建造項(xiàng)目5G網(wǎng)絡(luò)需求分析及覆蓋方案研究

駱潤(rùn) 李宗林 那日蘇

【摘要】 ? ?建造項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安全問(wèn)題極為重要，本文通過(guò)對(duì)建造領(lǐng)域2大重點(diǎn)場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求分析，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)MIMO的特性分析，重點(diǎn)從對(duì)超高體塔吊安全管理功能在網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，速率需求滿足、站址選擇三個(gè)方面進(jìn)行研究，最后，結(jié)合智慧建造應(yīng)用與5G網(wǎng)絡(luò)部署組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行探討，最終得出智慧建造領(lǐng)域與5G+組網(wǎng)部署的覆蓋方案及策略。

【關(guān)鍵詞】 ? ?5G ? ?智慧建造 ? ?需求分析 ? ?覆蓋方案

5G Network Requirements Analysis and Coverage Study for Construction Projects

Luo Run1，LI Zonglin 2（1，2China Mobile Communications Group Design Institute Co.， Ltd.， Shaanxi Branch， xian 710069）

Narisu ? ?Centre for Inner Mongolia ?Word Research and application

Abstract：This paper analyzes the demand for 5G networks in two key scenarios in the construction field and the characteristics of 5G network MIMO， and focuses on three aspects of network coverage capability， rate demand satisfaction and site selection for the safety management function of ultra-high body cranes.

Keywords： 5G， smart construction， demand analysis， coverage scheme

一、智慧建造與5G應(yīng)用背景概述

“智慧建造”是指在建設(shè)過(guò)程中，減少對(duì)人的依賴，達(dá)到安全建造的目的，提高建筑的性價(jià)比和可靠性。迫切需要利用5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，升級(jí)傳統(tǒng)建造方式。建筑業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展提供了有力支撐。但建筑業(yè)生產(chǎn)方式仍然比較粗放，與高質(zhì)量發(fā)展要求相比還有很大差距。例如：生產(chǎn)效率難以提高，頻頻出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)營(yíng)成本，現(xiàn)場(chǎng)管理仍舊屬于粗放型等。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、家發(fā)展改革委、科技部等十三部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出，到2025年，我國(guó)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的政策體系和產(chǎn)業(yè)體系基本建立，建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平顯著提高，建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)初步建立，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)裝備、科技創(chuàng)新能力以及建筑安全質(zhì)量水平全面提升，勞動(dòng)生產(chǎn)率明顯提高，能源資源消耗及污染排放大幅下降，環(huán)境保護(hù)效應(yīng)顯著。推動(dòng)形成一批智能建造龍頭企業(yè)，引領(lǐng)并帶動(dòng)廣大中小企業(yè)向智能建造轉(zhuǎn)型升級(jí)，打造“中國(guó)建造”升級(jí)版。到2035年，我國(guó)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展取得顯著進(jìn)展，企業(yè)創(chuàng)新能力大幅提升，產(chǎn)業(yè)整體優(yōu)勢(shì)明顯增強(qiáng)，“中國(guó)建造”核心競(jìng)爭(zhēng)力世界領(lǐng)先，建筑工業(yè)化全面實(shí)現(xiàn)，邁入智能建造世界強(qiáng)國(guó)行列。

5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、海量連接以及低時(shí)延高可靠特性將為建造行業(yè)走向智慧化提供必要的條件，例如：

1、智慧監(jiān)控主要靠各類攝像頭進(jìn)行對(duì)設(shè)備，人員的監(jiān)控，識(shí)別來(lái)降低生產(chǎn)過(guò)程中的潛在危險(xiǎn)因素，但制約該應(yīng)用的主要因素是攝像頭的布置是在固定的連線，隨著入場(chǎng)設(shè)施，工程進(jìn)度的進(jìn)行，隨時(shí)調(diào)整，亟需通過(guò)無(wú)線、大帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)支撐;

2、安全防范智慧化，大量的人員/車輛/設(shè)備設(shè)施出入，對(duì)人員進(jìn)出進(jìn)行管控，識(shí)別人員行為，例如：人臉識(shí)別，安全帽識(shí)別，車牌識(shí)別，車輛進(jìn)出，違章監(jiān)測(cè)，危險(xiǎn)區(qū)電子圍欄等，當(dāng)出現(xiàn)安全故障報(bào)警時(shí)關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備做出響應(yīng)，亟需低時(shí)延的本地計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員及施工安全的管理，提高人員、車輛和物料管理的效率。

二、5G網(wǎng)絡(luò)與智慧建造的融合場(chǎng)景分析

2.1 智慧建造的需求分析

2.1.1人員/車輛/設(shè)備設(shè)施管理

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)在人員/車輛/設(shè)備設(shè)施管理上主要有：出入管理，現(xiàn)場(chǎng)畫面監(jiān)控回傳，實(shí)施通信、面向安全的人員位置管理，巡檢現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量安全問(wèn)題識(shí)別警示等常規(guī)性管理，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控由于需要布線，存在諸多不便，且存在線纜斷裂風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)人員/車輛/設(shè)備設(shè)施不能實(shí)時(shí)的保持連接溝通，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工存在人/車/施工設(shè)施之間的協(xié)同問(wèn)題產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn)管控能力弱，對(duì)于進(jìn)入進(jìn)入施工中的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)往往是不確定的，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，通過(guò)更多靈活的視頻監(jiān)控設(shè)備，以及安全帽，車連設(shè)施的感應(yīng)監(jiān)控器件協(xié)同進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別以及電子圍欄綜合定位人員/車輛等實(shí)時(shí)位置，對(duì)進(jìn)入到存在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行提示預(yù)警等，降低人員車輛的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2塔吊管理

塔吊的安全管理是項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的重點(diǎn)管理，一般有三個(gè)安全管理點(diǎn)，一拆裝是事故的多發(fā)階段，二運(yùn)行階段的安全距離，三塔吊安全裝置的完好與靈敏可靠。塔吊拆裝必須要具有資質(zhì)的拆裝單位進(jìn)行作業(yè)和人員去作業(yè)，存在對(duì)人員驗(yàn)證的需求，運(yùn)行階段需要對(duì)進(jìn)行塔吊司機(jī)身份核驗(yàn)，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，進(jìn)行視頻驗(yàn)證信息核對(duì)，對(duì)人員的身份進(jìn)行管控，可進(jìn)行強(qiáng)有力的支撐。塔吊啟動(dòng)和運(yùn)行中必須能反饋塔吊的起重力矩限制器、起重量限制器、高度限位裝置、幅度限位器、回轉(zhuǎn)限位器、吊鉤保險(xiǎn)裝置、卷筒保險(xiǎn)裝置、風(fēng)向風(fēng)速儀、鋼絲繩脫槽保險(xiǎn)、小車防斷繩裝置、小車防斷軸裝置和緩沖器等安全裝置處于可監(jiān)控狀態(tài)， 5G物聯(lián)網(wǎng)的大連接，結(jié)合現(xiàn)代化的塔吊設(shè)備，通過(guò)視頻監(jiān)控，準(zhǔn)確的測(cè)算與周邊環(huán)境的距離可滿足整體塔吊安全的管理。

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)主要的業(yè)務(wù)訴求為大帶寬結(jié)合大連接為主，根據(jù)實(shí)地調(diào)研，需求如表1所示。

2.2 5G 網(wǎng)絡(luò)特性分析

對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)需求的區(qū)域從底層到高層均有訴求，本文重點(diǎn)分析5G系統(tǒng)采用波束賦形特性，5G因采用大規(guī)模天線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)每類信道和信號(hào)的賦形，信號(hào)能量更集中，方向性更強(qiáng)。但是相對(duì)寬波束（比如LTE波束），窄波束的覆蓋范圍有限，一個(gè)波束無(wú)法完整的覆蓋小區(qū)內(nèi)的所有用戶，也無(wú)法保證小區(qū)內(nèi)的每個(gè)用戶都能獲得最大的信號(hào)能量， 基站設(shè)備對(duì)各類信道和信號(hào)分別進(jìn)行波束管理，并為用戶選擇最優(yōu)的波束，提升各類信道和信號(hào)的覆蓋性能及用戶體驗(yàn)。

根據(jù)波束賦形時(shí)采用的權(quán)值策略不一樣，分為如下兩類波束：

靜態(tài)波束：波束賦形時(shí)采用預(yù)定義的權(quán)值，即小區(qū)下會(huì)形成固定的波束，比如波束的數(shù)目、寬度、方向都是確定的。然后根據(jù)小區(qū)覆蓋、用戶分布、系統(tǒng)負(fù)載等信息，為各類信道和信號(hào)選擇最優(yōu)的波束集合。本文主要針對(duì)靜態(tài)波束展開描述。

動(dòng)態(tài)波束：波束賦形時(shí)的權(quán)值是根據(jù)信道質(zhì)量來(lái)計(jì)算得到的，會(huì)隨UE位置、信道狀態(tài)等動(dòng)態(tài)變化因素調(diào)整寬度和方向的波束。

靜態(tài)波束包括廣播波束（SSB）和控制波束，兩種波束的性能需求不同，比如對(duì)廣播波束的覆蓋要求更高。默認(rèn)覆蓋場(chǎng)景由水平3dB波寬、垂直3dB波寬、傾角可調(diào)范圍和方位角可調(diào)范圍四個(gè)要素共同決定。本次應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋方案重點(diǎn)設(shè)計(jì)為靜態(tài)廣播波束的選擇。

三、在建超高建筑網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署分析

3.1 覆蓋能力分析

3.1.1覆蓋能力分析

根據(jù)密集市區(qū)站間距與邊緣速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 以2.6G頻段為例，宏站單小區(qū)配置按照發(fā)射功率200W@100MHz，上行發(fā)射功率26dbm（SA），子幀配置7D：2U，天線為64TR，192陣子進(jìn)行配置。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置： 子幀配置： 5ms周期， DDDDDDDSUU， 6：4：4;基站天線配置： 64T64R， 192陣子，天線增益22dbm; 終端天線配置、 功率： 2T4R、 26dBm（SA終端）。結(jié)論：滿足上行5Mbps邊緣速率。單小區(qū)覆蓋能力計(jì)算：

按照上述配置，根據(jù)3GPP UMA模型進(jìn)行路損計(jì)算，覆蓋距離500米時(shí)，終端接收電平值為-88dbm，可滿足基本的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。

以視頻監(jiān)控的需求為例，360度球狀攝像頭分辨率為1080P，單路攝像頭上行帶寬需求為5Mbps，因此，以滿足邊緣上行帶寬5Mbps的1080P監(jiān)控業(yè)務(wù)考慮，在500m距離情況下可以滿足塔吊1路高清視頻監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求。

3.1.2波束選擇分析

由于覆蓋場(chǎng)景為高層建筑，且覆蓋形式為從下往上覆蓋，根據(jù)天線波束形式，建議選擇下圖第三種模式，由于需覆蓋為超高層，考慮到天線安裝和調(diào)整因素，選取垂直波瓣角角寬的波束，可帶來(lái)更好的垂直方向的覆蓋效果。

根據(jù)波束配置表，本次選取SCENARIO_15，水平垂直波束為25/25°的廣播波束配置。

覆蓋方式見圖1示意：

根據(jù)水平與天線掛高，以及不斷升高的塔吊高度，結(jié)合天線垂直波束波瓣角最大25度，計(jì)算天線上傾角如下表4所示：

根據(jù)上表計(jì)算得出，機(jī)械上傾角在調(diào)整至32度，可覆蓋56～120米范圍，在傾角57度的時(shí)候，可覆蓋120米至510米范圍。

為滿足一般在建建筑樓宇電梯間等封閉的場(chǎng)景的監(jiān)控及通信需求，方案采用采用普通AAU自下往上進(jìn)行覆蓋來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.3底層與周邊宏站干擾抑制措施

為降低對(duì)周邊現(xiàn)網(wǎng)宏站干擾并作業(yè)務(wù)協(xié)同，采用高低搭配的整體覆蓋滿足實(shí)現(xiàn)從底層到高層的全景網(wǎng)絡(luò)覆蓋，設(shè)計(jì)規(guī)劃如下：

覆蓋高度120米以下范圍，采用周邊既有的宏覆蓋基站來(lái)滿足，通過(guò)調(diào)整小區(qū)的廣播波束垂直方向上傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)，整體上來(lái)對(duì)大樓進(jìn)行覆蓋;覆蓋高度在120米高度以上，采用獨(dú)立向上大的AAU來(lái)進(jìn)行覆蓋，對(duì)大樓高層進(jìn)行覆蓋，覆蓋傾角配置及波束可參考表4。

3.3 站址部署分析

底層宏基站天線高度在覆蓋范圍內(nèi)基本保持一致，主要保障天線主瓣方向無(wú)明顯阻擋;高層覆蓋的站址選擇需考慮建筑物的形狀，以常規(guī)建筑物的外觀為參考，天線的方向不能與建筑物外觀垂直，盡可能的交叉，保障信號(hào)能進(jìn)入建筑物內(nèi)部。如圖2所示：

四、5G網(wǎng)絡(luò)+智慧建造網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)分析

對(duì)于智慧建造應(yīng)用，廣泛的以大帶寬和大連接為主，時(shí)延性能需求并不是特別大，現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)于大量視頻以及數(shù)據(jù)協(xié)同的需求，對(duì)于算力需求較為突出，可在初期以優(yōu)享專網(wǎng)模式開通，根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置相應(yīng)的端到端切片資源滿足客戶業(yè)務(wù)需求，后期根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展，未來(lái)遠(yuǎn)期根據(jù)時(shí)延需求將UPF/MEC下沉。

五、總結(jié)展望

本文重點(diǎn)分析了面向建造施工階段2個(gè)重點(diǎn)場(chǎng)景應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)解決方案及網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)，應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，低時(shí)延、大連接特性，算力性能的提供，實(shí)現(xiàn)了安全監(jiān)管、場(chǎng)地進(jìn)入外出管理，塔吊監(jiān)控等應(yīng)用的解決，對(duì)現(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)節(jié)管控提供了有力的支撐，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的開放和發(fā)展，建造行業(yè)也將迎來(lái)新的革命，當(dāng)前探索規(guī)劃決策階段、全程設(shè)計(jì)階段、運(yùn)維管理階段等其他環(huán)節(jié)，結(jié)合BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)建筑安全質(zhì)量水平全面提升成為必然趨勢(shì)。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]程日濤，李慧君，堯文彬，孫璇. 面向垂直行業(yè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃體系與關(guān)鍵技術(shù)[C].2019年5G網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(huì)，2019（8）.

[2]孟繁麗，程日濤，堯文彬，楊麗，王申. 5G+4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同及組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化. 2020（06）.13-18

駱潤(rùn)（1984—），男，漢，陜西涇陽(yáng)，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司，中級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線通信規(guī)劃及設(shè)計(jì);

李宗林（1982—），男，漢，陜西延安，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司陜西分公司，中級(jí)工程師，研究方向：無(wú)線通信規(guī)劃及設(shè)計(jì);

那日蘇（1984—），女，蒙古族，內(nèi)蒙古呼和浩特市，內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古語(yǔ)言文字研究應(yīng)用中心，中級(jí)工程師，研究方向：移動(dòng)通信（蒙古文信息化）;