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5G独立智能杆

Heba Y. M. Soliman

塞得港大学

电气工程系

埃及塞得港

hebayms@eng.psu.edu.eg

摘要—本文提出了一种在5G技术框架下运行的能源独立型智能杆的模型。 描述了智慧城市运营所需的传感器类型。提出了用于灯杆运作的合适的可持续能源。

关键词：可持续智慧城市，独立智能杆。

1. 引言

预计到2020年，城市中将有2000万辆电动汽车，而全球三分之二的人口将居住在城市中^[1]。到2050年，城市将消耗80％的能源，排放75％的CO2和消耗75％的原材料^[2]，根据预期，智慧城市概念必不可少。更有效的服务和资源可持续性是这个时代所需要的，为了提供所需的服务，需要依靠强大的无线网络连接。城市正在寻求智能治理、智能教育、智能医疗保健、智能建筑、智能移动性、智能基础设施、智能能源、还有智能公民^[3]。为了实现城市所追求的目标，有必要在城市环境中混合无线设备。Frost and Sullivan研究预测：智慧城市的市场潜力约为1.5万亿美元^[4]，智能城市的趋势将推动未来几十年的城市发展，并将带动存储、多能源网络、智能设备和新商业模式的需求发展。

与4G LTE网络相比，5G无线通信的卓越之处在于可提供更高的数据速率，增加基站容量以及提高用户服务质量（QoS）。先前列出的改进的5G无线系统有望成为智能城市的绝佳技术保护伞。5G将提供高移动性、极限网络致密化，减少辐射、减少信号丢失，大规模MIMO和对物联网IoT的大规模支持等服务。提供这些服务将帮助城市规划者为智慧城市设想长期目标^[5]。

智能灯杆可以被认为是远程管理杆，其中包含的技术可以改善整个智能城市的移动网络性能^[6]，它也可以被视为物联网的数字房地产。在一条灯杆上提供所有合适的服务，将减少由于远程管理而导致的维护成本，并有助于城市提高能源可持续性。这些多功能灯杆可以创造空间，并在视觉和操作上改善环境。从可持续发展的角度来看，这些灯杆最好是100％可回收的，并使用可再生能源^[7]。预计在全球范围内将安装7300万个智能杆。从建筑的角度来看，智能灯杆还应该美化城市街道。灯杆制造公司（例如Continental Pole和Lighting）能制造具有美感的智能杆。图1是智能灯杆的模型^[8]。

图 1 Continental Pole and Lighting公司制造的智能杆[8]

在本文中，我们提出了一个5G独立智能杆产生能量的模型，该模型提供了无线基础设施来支持城市的数字化转型。介绍了智能城市运行所需的传感器规格。太阳能电池板和风力涡轮机是智能杆运行的可持续能源。

第二节介绍了5G智能杆的概念。第三节介绍了连接到智能杆上所需的传感器，列出了它们的可用物理尺寸和电气要求，以检查将其用于构建智能电线杆的可能性。在第四节中，展示了作为可持续能源的太阳能电池板和风力涡轮机。第五节是智能杆的推荐连接装置。

1. 5G智能杆

智能杆是可持续智慧城市系统的可持续能源智能子系统。我们对智能杆的愿景是以它作为5G接入点。5G将为高移动性、最高网络密度以及物联网（IoT）支持提良好服务。提供具有这些功能的服务可帮助城市规划人员规划智慧城市。5G智慧城市解决方案可通过减少能源使用、交通拥堵和燃料成本，节省1600亿美元。5G可以满足智慧城市日益增长的需求所带来的许多重要要求^[5]，例如连接更多传感器和设备的能力，以及高速连接性、超低功耗性和更高的可靠性。

5G的网络部署涉及的小蜂窝位置是4G的10到100倍，为这些大量所需的小型基站构建单独的杆件效率不高，多功能智能杆可以在其他传感器旁边携带这些基站。如今，已有重量轻于2.8 kg且尺寸分别为27、20、6.5厘米的灵活而坚固的集成室外小型基站，从而可以轻松地将一个或多个小型基站安装到智能杆上^[9]。

为了获得最佳的服务质量和电池寿命，用户需要尽可能靠近基站，同样，随着手机到基站的距离减少，来自手机的辐射也会减少。根据5G标准的要求，在9至15米的高度上，基站到基站的距离预计在100-300 m的范围内。智慧城市控制系统可提供基于位置的服务和用户密度估算，从而可以感知市民智能手机与智能电线杆之间的距离。

智能杆的基本组成部分有5G接入点、太阳能板、风力涡轮机系统（作为电能来源）、各种传感器、电池、承载产生数据的光纤。5G基站应置于智能杆内，电池应放在易于维护的机柜中。用于遮罩5G基站的遮罩材料应具有适当的RF透明度，使用寿命长。

1. 智能杆传感器

3.1 空气质量传感器：

由于可持续智慧城市应尽可能保持清洁，因此环境传感器（例如空气传感器）对于测量污染水平非常重要，有重量小于12.5公斤，最大尺寸为62 x 32 x 55cm的完整的空气质量监测系统。图2是Aeroqual AQS1空气质量监测系统，它可以测量挥发性有机化合物（VOC）、环境臭氧（O₃）和二氧化氮（NO₂）的百分比，可以在稳压的12 VDC（21W / 30W）^[10]上运行。

图 2 Aeroqual AQS1空气质量监测系统

3.2 安全摄像头：

在公共场所和私人场所，安全都是一项至关重要的挑战。通过将摄像机安装到智能杆上，我们可以在交通分析中获得许多安全优势和进步，从而帮助我们使城市真正变得智能。有各种规格不同的相机，智能杆相机的最重要特性是重量轻、分辨率高和功耗低。图3是Reolink摄像机^[11]。它是小型（7.1 x 7.1x 3.4厘米）Wi-Fi无线摄像机，具有连接至太阳能电池板以保持不停机运行的能力。

图 3 Reolink无线摄像机

3.3 音频扬声器：

用于发布公告的音频扬声器也可以嵌入智能杆中，灯杆内部可以嵌入多种扬声器。Feonic ^[12]是来自该领域的领先制造商。尺寸为14.1 x 5.7 x 5.6厘米，频带60 Hz至20KHz的扬声器是合适的。图4是Feonic制造的音频扬声器。

每个杆中都有一个对讲机的连接到控制室；在紧急情况下，每根杆上的扬声器和麦克风可能会有所帮助；在危险情况下，可以使用一键触摸按钮连接到控制室。

图 4 Feonic音频扬声器

3.4 LED光源：

发光二极管（LED）已经使用了多年，主要是用于在电子行业中用于安装在电路板上的指示灯。亮度的提高，生产成本的降低，以及各种颜色的可用性，使得LED在建筑，商业和工业应用^[13]中成功地取代了旧灯具。LED灯可节省50％的电能消耗，但随着时间的推移，LED路灯会慢慢退化，其寿命是根据预计的光线达到其原始亮度（称为L70）的70％所需的时间来计算的，如果每天运行10个小时，则通常为5万小时或13.7年。LED灯可提供多种光分布类型，其功率要求30瓦，以兼容太阳能电池板^[14]（如图5的LED灯实例）。因此，LED灯可使照明污染的水平最小化并且提供了合适的照明水平。好的公共照明解决方案可以为城市提供基本的安全。所选的LED灯类型将根据道路宽度和类型而变化。

LED显示屏可作为付费广告，这可能对城市管理系统产生巨大的经济效益。

1KW交流电/太阳能充电设备尤其适用于停车场，需要220VAC的工作电压和10至30 A的输出电流。并且，充电电压支付卡兼容性也有望带来经济利益。

图 5 LED灯

1. 太阳能发电系统和风力涡轮机

太阳能发电系统是一种可再生能源，通过光伏电池板利用阳光发电，所产生的电能可由所连接的负载直接使用，也可储存供今后使用^[15]。我们必须使用太阳能电池板产生足够的电力，以使连接的传感器正常工作。智能灯杆太阳能系统应包括这些主要部件：太阳能光伏电池板、太阳能充电控制器，以调节电池的电压和电流、电池储存能量，提供给连接的负载和传感器。图6是太阳能电池板系统。

图 6 太阳能电池板系统

太阳能电池板可以由不同的材料制成。砷化镓^[16]太阳能电池板是最受欢迎的，因为它对热不太敏感，保持其温度低于最高允许温度可以使其寿命从30年增加到50年。光伏面板(Pt)每天所需提供的总电能约等于必须传递给所有连接传感器的总电能的1.3倍（考虑能量损失）。光伏太阳能电池板所需的尺寸将取决于Pt和电池板生成因子PGF，PGF在不同城市之间的差异取决于每天的平均日照时数。在埃及开罗，PGF在7到8之间。用PGF分割Pt将给出PV板所需的总瓦特峰值，然后，根据商用面板的数据表，可以估计所需的大小，这些面板可以置于杆顶或周围的外部区域。图7是太阳能电池板的可能形态。

图 7 太阳能电池板的可能形态

在我们的系统中推荐使用的电池是深循环电池^[17]，这种类型的电池可以放电到非常低的能量水平，并迅速充电。它应该足够大，可以储存夜间和阴天的有效能量，并置于电线杆旁边的地下。电池的安培小时容量取决于Pt，以及系统在没有光伏发电的情况下工作的天数和标称电池电压。太阳能充电控制器应该有足够的容量来处理来自光伏电池板的电流。

此外，风力涡轮机作为其他电能来源，可以嵌入到智能灯杆。垂直轴风力涡轮机VAWT是相对紧凑和美观的^[18]（见图8）。它被设计成允许风在任何角度或方向上被捕捉，与水平轴风力涡轮机不同，VAWT不需要放置在高空中，这使它有一个很好选择就是在屋顶安装。垂直轴风力涡轮机几乎是无声的，这进一步增加了它在城市设施中的优势，并且可在300W，1.5KW和3KW系统中使用。带有太阳能电池板的VAWT为智能杆提供了足够的电源，任何多余的电力都可以通过智能电网技术输送到电网。智能电网对于城市地区能源的可持续管理尤为重要，它们要求电力市场的所有组件相互通信，并将大型和小型分散发电单元和消费者纳入一个整体结构。智能电网通过确保只产生与实际需要一样多的电力来调节发电并防止网络过载^[19]。此外，可以使用需求管理过程来最小化峰值和平衡能源供应。智能电网是智能城市最重要的组成部分之一，必须有一个计划来发挥它的作用，以拥有一个真正的智能城市。

图 8 垂直轴风力涡轮机VAWT

1. 智能杆中推荐的内部连接

智能杆的内部结构应适用于嵌入式传感器、适配器、转换器和电池的电气连接。智能杆的大多数标准尺寸适用于传感器及其电气连接的外壳，还必须为光缆提供合适的外壳。整个城市的光纤网络确保了强大的连通性，并使城市能够适应未来的技术，它还将有助于建立政府部门、城市基础设施和指挥控制中心之间的联系。图9是智能杆中提出的连接。

图9. 智能灯杆中推荐的电气连接方式

参考文献

[1] A Connected Light Source that Improves Communication Across The City, Philips White Papers.

[2] R. Lea,” Smart Cities: An Overview of the Technology Trends Driving Smart Cities”, IEEE White Papers, March 2017.

[3] A. Ligo,” Is it Cost Effective to Share Roadside Infrastructure for Internet Access?” IEEE 85th Vehicukar Technology Conference, June 2017.

[4] R. Dunning,” Automated Lighting System for Park Pathways,”Systems and Information Engineering Design Symposium, April 2017.

[5] M. Agiwal, “ Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 18, No. 3, Third Quarter, 2016.

[6] B. Gholampooryazdi, “ Scenario Planning for 5G Light Poles in Smart Cities,” Internet of Things Business Models, Users and Networks Conference, Nov. 2014.

[7] L. Manholm,” Deployment Considerations for 60 GHz Backhaul Using Smart Street Furniture”, 9th European Conference on Antennas and Propagation, April 2015.

[8] www.continentalpole.com

[9] Small Cell Technology, Big Business Opportunity, Ciena White Paper.

[10] Aeroqual AQS1 U

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