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建造项目5G网络需求分析及覆盖方案研究

范文

骆润李宗林那日苏

【摘要】 ? ?建造项目现场安全问题极为重要，本文通过对建造领域2大重点场景对5G网络的需求分析，结合5G网络MIMO的特性分析，重点从对超高体塔吊安全管理功能在网络覆盖能力，速率需求满足、站址选择三个方面进行研究，最后，结合智慧建造应用与5G网络部署组网架构进行探讨，最终得出智慧建造领域与5G+组网部署的覆盖方案及策略。

【关键词】 ? ?5G ? ?智慧建造 ? ?需求分析 ? ?覆盖方案

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、智慧建造与5G应用背景概述

“智慧建造”是指在建设过程中，减少对人的依赖，达到安全建造的目的，提高建筑的性价比和可靠性。迫切需要利用5G、人工智能、物联网等新技术，升级传统建造方式。建筑业是国民经济的支柱产业，为我国经济持续健康发展提供了有力支撑。但建筑业生产方式仍然比较粗放，与高质量发展要求相比还有很大差距。例如：生产效率难以提高，频频出现施工风险质量问题，经营成本，现场管理仍旧属于粗放型等。住房和城乡建设部、家发展改革委、科技部等十三部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》中指出，到2025年，我国智能建造与建筑工业化协同发展的政策体系和产业体系基本建立，建筑工业化、数字化、智能化水平显著提高，建筑产业互联网平台初步建立，产业基础、技术装备、科技创新能力以及建筑安全质量水平全面提升，劳动生产率明显提高，能源资源消耗及污染排放大幅下降，环境保护效应显著。推动形成一批智能建造龙头企业，引领并带动广大中小企业向智能建造转型升级，打造“中国建造”升级版。到2035年，我国智能建造与建筑工业化协同发展取得显著进展，企业创新能力大幅提升，产业整体优势明显增强，“中国建造”核心竞争力世界领先，建筑工业化全面实现，迈入智能建造世界强国行列。

5G网络的大带宽、海量连接以及低时延高可靠特性将为建造行业走向智慧化提供必要的条件，例如：

1、智慧监控主要靠各类摄像头进行对设备，人员的监控，识别来降低生产过程中的潜在危险因素，但制约该应用的主要因素是摄像头的布置是在固定的连线，随着入场设施，工程进度的进行，随时调整，亟需通过无线、大带宽的5G网络支撑;

2、安全防范智慧化，大量的人员/车辆/设备设施出入，对人员进出进行管控，识别人员行为，例如：人脸识别，安全帽识别，车牌识别，车辆进出，违章监测，危险区电子围栏等，当出现安全故障报警时关联的其他设备做出响应，亟需低时延的本地计算能力实现对施工人员及施工安全的管理，提高人员、车辆和物料管理的效率。

二、5G网络与智慧建造的融合场景分析

2.1 智慧建造的需求分析

2.1.1人员/车辆/设备设施管理

项目现场在人员/车辆/设备设施管理上主要有：出入管理，现场画面监控回传，实施通信、面向安全的人員位置管理，巡检现场质量安全问题识别警示等常规性管理，传统的现场监控由于需要布线，存在诸多不便，且存在线缆断裂风险，且对人员/车辆/设备设施不能实时的保持连接沟通，对于现场施工存在人/车/施工设施之间的协同问题产生的安全风险管控能力弱，对于进入进入施工中的危险区域时往往是不确定的，利用5G网络的大带宽，通过更多灵活的视频监控设备，以及安全帽，车连设施的感应监控器件协同进行精准识别以及电子围栏综合定位人员/车辆等实时位置，对进入到存在风险区域进行提示预警等，降低人员车辆的安全风险。

2.1.2塔吊管理

塔吊的安全管理是项目现场的重点管理，一般有三个安全管理点，一拆装是事故的多发阶段，二运行阶段的安全距离，三塔吊安全装置的完好与灵敏可靠。塔吊拆装必须要具有资质的拆装单位进行作业和人员去作业，存在对人员验证的需求，运行阶段需要对进行塔吊司机身份核验，利用5G网络的大带宽，进行视频验证信息核对，对人员的身份进行管控，可进行强有力的支撑。塔吊启动和运行中必须能反馈塔吊的起重力矩限制器、起重量限制器、高度限位装置、幅度限位器、回转限位器、吊钩保险装置、卷筒保险装置、风向风速仪、钢丝绳脱槽保险、小车防断绳装置、小车防断轴装置和缓冲器等安全装置处于可监控状态， 5G物联网的大连接，结合现代化的塔吊设备，通过视频监控，准确的测算与周边环境的距离可满足整体塔吊安全的管理。

项目现场主要的业务诉求为大带宽结合大连接为主，根据实地调研，需求如表1所示。

2.2 5G 网络特性分析

对项目现场需求的区域从底层到高层均有诉求，本文重点分析5G系统采用波束赋形特性，5G因采用大规模天线，实现了对每类信道和信号的赋形，信号能量更集中，方向性更强。但是相对宽波束（比如LTE波束），窄波束的覆盖范围有限，一个波束无法完整的覆盖小区内的所有用户，也无法保证小区内的每个用户都能获得最大的信号能量，基站设备对各类信道和信号分别进行波束管理，并为用户选择最优的波束，提升各类信道和信号的覆盖性能及用户体验。

根据波束赋形时采用的权值策略不一样，分为如下两类波束：

静态波束：波束赋形时采用预定义的权值，即小区下会形成固定的波束，比如波束的数目、宽度、方向都是确定的。然后根据小区覆盖、用户分布、系统负载等信息，为各类信道和信号选择最优的波束集合。本文主要针对静态波束展开描述。

动态波束：波束赋形时的权值是根据信道质量来计算得到的，会随UE位置、信道状态等动态变化因素调整宽度和方向的波束。

静态波束包括广播波束（SSB）和控制波束，两种波束的性能需求不同，比如对广播波束的覆盖要求更高。默认覆盖场景由水平3dB波宽、垂直3dB波宽、倾角可调范围和方位角可调范围四个要素共同决定。本次应用场景覆盖方案重点设计为静态广播波束的选择。

三、在建超高建筑网络覆盖部署分析

3.1 覆盖能力分析

3.1.1覆盖能力分析

根据密集市区站间距与边缘速率的对应关系，以2.6G频段为例，宏站单小区配置按照发射功率200W@100MHz，上行发射功率26dbm（SA），子帧配置7D：2U，天线为64TR，192阵子进行配置。

网络侧配置：子帧配置： 5ms周期， DDDDDDDSUU， 6：4：4;基站天线配置： 64T64R， 192阵子，天线增益22dbm; 终端天线配置、功率： 2T4R、 26dBm（SA终端）。结论：满足上行5Mbps边缘速率。单小区覆盖能力计算：

按照上述配置，根据3GPP UMA模型进行路损计算，覆盖距离500米时，终端接收电平值为-88dbm，可满足基本的数据业务需求。

以视频监控的需求为例，360度球状摄像头分辨率为1080P，单路摄像头上行带宽需求为5Mbps，因此，以满足边缘上行带宽5Mbps的1080P监控业务考虑，在500m距离情况下可以满足塔吊1路高清视频监控的业务需求。

3.1.2波束选择分析

由于覆盖场景为高层建筑，且覆盖形式为从下往上覆盖，根据天线波束形式，建议选择下图第三种模式，由于需覆盖为超高层，考虑到天线安装和调整因素，选取垂直波瓣角角宽的波束，可带来更好的垂直方向的覆盖效果。

根据波束配置表，本次选取SCENARIO_15，水平垂直波束为25/25°的广播波束配置。

覆盖方式见图1示意：

根据水平与天线挂高，以及不断升高的塔吊高度，结合天线垂直波束波瓣角最大25度，计算天线上倾角如下表4所示：

根据上表计算得出，机械上倾角在调整至32度，可覆盖56～120米范围，在倾角57度的时候，可覆盖120米至510米范围。

为满足一般在建建筑楼宇电梯间等封闭的场景的监控及通信需求，方案采用采用普通AAU自下往上进行覆盖来实现。

3.1.3底层与周边宏站干扰抑制措施

为降低对周边现网宏站干扰并作业务协同，采用高低搭配的整体覆盖满足实现从底层到高层的全景网络覆盖，设计规划如下：

覆盖高度120米以下范围，采用周边既有的宏覆盖基站来满足，通过调整小区的广播波束垂直方向上倾角来实现，整体上来对大楼进行覆盖;覆盖高度在120米高度以上，采用独立向上大的AAU来进行覆盖，对大楼高层进行覆盖，覆盖倾角配置及波束可参考表4。

3.3 站址部署分析

底层宏基站天线高度在覆盖范围内基本保持一致，主要保障天线主瓣方向无明显阻挡;高层覆盖的站址选择需考虑建筑物的形状，以常规建筑物的外观为参考，天线的方向不能与建筑物外观垂直，尽可能的交叉，保障信号能进入建筑物内部。如图2所示：

四、5G网络+智慧建造网络部署架构分析

对于智慧建造应用，广泛的以大带宽和大连接为主，时延性能需求并不是特别大，现场施工对于大量视频以及数据协同的需求，对于算力需求较为突出，可在初期以优享专网模式开通，根据业务需求配置相应的端到端切片资源满足客户业务需求，后期根据业务发展，未来远期根据时延需求将UPF/MEC下沉。

五、总结展望

本文重点分析了面向建造施工阶段2个重点场景应用的网络建设解决方案及网络部署架构，应用5G网络的大带宽，低时延、大连接特性，算力性能的提供，实现了安全监管、场地进入外出管理，塔吊监控等应用的解决，对现阶段现场安全环节管控提供了有力的支撑，随着5G网络的开放和发展，建造行业也将迎来新的革命，当前探索规划决策阶段、全程设计阶段、运维管理阶段等其他环节，结合BIM技术，实现建筑安全质量水平全面提升成为必然趋势。

参 ?考 ?文 ?献

[1]程日涛，李慧君，尧文彬，孙璇. 面向垂直行业的无线网络规划体系与关键技术[C].2019年5G网络创新研讨会，2019（8）.

[2]孟繁丽，程日涛，尧文彬，杨丽，王申. 5G+4G无线网络协同及组网关键技术探讨[J]. 电信工程技术与标准化. 2020（06）.13-18

骆润（1984—），男，汉，陕西泾阳，中国移動通信集团设计院有限公司陕西分公司，中级工程师，研究方向：无线通信规划及设计;

李宗林（1982—），男，汉，陕西延安，中国移动通信集团设计院有限公司陕西分公司，中级工程师，研究方向：无线通信规划及设计;

那日苏（1984—），女，蒙古族，内蒙古呼和浩特市，内蒙古自治区蒙古语言文字研究应用中心，中级工程师，研究方向：移动通信（蒙古文信息化）;

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