駱潤 李宗林 那日蘇

【摘要】 ? ?建造項目現(xiàn)場安全問題極為重要，本文通過對建造領(lǐng)域2大重點場景對5G網(wǎng)絡(luò)的需求分析，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)MIMO的特性分析，重點從對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)過程中，減少對人的依賴，達(dá)到安全建造的目的，提高建筑的性價比和可靠性。迫切需要利用5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，升級傳統(tǒng)建造方式。建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，為我國經(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)險質(zhì)量問題，經(jīng)營成本，現(xiàn)場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。推動形成一批智能建造龍頭企業(yè)，引領(lǐng)并帶動廣大中小企業(yè)向智能建造轉(zhuǎn)型升級，打造“中國建造”升級版。到2035年，我國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)勢明顯增強(qiáng)，“中國建造”核心競爭力世界領(lǐng)先，建筑工業(yè)化全面實現(xiàn)，邁入智能建造世界強(qiáng)國行列。

5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、海量連接以及低時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)行對設(shè)備，人員的監(jiān)控，識別來降低生產(chǎn)過程中的潛在危險因素，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，隨著入場設(shè)施，工程進(jìn)度的進(jìn)行，隨時調(diào)整，亟需通過無線、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，對人員進(jìn)出進(jìn)行管控，識別人員行為，例如：人臉識別，安全帽識別，車牌識別，車輛進(jìn)出，違章監(jiān)測，危險區(qū)電子圍欄等，當(dāng)出現(xiàn)安全故障報警時關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備做出響應(yīng)，亟需低時延的本地計算能力實現(xiàn)對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

項目現(xiàn)場在人員/車輛/設(shè)備設(shè)施管理上主要有：出入管理，現(xiàn)場畫面監(jiān)控回傳，實施通信、面向安全的人員位置管理，巡檢現(xiàn)場質(zhì)量安全問題識別警示等常規(guī)性管理，傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控由于需要布線，存在諸多不便，且存在線纜斷裂風(fēng)險，且對人員/車輛/設(shè)備設(shè)施不能實時的保持連接溝通，對于現(xiàn)場施工存在人/車/施工設(shè)施之間的協(xié)同問題產(chǎn)生的安全風(fēng)險管控能力弱，對于進(jìn)入進(jìn)入施工中的危險區(qū)域時往往是不確定的，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，通過更多靈活的視頻監(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)識別以及電子圍欄綜合定位人員/車輛等實時位置，對進(jìn)入到存在風(fēng)險區(qū)域進(jìn)行提示預(yù)警等，降低人員車輛的安全風(fēng)險。

2.1.2塔吊管理

塔吊的安全管理是項目現(xiàn)場的重點管理，一般有三個安全管理點，一拆裝是事故的多發(fā)階段，二運行階段的安全距離，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)，存在對人員驗證的需求，運行階段需要對進(jìn)行塔吊司機(jī)身份核驗，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬，進(jìn)行視頻驗證信息核對，對人員的身份進(jìn)行管控，可進(jìn)行強(qiáng)有力的支撐。塔吊啟動和運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、吊鉤保險裝置、卷筒保險裝置、風(fēng)向風(fēng)速儀、鋼絲繩脫槽保險、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，通過視頻監(jiān)控，準(zhǔn)確的測算與周邊環(huán)境的距離可滿足整體塔吊安全的管理。

項目現(xiàn)場主要的業(yè)務(wù)訴求為大帶寬結(jié)合大連接為主，根據(jù)實地調(diào)研，需求如表1所示。

2.2 5G 網(wǎng)絡(luò)特性分析

對項目現(xiàn)場需求的區(qū)域從底層到高層均有訴求，本文重點分析5G系統(tǒng)采用波束賦形特性，5G因采用大規(guī)模天線，實現(xiàn)了對每類信道和信號的賦形，信號能量更集中，方向性更強(qiáng)。但是相對寬波束（比如LTE波束），窄波束的覆蓋范圍有限，一個波束無法完整的覆蓋小區(qū)內(nèi)的所有用戶，也無法保證小區(qū)內(nèi)的每個用戶都能獲得最大的信號能量， 基站設(shè)備對各類信道和信號分別進(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的覆蓋性能及用戶體驗。

根據(jù)波束賦形時采用的權(quán)值策略不一樣，分為如下兩類波束：

靜態(tài)波束：波束賦形時采用預(yù)定義的權(quán)值，即小區(qū)下會形成固定的波束，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，為各類信道和信號選擇最優(yōu)的波束集合。本文主要針對靜態(tài)波束展開描述。

動態(tài)波束：波束賦形時的權(quán)值是根據(jù)信道質(zhì)量來計算得到的，會隨UE位置、信道狀態(tài)等動態(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，比如對廣播波束的覆蓋要求更高。默認(rèn)覆蓋場景由水平3dB波寬、垂直3dB波寬、傾角可調(diào)范圍和方位角可調(diào)范圍四個要素共同決定。本次應(yīng)用場景覆蓋方案重點設(shè)計為靜態(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)覆蓋能力計算：

按照上述配置，根據(jù)3GPP UMA模型進(jìn)行路損計算，覆蓋距離500米時，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，計算天線上傾角如下表4所示：

根據(jù)上表計算得出，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)行覆蓋來實現(xiàn)。

3.1.3底層與周邊宏站干擾抑制措施

為降低對周邊現(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現(xiàn)從底層到高層的全景網(wǎng)絡(luò)覆蓋，設(shè)計規(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滿足，通過調(diào)整小區(qū)的廣播波束垂直方向上傾角來實現(xiàn)，整體上來對大樓進(jìn)行覆蓋;覆蓋高度在120米高度以上，采用獨立向上大的AAU來進(jìn)行覆蓋，對大樓高層進(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

對于智慧建造應(yīng)用，廣泛的以大帶寬和大連接為主，時延性能需求并不是特別大，現(xiàn)場施工對于大量視頻以及數(shù)據(jù)協(xié)同的需求，對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，未來遠(yuǎn)期根據(jù)時延需求將UPF/MEC下沉。

五、總結(jié)展望

本文重點分析了面向建造施工階段2個重點場景應(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，低時延、大連接特性，算力性能的提供，實現(xiàn)了安全監(jiān)管、場地進(jìn)入外出管理，塔吊監(jiān)控等應(yīng)用的解決，對現(xiàn)階段現(xiàn)場安全環(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)也將迎來新的革命，當(dāng)前探索規(guī)劃決策階段、全程設(shè)計階段、運維管理階段等其他環(huán)節(jié)，結(jié)合BIM技術(shù)，實現(xiàn)建筑安全質(zhì)量水平全面提升成為必然趨勢。

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，2019（8）.

[2]孟繁麗，程日濤，堯文彬，楊麗，王申. 5G+4G無線網(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（1984—），男，漢，陜西涇陽，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司陜西分公司，中級工程師，研究方向：無線通信規(guī)劃及設(shè)計;

李宗林（1982—），男，漢，陜西延安，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司陜西分公司，中級工程師，研究方向：無線通信規(guī)劃及設(shè)計;

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)蒙古語言文字研究應(yīng)用中心，中級工程師，研究方向：移動通信（蒙古文信息化）;