5G無(wú)線(xiàn)通信基站共享電力桿塔應(yīng)用

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摘要:將5g無(wú)線(xiàn)通信基站安裝在電力線(xiàn)桿塔上，可以通過(guò)電力線(xiàn)路桿塔共享促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)和通信公司的互利共贏。重點(diǎn)討論了5G基站的新架構(gòu)，分析了把基站應(yīng)用到電力桿塔上應(yīng)考慮的供電、接地、安裝等問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞:5G通信;基站;電力桿塔;共享

隨著從4G到5G的網(wǎng)絡(luò)制式演進(jìn)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信容量及傳輸性能的要求也越來(lái)越高。基站作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心設(shè)備之一，其硬件架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)、工作模式等也在不斷演進(jìn)。未來(lái)5G將面向4K/8K規(guī)頻、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等多應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)信息傳輸速率、傳輸延遲、用戶(hù)吞吐量和系統(tǒng)容量等都有較高的要求，必將進(jìn)一步推動(dòng)基站架構(gòu)的演進(jìn)［1-2］。目前5G的市場(chǎng)推廣應(yīng)用中面臨著工程安裝難度大、站點(diǎn)獲取困難、頻譜碎片化等3大痛點(diǎn)。隨著站點(diǎn)加密，城市中站址獲取會(huì)越來(lái)越困難，農(nóng)村又缺少高層建筑用于安裝天線(xiàn)，所以將無(wú)線(xiàn)基站天線(xiàn)建在電力線(xiàn)桿塔上將會(huì)成為一種趨勢(shì)。這種桿塔共享方式可以充分利用電網(wǎng)輸電線(xiàn)路覆蓋面廣的特點(diǎn)，既能夠共享資源、節(jié)約建設(shè)成本，又解決了站點(diǎn)獲取問(wèn)題，在保障雙方設(shè)備既融合又并行獨(dú)立的基礎(chǔ)上，積極帶動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為電力行業(yè)帶來(lái)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

15G基站的新架構(gòu)

1．1架構(gòu)演變

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)要面向多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，要滿(mǎn)足超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等需求。這些多樣化的需求驅(qū)動(dòng)著面向5G的基站結(jié)構(gòu)進(jìn)一步重構(gòu)。首先，基站架構(gòu)將向CloudRAN演進(jìn)。5G的居民接入網(wǎng)(ResidentialAccessNetwork，RAN)網(wǎng)絡(luò)將從4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的基帶單元(BasebandUnit，BBU)、射頻單元(RemoteRadioUnit，RRU)兩級(jí)結(jié)構(gòu)演進(jìn)到集中單元(CentralizedUnit，CU)、分布單元(DistributeUnit，DU)和有源天線(xiàn)處理單元(ActiveAntennaUnit，AAU)3級(jí)結(jié)構(gòu)。BBU的非實(shí)時(shí)部分將分割出來(lái)，重新定義為CU，負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù);BBU的剩余功能重新定義為DU，負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù);BBU的部分物理層處理功能將與原RRU合并為AAU［3］。其次，基站要具備CloudAIR演進(jìn)能力，在3G以下頻段引入CloudAIR實(shí)現(xiàn)并發(fā)LTE和5G。

1．2站點(diǎn)形態(tài)

隨著基站架構(gòu)的演變，基站設(shè)備形態(tài)也面向5G演進(jìn)［4］。熱點(diǎn)部署大規(guī)模天線(xiàn)，3．5GHz頻段的高頻釋放熱點(diǎn)流量，1．8GHz頻段的低頻提供無(wú)處不在的覆蓋。高頻覆蓋的微站為宏站提供高流量卸載;低頻覆蓋的宏站負(fù)責(zé)控制和管理數(shù)據(jù)，保持連接、覆蓋、移動(dòng)性及容量。典型的5G站點(diǎn)形態(tài)如圖1所示。

25G基站的應(yīng)用背景及理論依據(jù)

2．1應(yīng)用背景

5G利用更高的頻率組網(wǎng)，理論上需要更密的基站覆蓋。因?yàn)楦哳l信號(hào)衰落快，相鄰小區(qū)之間的干擾會(huì)大大降低，適合超密集組網(wǎng)。截至2018年上半年，3大運(yùn)營(yíng)商合計(jì)建設(shè)4G宏站417萬(wàn)個(gè)，在完成目前4G覆蓋效果的目標(biāo)下，保守估計(jì)，5G基站數(shù)量將會(huì)是現(xiàn)有4G基站數(shù)量的1．2～1．5倍。通信頻率與基站覆蓋范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。為了解決5G的深度覆蓋問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商需要建設(shè)大批的微站。在城市，由于5G通信基站密度越來(lái)越高，站址密、選址難，需要鐵塔公司進(jìn)一步合理規(guī)劃站址，降低選址難度;在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，施工難、成本高，需要進(jìn)一步縮短建設(shè)工期，有效控制成本;而電網(wǎng)輸電線(xiàn)路在全國(guó)廣泛分布，縱橫交錯(cuò)，大量的電力桿塔資源為行業(yè)間的資源整合提供了可實(shí)施的方案。

2．2理論依據(jù)

綜合考慮架設(shè)方式、桿塔高度和周邊環(huán)境等因素，110kV以上的輸電桿塔可作為5G基站宏站的共享資源。首先，從高壓輸電線(xiàn)路與無(wú)線(xiàn)通信基站的電磁兼容性角度考慮，輸電線(xiàn)路工作頻率為50Hz，產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響為工頻電磁場(chǎng)，而無(wú)線(xiàn)通信基站的工作頻率在30MHz以上，產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響為射頻電磁場(chǎng)，顯然這2個(gè)系統(tǒng)的工作頻段不會(huì)發(fā)生交叉。另外，根據(jù)實(shí)際測(cè)試，高壓輸電線(xiàn)路的高頻諧波干擾主要集中在1～30MHz，對(duì)頻率為800MHz和1800MHz的無(wú)線(xiàn)電干擾處于可忽略的數(shù)量級(jí)［5］。其次，電壓等級(jí)為110kV和220kV的輸電桿塔主要為直立式桿塔，按照結(jié)構(gòu)類(lèi)型可分為角鋼塔、鋼管塔和鋼管桿。根據(jù)電力設(shè)計(jì)院《電力鐵塔加掛基站天線(xiàn)試點(diǎn)實(shí)施專(zhuān)題報(bào)告》，加掛通信設(shè)備對(duì)桿塔桿件受力影響較小，引起的應(yīng)力比變化大概在1%～2%之間［6］。

35G基站的實(shí)際應(yīng)用

3．1電力供電

5G高頻超密組網(wǎng)對(duì)站址、桿塔、電源配套等資源配置提出了較高的要求，其中首先要求外電容量高。如隨著5G基站集成度提高，5G設(shè)備系統(tǒng)功耗相當(dāng)于4G設(shè)備系統(tǒng)功耗的3～4倍。獨(dú)家5G外市電需求為6kW，移動(dòng)、電信、聯(lián)通3家5G需求共18kW，如果采用集中遠(yuǎn)供方式進(jìn)行配電則線(xiàn)纜損耗大。5G和4G主設(shè)備功耗分析如表2所示。移動(dòng)通信基站需要380V三相交流電或220V單相交流電為其供電，當(dāng)共享鐵塔位于配電網(wǎng)供電范圍之內(nèi)時(shí)，可直接引入市電為基站供電，即電力桿塔基站設(shè)備可以直接通過(guò)低壓電力網(wǎng)絡(luò)供電。低壓饋電線(xiàn)路從公用低壓網(wǎng)絡(luò)將電能耦合進(jìn)來(lái)，然后通過(guò)直埋電纜與電力線(xiàn)鐵塔下的饋電機(jī)柜連接，也可以采用架空電纜的方式，或者遵從電力公司的防護(hù)要求，選用其他合適的連接電纜。典型的連接距離為30～60m，中間通過(guò)絕緣變壓器使桿塔附近地電位升高區(qū)域與周?chē)綦x開(kāi)來(lái)。若共享鐵塔處于較偏遠(yuǎn)地區(qū)，無(wú)法直接從公共電網(wǎng)引入一路380V/220V交流電路，基站設(shè)備可以從中壓電力網(wǎng)絡(luò)供電，通常為10～20kV。10kV及以上等級(jí)的中壓電纜需要定制不帶金屬屏蔽層的電纜，因?yàn)槠湫揪€(xiàn)本身能夠提供更高等級(jí)的對(duì)地絕緣。如果是220kV及以上等級(jí)的高壓電纜進(jìn)行電力供電，因其屬于典型的3個(gè)單芯電纜，可以滿(mǎn)足絕緣要求。中壓電纜連接典型長(zhǎng)度距離電力線(xiàn)鐵塔至少50m以上，中間通常需要使用中/低壓變壓器作為隔離變壓器。大功率單相變壓器可以從中壓輸電線(xiàn)路取電后直接供給基站，也可以與蓄電池、光伏電池等組合在一起，共同為基站提供穩(wěn)定用電。

3．2接地布置與防雷措施

對(duì)于安裝在電力鐵塔上的無(wú)線(xiàn)通信基站，要因地制宜做好接地布置，以保障設(shè)備的安全和正常運(yùn)行［7］。饋電機(jī)柜和設(shè)備機(jī)柜、天線(xiàn)側(cè)設(shè)備和電源線(xiàn)、電力桿塔及避雷針等都要做好規(guī)范接地。饋電機(jī)柜不論是在設(shè)備機(jī)柜附近還是內(nèi)部，都應(yīng)共用同一個(gè)接地系統(tǒng);這個(gè)接地系統(tǒng)再通過(guò)橫截面積35mm2以上的銅線(xiàn)與電力桿塔地相連。如果機(jī)柜距離桿塔較近，還需單獨(dú)與深埋地下的接地電極相連。用來(lái)連接基站設(shè)備機(jī)架和天線(xiàn)的同軸電纜，其外層屏蔽層除了要與天線(xiàn)金屬部件和設(shè)備機(jī)架連接，還要與電力線(xiàn)鐵塔連接，并一起接地?；窘拥鼐W(wǎng)與電力桿塔接地網(wǎng)間必須每隔3～5m相互連接一次，至少有2處相互連接，以便形成統(tǒng)一的接地網(wǎng)。目前電力鐵塔上除了導(dǎo)地線(xiàn)以外，還要做好防雷措施。5G基站天線(xiàn)側(cè)設(shè)備簡(jiǎn)化后，不必再考慮RRU與天線(xiàn)間饋線(xiàn)的防雷措施，只要將5GAAU安裝在導(dǎo)線(xiàn)下方，新增的通信設(shè)備和天線(xiàn)在遭受雷擊時(shí)，處于電力鐵塔避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成過(guò)電流或過(guò)電壓的現(xiàn)象。避雷針要直接接到大地地網(wǎng)上，防止雷擊時(shí)基站地電位反擊影響基站室內(nèi)設(shè)備安全。如果基站天線(xiàn)包含GPS衛(wèi)星天饋系統(tǒng)，可用來(lái)接收來(lái)自GPS的衛(wèi)星接收信號(hào)，作為時(shí)鐘同步。施工方案是GPS天線(xiàn)不上塔或上塔不超過(guò)10m，GPS饋線(xiàn)全程絕緣，不用接地，只在BBU側(cè)的GPS避雷器處接地，GPS避雷器可放在機(jī)柜頂部或扎綁帶放在機(jī)柜側(cè)面。如果GPS天線(xiàn)上塔超過(guò)10m，則避雷器需用接地線(xiàn)接地或用饋線(xiàn)接地夾在離避雷器1m范圍內(nèi)接地。

4結(jié)語(yǔ)

為了大幅提升用戶(hù)吞吐量和系統(tǒng)容量，5G通信技術(shù)探求在更高頻率上獲得更大帶寬。超密集組網(wǎng)解決了信號(hào)覆蓋范圍和質(zhì)量的要求，但與此同時(shí)也帶來(lái)了站點(diǎn)密集、選址困難的問(wèn)題。本文通過(guò)分析5G移動(dòng)基站的新架構(gòu)以及運(yùn)行可行性，提出5G無(wú)線(xiàn)基站共享電力桿塔資源的建設(shè)方式。對(duì)施工過(guò)程中涉及的饋電、接地和防雷措施等給出了具體的解決方案及注意事項(xiàng)。

參考文獻(xiàn):

［3］曾毅．5G承載網(wǎng)的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)探討［J］．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2018(11):52-56．

［4］張曉江．5GNR基站部署規(guī)劃研究［J］．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2019(3):12-15．

［5］曾挺?。?10kV戶(hù)內(nèi)變電所對(duì)環(huán)境電磁和無(wú)線(xiàn)電干擾影響的評(píng)析［J］．華東電力，2002(2):9-10．

［6］吳新，何興國(guó)，周峰．電力鐵塔上安裝移動(dòng)天線(xiàn)的工藝設(shè)計(jì)［J］．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2007(2):39-42．

［7］申毅，柏世剛，袁偉．移動(dòng)通訊基站防雷接地技術(shù)探析［J］．通信電源技術(shù)，2018(3):230-231．

作者：孟逢逢 劉洪利 單位：上海電力大學(xué)