輸電線路共享鐵塔5G 天線搭載高度及布置方式研究

樓佳悅，龔堅剛，曹枚根，章李剛，劉燕平，周文俊

（1.浙江華云電力工程設(shè)計咨詢有限公司，杭州 310014；2.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

5G（第五代移動通信系統(tǒng)）是面向未來移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)[1]，包含頻率較高的3.5 GHz 頻段和毫米波頻段[2]，這些頻段傳輸特點決定了5G 通信需要修建大量基站。而支撐基站的鐵塔建設(shè)周期長，費用高，如全部采取新建的方式，將極大增加建設(shè)成本，降低5G 通信組網(wǎng)速度。架空輸電線路鐵塔具有空間分布廣、數(shù)量多、搭載方便等特點，具有與通信塔共建共享的天然優(yōu)勢，將輸電鐵塔資源加以利用，將會大大減少5G 基站鐵塔的建設(shè)費用，解決通信塔與電力塔多塔并立的問題；同時還能極大地減少基站建設(shè)對自然生態(tài)環(huán)境的影響。

輸電線路共享鐵塔是指充分利用電力系統(tǒng)中架空輸電線路的桿塔資源，通過搭載無線通信基站，使電力基礎(chǔ)設(shè)施獲得再利用，輸電線路共享鐵塔在國內(nèi)已經(jīng)有了實際應(yīng)用。2017 年7月，中國鐵塔公司與昆明供電局合作，在220 kV 東郭二回線6 號塔安裝了通信基站和基站天線，這是國內(nèi)對共享鐵塔資源的首次嘗試。2018年3 月20 日，南方電網(wǎng)云南公司與中國鐵塔公司合作，在云南楚雄市東瓜鎮(zhèn)220 kV 鹿紫二回線38 號塔成功安裝了通信基站。在國外同樣也有共享鐵塔的應(yīng)用范例，日本和英國的通信公司也與電力公司深度合作，建成了電力塔共享基站[3]。但這些應(yīng)用只針對某一鐵塔進行天線搭載，皆未系統(tǒng)地研究共享鐵塔天線搭載高度及布置方式，不具有普適性。目前，關(guān)于共享電力鐵塔天線搭載技術(shù)方面的文獻較少，吳新等人介紹了在電力鐵塔加裝天線時的安裝工藝設(shè)計[4]；賴建軍等人對共享電力鐵塔的載荷和電磁干擾進行了簡單評估[5]。上述文獻未對輸電線路共享桿塔的天線搭載高度及布置方式進行深入研究。由于電力鐵塔與通信鐵塔的結(jié)構(gòu)和功能有所不同，本文針對架空輸電線路共享鐵塔的天線搭載高度及布置方式進行了系統(tǒng)研究，分析了5G 移動通信基站天線的結(jié)構(gòu)型式，給出了天線搭載高度與信號覆蓋范圍之間的定量關(guān)系，提出了共享鐵塔天線的布置方式，并得到了110 kV，220 kV 及500 kV 輸電線路共享鐵塔的天線搭載高度、布置方式和最低呼稱高。研究成果對推動我國輸電線路共享鐵塔的建設(shè)和應(yīng)用具有重要作用。

1 5G 移動通信基站天線結(jié)構(gòu)型式

5G 通信基站可以分為宏基站和微基站兩大類[6]（如圖1 所示），宏基站主要用于室外廣覆蓋場景，微基站主要用于室內(nèi)場景、室外覆蓋盲區(qū)或室外熱點等區(qū)域。輸電線路鐵塔一般可考慮共塔架設(shè)宏基站。由于5G 通信信號頻率較高，使得基站天線信號覆蓋面積較4G 大幅減小，基站的數(shù)量會較4G 成倍增加。

與已有通信基站相比，5G 宏基站具有以下顯著特點：

（1）需要新增或者更換機柜。5G 通信技術(shù)的BBU（基帶處理單元）相對前代功能更強，同時功耗也更大[7]，這使得機柜需要更大的空間承載BBU和散熱。

圖1 常見基站類型

（2）更大容量的電源需求?；驹O(shè)備為實現(xiàn)5G 各種優(yōu)異的功能，較大的功耗是不可避免的，這就對電源容量提出了較高的要求[8]。

（3）天線等設(shè)備集成化程度更高。4G 等通信基站的天線和RRU（遠端射頻單元）之間往往通過饋線連接，而5G 通信技術(shù)采用的Massive MIMO 技術(shù)[9-10]促使大規(guī)模的天線陣列和RRU 集成為AAU（有源天線單元），用光纖代替饋線，極大減少了饋線部分的損耗，大大降低了選址難度，但設(shè)備重量會增加[11]。

某典型5G 天線的設(shè)計參數(shù)如表1 所示，天線外觀如圖2 所示。因5G 天線高度不大于1 m，搭載用抱桿尺寸可選為1.5 m。

表1 某典型5G 天線設(shè)計參數(shù)

2 共享鐵塔選擇及天線搭載位置

2.1 共享鐵塔的選取

圖2 5G 天線外觀

輸電線路桿塔是用來支撐架空線路、避雷線和其他附件的塔架結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)材料可分為鋼筋混凝土電桿和鐵塔。鐵塔外形一般有干字型塔、貓頭型塔、鼓型塔和羊頭型塔等[12]。截至2019年10 月，國家電網(wǎng)有限公司已建成110（66）kV 及以上輸電線路長度約103.44 萬km，其中架空輸電線路約94 萬km，各類110（66）kV 及以上輸電線路桿塔約326.9 萬座，資源非常豐富。輸電線路鐵塔雖然分布廣泛，塔源豐富，但適用搭載天線的共享鐵塔與其所處的位置、地形、塔型等因素密切相關(guān)。因此，在選取共享鐵塔時，應(yīng)對以下情況的鐵塔予以排除：

（1）接近或超過設(shè)計使用年限的輸電鐵塔。若額外增加外部負荷，鐵塔存在一定的安全隱患。

（2）20 mm 及以上重覆冰鐵塔。天氣轉(zhuǎn)暖后，脫落的覆冰可能會對通信基站造成撞擊損壞。

（3）區(qū)域核心骨干網(wǎng)架的架空輸電線路和戰(zhàn)略性架空輸電線路鐵塔。

（4）其他功能或位置的特殊線路鐵塔。比如大檔距、大跨越、分水嶺等地形特殊的鐵塔。

（5）位于強風(fēng)地區(qū)、基礎(chǔ)及地質(zhì)條件較差的鐵塔。

（6）易遭受雷擊的桿塔，交通困難區(qū)域的鐵塔。

依據(jù)上述原則可對輸電線路鐵塔能否作為共享鐵塔搭載5G 天線進行初步篩選，此外還應(yīng)充分考慮通信需求及鐵塔呼稱高是否滿足要求。

2.2 天線搭載位置

輸電線路共享鐵塔天線搭載位置主要受鐵塔安裝空間、電氣安全距離、通信信號需求、運行維護等多方面的影響。一般情況下，通信天線在輸電鐵塔上的搭載位置可分為三類情況。

第一類搭載位置：安裝在塔頭段頂部。對同一塔型來說，該類搭載位置的天線是最高的，信號覆蓋范圍也是最廣的，但是缺點也很明顯，一是天線的防雷措施不能依托于輸電鐵塔本身的防雷措施，需要單獨設(shè)置；二是基站運維時需要穿越帶電區(qū)，需要更多安全防范和停電損失等方面的成本投入，存在較大的安全隱患。

第二類搭載位置：搭載在塔頭段身部，位于下導(dǎo)線掛點以上，一般布置在順線路側(cè)的位置。該類搭載位置的天線相對較高，但是該位置也處于線路的導(dǎo)線區(qū)域內(nèi)，一方面面臨相比其他位置更強的電磁場，另一方面同樣導(dǎo)致基站建設(shè)和運維不方便，需要更多安全防范和停電損失等方面的成本投入，存在較大的安全隱患。

第三類搭載位置：搭載在身部，位于下導(dǎo)線掛點以下。一般四個塔身面均可布置，該類搭載位置的天線相對較低，覆蓋面積相對前兩種有所減少，但是該類搭載位置在建設(shè)及運維時對電力線路幾乎不產(chǎn)生影響，在建設(shè)及運維時也會更安全、方便，不僅適用于鐵塔新建搭載，還適用于鐵塔投運后的天線搭載，適應(yīng)性強。

對比上述三類搭載位置，從前期設(shè)計、安裝、后期運維便利及安全的角度出發(fā)，建議將基站天線搭載于鐵塔身部，位于輸電線路帶電部分以下，即第三類搭載位置，并同時滿足天線搭載高度和電氣安全距離要求。圖3 為貓頭型塔、干字型塔、羊頭型塔和鼓型塔4 種典型鐵塔的天線位置搭載示意圖。

2.3 天線布置及安裝方式

圖3 典型輸電鐵塔天線搭載示意

基站天線的布置一般為一層平臺2 個系統(tǒng)共6 副天線，至少也應(yīng)布置1 個系統(tǒng)3 副天線；平臺布置個數(shù)可以依據(jù)鐵塔高度進行調(diào)整，呼稱高小于35 m 的鐵塔可以設(shè)置2 個平臺，呼稱高大于40 m 的鐵塔可以考慮設(shè)置3～4 個平臺；平臺間隔應(yīng)達到3 m[13]；平臺承重每層應(yīng)考慮6 副天線及6 個直流遠供模塊；在多運營商同時搭載時，建議各運營商天線按照每個平臺分別放置，每個平臺安裝一家運營商的天線[14]。

結(jié)合輸電鐵塔的特點，本文推薦以下針對角鋼塔的幾種布置方式[15]：

（1）采用夾板直接加掛設(shè)備支架，天線通過支架連接，如圖4 所示。這種方式對塔的改動最小，是一種常規(guī)通信塔也經(jīng)常采用的連接方式。但該方式一般只能布置在3 根桿塔主材方向（腳釘腿主材為保證運維攀塔，不建議布置），3 副天線之間的夾角分別為90°，90°，180°，不能形成角度均勻的扇區(qū)，且一層平臺只能布置3 副天線。

圖4 天線通過支架搭載示意

（2）通過在塔身搭建擴展平臺搭載天線，如圖5 所示。這種方式較復(fù)雜，但可在塔身四個面布置天線，若塔身寬度和強度能滿足要求，一個面能布置2 副或以上的天線，且布置方式靈活，可以一定范圍調(diào)整，能形成角度均勻的扇區(qū)。

圖5 天線通過擴展平臺搭載示意

（3）上述兩種形式的混合，同時在鐵塔主材和斜材支架上布置，可兼具兩者的優(yōu)點。

以上天線的布置方式，與平臺的可布置范圍、通信公司要求覆蓋的方位角、干擾隔離距離、鐵塔強度等有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，合理設(shè)計布置及連接方式。

3 共享鐵塔天線搭載高度的影響因素

3.1 天線信號覆蓋半徑

通信信號覆蓋半徑需求是天線搭載高度的決定性因素，本文根據(jù)通信信號的鏈路預(yù)算及傳播模型推演了二者之間的定量關(guān)系。

3.1.1 5G NR 3.5 GHz 頻段鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的一項重要工作，也是評估無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的關(guān)鍵。通過對系統(tǒng)中下行（或前向）和上行（或反向）信號傳播途徑中各種影響因素進行考察，在滿足業(yè)務(wù)質(zhì)量需求的前提下，選擇適當(dāng)傳播模型對系統(tǒng)的覆蓋能力進行估計，以獲得保持一定通信質(zhì)量下鏈路所允許的最大傳播損耗[16-17]。MAPL（最大允許路徑損耗）如式（1）所示：

式中：PLmax為最大允許路徑損耗；PTX為基站發(fā)射功率，上行時為基站接收功率；Lf為饋線損耗；GTX為基站天線增益；Mf為陰影衰落和快衰落余量；Mt為干擾余量，上行取2 dB，下行取7 dB；GRX為手機天線增益；Lp為建筑物穿透損耗；Lb為人體損耗，一般取為3 dB；SRX，下行時為手機接收靈敏度，上行時為手機發(fā)射功率。

3.1.2 5G NR 3.5 GHz 頻段的傳播模型

鑒于高壓鐵塔的位置分布，本文選擇基于3GPP 中規(guī)定的5G NRRma-NLOS（農(nóng)村宏蜂窩）傳播模型[18-19]，模型如式（2）所示：

式中：PLRma-NLOS取為上節(jié)中求得的最大允許路徑損耗；W 為街道寬度；h 為平均建筑物高度；fc為工作頻率；hBS為基站天線有效高度；hUT為移動臺天線有效高度，此處設(shè)為2.5 m；d2D為基站天線與移動臺天線直線距離。式（3）的傳播路徑如圖6 所示。

圖6 信號3D 傳播路徑示意

具體天線掛高的確定可參考以下步驟：

（1）確定基站天線的發(fā)射功率、增益和接收靈敏度等基礎(chǔ)參數(shù)。

（2）確定天線所需要覆蓋的地區(qū)，從而判斷穿透損耗、干擾余量等的取值。

（3）由式（1）計算出最大路徑允許損耗PLmax，進而通過信號的傳播模型（2）確定出天線覆蓋半徑（掛高已知）或者天線掛高（覆蓋半徑已知）。

以表2 中的下行模擬參數(shù)為例，天線發(fā)射功率設(shè)為240 W，根據(jù)最佳的手機接收靈敏度（-90 dBm），及其不同高度下的路徑損耗值，可分別計算天線掛高在20 m，30 m，40 m，50 m 下的覆蓋范圍，如表3 所示。

表2 5G 通信天線信號覆蓋模擬參數(shù)取值

表3 天線掛高及覆蓋半徑關(guān)系

由表3 可知，當(dāng)手機接收靈敏度均為-90 dBm時，隨著天線安裝位置增高，覆蓋半徑增大。確定天線搭載位置時需綜合考慮通信信號范圍覆蓋需求。在滿足最佳手機靈敏度-90 dBm 的情況下，如覆蓋半徑不小于700 m，在搭載多平臺的情況下，最下層天線平臺的安裝高度最小為20 m。建議選用呼稱高應(yīng)大于20 m 的鐵塔作為共享鐵塔。

3.2 天線電氣安全距離

通信天線安裝在輸電鐵塔上時，需與帶電體保持安全距離，以保證設(shè)備正常工作及后期維護設(shè)備時人員的安全，因此，電氣安全距離也是影響天線掛高的重要因素。電力行業(yè)表征電氣安全距離的指標(biāo)是電氣間隙值，分為工頻電壓間隙、操作過電壓間隙、雷電過電壓間隙及帶電作業(yè)安全距離。各間隙值計算方式如下[20-21]：

（1）工頻電壓間隙

式中：U50%，pf為工頻放電電壓；Um為系統(tǒng)最高運行電壓（峰值）；Ka為海拔修正系數(shù)；H 為海拔高度；m 為海拔修正因子，在不同工況下取值不同，此處取1；Dpe，pf為待求間隙值。

（2）操作過電壓間隙

式中：U50%，pf為操作放電電壓；Usf為沿線2%統(tǒng)計操作過電壓；m 可按照圖7 所示曲線a 來確定；Dpe，sf為待求間隙值。

圖7 海拔修正因子與放電電壓的關(guān)系

（3）雷電過電壓間隙

式中：U50%，ff為雷電放電電壓；U50，is，ff為絕緣子串50%雷電沖擊放電電壓；k 為配合系數(shù)，GB 50545—2010規(guī)定對750 kV 線路取0.8[22]，GB/T 50064—2014 規(guī)定對110～500 kV 線路取0.85[23]；m 此處取1；Dpe，ff為待求間隙值。

（4）帶電作業(yè)安全距離

式中：U90%，1W為帶電作業(yè)放電電壓；ks為統(tǒng)計安全因子，可取1.1；ke為相地2%統(tǒng)計過電壓倍數(shù)；Us為系統(tǒng)最高運行電壓（有效值）；Dpe，1W為待求安全距離；kt為國標(biāo)中帶電作業(yè)工況下的綜合因子，kt=kdkgka，其中kg為間隙系數(shù)，取1.0～1.2；kd為標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)，取0.936；ka為海拔修正系數(shù)，具體取值可參考GB/T 19185—2008。在計算時，還應(yīng)考慮增加0.5 m 人體活動范圍。

若將電力鐵塔最下層橫擔(dān)位置作為基準(zhǔn)，則電氣安全距離還應(yīng)包括絕緣子串長，在預(yù)留一定安全裕度的情況下，綜合上述各電氣間隙值，經(jīng)計算可以得到部分電壓等級線路在海拔1 000 m以下時的電氣安全距離要求，如表4 所示。

4 共享鐵塔最低呼稱高的確定

輸電鐵塔最低呼稱高決定了是否可搭載天線及天線搭載層數(shù)。由圖8 某典型共享鐵塔搭載多層天線示意圖可知，在已知某共享鐵塔搭載天線層數(shù)時，由電壓等級可確定橫擔(dān)距離最上層天線的電氣安全距離，再根據(jù)式（8）可得到共享鐵塔最低呼稱高。

表4 不同電壓等級天線安全距離要求

式中：H 為共享鐵塔呼稱高；H0為天線最低安裝高度，由前文知，可取為20 m；h 為每層天線的平臺高度，該高度與天線抱桿長度和干擾隔離信號要求有關(guān)，其中抱桿尺寸由通信設(shè)備尺寸決定，典型的5G 天線高度一般不大于1.5 m，干擾隔離信號要求距離按0.5 m 考慮，則每層平臺高度可取為2 m；n 為天線層數(shù)；h0為平臺間距，可取為3 m；Δ 為電氣安全距離，與共享鐵塔的線路電壓等級有關(guān)。

圖8 共享天線搭載多層天線示意

由式（8）可得到不同電壓等級共享鐵塔最低呼稱高。表5 列出了110 kV，220 kV 及500 kV等3 種典型電壓等級輸電線路鐵塔上加裝通信天線的最低呼稱高要求。

表5 不同電壓等級鐵塔搭載天線呼稱高要求

5 結(jié)論

通過開展架空輸電線路共享鐵塔天線搭載方式、位置及搭載高度的研究，得到以下幾點結(jié)論，相關(guān)成果對輸電線路鐵塔的共建共享具有很好的參考價值。

（1）提出了輸電鐵塔天線安裝高度的確定方法?？筛鶕?jù)鏈路預(yù)算和傳播模型得到天線搭載高度與信號覆蓋半徑之間的關(guān)系，根據(jù)通信信號的需求定量計算天線最低搭載高度。

（2）開展了輸電線路共享鐵塔天線的安裝位置及布置方式研究，建議優(yōu)先選用塔身搭載通信天線的方案。工程中可以采用加掛設(shè)備支架或搭建擴展平臺的方式搭載天線，天線平臺層數(shù)與鐵塔呼稱高緊密相關(guān)。

（3）提出了輸電線路共享鐵塔最低呼稱高的計算公式，計算得到了110 kV，220 kV 及500 kV輸電線路共享鐵塔的最低呼稱高，實際工程中可根據(jù)通信信號覆蓋半徑的要求參考選用。