。
★智慧桿弱電化。電源模塊化設計，支持智慧桿設備全部弱電化。LED燈與LED屏也可以考慮輸入直流化，強電不上桿，降低人員被桿電擊風險。
2.3 傳輸單元
★有線傳輸。智慧桿需要匯聚網絡設備支持10GE/GE/STM-N和通信基站專用接口如eCPRI/CPRI多業務接入，節省眾多掛載應用設備的通信匯聚接入投資。線路達到帶寬100 Gbit，采用OTN硬管道，支持業務物理隔離，保障業務安全。采用時延補償技術。
★無線傳輸。相比有線傳輸，無線傳輸針對無光纖到位的場景。目前智慧桿的無線傳輸解決方案可采用專用無線網絡或小微波方案。典型情況下，對于視頻回傳有移動需求的小帶寬場景，推薦用專用無線網絡方案;若是無移動需求的固定視頻回傳大帶寬場景，推薦用小微波方案。
3、智慧路燈運維的標準化
智慧桿站是智慧城市的節點與信息入口，桿體承載多業務，要通過統一運維管理平臺。管理平臺要注意以下三項功能。
★智慧桿地理化可視。智慧桿管理平臺，支持所有接入前端設備的GIS地圖展示，支持GIS地圖可視化展示平臺運維設備詳情，提供街道、區域、設備搜索功能，支持查看所有前端接入設備告警、故障信息、信號強度、開關燈狀態、和調光等級等。
★跨行業場景間聯動。智慧桿管理平臺具備多業務場景間聯動特性，可以在管理智慧多功能桿相關設備的基礎上，擴展管理更多智慧城市類設備，例如煙感、井蓋、垃圾桶等。對于接入的不同行業場景，通過設置一定的規則，提供不同物聯網業務/終端間的聯動(如煙感報警后觸發規則：對應的攝像頭將監控角度對準預設的煙感方位)。
★分權分域管理。智慧桿管理平臺具備完善的分權分域管理功能。可以通過設置不同的角色、用戶實現對分區域、分設備、分功能的權限管理。
此外，智慧桿管理平臺可以通過設置客戶組對系統管理方的客戶進行授權，被授權的客戶可以根據所賦予的權限查看、控制、管理所屬設備。通過此功能可以使系統管理方以SaaS(software as a service)化的方式向其客戶提供智慧桿子模塊的功能服務。
結語
隨著5G時代的到來，智慧桿相關的政策制定、行業標準及行業樣板點的建設都將會加速。我們相信，在政策與標準的牽引下，智慧路燈建設將與5G部署相輔相成，共同構筑新型智慧城市的基礎。（資訊來源：中國照明網）
參考文獻
[1]5G Strategy for Germany.
[2]Better utilization of 5G equipment and facilities.
[3]深圳市多功能桿智能系統技術與工程建設規范.2018.
[4]廣東省信息基礎設施建設三年行動計劃(2018—2020年).
[5]吳春海.智慧路燈的應用探討.照明工程學報，2017, 28(5)：24-26.
[6]莊曉波，李文鵬，楊樾.智慧路燈標準體系框架研究.照明工程學報，2016, 27(4)：12-20.
