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5G無線通信基站共享電力桿塔應(yīng)用

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5G無線通信基站共享電力桿塔應(yīng)用

摘要:將5g無線通信基站安裝在電力線桿塔上,可以通過電力線路桿塔共享促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè),實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)和通信公司的互利共贏。重點(diǎn)討論了5G基站的新架構(gòu),分析了把基站應(yīng)用到電力桿塔上應(yīng)考慮的供電、接地、安裝等問題,并給出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞:5G通信;基站;電力桿塔;共享

隨著從4G到5G的網(wǎng)絡(luò)制式演進(jìn),移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信容量及傳輸性能的要求也越來越高?;咀鳛榫W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的核心設(shè)備之一,其硬件架構(gòu)、設(shè)備形態(tài)、工作模式等也在不斷演進(jìn)。未來5G將面向4K/8K規(guī)頻、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等多應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)信息傳輸速率、傳輸延遲、用戶吞吐量和系統(tǒng)容量等都有較高的要求,必將進(jìn)一步推動(dòng)基站架構(gòu)的演進(jìn)[1-2]。目前5G的市場(chǎng)推廣應(yīng)用中面臨著工程安裝難度大、站點(diǎn)獲取困難、頻譜碎片化等3大痛點(diǎn)。隨著站點(diǎn)加密,城市中站址獲取會(huì)越來越困難,農(nóng)村又缺少高層建筑用于安裝天線,所以將無線基站天線建在電力線桿塔上將會(huì)成為一種趨勢(shì)。這種桿塔共享方式可以充分利用電網(wǎng)輸電線路覆蓋面廣的特點(diǎn),既能夠共享資源、節(jié)約建設(shè)成本,又解決了站點(diǎn)獲取問題,在保障雙方設(shè)備既融合又并行獨(dú)立的基礎(chǔ)上,積極帶動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè),為電力行業(yè)帶來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

15G基站的新架構(gòu)

1.1架構(gòu)演變

未來5G網(wǎng)絡(luò)要面向多樣化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景,要滿足超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等需求。這些多樣化的需求驅(qū)動(dòng)著面向5G的基站結(jié)構(gòu)進(jìn)一步重構(gòu)。首先,基站架構(gòu)將向CloudRAN演進(jìn)。5G的居民接入網(wǎng)(ResidentialAccessNetwork,RAN)網(wǎng)絡(luò)將從4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的基帶單元(BasebandUnit,BBU)、射頻單元(RemoteRadioUnit,RRU)兩級(jí)結(jié)構(gòu)演進(jìn)到集中單元(CentralizedUnit,CU)、分布單元(DistributeUnit,DU)和有源天線處理單元(ActiveAntennaUnit,AAU)3級(jí)結(jié)構(gòu)。BBU的非實(shí)時(shí)部分將分割出來,重新定義為CU,負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù);BBU的剩余功能重新定義為DU,負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù);BBU的部分物理層處理功能將與原RRU合并為AAU[3]。其次,基站要具備CloudAIR演進(jìn)能力,在3G以下頻段引入CloudAIR實(shí)現(xiàn)并發(fā)LTE和5G。

1.2站點(diǎn)形態(tài)

隨著基站架構(gòu)的演變,基站設(shè)備形態(tài)也面向5G演進(jìn)[4]。熱點(diǎn)部署大規(guī)模天線,3.5GHz頻段的高頻釋放熱點(diǎn)流量,1.8GHz頻段的低頻提供無處不在的覆蓋。高頻覆蓋的微站為宏站提供高流量卸載;低頻覆蓋的宏站負(fù)責(zé)控制和管理數(shù)據(jù),保持連接、覆蓋、移動(dòng)性及容量。典型的5G站點(diǎn)形態(tài)如圖1所示。

25G基站的應(yīng)用背景及理論依據(jù)

2.1應(yīng)用背景

5G利用更高的頻率組網(wǎng),理論上需要更密的基站覆蓋。因?yàn)楦哳l信號(hào)衰落快,相鄰小區(qū)之間的干擾會(huì)大大降低,適合超密集組網(wǎng)。截至2018年上半年,3大運(yùn)營商合計(jì)建設(shè)4G宏站417萬個(gè),在完成目前4G覆蓋效果的目標(biāo)下,保守估計(jì),5G基站數(shù)量將會(huì)是現(xiàn)有4G基站數(shù)量的1.2~1.5倍。通信頻率與基站覆蓋范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。為了解決5G的深度覆蓋問題,運(yùn)營商需要建設(shè)大批的微站。在城市,由于5G通信基站密度越來越高,站址密、選址難,需要鐵塔公司進(jìn)一步合理規(guī)劃站址,降低選址難度;在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū),施工難、成本高,需要進(jìn)一步縮短建設(shè)工期,有效控制成本;而電網(wǎng)輸電線路在全國廣泛分布,縱橫交錯(cuò),大量的電力桿塔資源為行業(yè)間的資源整合提供了可實(shí)施的方案。

2.2理論依據(jù)

綜合考慮架設(shè)方式、桿塔高度和周邊環(huán)境等因素,110kV以上的輸電桿塔可作為5G基站宏站的共享資源。首先,從高壓輸電線路與無線通信基站的電磁兼容性角度考慮,輸電線路工作頻率為50Hz,產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響為工頻電磁場(chǎng),而無線通信基站的工作頻率在30MHz以上,產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響為射頻電磁場(chǎng),顯然這2個(gè)系統(tǒng)的工作頻段不會(huì)發(fā)生交叉。另外,根據(jù)實(shí)際測(cè)試,高壓輸電線路的高頻諧波干擾主要集中在1~30MHz,對(duì)頻率為800MHz和1800MHz的無線電干擾處于可忽略的數(shù)量級(jí)[5]。其次,電壓等級(jí)為110kV和220kV的輸電桿塔主要為直立式桿塔,按照結(jié)構(gòu)類型可分為角鋼塔、鋼管塔和鋼管桿。根據(jù)電力設(shè)計(jì)院《電力鐵塔加掛基站天線試點(diǎn)實(shí)施專題報(bào)告》,加掛通信設(shè)備對(duì)桿塔桿件受力影響較小,引起的應(yīng)力比變化大概在1%~2%之間[6]。

35G基站的實(shí)際應(yīng)用

3.1電力供電

5G高頻超密組網(wǎng)對(duì)站址、桿塔、電源配套等資源配置提出了較高的要求,其中首先要求外電容量高。如隨著5G基站集成度提高,5G設(shè)備系統(tǒng)功耗相當(dāng)于4G設(shè)備系統(tǒng)功耗的3~4倍。獨(dú)家5G外市電需求為6kW,移動(dòng)、電信、聯(lián)通3家5G需求共18kW,如果采用集中遠(yuǎn)供方式進(jìn)行配電則線纜損耗大。5G和4G主設(shè)備功耗分析如表2所示。移動(dòng)通信基站需要380V三相交流電或220V單相交流電為其供電,當(dāng)共享鐵塔位于配電網(wǎng)供電范圍之內(nèi)時(shí),可直接引入市電為基站供電,即電力桿塔基站設(shè)備可以直接通過低壓電力網(wǎng)絡(luò)供電。低壓饋電線路從公用低壓網(wǎng)絡(luò)將電能耦合進(jìn)來,然后通過直埋電纜與電力線鐵塔下的饋電機(jī)柜連接,也可以采用架空電纜的方式,或者遵從電力公司的防護(hù)要求,選用其他合適的連接電纜。典型的連接距離為30~60m,中間通過絕緣變壓器使桿塔附近地電位升高區(qū)域與周圍隔離開來。若共享鐵塔處于較偏遠(yuǎn)地區(qū),無法直接從公共電網(wǎng)引入一路380V/220V交流電路,基站設(shè)備可以從中壓電力網(wǎng)絡(luò)供電,通常為10~20kV。10kV及以上等級(jí)的中壓電纜需要定制不帶金屬屏蔽層的電纜,因?yàn)槠湫揪€本身能夠提供更高等級(jí)的對(duì)地絕緣。如果是220kV及以上等級(jí)的高壓電纜進(jìn)行電力供電,因其屬于典型的3個(gè)單芯電纜,可以滿足絕緣要求。中壓電纜連接典型長度距離電力線鐵塔至少50m以上,中間通常需要使用中/低壓變壓器作為隔離變壓器。大功率單相變壓器可以從中壓輸電線路取電后直接供給基站,也可以與蓄電池、光伏電池等組合在一起,共同為基站提供穩(wěn)定用電。

3.2接地布置與防雷措施

對(duì)于安裝在電力鐵塔上的無線通信基站,要因地制宜做好接地布置,以保障設(shè)備的安全和正常運(yùn)行[7]。饋電機(jī)柜和設(shè)備機(jī)柜、天線側(cè)設(shè)備和電源線、電力桿塔及避雷針等都要做好規(guī)范接地。饋電機(jī)柜不論是在設(shè)備機(jī)柜附近還是內(nèi)部,都應(yīng)共用同一個(gè)接地系統(tǒng);這個(gè)接地系統(tǒng)再通過橫截面積35mm2以上的銅線與電力桿塔地相連。如果機(jī)柜距離桿塔較近,還需單獨(dú)與深埋地下的接地電極相連。用來連接基站設(shè)備機(jī)架和天線的同軸電纜,其外層屏蔽層除了要與天線金屬部件和設(shè)備機(jī)架連接,還要與電力線鐵塔連接,并一起接地。基站接地網(wǎng)與電力桿塔接地網(wǎng)間必須每隔3~5m相互連接一次,至少有2處相互連接,以便形成統(tǒng)一的接地網(wǎng)。目前電力鐵塔上除了導(dǎo)地線以外,還要做好防雷措施。5G基站天線側(cè)設(shè)備簡化后,不必再考慮RRU與天線間饋線的防雷措施,只要將5GAAU安裝在導(dǎo)線下方,新增的通信設(shè)備和天線在遭受雷擊時(shí),處于電力鐵塔避雷針保護(hù)范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)通信設(shè)備造成過電流或過電壓的現(xiàn)象。避雷針要直接接到大地地網(wǎng)上,防止雷擊時(shí)基站地電位反擊影響基站室內(nèi)設(shè)備安全。如果基站天線包含GPS衛(wèi)星天饋系統(tǒng),可用來接收來自GPS的衛(wèi)星接收信號(hào),作為時(shí)鐘同步。施工方案是GPS天線不上塔或上塔不超過10m,GPS饋線全程絕緣,不用接地,只在BBU側(cè)的GPS避雷器處接地,GPS避雷器可放在機(jī)柜頂部或扎綁帶放在機(jī)柜側(cè)面。如果GPS天線上塔超過10m,則避雷器需用接地線接地或用饋線接地夾在離避雷器1m范圍內(nèi)接地。

4結(jié)語

為了大幅提升用戶吞吐量和系統(tǒng)容量,5G通信技術(shù)探求在更高頻率上獲得更大帶寬。超密集組網(wǎng)解決了信號(hào)覆蓋范圍和質(zhì)量的要求,但與此同時(shí)也帶來了站點(diǎn)密集、選址困難的問題。本文通過分析5G移動(dòng)基站的新架構(gòu)以及運(yùn)行可行性,提出5G無線基站共享電力桿塔資源的建設(shè)方式。對(duì)施工過程中涉及的饋電、接地和防雷措施等給出了具體的解決方案及注意事項(xiàng)。

參考文獻(xiàn):

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[7]申毅,柏世剛,袁偉.移動(dòng)通訊基站防雷接地技術(shù)探析[J].通信電源技術(shù),2018(3):230-231.

作者:孟逢逢 劉洪利 單位:上海電力大學(xué)