移动基站共址高压输电铁塔的应用研究

赖建军　黄有为　孙敏　张帆　池玉宝

摘要：为了探索在电力铁塔上共址建设移动通信基站的可行性，针对广深高铁实际情况，结合国家电力设施相关要求，研究了移动基站架设在某区段电力铁塔上的工艺要求，并进行了荷载和电磁干扰评估。基站建成后，经过实际测试，新建共址基站满足覆盖要求且运行良好，验证了在电力铁塔上共址移动通信基站建设思路的可行性。

关键词：高压输电铁塔 移动基站 共址建设

1 引言

随着移动互联网在中国的飞速发展，移动数据流量呈现爆炸式的增长[1]，三大运营商纷纷加大了对移动宽带网络建设的投入，并逐渐把经营模式从传统的语音经营转换到流量经营。而TD-LTE作为中国移动主推的4G技术[2-4]，拥有高峰值数据速率、高小区边缘速率、高频谱利用率等特点，是中国移动四网协同发展的重要组成部分。因此，大力推进TD-LTE技术的发展，是中国移动面向未来实现可持续发展的重要战略举措。

与此同时，站址资源逐渐成为移动基站建设的首要难题，选址问题越发突出，主要体现在以下几个方面：选址费用较高，业主通常会以自身为优先考虑，选址难度较大；存在业主同意，但周边居民反对的情况，建站阻力较大，协调难度极大；由于城市发展速度较快，规划站点位置往往已有其他城市规划，选址周期加长；部分政府机关、军区、学校用地流程审批繁琐，耗时较长，选址周期加长等[5]。各种各样的选址困难不仅严重拖慢了移动基站建设的进度，而且造成了建设方建站成本的大幅上升，选址问题成为移动基站建设的瓶颈。因此，新的宏站建设模式成为运营商重点关注的方向。

在某些特定场景下，移动基站具备与电力铁塔共址建设的条件。在输电线路铁塔上安装通信基站是一种新的宏站建设思路。本文以广深港高铁南沙区榄核镇甘岗村段的覆盖解决方案为例，探索移动基站共址电力铁塔的建设模式，并对建设模式、建设工艺等进行分析。

2 研究背景

广深港高铁是一条连接广州和深圳的高速铁路，起点为广州南站，终点为深圳北站（香港段暂未开通），全程桥隧，列车最高运行速度为350 km/h，其中甘岗村路段的桥面高达40 m，列车区段时速在300 km/h以上。为保证该路段的高铁覆盖，天线挂高必须高于桥面，且基站距离铁轨的垂直距离不得超过200 m。经现场勘查，该路段周边均为农田，缺乏现成的建筑物可用，如果自行建设杆塔将不可避免地面临村民反对、征地补偿高、外电引入和冲积土质下桩基施工难度大的问题，事实上，也正是因为周边村民对建设基站的反对，对该站点的选址长期处于停滞状态。

广深港高铁甘岗村段有两座高压输电铁塔，分别为鱼都线46、47号铁塔，且为跨线塔，两座铁塔直线距离470 m，铁塔连线与广深港高铁轨道呈35°夹角，目测高压线最低点高度约为60 m。经模拟测试评估，如果能在高压输电铁塔的45 m高处安装天线，输电铁塔的位置可满足广深港高铁的建站需求。高压输电铁塔及铁塔平视图如图1、图2所示。

由于在高压输电铁塔上安装天线和无线设备国内并无先例，且国内外相关研究成果和实施材料极为缺乏，因此需与电力设计院联合对高压输电铁塔上安装基站设备的方案进行全面的可行性评估。

3 相关国家规定

（1）《电力设施保护条例》实施细则

第五条：架空电力线路保护区，是为了保证已建架空电力线路的安全运行和保障人民生活的正常供电而必须设置的安全区域。在厂矿、城镇、集镇、村庄等人口密集地区，架空电力线路保护区为导线边线在最大计算风偏后的水平距离和风偏后距建筑物的水平安全距离之和所形成的两平行线内的区域。各级电压导线边线在计算导线最大风偏情况下，距建筑物的水平安全距离如表1所示[6]。

第十六条：架空电力线路建设项目和公用工程、城市绿化及其他工程之间发生妨碍时，按下述原则处理：架空电力线路导线在最大弧垂或最大风偏后与树木之间的安全距离如表2所示。

（2）2007年信息产业部综合规划司编制的《工程建设标准强制性条文（信息工程部分）宣贯辅导材料》中第31页：3.5.2《国内卫星通信地球站工程设计规范》YD5050—2005 6.1.9规定：高压输电线不应穿越卫星地球站场地，距35 kV及以上的高压电力线应大于100 m[7]。

经咨询广州供电局，鱼都线46、47号铁塔为220 kV高压输电塔，基本呼高（杆塔最下层导线绝缘子串悬挂点到地面的垂直距离）为60 m。经测算，在铁塔上45 m高处安装天线可满足国家规定的安全要求。

4 移动基站设计及工艺要求

针对一般的场景，在移动基站的共址建设模式下，基站需安装的设备有移动基站天线、馈线和光缆、一体化机柜（或机房）、移动RRU（射频拉远单元）和BBU（基带处理单元）。

针对共址电力铁塔建设的场景，考虑到整体组网，基站采用拉远模式建站，BBU安装在近端中心机房。铁塔一侧必须安装的设备为电线、RRU、馈线和光缆。经移动和电力双方沟通，确定设备安装原则如下：

（1）尽可能减少塔上设备的数量和重量，降低塔上负荷和上塔工作量；

（2）强电设备不上塔，塔上不得布设电源线；

（3）塔上一切设备和线缆都应采用可靠的固定方式，保证在岭南地区的日照风化条件下，三年内无需更换固定件。

在上述原则的指導下，输电铁塔方案初次设计按照如下方案：

（1）为满足高铁覆盖的2G/4G需求，基站采用GSM900、LTE-F和LTE-D三系统方案。

（2）每个高压电塔基站使用1台华为的3936 GSM900M射频单元（RRU）和2台中兴ZTE8984 F/D射频单元，使用2副通宇880～2690 M全频段天线，其中天线安装在塔上，RRU安装在塔下，RRU和天线使用馈线连接（2G信号需在RRU侧功分，4G F/D信号需在RRU侧合路），为保护RRU，在塔下位置安装一套1800 mm×900 mm×2100 mm的落地机柜。

（3）每座铁塔上安装的两副天线连线与铁路方向平行，每副天线通过4根馈线与塔下的RRU连接，每根馈线长度约55 m。考虑到RRU与天线之间的馈线距离较长，在载荷允许的情况下，优先使用7/8馈线。

（4）天线安装在铁塔支架上，高度要求要安装在距地面45 m的位置上，鱼都线47号和鱼都线46号使用的杆塔都为GD02，安装的位置大概为变坡位置附近。安装的位置选择在鱼都线46号的III、IV腿之间的侧面上及47号的I、II腿之间的侧面上，选择这样的安装位置主要是考虑可以更好地面对铁路方向发挥好的信号辐射作用。

初步确定通信基站安装位置方案如图3所示：

（5）天线支架设计：考虑到日后扩容，每个支架设计了两个天线安装抱杆，两个抱杆之间的间距为1200 mm，抱杆距离杆体500 mm，安装方式如图4所示。

两组角钢分别位于杆塔的横隔面上并与横隔面的主材有效连接，初步选定L100×8H角钢，间距1200 mm。固定天线钢管采用5000 mm长Φ70的钢管。

（6）馈线卡子安装在电力铁塔塔身以内，方便馈线安装。室外走线须靠近机柜的一侧，两端应分别单独接地。走线架需设计牢固，并有足够的支撑。馈线下地后，需使用PVC管埋地的方式保护进入机柜。

（7）防雷保护要求：利用原电力铁塔接地网与机柜地网焊接连接，电力铁塔地网与机柜地网之间至少有3处相互连。防雷保护范围包含基站机柜、天馈系统。在馈线进入机柜处应设置室外接地排，用于馈线的最后一点接地；天线应在避雷针保护范围内，避雷线（针）对天线有小于45°的保护。

基站共址电力铁塔建设示意图如图5所示（单侧）：

5 载荷评估

经查阅相关设计资料和设备说明书[10]，在铁塔上安装通信基站的荷载分析如下：

（1）基站电力铁塔的负荷要求：电力铁塔上安装2副全频双极化天线，天线尺寸为1400 mm×300 mm× 146 mm（长×宽×厚），重量为26 kg，外壳主要采用玻璃钢材质。每副天线自重26 kg，受风面积为0.6 m2。

（2）移动通信7/8馈线单位重量为1.21 kg/m，每条馈线长度应与天线固定杆距地高度等同，每电力铁塔按8根馈线计算。

（3）天线支撑臂负荷按照1副天线和一个工作人员的重量总量计算。

（4）天线安装于支架上，馈线及光缆沿塔身固定至基站，则安装所需材料估列如表3所示。

（5）其它的负荷（雨、雪、冰凌）根据实际情况进行考虑。

总体说来，通信基站增加的荷载不大，对铁塔的影响较小。

6 输电线路下方的电磁环境影响

220 kV鱼都线42号～49号塔段导线为2×LGJ-630/45钢芯铝绞线，地线为两根36芯OPGW光缆。220 kV富鱼线与220 kV鱼都线三相导线垂直布置，相序为同相序布置，从上至下为B、C、A。根据以上条件进行建模，计算结果如下[8-9]：

（1）电场强度计算

电场强度计算及电场强度分布模拟计算结果如表4及图6所示：

（2）磁场强度计算

磁场强度计算及磁场强度分布模拟计算结果如表5、图7所示：

（3）无线电干扰计算

无线电干扰计算及无线电干扰强度分布模拟计算结果如表6、图8所示：

从理论计算来说，输电线路对通信基站的影响较小，且从移动公司现网运行基站情况来看，移动基站在天线与220 kV高压线直线距离为15 m的情况下可正常运行，各项指标均无异常。

7 建设效果

46号、47号电力铁塔上均安装两通道高增益合路天线，采用D、F频段合路建站方式进行区域覆盖。46号铁塔上安装的天线覆盖方向为140°/290°，如图9红色箭头所示；47号铁塔上安装的天线覆盖方向为80°/350°，如图9黄色箭头所示：

46号电力铁塔整体RSRP测试结果和SINR测试结果如图10、图11所示，测试指标统计图标7所示。

46号共址基站整体RSRP和SINR测试结果表明，基站共址电力铁塔建设后，可以较好地解决该区域的信号覆盖及信号质量问题[11]。

8 结束语

随着移动互联网的飞速发展，人们对移动通信的需求越来越大，体现在了对移动通信信号覆盖范围和质量的要求上。与此同时，选址问题越发突出，使移动基站建设越发受限，建设进展缓慢。本文通过分析移动基站共址电力铁塔建设方式及建设工艺，探索移动基站共址电力铁塔建设的可能性。同时通过广深港铁路南沙区榄核镇甘岗村段的实际案例，提出了移动基站共址电力铁塔建设的具体方案及注意事项。

参考文献：

[1] 李佶，蒋雷敏，李倩. 移动互联网的演进与4G发展应用[J]. 无线互联科技， 2014（8）： 40.

[2] 王令侃，林晓轩，陈炜，等. TD-LTE技术发展及其应用[J]. 移动通信， 2011，35（6）： 56-58.

[3] 吴新，何国兴，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， 2007，20（2）： 39-42.

[4] Astely D， Dahlman E， Furuskar A， et al. LTE： the evolution of mobile broadband[J]. IEEE Communications Magazine， 2009，47（4）： 44-51.

[5] 柴建春. 铁路综合数字移动通信系统GSM-R基站建设[J]. 山西建筑， 2007，33（17）： 201-202.

[6] 中华人民共和国国务院国务院. 电力设施保护条例[Z]. 中国法律年鉴， 1988.

[7] 佚名. 工程建设标准强制性条文（信息工程部分）宣贯辅导教材[M]. 北京： 北京郵电大学出版社， 1970.

[8] 高攸纲，朱洪波. 移动通信网基站区建设的电磁兼容性要求[J]. 邮电设计技术， 1997（5）： 20-23.

[9] 卢铁兵，肖刊，张波，等. 超高压输电线路铁塔附近的三维工频电场计算[J]. 高电压技术， 2001，27（3）： 24-26.

[10] 邓洪洲，王肇民. 输电铁塔结构系统极限承载力及可靠性研究[J]. 电力建设， 2000，21（2）： 12-14.

[11] 李秋香，徐晓东，周伯慧. TD-LTE覆盖规划指标及子帧配置[J]. 电信科学， 2013，29（5）： 77-83. ★