5G建設過程中通信鐵塔的承載能力分析

曲方明

（吉林吉大通信設計院股份有限公司 吉林省長春市 130000）

在第五代通信技術不斷發(fā)展和普及應用的時代背景下，無線網(wǎng)絡建設對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，為促進我國5G 通信網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展，對通信鐵塔承載能力進行分析與探究是十分必要的。

1 5G相關概述及通信鐵塔建設現(xiàn)狀

1.1 5G相關概述

所謂5G，主要是指第五代移動通信技術，是當前時代下最新一代的蜂窩移動通信技術，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)模設備以及提高網(wǎng)絡系統(tǒng)容量的性能優(yōu)勢，但相應的，5G 對基站等基礎設施的要求也有所提升[1]。

1.2 目前通信鐵塔建設現(xiàn)狀

對于無線通信網(wǎng)絡而言，通信鐵塔是實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的基礎設施，是建設“網(wǎng)絡強國”的重要前提。在5G 網(wǎng)絡的時代背景下，無論是大數(shù)據(jù)技術還是人工智能技術均得到進一步發(fā)展，人們對無線網(wǎng)絡性能也提出了更高要求，使得現(xiàn)存通信鐵塔無法切實滿足用戶使用需求和5G 網(wǎng)絡的建設需求。從當前我國通信鐵塔建設現(xiàn)狀來看，在對該基礎設施進行建設時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、信號覆蓋范圍以及信號覆蓋高度。目前，我國通信鐵塔高度普遍在20-42m 范圍內，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，主要應用于具有較大天線負荷的平原地區(qū)和征地費用一般的農村地區(qū)；拉線塔主要為樓頂拉線塔，受大風影響較為嚴重，使用過程中容易找到破壞，為此，整體使用量較少；單管塔具有較強適應性，能夠用于多個場景；三（四）管塔的應用場景主要是征地費用較低的農村地區(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，主要應用于網(wǎng)絡信號臨時覆蓋區(qū)域。

從我國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營商2G 網(wǎng)絡、3G 網(wǎng)絡和4G 網(wǎng)絡信號覆蓋需求，為此，此類通信鐵塔在設計和建設階段并未對5G 建設要求進行考慮，排除掉已經(jīng)用于2G 網(wǎng)絡、3G 網(wǎng)絡和4G 網(wǎng)絡的平臺，剩下的通信鐵塔無法滿足不同移動網(wǎng)絡運營商的5G 建設需求。以單管塔為例，若是該鐵塔具有5 層平臺且高度在42m 時，為滿足5G 網(wǎng)絡建設需求，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，即集成化水平高、尺寸小、重量大、迎風面積小。例如，795mm×395mm×195mm 尺寸的天線重量為45kg，迎風面積大概在0.314mm2；880mm×450mm×140mm 尺寸的天線重量為49kg，迎風面積大概在0.396mm2；1140mm×480mm×144mm尺寸的天線重量為47kg，迎風面積大概在0.547mm2左右，由此可見，無論是迎風面積還是天線重量，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)絡時代下進行過擴容，相較于2G網(wǎng)絡和3G 網(wǎng)絡，RRU 數(shù)量也明顯增加，但在5G 網(wǎng)絡背景下，各參數(shù)均需要進一步提高，為此，在開展5G 網(wǎng)絡建設工作時，需要以通信鐵塔承載能力為核心對各方面影響因素進行綜合考慮[2]。

2 分析5G建設對通信鐵塔的需求

從我國5G 建設現(xiàn)狀來看，對通信鐵塔的需求體現(xiàn)在多個方面，具體如下：

（1）從宏觀角度來看，5G 通信網(wǎng)絡是我國數(shù)字新基建的關鍵組成，同時也是我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展以及信息通信行業(yè)發(fā)展的基礎和前提。5G 網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)智慧社會和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多個領域的賦能，尤其是信息通信行業(yè)發(fā)展角度，5G 建設統(tǒng)籌行業(yè)和經(jīng)濟社會兩方面，能夠帶動產(chǎn)業(yè)鏈高效協(xié)同發(fā)展。而這些愿景的實現(xiàn)均離不開通信鐵塔這一重要基礎設施，我國幅員遼闊、人口眾多，用戶對網(wǎng)絡使用質量的要求日益提高，這不僅要求通信鐵塔的承載能力提高，更對其網(wǎng)絡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 建設要求對信號覆蓋進行完善，提高用戶感知，尤其是行業(yè)企業(yè)數(shù)字化應用領域等，均對通信鐵塔規(guī)模、布局提供更大、更合理的需求。然而，由于5G 設備具有較高集成化程度，整體質量較大，雖然我國具有豐富的通信鐵塔資源，但亟需按照5G 網(wǎng)絡需求進行改造和建設，這給各地通信鐵塔使用方法和布局提出更高要求。

（3）從中國通信鐵塔的層面來看，我國鐵塔主要負責的是為社會各個領域提供應用服務，并在全國規(guī)劃建設運營的基礎上對基站進行維護。但是，在5G 時代背景下，移動互聯(lián)網(wǎng)技術和移動智能設備的普及應用使得我國增加需求巨大，雖然該情況使得我國5G 發(fā)展前景十分廣闊，但也給中國鐵塔的使用提出更高要求。具體而言，在市場需求不斷提高以及科學技術水平迭代發(fā)展的情況下，5G 網(wǎng)絡建設需求處于不斷變化的狀態(tài)，目前，5G 網(wǎng)絡建設關鍵是提高基站相應速度和供應能力。但是，基站需求方往往難以提出準確意見，這導致供應方需要根據(jù)市場變化對其進行優(yōu)化調整，但是，中國通信鐵塔正面臨選址困難、需求響應不及時等問題，5G 建設需求難以被滿足，影響中國鐵塔發(fā)展[3]。

3 探究5G建設過程中提高通信鐵塔承載能力的有效方法

作為5G 建設的重要基礎設施，在優(yōu)化通信鐵塔承載能力時，主要從鐵塔建設和運營商兩個方面入手，從而滿足用戶高標準的網(wǎng)絡通信需要。具體方法如下：

3.1 基于通信鐵塔建設優(yōu)化承載能力

相較于以往4G 無線通信網(wǎng)絡，5G 建設要求集成化程度較高的天線，而此類天線重量、迎風面積和尺寸均較大，這給通信鐵塔整體架構的承載能力提出更高要求。因此，在通過優(yōu)化建設通信鐵塔的方法提高鐵塔承載能力時，主要對三方面進行改造，提高鐵塔穩(wěn)定可靠性，滿足5G 建設的高承載力要求。具體建設方法為：

（1）一體化塔房加固建設。在采取建設手段優(yōu)化通信鐵塔承載能力時，應立足于我國面對5G 網(wǎng)絡建設所具有的獨特優(yōu)勢，除了國家相關政策優(yōu)勢、市場主導優(yōu)勢以及共享創(chuàng)新優(yōu)勢，更為重要的是我國具有極強的鐵塔資源優(yōu)勢。在中國鐵塔成立之初就擁有數(shù)以百萬計的存量鐵塔，在開展5G 網(wǎng)絡建設時，這些資源可以直接建成使用，經(jīng)有關機構統(tǒng)計和預測，到2022年我國的5G 通信鐵塔將高達250 萬座，為此，在該優(yōu)勢下，對此類資源進行改造建設即可。一體化塔房加固建設工作主要針對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)絡建設，無法設計多層平臺，最多為2-3 層，為此，對于此類通信鐵塔，需要采取增加斜撐和配重的方式進行改造，對一體化塔房整體進行加固，進而實現(xiàn)其承載能力的提升。同時，通過該加固措施，還能夠有效增加1-2層的平臺，平臺層數(shù)可達3-4層，滿足5G網(wǎng)絡建設需求。

（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，雖然其強度較高，但存在受力薄弱點，即塔身和塔腳法蘭連接位置，為此，在對此類通信鐵塔的承載能力進行強化時，主要采取替換主材和拆除輔材的方法。具體而言，在我國眾多通信鐵塔中，部分早期設計的單管塔，其塔身法蘭和塔腳法蘭處所使用的螺栓為8.8 級30-M24，雖然能夠滿足以往4G 網(wǎng)絡建設和運營需要，但不滿足5G網(wǎng)絡建設所需強度。因此，在對單管塔進行改造建設時，應將使用更高強度的螺栓進行替換，根據(jù)5G 實際需求，可使用10.9 級30-M24 螺栓，加強此類通信鐵塔的塔腳和塔身的薄弱點，提高其整體抗風荷載能力，進而實現(xiàn)其承載能力的提高。除此之外，部分單管塔在建設時為了與周邊環(huán)境相協(xié)調，解決周圍投訴問題，在建設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致通信鐵塔迎風面積的擴大，遠大于天線迎風面積，而該情況在此類塔設計初期被相關人員察覺到，為此，加裝美化外罩的單管塔，其抵抗風荷載能力和自身強度均較高。但在當前時代形勢下，輻射科普宣傳工作的落實使得人們對通信鐵塔的錯誤認知逐漸糾正，周邊居民對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，減小鐵塔頂部迎風面積，進一步提高通信鐵塔的承載能力，同時還能夠行滿足新增天線抱桿的需求[4]。

（3）延長通信鐵塔的天線抱桿。從我國早期通信鐵塔的設計來看，其抱桿長度在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一副天線。由于5G 天線具有高度集成化的特點，且天線高度在1 米以下，通過對天線抱桿進行延長，能夠增加抱桿安裝設備的數(shù)量。具體而言，將通信鐵塔原本2 米的抱桿延長為2.5 米。在該情況下，可以安裝2 臺5GAAU，提高通信鐵塔平臺利用率。值得注意的是，5G 設備的高集成化特點使得其重量較大，為此，在對抱桿進行延長時應對抱箍和抱桿進行加固處理，提高通信鐵塔的承載能力，滿足5G 網(wǎng)絡建設需要。

（4）針對通信鐵塔的塔桅承載能力問題以及上述改造措施的實現(xiàn)，鐵塔負責方應做好存量鐵塔詳細資源查摸，全面評估目前現(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，則需要及時通過檢測單位出具相關檢測報告，并對單管塔水平位移限值進行調整、對掛載天線面積和重量進行核準以及精細化設計格構塔阻尼比等，從而提高通信鐵塔的掛載能力，促進5G 建設工作的順利展開。總而言之，由于5G 網(wǎng)絡建設對我國現(xiàn)有通信鐵塔的最大應力、支臂承重、塔頂位移以及風荷載等方面具有較高要求，外加我國密集市、一般市區(qū)等5G 場景主要應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，應結合實際情況選擇合適的承載能力強化方法，從而滿足5G 建設對通信鐵塔承載能力的要求。

3.2 從運營商方面提高鐵塔承載能力

我國移動通信主要運營商的通信鐵塔基本上都是以租賃的方式獲得中國鐵塔資源，為此，其履約、續(xù)約較為穩(wěn)定，外加我國副員遼闊、人口眾多，導致運營商的租用量巨大、租用周期一般在5年到15年。為此，若想在5G 網(wǎng)絡建設中有效提高通信鐵塔承載能力，除了對現(xiàn)有鐵塔資源進行改造和建設，還可以從運營商方面強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2G 網(wǎng)絡、3G 網(wǎng)絡以及4G 網(wǎng)絡而言，一家運營商主要以簡單疊加的方式、投入多個單頻天線提供支持，在該情況下，若想要實現(xiàn)區(qū)域信號的全覆蓋，至少需要疊加9 副天線才能夠滿足多種信號的收發(fā)。但在通信技術不斷發(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，該天線同時支持四種信號的收發(fā)， 有885-960MHz、1885-2025MHz、1710-1830MHz 以 及2575-2635MHz。同時，相較于單頻天線，此類天線的網(wǎng)絡性能較高，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，實現(xiàn)鐵塔承載能力的有效提高。

（2）對天線掛高進行合理調節(jié)。一般情況下，通信鐵塔往往會將塔底的直徑設計的比塔頂大，塔底的壁厚也大于塔頂，在對鐵塔承載能力進行復核時，主要對鐵塔迎風面積進行考量，在天線高度較高時，鐵塔頂部迎風面積就會越大，那么鐵塔所需要承受的風荷載就越大。當天線掛高較高時，風荷載主要集中于通信鐵塔頂部，在長期作用情況下，塔頂位移增大，進而影響通信鐵塔承載能力，無法滿足5G 網(wǎng)絡建設與后續(xù)運營需要。因此，運營商可在滿足信號收發(fā)和區(qū)域覆蓋的前提下，將通信鐵塔天線掛高向下調節(jié)，轉移最大迎風面，將其移動到鐵塔中間部位，進而避免鐵塔頂部承擔過大的風荷載作用力，從根本上減少鐵塔頂部的水平位移，進而有效提高通信鐵塔承載能力，為5G 網(wǎng)絡建設奠定良好基礎。

4 結論

綜上所述，提高通信鐵塔承載能力對促進5G 建設盡快落實具有極強現(xiàn)實意義。因此，運營商和鐵塔供給側應根據(jù)實際情況選擇合適的改造方法，例如調節(jié)天線掛高、延長天線抱桿等，從而滿足5G 建設需求，促進我國數(shù)字經(jīng)濟健康發(fā)展。