5G无线通信基站共享电力杆塔的应用研究

孟逢逢, 刘洪利

(上海电力大学 电子与信息工程学院, 上海 200090)

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。

1 5G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(Residential Access Network,RAN)网络将从4G/LTE网络的基带单元(Baseband Unit,BBU)、射频单元(Remote Radio Unit,RRU)两级结构演进到集中单元(Centralized Unit,CU)、分布单元(Distribute Unit,DU)和有源天线处理单元(Active Antenna Unit,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,3.5 GHz频段的高频释放热点流量,1.8 GHz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。

图1 5G站点形态

2 5G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。

表1 通信频率与基站覆盖范围的对应关系

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,110 kV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50 Hz,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30 MHz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1～30 MHz,对频率为800 MHz和1 800 MHz的无线电干扰处于可忽略的数量级[5]。

其次,电压等级为110 kV和220 kV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]。

3 5G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6 kW,移动、电信、联通3家5G需求共18 kW,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。

表2 5G和4G主设备功耗分析

移动通信基站需要380 V三相交流电或220 V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30～60 m,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380 V/220 V交流电路,基站设备可以从中压电力网络供电,通常为10～20 kV。10 kV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220 kV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50 m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35 mm2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 ～5 m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5G AAU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10 m,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10 m,则避雷器需用接地线接地或用馈线接地夹在离避雷器1 m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。