输电线路共享铁塔5G 天线搭载高度及布置方式研究

楼佳悦，龚坚刚，曹枚根，章李刚，刘燕平，周文俊

（1.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310014；2.北方工业大学，北京 100144）

0 引言

5G（第五代移动通信系统）是面向未来移动通信需求而发展的新一代移动通信系统[1]，包含频率较高的3.5 GHz 频段和毫米波频段[2]，这些频段传输特点决定了5G 通信需要修建大量基站。而支撑基站的铁塔建设周期长，费用高，如全部采取新建的方式，将极大增加建设成本，降低5G 通信组网速度。架空输电线路铁塔具有空间分布广、数量多、搭载方便等特点，具有与通信塔共建共享的天然优势，将输电铁塔资源加以利用，将会大大减少5G 基站铁塔的建设费用，解决通信塔与电力塔多塔并立的问题；同时还能极大地减少基站建设对自然生态环境的影响。

输电线路共享铁塔是指充分利用电力系统中架空输电线路的杆塔资源，通过搭载无线通信基站，使电力基础设施获得再利用，输电线路共享铁塔在国内已经有了实际应用。2017 年7月，中国铁塔公司与昆明供电局合作，在220 kV 东郭二回线6 号塔安装了通信基站和基站天线，这是国内对共享铁塔资源的首次尝试。2018年3 月20 日，南方电网云南公司与中国铁塔公司合作，在云南楚雄市东瓜镇220 kV 鹿紫二回线38 号塔成功安装了通信基站。在国外同样也有共享铁塔的应用范例，日本和英国的通信公司也与电力公司深度合作，建成了电力塔共享基站[3]。但这些应用只针对某一铁塔进行天线搭载，皆未系统地研究共享铁塔天线搭载高度及布置方式，不具有普适性。目前，关于共享电力铁塔天线搭载技术方面的文献较少，吴新等人介绍了在电力铁塔加装天线时的安装工艺设计[4]；赖建军等人对共享电力铁塔的载荷和电磁干扰进行了简单评估[5]。上述文献未对输电线路共享杆塔的天线搭载高度及布置方式进行深入研究。由于电力铁塔与通信铁塔的结构和功能有所不同，本文针对架空输电线路共享铁塔的天线搭载高度及布置方式进行了系统研究，分析了5G 移动通信基站天线的结构型式，给出了天线搭载高度与信号覆盖范围之间的定量关系，提出了共享铁塔天线的布置方式，并得到了110 kV，220 kV 及500 kV 输电线路共享铁塔的天线搭载高度、布置方式和最低呼称高。研究成果对推动我国输电线路共享铁塔的建设和应用具有重要作用。

1 5G 移动通信基站天线结构型式

5G 通信基站可以分为宏基站和微基站两大类[6]（如图1 所示），宏基站主要用于室外广覆盖场景，微基站主要用于室内场景、室外覆盖盲区或室外热点等区域。输电线路铁塔一般可考虑共塔架设宏基站。由于5G 通信信号频率较高，使得基站天线信号覆盖面积较4G 大幅减小，基站的数量会较4G 成倍增加。

与已有通信基站相比，5G 宏基站具有以下显著特点：

（1）需要新增或者更换机柜。5G 通信技术的BBU（基带处理单元）相对前代功能更强，同时功耗也更大[7]，这使得机柜需要更大的空间承载BBU和散热。

图1 常见基站类型

（2）更大容量的电源需求。基站设备为实现5G 各种优异的功能，较大的功耗是不可避免的，这就对电源容量提出了较高的要求[8]。

（3）天线等设备集成化程度更高。4G 等通信基站的天线和RRU（远端射频单元）之间往往通过馈线连接，而5G 通信技术采用的Massive MIMO 技术[9-10]促使大规模的天线阵列和RRU 集成为AAU（有源天线单元），用光纤代替馈线，极大减少了馈线部分的损耗，大大降低了选址难度，但设备重量会增加[11]。

某典型5G 天线的设计参数如表1 所示，天线外观如图2 所示。因5G 天线高度不大于1 m，搭载用抱杆尺寸可选为1.5 m。

表1 某典型5G 天线设计参数

2 共享铁塔选择及天线搭载位置

2.1 共享铁塔的选取

图2 5G 天线外观

输电线路杆塔是用来支撑架空线路、避雷线和其他附件的塔架结构，按结构材料可分为钢筋混凝土电杆和铁塔。铁塔外形一般有干字型塔、猫头型塔、鼓型塔和羊头型塔等[12]。截至2019年10 月，国家电网有限公司已建成110（66）kV 及以上输电线路长度约103.44 万km，其中架空输电线路约94 万km，各类110（66）kV 及以上输电线路杆塔约326.9 万座，资源非常丰富。输电线路铁塔虽然分布广泛，塔源丰富，但适用搭载天线的共享铁塔与其所处的位置、地形、塔型等因素密切相关。因此，在选取共享铁塔时，应对以下情况的铁塔予以排除：

（1）接近或超过设计使用年限的输电铁塔。若额外增加外部负荷，铁塔存在一定的安全隐患。

（2）20 mm 及以上重覆冰铁塔。天气转暖后，脱落的覆冰可能会对通信基站造成撞击损坏。

（3）区域核心骨干网架的架空输电线路和战略性架空输电线路铁塔。

（4）其他功能或位置的特殊线路铁塔。比如大档距、大跨越、分水岭等地形特殊的铁塔。

（5）位于强风地区、基础及地质条件较差的铁塔。

（6）易遭受雷击的杆塔，交通困难区域的铁塔。

依据上述原则可对输电线路铁塔能否作为共享铁塔搭载5G 天线进行初步筛选，此外还应充分考虑通信需求及铁塔呼称高是否满足要求。

2.2 天线搭载位置

输电线路共享铁塔天线搭载位置主要受铁塔安装空间、电气安全距离、通信信号需求、运行维护等多方面的影响。一般情况下，通信天线在输电铁塔上的搭载位置可分为三类情况。

第一类搭载位置：安装在塔头段顶部。对同一塔型来说，该类搭载位置的天线是最高的，信号覆盖范围也是最广的，但是缺点也很明显，一是天线的防雷措施不能依托于输电铁塔本身的防雷措施，需要单独设置；二是基站运维时需要穿越带电区，需要更多安全防范和停电损失等方面的成本投入，存在较大的安全隐患。

第二类搭载位置：搭载在塔头段身部，位于下导线挂点以上，一般布置在顺线路侧的位置。该类搭载位置的天线相对较高，但是该位置也处于线路的导线区域内，一方面面临相比其他位置更强的电磁场，另一方面同样导致基站建设和运维不方便，需要更多安全防范和停电损失等方面的成本投入，存在较大的安全隐患。

第三类搭载位置：搭载在身部，位于下导线挂点以下。一般四个塔身面均可布置，该类搭载位置的天线相对较低，覆盖面积相对前两种有所减少，但是该类搭载位置在建设及运维时对电力线路几乎不产生影响，在建设及运维时也会更安全、方便，不仅适用于铁塔新建搭载，还适用于铁塔投运后的天线搭载，适应性强。

对比上述三类搭载位置，从前期设计、安装、后期运维便利及安全的角度出发，建议将基站天线搭载于铁塔身部，位于输电线路带电部分以下，即第三类搭载位置，并同时满足天线搭载高度和电气安全距离要求。图3 为猫头型塔、干字型塔、羊头型塔和鼓型塔4 种典型铁塔的天线位置搭载示意图。

2.3 天线布置及安装方式

图3 典型输电铁塔天线搭载示意

基站天线的布置一般为一层平台2 个系统共6 副天线，至少也应布置1 个系统3 副天线；平台布置个数可以依据铁塔高度进行调整，呼称高小于35 m 的铁塔可以设置2 个平台，呼称高大于40 m 的铁塔可以考虑设置3～4 个平台；平台间隔应达到3 m[13]；平台承重每层应考虑6 副天线及6 个直流远供模块；在多运营商同时搭载时，建议各运营商天线按照每个平台分别放置，每个平台安装一家运营商的天线[14]。

结合输电铁塔的特点，本文推荐以下针对角钢塔的几种布置方式[15]：

（1）采用夹板直接加挂设备支架，天线通过支架连接，如图4 所示。这种方式对塔的改动最小，是一种常规通信塔也经常采用的连接方式。但该方式一般只能布置在3 根杆塔主材方向（脚钉腿主材为保证运维攀塔，不建议布置），3 副天线之间的夹角分别为90°，90°，180°，不能形成角度均匀的扇区，且一层平台只能布置3 副天线。

图4 天线通过支架搭载示意

（2）通过在塔身搭建扩展平台搭载天线，如图5 所示。这种方式较复杂，但可在塔身四个面布置天线，若塔身宽度和强度能满足要求，一个面能布置2 副或以上的天线，且布置方式灵活，可以一定范围调整，能形成角度均匀的扇区。

图5 天线通过扩展平台搭载示意

（3）上述两种形式的混合，同时在铁塔主材和斜材支架上布置，可兼具两者的优点。

以上天线的布置方式，与平台的可布置范围、通信公司要求覆盖的方位角、干扰隔离距离、铁塔强度等有关，应根据具体情况具体分析，合理设计布置及连接方式。

3 共享铁塔天线搭载高度的影响因素

3.1 天线信号覆盖半径

通信信号覆盖半径需求是天线搭载高度的决定性因素，本文根据通信信号的链路预算及传播模型推演了二者之间的定量关系。

3.1.1 5G NR 3.5 GHz 频段链路预算

链路预算是无线网络规划中的一项重要工作，也是评估无线通信系统覆盖能力的关键。通过对系统中下行（或前向）和上行（或反向）信号传播途径中各种影响因素进行考察，在满足业务质量需求的前提下，选择适当传播模型对系统的覆盖能力进行估计，以获得保持一定通信质量下链路所允许的最大传播损耗[16-17]。MAPL（最大允许路径损耗）如式（1）所示：

式中：PLmax为最大允许路径损耗；PTX为基站发射功率，上行时为基站接收功率；Lf为馈线损耗；GTX为基站天线增益；Mf为阴影衰落和快衰落余量；Mt为干扰余量，上行取2 dB，下行取7 dB；GRX为手机天线增益；Lp为建筑物穿透损耗；Lb为人体损耗，一般取为3 dB；SRX，下行时为手机接收灵敏度，上行时为手机发射功率。

3.1.2 5G NR 3.5 GHz 频段的传播模型

鉴于高压铁塔的位置分布，本文选择基于3GPP 中规定的5G NRRma-NLOS（农村宏蜂窝）传播模型[18-19]，模型如式（2）所示：

式中：PLRma-NLOS取为上节中求得的最大允许路径损耗；W 为街道宽度；h 为平均建筑物高度；fc为工作频率；hBS为基站天线有效高度；hUT为移动台天线有效高度，此处设为2.5 m；d2D为基站天线与移动台天线直线距离。式（3）的传播路径如图6 所示。

图6 信号3D 传播路径示意

具体天线挂高的确定可参考以下步骤：

（1）确定基站天线的发射功率、增益和接收灵敏度等基础参数。

（2）确定天线所需要覆盖的地区，从而判断穿透损耗、干扰余量等的取值。

（3）由式（1）计算出最大路径允许损耗PLmax，进而通过信号的传播模型（2）确定出天线覆盖半径（挂高已知）或者天线挂高（覆盖半径已知）。

以表2 中的下行模拟参数为例，天线发射功率设为240 W，根据最佳的手机接收灵敏度（-90 dBm），及其不同高度下的路径损耗值，可分别计算天线挂高在20 m，30 m，40 m，50 m 下的覆盖范围，如表3 所示。

表2 5G 通信天线信号覆盖模拟参数取值

表3 天线挂高及覆盖半径关系

由表3 可知，当手机接收灵敏度均为-90 dBm时，随着天线安装位置增高，覆盖半径增大。确定天线搭载位置时需综合考虑通信信号范围覆盖需求。在满足最佳手机灵敏度-90 dBm 的情况下，如覆盖半径不小于700 m，在搭载多平台的情况下，最下层天线平台的安装高度最小为20 m。建议选用呼称高应大于20 m 的铁塔作为共享铁塔。

3.2 天线电气安全距离

通信天线安装在输电铁塔上时，需与带电体保持安全距离，以保证设备正常工作及后期维护设备时人员的安全，因此，电气安全距离也是影响天线挂高的重要因素。电力行业表征电气安全距离的指标是电气间隙值，分为工频电压间隙、操作过电压间隙、雷电过电压间隙及带电作业安全距离。各间隙值计算方式如下[20-21]：

（1）工频电压间隙

式中：U50%，pf为工频放电电压；Um为系统最高运行电压（峰值）；Ka为海拔修正系数；H 为海拔高度；m 为海拔修正因子，在不同工况下取值不同，此处取1；Dpe，pf为待求间隙值。

（2）操作过电压间隙

式中：U50%，pf为操作放电电压；Usf为沿线2%统计操作过电压；m 可按照图7 所示曲线a 来确定；Dpe，sf为待求间隙值。

图7 海拔修正因子与放电电压的关系

（3）雷电过电压间隙

式中：U50%，ff为雷电放电电压；U50，is，ff为绝缘子串50%雷电冲击放电电压；k 为配合系数，GB 50545—2010规定对750 kV 线路取0.8[22]，GB/T 50064—2014 规定对110～500 kV 线路取0.85[23]；m 此处取1；Dpe，ff为待求间隙值。

（4）带电作业安全距离

式中：U90%，1W为带电作业放电电压；ks为统计安全因子，可取1.1；ke为相地2%统计过电压倍数；Us为系统最高运行电压（有效值）；Dpe，1W为待求安全距离；kt为国标中带电作业工况下的综合因子，kt=kdkgka，其中kg为间隙系数，取1.0～1.2；kd为标准偏差系数，取0.936；ka为海拔修正系数，具体取值可参考GB/T 19185—2008。在计算时，还应考虑增加0.5 m 人体活动范围。

若将电力铁塔最下层横担位置作为基准，则电气安全距离还应包括绝缘子串长，在预留一定安全裕度的情况下，综合上述各电气间隙值，经计算可以得到部分电压等级线路在海拔1 000 m以下时的电气安全距离要求，如表4 所示。

4 共享铁塔最低呼称高的确定

输电铁塔最低呼称高决定了是否可搭载天线及天线搭载层数。由图8 某典型共享铁塔搭载多层天线示意图可知，在已知某共享铁塔搭载天线层数时，由电压等级可确定横担距离最上层天线的电气安全距离，再根据式（8）可得到共享铁塔最低呼称高。

表4 不同电压等级天线安全距离要求

式中：H 为共享铁塔呼称高；H0为天线最低安装高度，由前文知，可取为20 m；h 为每层天线的平台高度，该高度与天线抱杆长度和干扰隔离信号要求有关，其中抱杆尺寸由通信设备尺寸决定，典型的5G 天线高度一般不大于1.5 m，干扰隔离信号要求距离按0.5 m 考虑，则每层平台高度可取为2 m；n 为天线层数；h0为平台间距，可取为3 m；Δ 为电气安全距离，与共享铁塔的线路电压等级有关。

图8 共享天线搭载多层天线示意

由式（8）可得到不同电压等级共享铁塔最低呼称高。表5 列出了110 kV，220 kV 及500 kV等3 种典型电压等级输电线路铁塔上加装通信天线的最低呼称高要求。

表5 不同电压等级铁塔搭载天线呼称高要求

5 结论

通过开展架空输电线路共享铁塔天线搭载方式、位置及搭载高度的研究，得到以下几点结论，相关成果对输电线路铁塔的共建共享具有很好的参考价值。

（1）提出了输电铁塔天线安装高度的确定方法。可根据链路预算和传播模型得到天线搭载高度与信号覆盖半径之间的关系，根据通信信号的需求定量计算天线最低搭载高度。

（2）开展了输电线路共享铁塔天线的安装位置及布置方式研究，建议优先选用塔身搭载通信天线的方案。工程中可以采用加挂设备支架或搭建扩展平台的方式搭载天线，天线平台层数与铁塔呼称高紧密相关。

（3）提出了输电线路共享铁塔最低呼称高的计算公式，计算得到了110 kV，220 kV 及500 kV输电线路共享铁塔的最低呼称高，实际工程中可根据通信信号覆盖半径的要求参考选用。