移動(dòng)基站共址高壓輸電鐵塔的應(yīng)用研究

賴建軍　黃有為　孫敏　張帆　池玉寶

摘要：為了探索在電力鐵塔上共址建設(shè)移動(dòng)通信基站的可行性，針對(duì)廣深高鐵實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)家電力設(shè)施相關(guān)要求，研究了移動(dòng)基站架設(shè)在某區(qū)段電力鐵塔上的工藝要求，并進(jìn)行了荷載和電磁干擾評(píng)估。基站建成后，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，新建共址基站滿足覆蓋要求且運(yùn)行良好，驗(yàn)證了在電力鐵塔上共址移動(dòng)通信基站建設(shè)思路的可行性。

關(guān)鍵詞：高壓輸電鐵塔 移動(dòng)基站 共址建設(shè)

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)的飛速發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)[1]，三大運(yùn)營(yíng)商紛紛加大了對(duì)移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入，并逐漸把經(jīng)營(yíng)模式從傳統(tǒng)的語(yǔ)音經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)換到流量經(jīng)營(yíng)。而TD-LTE作為中國(guó)移動(dòng)主推的4G技術(shù)[2-4]，擁有高峰值數(shù)據(jù)速率、高小區(qū)邊緣速率、高頻譜利用率等特點(diǎn)，是中國(guó)移動(dòng)四網(wǎng)協(xié)同發(fā)展的重要組成部分。因此，大力推進(jìn)TD-LTE技術(shù)的發(fā)展，是中國(guó)移動(dòng)面向未來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。

與此同時(shí)，站址資源逐漸成為移動(dòng)基站建設(shè)的首要難題，選址問(wèn)題越發(fā)突出，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：選址費(fèi)用較高，業(yè)主通常會(huì)以自身為優(yōu)先考慮，選址難度較大；存在業(yè)主同意，但周邊居民反對(duì)的情況，建站阻力較大，協(xié)調(diào)難度極大；由于城市發(fā)展速度較快，規(guī)劃站點(diǎn)位置往往已有其他城市規(guī)劃，選址周期加長(zhǎng)；部分政府機(jī)關(guān)、軍區(qū)、學(xué)校用地流程審批繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，選址周期加長(zhǎng)等[5]。各種各樣的選址困難不僅嚴(yán)重拖慢了移動(dòng)基站建設(shè)的進(jìn)度，而且造成了建設(shè)方建站成本的大幅上升，選址問(wèn)題成為移動(dòng)基站建設(shè)的瓶頸。因此，新的宏站建設(shè)模式成為運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)關(guān)注的方向。

在某些特定場(chǎng)景下，移動(dòng)基站具備與電力鐵塔共址建設(shè)的條件。在輸電線路鐵塔上安裝通信基站是一種新的宏站建設(shè)思路。本文以廣深港高鐵南沙區(qū)欖核鎮(zhèn)甘崗村段的覆蓋解決方案為例，探索移動(dòng)基站共址電力鐵塔的建設(shè)模式，并對(duì)建設(shè)模式、建設(shè)工藝等進(jìn)行分析。

2 研究背景

廣深港高鐵是一條連接廣州和深圳的高速鐵路，起點(diǎn)為廣州南站，終點(diǎn)為深圳北站（香港段暫未開(kāi)通），全程橋隧，列車(chē)最高運(yùn)行速度為350 km/h，其中甘崗村路段的橋面高達(dá)40 m，列車(chē)區(qū)段時(shí)速在300 km/h以上。為保證該路段的高鐵覆蓋，天線掛高必須高于橋面，且基站距離鐵軌的垂直距離不得超過(guò)200 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，該路段周邊均為農(nóng)田，缺乏現(xiàn)成的建筑物可用，如果自行建設(shè)桿塔將不可避免地面臨村民反對(duì)、征地補(bǔ)償高、外電引入和沖積土質(zhì)下樁基施工難度大的問(wèn)題，事實(shí)上，也正是因?yàn)橹苓叴迕駥?duì)建設(shè)基站的反對(duì)，對(duì)該站點(diǎn)的選址長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)。

廣深港高鐵甘崗村段有兩座高壓輸電鐵塔，分別為魚(yú)都線46、47號(hào)鐵塔，且為跨線塔，兩座鐵塔直線距離470 m，鐵塔連線與廣深港高鐵軌道呈35°夾角，目測(cè)高壓線最低點(diǎn)高度約為60 m。經(jīng)模擬測(cè)試評(píng)估，如果能在高壓輸電鐵塔的45 m高處安裝天線，輸電鐵塔的位置可滿足廣深港高鐵的建站需求。高壓輸電鐵塔及鐵塔平視圖如圖1、圖2所示。

由于在高壓輸電鐵塔上安裝天線和無(wú)線設(shè)備國(guó)內(nèi)并無(wú)先例，且國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果和實(shí)施材料極為缺乏，因此需與電力設(shè)計(jì)院聯(lián)合對(duì)高壓輸電鐵塔上安裝基站設(shè)備的方案進(jìn)行全面的可行性評(píng)估。

3 相關(guān)國(guó)家規(guī)定

（1）《電力設(shè)施保護(hù)條例》實(shí)施細(xì)則

第五條：架空電力線路保護(hù)區(qū)，是為了保證已建架空電力線路的安全運(yùn)行和保障人民生活的正常供電而必須設(shè)置的安全區(qū)域。在廠礦、城鎮(zhèn)、集鎮(zhèn)、村莊等人口密集地區(qū)，架空電力線路保護(hù)區(qū)為導(dǎo)線邊線在最大計(jì)算風(fēng)偏后的水平距離和風(fēng)偏后距建筑物的水平安全距離之和所形成的兩平行線內(nèi)的區(qū)域。各級(jí)電壓導(dǎo)線邊線在計(jì)算導(dǎo)線最大風(fēng)偏情況下，距建筑物的水平安全距離如表1所示[6]。

第十六條：架空電力線路建設(shè)項(xiàng)目和公用工程、城市綠化及其他工程之間發(fā)生妨礙時(shí)，按下述原則處理：架空電力線路導(dǎo)線在最大弧垂或最大風(fēng)偏后與樹(shù)木之間的安全距離如表2所示。

（2）2007年信息產(chǎn)業(yè)部綜合規(guī)劃司編制的《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文（信息工程部分）宣貫輔導(dǎo)材料》中第31頁(yè)：3.5.2《國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信地球站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD5050—2005 6.1.9規(guī)定：高壓輸電線不應(yīng)穿越衛(wèi)星地球站場(chǎng)地，距35 kV及以上的高壓電力線應(yīng)大于100 m[7]。

經(jīng)咨詢廣州供電局，魚(yú)都線46、47號(hào)鐵塔為220 kV高壓輸電塔，基本呼高（桿塔最下層導(dǎo)線絕緣子串懸掛點(diǎn)到地面的垂直距離）為60 m。經(jīng)測(cè)算，在鐵塔上45 m高處安裝天線可滿足國(guó)家規(guī)定的安全要求。

4 移動(dòng)基站設(shè)計(jì)及工藝要求

針對(duì)一般的場(chǎng)景，在移動(dòng)基站的共址建設(shè)模式下，基站需安裝的設(shè)備有移動(dòng)基站天線、饋線和光纜、一體化機(jī)柜（或機(jī)房）、移動(dòng)RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）和BBU（基帶處理單元）。

針對(duì)共址電力鐵塔建設(shè)的場(chǎng)景，考慮到整體組網(wǎng)，基站采用拉遠(yuǎn)模式建站，BBU安裝在近端中心機(jī)房。鐵塔一側(cè)必須安裝的設(shè)備為電線、RRU、饋線和光纜。經(jīng)移動(dòng)和電力雙方溝通，確定設(shè)備安裝原則如下：

（1）盡可能減少塔上設(shè)備的數(shù)量和重量，降低塔上負(fù)荷和上塔工作量；

（2）強(qiáng)電設(shè)備不上塔，塔上不得布設(shè)電源線；

（3）塔上一切設(shè)備和線纜都應(yīng)采用可靠的固定方式，保證在嶺南地區(qū)的日照風(fēng)化條件下，三年內(nèi)無(wú)需更換固定件。

在上述原則的指導(dǎo)下，輸電鐵塔方案初次設(shè)計(jì)按照如下方案：

（1）為滿足高鐵覆蓋的2G/4G需求，基站采用GSM900、LTE-F和LTE-D三系統(tǒng)方案。

（2）每個(gè)高壓電塔基站使用1臺(tái)華為的3936 GSM900M射頻單元（RRU）和2臺(tái)中興ZTE8984 F/D射頻單元，使用2副通宇880～2690 M全頻段天線，其中天線安裝在塔上，RRU安裝在塔下，RRU和天線使用饋線連接（2G信號(hào)需在RRU側(cè)功分，4G F/D信號(hào)需在RRU側(cè)合路），為保護(hù)RRU，在塔下位置安裝一套1800 mm×900 mm×2100 mm的落地機(jī)柜。

（3）每座鐵塔上安裝的兩副天線連線與鐵路方向平行，每副天線通過(guò)4根饋線與塔下的RRU連接，每根饋線長(zhǎng)度約55 m?？紤]到RRU與天線之間的饋線距離較長(zhǎng)，在載荷允許的情況下，優(yōu)先使用7/8饋線。

（4）天線安裝在鐵塔支架上，高度要求要安裝在距地面45 m的位置上，魚(yú)都線47號(hào)和魚(yú)都線46號(hào)使用的桿塔都為GD02，安裝的位置大概為變坡位置附近。安裝的位置選擇在魚(yú)都線46號(hào)的III、IV腿之間的側(cè)面上及47號(hào)的I、II腿之間的側(cè)面上，選擇這樣的安裝位置主要是考慮可以更好地面對(duì)鐵路方向發(fā)揮好的信號(hào)輻射作用。

初步確定通信基站安裝位置方案如圖3所示：

（5）天線支架設(shè)計(jì)：考慮到日后擴(kuò)容，每個(gè)支架設(shè)計(jì)了兩個(gè)天線安裝抱桿，兩個(gè)抱桿之間的間距為1200 mm，抱桿距離桿體500 mm，安裝方式如圖4所示。

兩組角鋼分別位于桿塔的橫隔面上并與橫隔面的主材有效連接，初步選定L100×8H角鋼，間距1200 mm。固定天線鋼管采用5000 mm長(zhǎng)Φ70的鋼管。

（6）饋線卡子安裝在電力鐵塔塔身以內(nèi)，方便饋線安裝。室外走線須靠近機(jī)柜的一側(cè)，兩端應(yīng)分別單獨(dú)接地。走線架需設(shè)計(jì)牢固，并有足夠的支撐。饋線下地后，需使用PVC管埋地的方式保護(hù)進(jìn)入機(jī)柜。

（7）防雷保護(hù)要求：利用原電力鐵塔接地網(wǎng)與機(jī)柜地網(wǎng)焊接連接，電力鐵塔地網(wǎng)與機(jī)柜地網(wǎng)之間至少有3處相互連。防雷保護(hù)范圍包含基站機(jī)柜、天饋系統(tǒng)。在饋線進(jìn)入機(jī)柜處應(yīng)設(shè)置室外接地排，用于饋線的最后一點(diǎn)接地；天線應(yīng)在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，避雷線（針）對(duì)天線有小于45°的保護(hù)。

基站共址電力鐵塔建設(shè)示意圖如圖5所示（單側(cè)）：

5 載荷評(píng)估

經(jīng)查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料和設(shè)備說(shuō)明書(shū)[10]，在鐵塔上安裝通信基站的荷載分析如下：

（1）基站電力鐵塔的負(fù)荷要求：電力鐵塔上安裝2副全頻雙極化天線，天線尺寸為1400 mm×300 mm× 146 mm（長(zhǎng)×寬×厚），重量為26 kg，外殼主要采用玻璃鋼材質(zhì)。每副天線自重26 kg，受風(fēng)面積為0.6 m2。

（2）移動(dòng)通信7/8饋線單位重量為1.21 kg/m，每條饋線長(zhǎng)度應(yīng)與天線固定桿距地高度等同，每電力鐵塔按8根饋線計(jì)算。

（3）天線支撐臂負(fù)荷按照1副天線和一個(gè)工作人員的重量總量計(jì)算。

（4）天線安裝于支架上，饋線及光纜沿塔身固定至基站，則安裝所需材料估列如表3所示。

（5）其它的負(fù)荷（雨、雪、冰凌）根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮。

總體說(shuō)來(lái)，通信基站增加的荷載不大，對(duì)鐵塔的影響較小。

6 輸電線路下方的電磁環(huán)境影響

220 kV魚(yú)都線42號(hào)～49號(hào)塔段導(dǎo)線為2×LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，地線為兩根36芯OPGW光纜。220 kV富魚(yú)線與220 kV魚(yú)都線三相導(dǎo)線垂直布置，相序?yàn)橥嘈虿贾?，從上至下為B、C、A。根據(jù)以上條件進(jìn)行建模，計(jì)算結(jié)果如下[8-9]：

（1）電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算及電場(chǎng)強(qiáng)度分布模擬計(jì)算結(jié)果如表4及圖6所示：

（2）磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算及磁場(chǎng)強(qiáng)度分布模擬計(jì)算結(jié)果如表5、圖7所示：

（3）無(wú)線電干擾計(jì)算

無(wú)線電干擾計(jì)算及無(wú)線電干擾強(qiáng)度分布模擬計(jì)算結(jié)果如表6、圖8所示：

從理論計(jì)算來(lái)說(shuō)，輸電線路對(duì)通信基站的影響較小，且從移動(dòng)公司現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行基站情況來(lái)看，移動(dòng)基站在天線與220 kV高壓線直線距離為15 m的情況下可正常運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均無(wú)異常。

7 建設(shè)效果

46號(hào)、47號(hào)電力鐵塔上均安裝兩通道高增益合路天線，采用D、F頻段合路建站方式進(jìn)行區(qū)域覆蓋。46號(hào)鐵塔上安裝的天線覆蓋方向?yàn)?40°/290°，如圖9紅色箭頭所示；47號(hào)鐵塔上安裝的天線覆蓋方向?yàn)?0°/350°，如圖9黃色箭頭所示：

46號(hào)電力鐵塔整體RSRP測(cè)試結(jié)果和SINR測(cè)試結(jié)果如圖10、圖11所示，測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)7所示。

46號(hào)共址基站整體RSRP和SINR測(cè)試結(jié)果表明，基站共址電力鐵塔建設(shè)后，可以較好地解決該區(qū)域的信號(hào)覆蓋及信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題[11]。

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的需求越來(lái)越大，體現(xiàn)在了對(duì)移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋范圍和質(zhì)量的要求上。與此同時(shí)，選址問(wèn)題越發(fā)突出，使移動(dòng)基站建設(shè)越發(fā)受限，建設(shè)進(jìn)展緩慢。本文通過(guò)分析移動(dòng)基站共址電力鐵塔建設(shè)方式及建設(shè)工藝，探索移動(dòng)基站共址電力鐵塔建設(shè)的可能性。同時(shí)通過(guò)廣深港鐵路南沙區(qū)欖核鎮(zhèn)甘崗村段的實(shí)際案例，提出了移動(dòng)基站共址電力鐵塔建設(shè)的具體方案及注意事項(xiàng)。

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