5G建設(shè)過程中通信鐵塔的承載能力分析

曲方明

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司 吉林省長(zhǎng)春市 130000）

在第五代通信技術(shù)不斷發(fā)展和普及應(yīng)用的時(shí)代背景下，無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)通信鐵塔需求量日益增加，這給存量鐵塔承載能力帶來挑戰(zhàn)。因此，為促進(jìn)我國(guó)5G 通信網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)通信鐵塔承載能力進(jìn)行分析與探究是十分必要的。

1 5G相關(guān)概述及通信鐵塔建設(shè)現(xiàn)狀

1.1 5G相關(guān)概述

所謂5G，主要是指第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是當(dāng)前時(shí)代下最新一代的蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，相較于4G、3G，5G 具有高數(shù)據(jù)速率、低成本、少延遲、能源節(jié)約、可連接大規(guī)模設(shè)備以及提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的性能優(yōu)勢(shì)，但相應(yīng)的，5G 對(duì)基站等基礎(chǔ)設(shè)施的要求也有所提升[1]。

1.2 目前通信鐵塔建設(shè)現(xiàn)狀

對(duì)于無線通信網(wǎng)絡(luò)而言，通信鐵塔是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，是建設(shè)“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”的重要前提。在5G 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代背景下，無論是大數(shù)據(jù)技術(shù)還是人工智能技術(shù)均得到進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)性能也提出了更高要求，使得現(xiàn)存通信鐵塔無法切實(shí)滿足用戶使用需求和5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求。從當(dāng)前我國(guó)通信鐵塔建設(shè)現(xiàn)狀來看，在對(duì)該基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建設(shè)時(shí)主要需要考慮的因素是周邊環(huán)境、所在區(qū)域的具體規(guī)劃情況、信號(hào)覆蓋范圍以及信號(hào)覆蓋高度。目前，我國(guó)通信鐵塔高度普遍在20-42m 范圍內(nèi)，根據(jù)各地不同的規(guī)劃要求鐵塔類型和高度也大同小異，主要使用的通信鐵塔類型有美化塔、單管塔以及角鋼塔。其中，角鋼塔占地面積較大，且外在美觀度較低，主要應(yīng)用于具有較大天線負(fù)荷的平原地區(qū)和征地費(fèi)用一般的農(nóng)村地區(qū)；拉線塔主要為樓頂拉線塔，受大風(fēng)影響較為嚴(yán)重，使用過程中容易找到破壞，為此，整體使用量較少；單管塔具有較強(qiáng)適應(yīng)性，能夠用于多個(gè)場(chǎng)景；三（四）管塔的應(yīng)用場(chǎng)景主要是征地費(fèi)用較低的農(nóng)村地區(qū)；一體化塔房外在美觀度較高，相較于其他通信鐵塔，其高度較低，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)臨時(shí)覆蓋區(qū)域。

從我國(guó)目前存量通信鐵塔現(xiàn)狀來看，其發(fā)揮的作用主要是滿足運(yùn)營(yíng)商2G 網(wǎng)絡(luò)、3G 網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋需求，為此，此類通信鐵塔在設(shè)計(jì)和建設(shè)階段并未對(duì)5G 建設(shè)要求進(jìn)行考慮，排除掉已經(jīng)用于2G 網(wǎng)絡(luò)、3G 網(wǎng)絡(luò)和4G 網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)，剩下的通信鐵塔無法滿足不同移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的5G 建設(shè)需求。以單管塔為例，若是該鐵塔具有5 層平臺(tái)且高度在42m 時(shí)，為滿足5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求，需要在該鐵塔上至少增加6 副以上5G 天線。不同于現(xiàn)網(wǎng)天線，5G 天線具有十分突出的特點(diǎn)，即集成化水平高、尺寸小、重量大、迎風(fēng)面積小。例如，795mm×395mm×195mm 尺寸的天線重量為45kg，迎風(fēng)面積大概在0.314mm2；880mm×450mm×140mm 尺寸的天線重量為49kg，迎風(fēng)面積大概在0.396mm2；1140mm×480mm×144mm尺寸的天線重量為47kg，迎風(fēng)面積大概在0.547mm2左右，由此可見，無論是迎風(fēng)面積還是天線重量，均給通信鐵塔承載能力提出更高要求。另外，現(xiàn)網(wǎng)本就在4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下進(jìn)行過擴(kuò)容，相較于2G網(wǎng)絡(luò)和3G 網(wǎng)絡(luò)，RRU 數(shù)量也明顯增加，但在5G 網(wǎng)絡(luò)背景下，各參數(shù)均需要進(jìn)一步提高，為此，在開展5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作時(shí)，需要以通信鐵塔承載能力為核心對(duì)各方面影響因素進(jìn)行綜合考慮[2]。

2 分析5G建設(shè)對(duì)通信鐵塔的需求

從我國(guó)5G 建設(shè)現(xiàn)狀來看，對(duì)通信鐵塔的需求體現(xiàn)在多個(gè)方面，具體如下：

（1）從宏觀角度來看，5G 通信網(wǎng)絡(luò)是我國(guó)數(shù)字新基建的關(guān)鍵組成，同時(shí)也是我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及信息通信行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。5G 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)智慧社會(huì)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域的賦能，尤其是信息通信行業(yè)發(fā)展角度，5G 建設(shè)統(tǒng)籌行業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)兩方面，能夠帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈高效協(xié)同發(fā)展。而這些愿景的實(shí)現(xiàn)均離不開通信鐵塔這一重要基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)幅員遼闊、人口眾多，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)使用質(zhì)量的要求日益提高，這不僅要求通信鐵塔的承載能力提高，更對(duì)其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和深度提出挑戰(zhàn)。

（2）以通信鐵塔頻譜資源的分配現(xiàn)狀和鐵塔使用效率角度來看，5G 建設(shè)要求對(duì)信號(hào)覆蓋進(jìn)行完善，提高用戶感知，尤其是行業(yè)企業(yè)數(shù)字化應(yīng)用領(lǐng)域等，均對(duì)通信鐵塔規(guī)模、布局提供更大、更合理的需求。然而，由于5G 設(shè)備具有較高集成化程度，整體質(zhì)量較大，雖然我國(guó)具有豐富的通信鐵塔資源，但亟需按照5G 網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行改造和建設(shè)，這給各地通信鐵塔使用方法和布局提出更高要求。

（3）從中國(guó)通信鐵塔的層面來看，我國(guó)鐵塔主要負(fù)責(zé)的是為社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域提供應(yīng)用服務(wù)，并在全國(guó)規(guī)劃建設(shè)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)上對(duì)基站進(jìn)行維護(hù)。但是，在5G 時(shí)代背景下，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)智能設(shè)備的普及應(yīng)用使得我國(guó)增加需求巨大，雖然該情況使得我國(guó)5G 發(fā)展前景十分廣闊，但也給中國(guó)鐵塔的使用提出更高要求。具體而言，在市場(chǎng)需求不斷提高以及科學(xué)技術(shù)水平迭代發(fā)展的情況下，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求處于不斷變化的狀態(tài)，目前，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵是提高基站相應(yīng)速度和供應(yīng)能力。但是，基站需求方往往難以提出準(zhǔn)確意見，這導(dǎo)致供應(yīng)方需要根據(jù)市場(chǎng)變化對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，但是，中國(guó)通信鐵塔正面臨選址困難、需求響應(yīng)不及時(shí)等問題，5G 建設(shè)需求難以被滿足，影響中國(guó)鐵塔發(fā)展[3]。

3 探究5G建設(shè)過程中提高通信鐵塔承載能力的有效方法

作為5G 建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在優(yōu)化通信鐵塔承載能力時(shí)，主要從鐵塔建設(shè)和運(yùn)營(yíng)商兩個(gè)方面入手，從而滿足用戶高標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信需要。具體方法如下：

3.1 基于通信鐵塔建設(shè)優(yōu)化承載能力

相較于以往4G 無線通信網(wǎng)絡(luò)，5G 建設(shè)要求集成化程度較高的天線，而此類天線重量、迎風(fēng)面積和尺寸均較大，這給通信鐵塔整體架構(gòu)的承載能力提出更高要求。因此，在通過優(yōu)化建設(shè)通信鐵塔的方法提高鐵塔承載能力時(shí)，主要對(duì)三方面進(jìn)行改造，提高鐵塔穩(wěn)定可靠性，滿足5G 建設(shè)的高承載力要求。具體建設(shè)方法為：

（1）一體化塔房加固建設(shè)。在采取建設(shè)手段優(yōu)化通信鐵塔承載能力時(shí)，應(yīng)立足于我國(guó)面對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，除了國(guó)家相關(guān)政策優(yōu)勢(shì)、市場(chǎng)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)以及共享創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，更為重要的是我國(guó)具有極強(qiáng)的鐵塔資源優(yōu)勢(shì)。在中國(guó)鐵塔成立之初就擁有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的存量鐵塔，在開展5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，這些資源可以直接建成使用，經(jīng)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，到2022年我國(guó)的5G 通信鐵塔將高達(dá)250 萬(wàn)座，為此，在該優(yōu)勢(shì)下，對(duì)此類資源進(jìn)行改造建設(shè)即可。一體化塔房加固建設(shè)工作主要針對(duì)的問題是塔身直徑較小和塔壁較薄的問題，由于原本的一體化塔房的塔身無法支撐5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，無法設(shè)計(jì)多層平臺(tái)，最多為2-3 層，為此，對(duì)于此類通信鐵塔，需要采取增加斜撐和配重的方式進(jìn)行改造，對(duì)一體化塔房整體進(jìn)行加固，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其承載能力的提升。同時(shí)，通過該加固措施，還能夠有效增加1-2層的平臺(tái)，平臺(tái)層數(shù)可達(dá)3-4層，滿足5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。

（2）拆除輔材，替換單管塔主材。不同于一體化塔房塔身直徑和壁厚較小的問題，單管塔塔身直徑較大且塔壁較厚，雖然其強(qiáng)度較高，但存在受力薄弱點(diǎn)，即塔身和塔腳法蘭連接位置，為此，在對(duì)此類通信鐵塔的承載能力進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，主要采取替換主材和拆除輔材的方法。具體而言，在我國(guó)眾多通信鐵塔中，部分早期設(shè)計(jì)的單管塔，其塔身法蘭和塔腳法蘭處所使用的螺栓為8.8 級(jí)30-M24，雖然能夠滿足以往4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)需要，但不滿足5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所需強(qiáng)度。因此，在對(duì)單管塔進(jìn)行改造建設(shè)時(shí)，應(yīng)將使用更高強(qiáng)度的螺栓進(jìn)行替換，根據(jù)5G 實(shí)際需求，可使用10.9 級(jí)30-M24 螺栓，加強(qiáng)此類通信鐵塔的塔腳和塔身的薄弱點(diǎn)，提高其整體抗風(fēng)荷載能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其承載能力的提高。除此之外，部分單管塔在建設(shè)時(shí)為了與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，解決周圍投訴問題，在建設(shè)之初采用了美化形式，即在單管塔的塔頂安裝了美化外罩。雖然該舉措有效避免了上述問題，但美化外罩的存在也導(dǎo)致通信鐵塔迎風(fēng)面積的擴(kuò)大，遠(yuǎn)大于天線迎風(fēng)面積，而該情況在此類塔設(shè)計(jì)初期被相關(guān)人員察覺到，為此，加裝美化外罩的單管塔，其抵抗風(fēng)荷載能力和自身強(qiáng)度均較高。但在當(dāng)前時(shí)代形勢(shì)下，輻射科普宣傳工作的落實(shí)使得人們對(duì)通信鐵塔的錯(cuò)誤認(rèn)知逐漸糾正，周邊居民對(duì)通信鐵塔的投訴越來越少，故在該前提下，可以將此類單管塔的美化外罩拆除，減小鐵塔頂部迎風(fēng)面積，進(jìn)一步提高通信鐵塔的承載能力，同時(shí)還能夠行滿足新增天線抱桿的需求[4]。

（3）延長(zhǎng)通信鐵塔的天線抱桿。從我國(guó)早期通信鐵塔的設(shè)計(jì)來看，其抱桿長(zhǎng)度在2 米，但目前所使用的雙頻天線高度和四頻天線高度一般在1.5 米和2 米之間，由于RRU 的安裝位置，通信鐵塔一根抱桿只能安設(shè)一副天線。由于5G 天線具有高度集成化的特點(diǎn)，且天線高度在1 米以下，通過對(duì)天線抱桿進(jìn)行延長(zhǎng)，能夠增加抱桿安裝設(shè)備的數(shù)量。具體而言，將通信鐵塔原本2 米的抱桿延長(zhǎng)為2.5 米。在該情況下，可以安裝2 臺(tái)5GAAU，提高通信鐵塔平臺(tái)利用率。值得注意的是，5G 設(shè)備的高集成化特點(diǎn)使得其重量較大，為此，在對(duì)抱桿進(jìn)行延長(zhǎng)時(shí)應(yīng)對(duì)抱箍和抱桿進(jìn)行加固處理，提高通信鐵塔的承載能力，滿足5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要。

（4）針對(duì)通信鐵塔的塔桅承載能力問題以及上述改造措施的實(shí)現(xiàn)，鐵塔負(fù)責(zé)方應(yīng)做好存量鐵塔詳細(xì)資源查摸，全面評(píng)估目前現(xiàn)有桿塔安裝空間和承載能力，若是空余安裝空間較小或是沒有，則需要及時(shí)通過檢測(cè)單位出具相關(guān)檢測(cè)報(bào)告，并對(duì)單管塔水平位移限值進(jìn)行調(diào)整、對(duì)掛載天線面積和重量進(jìn)行核準(zhǔn)以及精細(xì)化設(shè)計(jì)格構(gòu)塔阻尼比等，從而提高通信鐵塔的掛載能力，促進(jìn)5G 建設(shè)工作的順利展開?？偠灾?，由于5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)我國(guó)現(xiàn)有通信鐵塔的最大應(yīng)力、支臂承重、塔頂位移以及風(fēng)荷載等方面具有較高要求，外加我國(guó)密集市、一般市區(qū)等5G 場(chǎng)景主要應(yīng)用的通信鐵塔為景觀塔等，此類鐵塔已經(jīng)掛載多套天線，整體承載能力不高，為此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的承載能力強(qiáng)化方法，從而滿足5G 建設(shè)對(duì)通信鐵塔承載能力的要求。

3.2 從運(yùn)營(yíng)商方面提高鐵塔承載能力

我國(guó)移動(dòng)通信主要運(yùn)營(yíng)商的通信鐵塔基本上都是以租賃的方式獲得中國(guó)鐵塔資源，為此，其履約、續(xù)約較為穩(wěn)定，外加我國(guó)副員遼闊、人口眾多，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商的租用量巨大、租用周期一般在5年到15年。為此，若想在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中有效提高通信鐵塔承載能力，除了對(duì)現(xiàn)有鐵塔資源進(jìn)行改造和建設(shè)，還可以從運(yùn)營(yíng)商方面強(qiáng)化通信鐵塔承載能力。具體措施如下：

（1）合理減少天線數(shù)量，盡量使用多頻天線。從目前現(xiàn)狀來看，針對(duì)2G 網(wǎng)絡(luò)、3G 網(wǎng)絡(luò)以及4G 網(wǎng)絡(luò)而言，一家運(yùn)營(yíng)商主要以簡(jiǎn)單疊加的方式、投入多個(gè)單頻天線提供支持，在該情況下，若想要實(shí)現(xiàn)區(qū)域信號(hào)的全覆蓋，至少需要疊加9 副天線才能夠滿足多種信號(hào)的收發(fā)。但在通信技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，目前已投入使用多種多頻天線，例如“4488”四頻天線，該天線同時(shí)支持四種信號(hào)的收發(fā)， 有885-960MHz、1885-2025MHz、1710-1830MHz 以 及2575-2635MHz。同時(shí)，相較于單頻天線，此類天線的網(wǎng)絡(luò)性能較高，通過天饋合路，能夠有效減少天線數(shù)量，提高通信鐵塔可以利用的天面空間，實(shí)現(xiàn)鐵塔承載能力的有效提高。

（2）對(duì)天線掛高進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。一般情況下，通信鐵塔往往會(huì)將塔底的直徑設(shè)計(jì)的比塔頂大，塔底的壁厚也大于塔頂，在對(duì)鐵塔承載能力進(jìn)行復(fù)核時(shí)，主要對(duì)鐵塔迎風(fēng)面積進(jìn)行考量，在天線高度較高時(shí)，鐵塔頂部迎風(fēng)面積就會(huì)越大，那么鐵塔所需要承受的風(fēng)荷載就越大。當(dāng)天線掛高較高時(shí)，風(fēng)荷載主要集中于通信鐵塔頂部，在長(zhǎng)期作用情況下，塔頂位移增大，進(jìn)而影響通信鐵塔承載能力，無法滿足5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與后續(xù)運(yùn)營(yíng)需要。因此，運(yùn)營(yíng)商可在滿足信號(hào)收發(fā)和區(qū)域覆蓋的前提下，將通信鐵塔天線掛高向下調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)移最大迎風(fēng)面，將其移動(dòng)到鐵塔中間部位，進(jìn)而避免鐵塔頂部承擔(dān)過大的風(fēng)荷載作用力，從根本上減少鐵塔頂部的水平位移，進(jìn)而有效提高通信鐵塔承載能力，為5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

綜上所述，提高通信鐵塔承載能力對(duì)促進(jìn)5G 建設(shè)盡快落實(shí)具有極強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。因此，運(yùn)營(yíng)商和鐵塔供給側(cè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的改造方法，例如調(diào)節(jié)天線掛高、延長(zhǎng)天線抱桿等，從而滿足5G 建設(shè)需求，促進(jìn)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。