5G建设过程中通信铁塔的承载能力分析
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【摘要】 随着第五代通信技术（5G）的发展，无线网络建设对于通信铁塔的需求量与日俱增，5G建设给存量铁塔的承载能力带来了极大考验。本文主要分析了现有铁塔基站的塔形，以及运营商为满足不断增加的无线通信网络覆盖需要对铁塔基站提出的要求，并基于此对移动通信铁塔的承载能力进行了分析，为提高移动通信铁塔的承载能力提出了一些建议和参考。
【关键字】 基站铁塔 无线网络通信 铁塔设计
移动通信铁塔是无线网络通信的基础设施，是满足用户网络通信需要和建设“网络强国”的重要基础。随着5G时代的到来，大数据、物联网、人工智能等大规模发展，用户对于无线网络的“质”和“量”有了更高的要求，现有的铁塔基站资源已经很难满足，考虑到在城市新建铁塔的难度和造价等原因，需要对现有铁塔资源进行进一步开发和优化设计，提出可靠的塔桅和天线改造方案，提高铁塔承载能力。
一、铁塔建设现状
通信铁塔的建设应考虑区域规划及周围建筑环境，并满足信号覆盖的高度要求和范围要求。上海郊区通信铁塔高度主要集中在20m至42m之间，根据覆盖区域内规划要求和建筑物类型，可选择不同类型和高度的铁塔。通信铁塔常见的塔形有单管塔、美化塔、角钢塔等[1]，表1为常见铁塔类型及其适用场景。
现有存量通信铁塔主要集中解决运营商2G、3G和4G信号的覆盖，建设初期未考虑5G建设需求，除去2G、3G和4G信号已经使用的平台，预留平台不能满足不同运营商的5G建设需求。图1为单管塔平台分布示意图，对于高度为42m，五层平台的单管塔，可以解决运营商现网的建设需求，但运营商如需在同一座铁塔上新增6付及以上5G天线，则无法满足此建设需求。
与现网天线相比，5G天线的集成化程度高，具有尺寸小、迎风面积小、重量大的特点，表2列出了目前部分厂商5G天线的规格参数。 4G时代的到来，随着现网的不断扩容，RRU的數量也较2G和3G时代明显增加，并且所有RRU均需上塔，对于铁塔的负载也有了更高的要求，因此，在进行5G建设时，需要根据铁塔承载能力综合考虑多方面的因素。
二、铁塔承载能力分析
针对目前移动通信铁塔的现状，本文立足运营商和铁塔建设方两个角度，对提高铁塔的承载能力进行了分析。
2.1运营商
（1）减少天线数量，使用多频天线;对于一家运营商而言，其现网2G，3G和4G多采用单频天线简单叠加的方式，针对某一区域的信号覆盖，要同时满足多种信号的收发，则需要至少9付天线。随着通信技术的发展，目前已有多种多频天线投入使用，目前使用的“4488”四频天线支持885-960MHz/1710-1830MHz/1885-2025MHz/2575-2635MH频段[2]，并且其网络性能与单频天线相当，通过天馈的合路，天线数量明显减少，铁塔有限的天面空间可以充分利用，极大的提高了铁塔承载能力。
（2）降低天线挂高;铁塔设计过程中，塔底直径大于塔顶，且塔底壁厚也大于塔顶。在铁塔承载能力复核时，主要考虑铁塔迎风面积，且天线越高，铁塔顶部迎风面积越大，风荷载对铁塔的影响越大。当风荷载集中在铁塔顶部时，塔顶位移明显增大，对于铁塔承载能力不利。在满足周边信号覆盖的前提下，采用降低天线挂高的方式，把天线最大迎风面转移到铁塔中部，从而降低铁塔顶部在风荷载作用下的水平位移，提高铁塔承载能力。
2.2 铁塔建设方
（1）一体化塔房加固
上海郊区存在大量一体化塔房，由于一体化塔房的塔身直径和壁厚较小，无法设计多层平台，一般设计平台为2-3层。5G时代的到来，此类塔，如果不进行改造，基本不能满足5G建设的需求。通过增加斜撑和配重的方式，对一体化塔房进行加固，其承载能力将得到显著提升，平台可增加至3-4层，基本能满足一家的5G建设需求。图2为一体化塔房改造改造前，图3为一体化塔房增加斜撑和配重改造后。
（2）单管塔主材替换与辅材拆除
单管塔的塔身直径和壁厚较大，具有较高强度，其受力薄弱点主要为塔身和塔脚法兰连接处。实际工程中发现，部分早期设计的单管塔，塔脚和塔身法兰采用的螺栓规格为8.8级30-M24，通过改造，将原有螺栓更换为强度更高的10.9级30-M24螺栓，塔身和塔脚受力薄弱点得到加强，铁塔整体抵抗风荷载的能力提高。图4为原有法兰螺栓，图5为替换后法兰螺栓。
在铁塔建设初期，为解决基站附近投诉问题及与周边环境的协调问题，部分单管塔采用了美化的形式，在塔顶加装了美化外罩，由于美化外罩迎风面积要远大于天线迎风面积，此类塔一般在设计初期就拥有较高的强度和抵抗风荷载能力。随着通信网络的发展和基站辐射科普宣传的推进，现在居民对于铁塔基站的投诉显著减少，故在协调良好的前提下，可以通过拆除美化外罩的方式，提升铁塔承载能力。由于美化外罩的拆除，铁塔顶部迎风面积显著减小，满足在原有美化罩下方新增天线抱杆的需求。
（3）天线抱杆延长
早期铁塔设计的抱杆长度一般为2米，目前使用的双频和四频天线高度一般为1.5-2.0米，考虑RRU的安装位置，一根抱杆只能安装1副天线。
由于5G天线具有高度集成化，且其高度一般小于1米，将原有2米抱杆替换为2.5米抱杆后，一根抱杆可以安装2台5G AAU，极大的提升了铁塔平台的利用率。但在替换长抱杆时应当注意，5G设备的重量远大于以前的天线，故应对替换后的长抱杆和抱箍做加固处理。
三、结论
通过本文给出的改造建议，现有的通信铁塔在通过加固、主材替换、辅材拆除、延长抱杆等改造后，承载能力将显著提高，改造后新增的天面空间可以满足现有的5G建设需求。
随着通信技术的发展，今后5G网络大规模商用，未来通信网络对于铁塔的需求量将更大，铁塔承载能力分析和塔桅改造必将迎来新的挑战，因此在现有改造方法的基础上寻找新的改造技术、改造工艺十分必要。
参 考 文 献
[1] 纪英波. 无线网络建设中通信塔桅的选型[J].山西建筑，2012，38（7）：1-2
[2] 龚戈勇，刘洋.“后4G”时期基站天馈系统整合方案探讨[J].电信技术，2019，5：44-46
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