5G无线通信基站共享电力杆塔应用

摘要:将5G无线通信基站安装在电力线杆塔上，可以通过电力线路杆塔共享促进5G网络建设，实现电力企业和通信公司的互利共赢。重点讨论了5G基站的新架构，分析了把基站应用到电力杆塔上应考虑的供电、接地、安装等问题，并给出了相应的解决方案。

关键词:5G通信;基站;电力杆塔;共享

随着从4G到5G的网络制式演进，移动通信网络对通信容量及传输性能的要求也越来越高。基站作为网络架构中的核心设备之一，其硬件架构、设备形态、工作模式等也在不断演进。未来5G将面向4K/8K规频、AR/VR、物联网、自动驾驶等多应用场景，对信息传输速率、传输延迟、用户吞吐量和系统容量等都有较高的要求，必将进一步推动基站架构的演进［1-2］。目前5G的市场推广应用中面临着工程安装难度大、站点获取困难、频谱碎片化等3大痛点。随着站点加密，城市中站址获取会越来越困难，农村又缺少高层建筑用于安装天线，所以将无线基站天线建在电力线杆塔上将会成为一种趋势。这种杆塔共享方式可以充分利用电网输电线路覆盖面广的特点，既能够共享资源、节约建设成本，又解决了站点获取问题，在保障双方设备既融合又并行独立的基础上，积极带动5G网络建设，为电力行业带来新的经济增长点。

15G基站的新架构

1．1架构演变

未来5G网络要面向多样化的业务场景，要满足超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等需求。这些多样化的需求驱动着面向5G的基站结构进一步重构。首先，基站架构将向CloudRAN演进。5G的居民接入网(ResidentialAccessNetwork，RAN)网络将从4G/LTE网络的基带单元(BasebandUnit，BBU)、射频单元(RemoteRadioUnit，RRU)两级结构演进到集中单元(CentralizedUnit，CU)、分布单元(DistributeUnit，DU)和有源天线处理单元(ActiveAntennaUnit，AAU)3级结构。BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务;BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务;BBU的部分物理层处理功能将与原RRU合并为AAU［3］。其次，基站要具备CloudAIR演进能力，在3G以下频段引入CloudAIR实现并发LTE和5G。

1．2站点形态

随着基站架构的演变，基站设备形态也面向5G演进［4］。热点部署大规模天线，3．5GHz频段的高频释放热点流量，1．8GHz频段的低频提供无处不在的覆盖。高频覆盖的微站为宏站提供高流量卸载;低频覆盖的宏站负责控制和管理数据，保持连接、覆盖、移动性及容量。典型的5G站点形态如图1所示。

25G基站的应用背景及理论依据

2．1应用背景

5G利用更高的频率组网，理论上需要更密的基站覆盖。因为高频信号衰落快，相邻小区之间的干扰会大大降低，适合超密集组网。截至2018年上半年，3大运营商合计建设4G宏站417万个，在完成目前4G覆盖效果的目标下，保守估计，5G基站数量将会是现有4G基站数量的1．2～1．5倍。通信频率与基站覆盖范围的对应关系如表1所示。为了解决5G的深度覆盖问题，运营商需要建设大批的微站。在城市，由于5G通信基站密度越来越高，站址密、选址难，需要铁塔公司进一步合理规划站址，降低选址难度;在农村及偏远地区，施工难、成本高，需要进一步缩短建设工期，有效控制成本;而电网输电线路在全国广泛分布，纵横交错，大量的电力杆塔资源为行业间的资源整合提供了可实施的方案。

2．2理论依据

综合考虑架设方式、杆塔高度和周边环境等因素，110kV以上的输电杆塔可作为5G基站宏站的共享资源。首先，从高压输电线路与无线通信基站的电磁兼容性角度考虑，输电线路工作频率为50Hz，产生的电磁环境影响为工频电磁场，而无线通信基站的工作频率在30MHz以上，产生的电磁环境影响为射频电磁场，显然这2个系统的工作频段不会发生交叉。另外，根据实际测试，高压输电线路的高频谐波干扰主要集中在1～30MHz，对频率为800MHz和1800MHz的无线电干扰处于可忽略的数量级［5］。其次，电压等级为110kV和220kV的输电杆塔主要为直立式杆塔，按照结构类型可分为角钢塔、钢管塔和钢管杆。根据电力设计院《电力铁塔加挂基站天线试点实施专题报告》，加挂通信设备对杆塔杆件受力影响较小，引起的应力比变化大概在1%～2%之间［6］。

35G基站的实际应用

3．1电力供电

5G高频超密组网对站址、杆塔、电源配套等资源配置提出了较高的要求，其中首先要求外电容量高。如随着5G基站集成度提高，5G设备系统功耗相当于4G设备系统功耗的3～4倍。独家5G外市电需求为6kW，移动、电信、联通3家5G需求共18kW，如果采用集中远供方式进行配电则线缆损耗大。5G和4G主设备功耗分析如表2所示。移动通信基站需要380V三相交流电或220V单相交流电为其供电，当共享铁塔位于配电网供电范围之内时，可直接引入市电为基站供电，即电力杆塔基站设备可以直接通过低压电力网络供电。低压馈电线路从公用低压网络将电能耦合进来，然后通过直埋电缆与电力线铁塔下的馈电机柜连接，也可以采用架空电缆的方式，或者遵从电力公司的防护要求，选用其他合适的连接电缆。典型的连接距离为30～60m，中间通过绝缘变压器使杆塔附近地电位升高区域与周围隔离开来。若共享铁塔处于较偏远地区，无法直接从公共电网引入一路380V/220V交流电路，基站设备可以从中压电力网络供电，通常为10～20kV。10kV及以上等级的中压电缆需要定制不带金属屏蔽层的电缆，因为其芯线本身能够提供更高等级的对地绝缘。如果是220kV及以上等级的高压电缆进行电力供电，因其属于典型的3个单芯电缆，可以满足绝缘要求。中压电缆连接典型长度距离电力线铁塔至少50m以上，中间通常需要使用中/低压变压器作为隔离变压器。大功率单相变压器可以从中压输电线路取电后直接供给基站，也可以与蓄电池、光伏电池等组合在一起，共同为基站提供稳定用电。

3．2接地布置与防雷措施

对于安装在电力铁塔上的无线通信基站，要因地制宜做好接地布置，以保障设备的安全和正常运行［7］。馈电机柜和设备机柜、天线侧设备和电源线、电力杆塔及避雷针等都要做好规范接地。馈电机柜不论是在设备机柜附近还是内部，都应共用同一个接地系统;这个接地系统再通过横截面积35mm2以上的铜线与电力杆塔地相连。如果机柜距离杆塔较近，还需单独与深埋地下的接地电极相连。用来连接基站设备机架和天线的同轴电缆，其外层屏蔽层除了要与天线金属部件和设备机架连接，还要与电力线铁塔连接，并一起接地。基站接地网与电力杆塔接地网间必须每隔3～5m相互连接一次，至少有2处相互连接，以便形成统一的接地网。目前电力铁塔上除了导地线以外，还要做好防雷措施。5G基站天线侧设备简化后，不必再考虑RRU与天线间馈线的防雷措施，只要将5GAAU安装在导线下方，新增的通信设备和天线在遭受雷击时，处于电力铁塔避雷针保护范围内，不会对通信设备造成过电流或过电压的现象。避雷针要直接接到大地地网上，防止雷击时基站地电位反击影响基站室内设备安全。如果基站天线包含GPS卫星天馈系统，可用来接收来自GPS的卫星接收信号，作为时钟同步。施工方案是GPS天线不上塔或上塔不超过10m，GPS馈线全程绝缘，不用接地，只在BBU侧的GPS避雷器处接地，GPS避雷器可放在机柜顶部或扎绑带放在机柜侧面。如果GPS天线上塔超过10m，则避雷器需用接地线接地或用馈线接地夹在离避雷器1m范围内接地。

4结语

为了大幅提升用户吞吐量和系统容量，5G通信技术探求在更高频率上获得更大带宽。超密集组网解决了信号覆盖范围和质量的要求，但与此同时也带来了站点密集、选址困难的问题。本文通过分析5G移动基站的新架构以及运行可行性，提出5G无线基站共享电力杆塔资源的建设方式。对施工过程中涉及的馈电、接地和防雷措施等给出了具体的解决方案及注意事项。

参考文献:

［3］曾毅．5G承载网的挑战和关键技术探讨［J］．邮电设计技术，2018(11):52-56．

［4］张晓江．5GNR基站部署规划研究［J］．邮电设计技术，2019(3):12-15．

［5］曾挺健．110kV户内变电所对环境电磁和无线电干扰影响的评析［J］．华东电力，2002(2):9-10．

［6］吴新，何兴国，周峰．电力铁塔上安装移动天线的工艺设计［J］．电信工程技术与标准化，2007(2):39-42．

［7］申毅，柏世刚，袁伟．移动通讯基站防雷接地技术探析［J］．通信电源技术，2018(3):230-231．

作者：孟逢逢 刘洪利 单位：上海电力大学