惡劣環(huán)境下基站建設(shè)的解決方案分析

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 周 輝 成 曦 孔繁俊 蔡 浩 張 亮

1 惡劣環(huán)境給基站建設(shè)帶來的影響

1.1 基站組成部分

宏蜂窩基站是最主要的基站類型，構(gòu)成移動通信網(wǎng)的基礎(chǔ)，普遍應(yīng)用于市區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村等各類地區(qū)，基站覆蓋范圍從幾百米到十余千米，天線的安裝位置高于建筑物的平均高度。

一般宏蜂窩基站有5個(gè)部分組成：BTS（基站）主設(shè)備、天饋系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、機(jī)房和鐵塔。

1.2 惡劣環(huán)境對基站建設(shè)的影響

新疆許多農(nóng)村區(qū)域存在移動通信需求，如邊防哨所、行政村、礦區(qū)、油田、高速公路等，這些區(qū)域有的位于沙漠、戈壁，有的地處高山，環(huán)境惡劣，地形復(fù)雜，夏季氣溫高，冬季嚴(yán)寒，給基站的建設(shè)、維護(hù)帶來了極大的困難，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）地處偏遠(yuǎn)，無法引入市電。

為滿足偏遠(yuǎn)礦區(qū)、高鐵等場景的移動通信需求，新建基站的電力引入問題需要充分考慮，若引入市電，需要長距離鋪設(shè)電力線路，工程投資巨大，而礦區(qū)、高速的用戶無法產(chǎn)生較高的收益，因此，對于地處偏遠(yuǎn)的區(qū)域，需要考慮其他方式進(jìn)行供電。

2）夏季高溫，影響設(shè)備穩(wěn)定性。

根據(jù)全國各主要城市的氣候分區(qū)歸屬分析，新疆部分區(qū)域9～10月溫度在45～50℃，而對于無法引入市電的基站，一般不配置空調(diào)。在這種情況下，室內(nèi)45℃以上的高溫，給基站主設(shè)備、傳輸設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和蓄電池的使用壽命造成了很大的影響。

3）山坡陡峭，建站空間狹小。

對于高速公路、鐵路旁基站的建設(shè)，時(shí)常會遇到復(fù)雜的地理環(huán)境，如公路一邊是河，一邊是山，給基站的設(shè)計(jì)、施工帶來極大的考驗(yàn)。

2 惡劣環(huán)境下基站建設(shè)方案分析

2.1 BTS主設(shè)備解決方案

分布式基站是應(yīng)對惡劣環(huán)境、解決建站困難的一種很好的方式。分布式基站技術(shù)是把基站分為基帶單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）兩部分，相對于傳統(tǒng)的機(jī)架方式，有很多優(yōu)點(diǎn)，尤其在惡劣建站環(huán)境下。

1）更小的損耗：用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的饋線將射頻部分拉遠(yuǎn)，RRU靠天線安裝，可以減少傳統(tǒng)基站因饋線導(dǎo)致的約3 dB損耗，使基站消耗的功率大幅降低，從而增加覆蓋面積，減少所需基站數(shù)量。

2）更小占地空間：BBU和RRU間的光纖級聯(lián)可大3級，兩者最遠(yuǎn)間距可達(dá)40km，RRU側(cè)可以采用自然散熱技術(shù)，不僅能夠節(jié)省溫控能耗，而且無需機(jī)房占地面積小，安裝快捷。

3）更少的能耗：S111（3扇區(qū)，每扇區(qū)1載波）配置為例，與傳統(tǒng)的基站功耗相比，分布式基站功耗僅為340W，節(jié)能高達(dá)43%。

2.2 電源解決方案

由于新疆邊遠(yuǎn)地區(qū)基站所處位置自然條件惡劣，在市電無法保證的情況，利用部分區(qū)域豐富的太陽能和風(fēng)能資源提供電力保障是非常有必要的。

2.2.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

一般太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、匯流盒、太陽能控制器、蓄電池、太陽能板支架、傳感器及連接輔件等部分組成。太陽能電池產(chǎn)生的是直流電，可以滿足直流負(fù)載的供電要求，對于交流負(fù)載而言，需要增加逆變器系統(tǒng)。

1）太陽能電池板容量配置。

太陽能電池板容量計(jì)算參考通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T5040—2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中式(C.0.1)進(jìn)行計(jì)算。

其中，P為太陽電池方陣總?cè)萘浚籚P為一個(gè)太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下取得的工作點(diǎn)電壓，取值48 V；I為系統(tǒng)輸出電流，按保障負(fù)荷容量考慮；8 760為平年每年小時(shí)數(shù)；ηb為蓄電池充電安時(shí)效率，鉛蓄電池取0.84；T為當(dāng)?shù)啬耆照招r(shí)數(shù)；Vo為每只蓄電池浮充電壓，取值2.235 V；Nb為每組蓄電池只數(shù)；Vl為串入太陽電池至蓄電池供電回路中的元器件和導(dǎo)線在浮充供電時(shí)引起的壓降；Fc為影響太陽電池發(fā)電量的綜合修正系數(shù)，取值1.2～1.5；η為根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄刻烊照諘r(shí)數(shù)折合成標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光照時(shí)數(shù)所取的光強(qiáng)校正系數(shù)，一般取0.6～2.3；α為個(gè)太陽電池組件中單體太陽電池的電壓溫度系數(shù)，取值－0.002～－0.002 2 V/℃；t2為太陽電池組件工作溫度；t1為太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測試溫度；Nm為一個(gè)太陽電池組件中單體太陽電池串聯(lián)只數(shù)。

擴(kuò)容太陽能電池組件應(yīng)能與現(xiàn)有太陽能電池組件兼容。

2）蓄電池容量配置。

其中，Q為蓄電池容量；K為安全系數(shù)，取1.25；I為負(fù)荷電流；T為放電小時(shí)數(shù)；ηc為放電容量系數(shù)，見表1；t為最低環(huán)境溫度數(shù)值，有采暖設(shè)備按15℃考慮，無采暖設(shè)備按5℃考慮；α為電池溫度系數(shù)，取0.006/℃。

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2.2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.2.2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成

一個(gè)典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪）、機(jī)艙罩、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、基座、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓裝置等。

2.2.2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組供電能力的測算方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年平均發(fā)電量或日平均發(fā)電量的計(jì)算比較復(fù)雜，而且僅是平均值概念的計(jì)算值。如果要較為準(zhǔn)確地測算出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)日平均或年平均發(fā)電量，必須有發(fā)電機(jī)的功率特性曲線和風(fēng)速頻率分布（如圖1所示）才能進(jìn)行計(jì)算。

利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率特性曲線和風(fēng)輪轂高處不同風(fēng)速頻率分布，可以估算出1臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在計(jì)算期間（年、月、日）的發(fā)電總量。

具有風(fēng)頻圖的風(fēng)機(jī)輸出功率計(jì)算公式為：

其中，Q是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組期間發(fā)電總量；PV是在風(fēng)速V時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率；TV是場地風(fēng)速V的期間累計(jì)小時(shí)數(shù)；V是場地風(fēng)速V在期間內(nèi)風(fēng)速的取值。

如果不能得到風(fēng)速頻率分布圖，則可用當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速代替進(jìn)行估算，估算方法如下。

用年平均風(fēng)速值時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出功率值乘以年度總的小時(shí)值 8760 h，即 Q1＝K×8760×PV，Q1是年發(fā)電量；PV是年平均風(fēng)速值時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率；K是修正系數(shù)，取1.2～1.5。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按平均風(fēng)速計(jì)算的發(fā)電量小于實(shí)際按風(fēng)速頻率分布圖計(jì)算的年發(fā)電量，因此可按一定的比例進(jìn)行適度修正（修正系數(shù)取1.2～1.5）。

2.3 機(jī)房配套解決方案

2.3.1 機(jī)房刷太陽能反射涂料

太陽能反射隔熱涂料對太陽光具有全波段高性能的反射隔熱作用，其特點(diǎn)在于，以很高的太陽熱反射率，將陽光所攜帶的熱能瞬間反射到物體界面之外，剩余極少量的熱能在物體界面會逐漸蓄積熱能并最終高于周邊溫度，此時(shí)該產(chǎn)品又以很好的半球發(fā)射率，將蓄積的熱能絕大部分發(fā)射出去，最終只有不足2%的熱能被傳遞到物體內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)極好的隔熱作用。

以西北某運(yùn)營商某基站為例，該站采取在屋面的保溫防水材料上和機(jī)房外墻面上涂貼反光材料，并且在機(jī)房屋面上采用架空板隔離太陽熱輻射，取得了良好的節(jié)能效果。

測試結(jié)果：其他條件相同的情況下，涂刷前后基站空調(diào)用電量數(shù)據(jù)對比分析見表2。

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涂刷防曬隔熱涂料后發(fā)射基站節(jié)能率：15%以上，且外界天氣溫度越高，板房涂刷與未涂刷的隔熱效果對比越明顯

2.3.2 半地下室機(jī)房

對于降水量稀少的區(qū)域，在機(jī)房的建設(shè)當(dāng)中，考慮降低機(jī)房地坪高度，能夠起到冬暖夏涼的作用，同時(shí)對于使用太陽能供電的基站，降低的機(jī)房可以作為太陽能電池板的基礎(chǔ)，一方面節(jié)省了機(jī)房征地面積，減少了工程投資；另一方面也減少太陽直射的面積，有效地降低了機(jī)房室內(nèi)溫度，在一定程度上起到了保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 一種惡劣環(huán)境下基站建設(shè)案例

以吐魯番某基站為例進(jìn)行分析，新建基站位于偏遠(yuǎn)區(qū)域，主要解決周圍礦區(qū)的移動通信需求，且該區(qū)域無法引入市電。

1）主設(shè)備配置。考慮到該礦區(qū)規(guī)模較小，基站配置為S333即可，主設(shè)備采用分布式基站BBU加RRU的方式，有效降低了功耗，BBU額定功率僅為40W，RRU額定功率為300W/個(gè)。同時(shí)RRU采用上塔安裝的方式，能夠減少機(jī)房室內(nèi)的散熱量，同時(shí)，RRU工作溫度為－30～50℃，室外能夠滿足RRU的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）傳輸、監(jiān)控配置。該基站線路鋪設(shè)采用桿路，且造價(jià)相對較低，傳輸設(shè)備采用PTN（分組傳送網(wǎng)），額定功率為150W，動力環(huán)境監(jiān)控設(shè)備額定功率為50W。

3）電源配置。通過查找相關(guān)資料，新建基站區(qū)域年均日照時(shí)數(shù)為3049.5h，年平均風(fēng)功率密度在200W/m2以上，有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)在5 500 h以上，屬于太陽能、風(fēng)能資源豐富區(qū)域，因此該區(qū)域可以通過新建風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備為基站供電。

太陽能電池方陣容量計(jì)算。按照機(jī)房設(shè)備額定功耗的計(jì)算得出，負(fù)載設(shè)備功率共1140W，每天耗電為27 360Wh。吐魯番年平均日照時(shí)間約3 049.5 h，每天日照約8 h，連續(xù)陰天時(shí)間按3天考慮。根據(jù)太陽能電池方陣公式計(jì)算得出，需配置太陽能電池方陣總?cè)萘繛?161W，本次工程需要配置44塊190W/塊的太陽能電池組件。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量計(jì)算。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量可取太陽能電池方陣容量的30%，為2 448.3W，需配置3臺1 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

蓄電池容量計(jì)算。按放電時(shí)間72h計(jì)算，根據(jù)蓄電池容量計(jì)算公式可得，蓄電池容量為2545Ah，需配2組48V/1500Ah蓄電池。

4）機(jī)房配套。該基站采用風(fēng)光互補(bǔ)的方式供電，考慮到空調(diào)功率較大，該基站不進(jìn)行配置。同時(shí)，該區(qū)域干旱少雨，年平均降水量僅為16.4mm，故機(jī)房采用半地下室方式，內(nèi)部凈高3m，太陽能基礎(chǔ)墩子建筑高度要求與機(jī)房同高，機(jī)房可作為太陽能基礎(chǔ)的一部分，一方面節(jié)省占地面積，減少工程造價(jià)；另一方面，避免陽光直射，起到了降低室內(nèi)溫度的作用。南面和東西面圍墻不宜過高，一般落地太陽能基礎(chǔ)為300mm，圍墻高度為1.8m左右，太陽能墩子與圍墻距離5m左右。經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，該基站主設(shè)備、傳輸、風(fēng)光互補(bǔ)和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行正常，各項(xiàng)機(jī)房環(huán)境指標(biāo)均在要求范圍內(nèi)，到達(dá)了信號覆蓋礦區(qū)的目的。

4 結(jié)束語

在無法提供市電引入的惡劣環(huán)境下，針對基站建設(shè)解決方案進(jìn)行摸索，對于風(fēng)能、太陽能資源豐富的區(qū)域，已總結(jié)出一套成熟的建站解決方案。目前，按照該方案已完成近千個(gè)基站的建設(shè)，有力地保證了偏遠(yuǎn)礦區(qū)、邊防哨所、重要道路等區(qū)域的通信需求。 ◆