一种共享电力铁塔通信天线搭载平台的布置方法

技术领域

本申请涉及电力系统领域，尤其涉及共享电力铁塔通信天线搭载技术研究 究。

背景技术

相比4G人与人的连接，5G通信拓展到人与物，物与物的连接，因此5G通 信容量势必要提升，通信频率更高。但是高频通信具有绕射能力差、易损耗、覆 盖范围小等特点，这就使得5G基站数量成倍增长。架空输电线路铁塔数量极其 庞大，分布广泛，具有和通信基站共建共享的天然优势，由此诞生了共享电力铁 塔概念。共享电力铁塔就是在电力铁塔上加装通信设备，将光缆、移动天线、通 信基站等设施架设在铁塔本体或塔底地面，使电力资源得到综合利用。

电力铁塔与通信行业的共享拥有广阔发展前景，目前对共享电力铁塔的研究 主要集中在理论分析和部分工程实现领域，如电力铁塔荷载分析、防雷接地、电 磁环境干扰等方面。

共享电力铁塔还需要解决基站天线在电力铁塔搭载的关键问题，也就是通信 天线搭载平台高度、平台数量等问题。天线是能量置换设备，主要作用是辐射或 接收无线电波，天线搭载高度和布置方式会直接影响移动通信网络的覆盖和服务 质量。通信天线搭载平台布置方法还应考虑到电气安全距离、不同的传播环境(如 城区、农村)、不同地形地貌(高山、洼地等)等多种因素，因地制宜进行通信 天线搭载平台布置方法研究。

发明内容

本发明基于天线最大搭载高度和最小搭载高度，给出共享铁塔通信天线搭载 平台布置方法，为共享铁塔工程实现提供参考。首先提出了共享铁塔选取原则， 对输电线路铁塔能否共享进行初步筛选；接着提出天线最大搭载高度和最小搭载 高度的计算方法，其中天线最大搭载高度由铁塔呼称高和电气安全距离共同决 定，天线最小搭载高度由通信信号覆盖半径和周围环境共同确定；最后根据天线 最大搭载高度、最小搭载高度得到天线平台布置层数，确定天线布置方法。本发 明所述通信天线搭载平台布置方法为典型电力铁塔天线搭载提供了具体实施方 案，对我国电力铁塔共建共享和5G通信组网具有很好的参考价值。

本发明提供了一种共享电力铁塔通信天线搭载平台的布置方法，包括以下步 骤：

S1.基于现有的电力铁塔，判断电力铁塔是否需要评估，选择符合要求的电 力铁塔作为共享电力铁搭；

S2.基于共享电力铁塔，依据通信天线搭载平台的天线搭载位置、天线最大 安装高度和天线最小安装高度，确定通信天线搭载平台在共享电力铁塔的搭载位 置；

S3.根据天线抱杆长度和干扰隔离信号要求，确定通信天线搭载平台的平台 间隔和平台高度；

S4.基于通信天线搭载平台搭载位置，通过天线最大安装高度、天线最小安 装高度、平台间隔、平台高度，获得通信天线搭载平台的平台个数。

优选地，电力铁塔包括但不限于：干字型塔、猫头塔、鼓型塔和羊头型塔；

电力铁塔包括但不仅限于以下一种或多种的情况时，需要对铁塔进行评估：

情况1、电力铁塔接近设计使用年限；

情况2、电力铁塔覆冰厚度大于20mm；

情况3、电力铁塔是用于战略性架空输电线路和区域核心骨干网的铁塔；

情况4、电力铁塔是特殊功能的线路铁塔或特殊地形的铁塔；

情况5、电力铁塔是位于强风地区、基础及地质条件较差的铁塔。

优选地，特殊地形包括：大档距地形、大跨越地形、分水岭地形；

天线搭载位置为铁塔身部，位于电力铁塔的输电线路带电部分以下，天线与 输电线路带电部分间的距离大于电气安全距离要求。

优选地，通信天线最小安装高度由通信信号覆盖半径决定，基于不同地形对 信号覆盖半径的影响，构建NR乡村宏蜂窝传播模型和NR城市宏蜂窝非视距传播 模型，通过信号覆盖半径进行5G通信信号链路预算，结合NR乡村宏蜂窝传播模 型和/或NR城市宏蜂窝非视距传播模型，得到天线最小搭载高度。

优选地，构建NR乡村宏蜂窝传播模型，基于乡村地形地貌，得到天线实际 搭载高度与山高之间关系，通过所述链路预算，计算5G通信信号的乡村信号覆 盖半径，乡村地形地貌包括：山顶、山腰、低洼处。

构建所述5G通信信号的NR城市宏蜂窝非视距传播模型，通过所述链路预算， 计算所述5G通信信号的城市信号覆盖半径。

优选地，确定所述天线最小安装高度，还包括：

S61.根据所述目标区域选择所述NR乡村宏蜂窝传播模型和/或NR城市宏蜂 窝非视距传播模型；

S62.获取5G通信信号的基站天线发射功率、增益和接收灵敏度；

S63.根据所述目标区域的地形地貌，获取5G通信信号的穿透损耗、干扰余 量；

S64.根据步骤S62和S63获取的参数，对5G通信信号进行链路预算，计算 最大路径允许损耗，通过所述传播模型，确定出所述天线最小搭载高度。

优选地，天线最大安装高度通过共享铁塔的电气安全距离和铁塔呼称高确 定；

电气安全距离为电力行业表征最小电气安全距离；

电力行业表征最小电气安全距离为电气间隙值，包括，工频电压间隙、操作 过电压间隙、雷电过电压间隙及带电作业安全距离。

优选地，电气安全距离还包括绝缘子串长；

电气安全距离以共享铁塔最下层横担位置作为基准。

优选地，布置方法还包括，在多运营商同时搭载天线搭载平台时，各运营商 天线按照每个平台分别放置，同时根据运营商的通信信号覆盖半径需求来确定天 线搭载高度。

优选地，平台个数的计算方法为，天线最大安装高度减去天线最小安装高度 加上平台间隔得到第一数值，平台间隔与平台高度相加得到第二数值，第一数值 除以第二数值得到第三数值，平台个数小于等于第三数值。

本发明公开了以下技术效果：

本发明上述技术方案与现有技术相比，本发明基于天线最大搭载高度和最小 搭载高度，给出共享铁塔通信天线搭载平台布置方法，为共享铁塔工程实现提供 参考，本发明通过共享铁塔选取原则，对输电线路铁塔能否共享进行初步筛选； 并提出天线最大搭载高度和最小搭载高度的计算方法，其中天线最大搭载高度由 铁塔呼称高和电气安全距离共同决定，天线最小搭载高度由通信信号覆盖半径和 周围环境共同确定；根据天线最大搭载高度、最小搭载高度得到天线平台布置层 数，确定天线布置方法，本发明提出的通信天线搭载平台布置方法为典型电力铁 塔天线搭载提供了具体实施方案，对我国电力铁塔共建共享和5G通信组网具有 很好的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为通信天线搭载于山顶的共享电力铁塔；

图2为通信天线搭载于山腰的共享电力铁塔；

图3为通信天线搭载于低洼处的共享电力铁塔；

图4为城市宏蜂窝非视距传播模型的传播损耗与信号传输距离关系图；

图5为共享电力铁塔搭载多层天线示意图；

图6为2E3-SZC1型电力铁塔天线搭载方法。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或系 统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备 和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操 作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序 发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此 外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。

这里所描述的特征可以以不同的形式实施，并且不应被解释为局限于这里所 描述的示例。更确切地说，已经提供了这里所描述的示例仅用于示出在理解本申 请的公开内容之后将是显而易见的实现这里描述的方法、设备和/或系统的诸多 可行方式中的一些方式。

尽管可在这里使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各个构 件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术 语所限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与 另一构件、组件、区域、层或部分相区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下， 这里所描述的示例中所称的第一构件、组件、区域、层或部分也可被称为第二构 件、组件、区域、层或部分。

本发明提供了一种共享电力铁塔通信天线搭载平台的布置方法，包括以下步 骤：

S1.基于现有的电力铁塔，判断电力铁塔是否需要评估，选择符合要求的电 力铁塔作为共享电力铁搭；

S2.基于共享电力铁塔，依据通信天线搭载平台的天线搭载位置、天线最大 安装高度和天线最小安装高度，确定通信天线搭载平台在共享电力铁塔的搭载位 置；

S3.根据天线抱杆长度和干扰隔离信号要求，确定通信天线搭载平台的平台 间隔和平台高度；

S4.基于通信天线搭载平台搭载位置，通过天线最大安装高度、天线最小安 装高度、平台间隔、平台高度，获得通信天线搭载平台的平台个数。

电力铁塔包括但不限于：干字型塔、猫头塔、鼓型塔和羊头型塔；

电力铁塔包括但不仅限于以下一种或多种的情况时，需要对铁塔进行评估：

情况1、电力铁塔接近设计使用年限；

情况2、电力铁塔覆冰厚度大于20mm；

情况3、电力铁塔是用于战略性架空输电线路和区域核心骨干网的铁塔；

情况4、电力铁塔是特殊功能的线路铁塔或特殊地形的铁塔；

情况5、电力铁塔是位于强风地区、基础及地质条件较差的铁塔。

特殊地形包括：大档距地形、大跨越地形、分水岭地形；

天线搭载位置为铁塔身部，位于电力铁塔的输电线路带电部分以下，天线与 输电线路带电部分间的距离大于电气安全距离要求。

通信天线最小安装高度由通信信号覆盖半径决定，基于不同地形对信号覆盖 半径的影响，构建NR乡村宏蜂窝传播模型和NR城市宏蜂窝非视距传播模型，通 过信号覆盖半径进行5G通信信号链路预算，结合NR乡村宏蜂窝传播模型和/或 NR城市宏蜂窝非视距传播模型，得到天线最小搭载高度。

构建NR乡村宏蜂窝传播模型，基于乡村地形地貌，得到天线实际搭载高度 与山高之间关系，通过所述链路预算，计算5G通信信号的乡村信号覆盖半径， 乡村地形地貌包括：山顶、山腰、低洼处。

构建所述5G通信信号的NR城市宏蜂窝非视距传播模型，通过所述链路预算， 计算所述5G通信信号的城市信号覆盖半径。

确定所述天线最小安装高度，还包括：

S61.根据所述目标区域选择所述NR乡村宏蜂窝传播模型和/或NR城市宏蜂 窝非视距传播模型；

S62.获取5G通信信号的基站天线发射功率、增益和接收灵敏度；

S63.根据所述目标区域的地形地貌，获取5G通信信号的穿透损耗、干扰余 量；

S64.根据步骤S62和S63获取的参数，对5G通信信号进行链路预算，计算 最大路径允许损耗，通过所述传播模型，确定出所述天线最小搭载高度。

天线最大安装高度通过共享铁塔的电气安全距离和铁塔呼称高确定；

电气安全距离为电力行业表征最小电气安全距离；

电力行业表征最小电气安全距离为电气间隙值，包括，工频电压间隙、操作 过电压间隙、雷电过电压间隙及带电作业安全距离。

电气安全距离还包括绝缘子串长；

电气安全距离以共享铁塔最下层横担位置作为基准。

布置方法还包括，在多运营商同时搭载天线搭载平台时，各运营商天线按照 每个平台分别放置，同时根据运营商的通信信号覆盖半径需求来确定天线搭载高 度。

平台个数的计算方法为，天线最大安装高度减去天线最小安装高度加上平台 间隔得到第一数值，平台间隔与平台高度相加得到第二数值，第一数值除以第二 数值得到第三数值，平台个数小于等于第三数值。

以下结合说明书附图1-6所示，详细解释本发明的技术方案。

典型输电铁塔通信天线搭载步骤为：

a、选取共享铁塔。对年代久远、覆冰、骨干电网输电线路铁塔需进行结构 安全评估，再依据评估结果判断是否适合选做共享铁塔；

输电线路杆塔用来支撑架空线路、避雷线和其他附件，按结构材料可分为钢 筋混凝土电杆和铁塔。典型铁塔一般有干字型塔、猫头塔、鼓型塔和羊头型塔等。 输电线路铁塔分布广泛，塔源丰富，但适于搭载天线的共享铁塔与位置、地形、 塔型等因素密切相关。在选取共享铁塔时，有以下情况的铁塔应进行结构安全评 估，再依据评估结果判断其是否适合成为共享铁塔：

(1)输电铁塔接近设计使用年限；

(2)覆冰厚度大于20mm铁塔；

(3)战略性架空输电线路和区域核心骨干网铁塔；

(4)特殊功能或位置的线路铁塔，如大档距、大跨越、分水岭等地形特殊 处的铁塔；

(5)位于强风地区、基础及地质条件较差的铁塔；

输电线路铁塔具体能否成为共享铁塔，除了满足结构安全评估，还应充分考 虑通信需求及铁塔呼称高是否满足要求。

b、确定天线搭载位置、天线最大和最小安装高度。从前期设计、安装、后 期运维便利及安全的角度出发，基站天线搭载于铁塔身部，位于输电线路带电部 分以下，天线与输电线路带电部分间的距离应大于电气安全距离要求，由铁塔呼 称高和电气安全距离确定天线最大安装高度h

b1.确定共享铁塔天线最小搭载高度:

通信天线最小搭载高度由通信信号覆盖半径决定，根据通信信号链路预算及 传播模型给出天线最小搭载高度和信号覆盖半径之间的定量关系，分别建立农村 和城市的传播模型，并考虑了不同地形(山顶、山腰、低洼处)对信号覆盖半径 的影响。

(1)5G 3.5GHz频段链路预算

链路预算对系统下行(或前向)和上行(或反向)信号传播途径的各种影响因 素进行考察，在满足通信质量的前提下，选择适当传播模型对信号覆盖能力进行 估计，以获得保持一定通信质量下链路所允许的最大传播损耗。最大允许路径损 耗如式(1)所示：

式中：PL

在实际应用中，信号传输损耗需随着天线高度增加进行补偿，补偿模型为 ΔL

(2)5G 3.5GHz频段的NR乡村宏蜂窝传播模型

通信信号传播环境对信号覆盖范围影响极大，对于建筑物较少、地形高低起 伏的乡村地区，需选择基于3GPP TR 38.901中规定的5G NR农村宏蜂窝(Rma-NLOS) 传播模型，模型如式(2)和(3)所示：

式中PL

共享铁塔所处地形、地貌会对信号覆盖范围产生较大影响，分别从共享铁塔 位于山顶、山腰和低洼处讨论地形、地貌对信号覆盖范围的影响。

山顶

当天线搭载在位于山顶的共享铁塔，模拟图如图1所示。天线高度为h

山腰

天线搭载在位于山腰的共享铁塔时，模拟图如图2所示。天线的高度为h

低洼处

天线搭载在位于低洼处共享铁塔，模拟图如图3所示。天线高度为h

(3)5G NR城市宏蜂窝非视距传播模型

对于城市地区，选择3GPP TR 38.901中规定的5G NR城市宏蜂窝非视距 (Uma-NLOS)传播模型，计算天线搭载高度与信号覆盖半径的关系，传播模型如 式(4)所示。

PL＝13.54+39.081gd

当信号接收设备高度为1.5m时，应用该传播模型传播损耗与信号覆盖半径 的关系如图4所示。

通过链路预算得到城市环境下的最大路径损耗，将其代入公式(4)，可以 计算出满足通信要求的通信覆盖半径，Uma-NLOS传播模型下信号覆盖半径如 表1所示。

表1

计算可知，城市地区当天线挂高25m时，信号覆盖半径为234m，在相同天 线及接收机参数情况下，若在乡村地区，共享铁塔与信号接收设备处同一平面时 的信号覆盖半径为895m，可见由于城市环境复杂及较多的用户数量，通信天线 信号覆盖半径大大缩小，约为郊区环境下覆盖范围的26％。

(4)天线最小搭载高度

综上所述，天线最小搭载高度h

4.1.根据天线所处区域选择适当的信号传播模型，即NR乡村宏蜂窝传播模 型和/或NR城市宏蜂窝非视距传播模型；

4.2.确定基站天线的发射功率、增益和接收灵敏度等基础参数；

4.3.根据通信信号需要覆盖地区的地形、地貌，确定穿透损耗、干扰余量等；

4.4.对5G通信信号进行链路预算，根据参数计算最大路径允许损耗PL

当手机接收灵敏度都为-90dBm时，随着天线安装位置增高，通信信号覆盖 半径增大。

b2.确定共享铁塔天线最大搭载高度

天线最大安装高度h

通信天线安装在输电铁塔上时，需与带电体保持安全距离，以保证设备正常 工作及后期维护设备及人员的安全，因此，电气安全距离是影响天线挂高的重要 因素。电力行业表征最小电气安全距离的是电气间隙值，分为工频电压间隙、操 作过电压间隙、雷电过电压间隙及带电作业安全距离。根据Q/GDW 1799.2-2013 《国家电网公司电力安全工作规程线路部分》中的标准，各电压等级的最小安 全距离如表2所示，

表2

以电力铁塔最下层横担位置作为基准，则电气安全距离还应包括绝缘子串 长，在预留一定安全裕度的情况下，综合部分电压等级最小安全距离，计算得到 部分电压等级线路在海拔1000m以下时的电气安全距离，110kV、220kV和500kV 电压等级下的通信天线电气安全距离如表3所示。电气安全距离能够满足电力运 维空间要求。

表3

c、确定天线搭载平台布置方法

一方面，由电压等级、回路数能够确定铁塔天线电气安全距离，再根据呼称 高可算得天线最大搭载高度h

h×n+h

其中，h为每层天线平台高度，该高度与天线抱杆长度和干扰隔离信号要求 有关，典型5G天线高度一般不大于1.5m，干扰隔离信号要求距离为0.5m，则每 层平台高度h可取为2m；n为天线层数；h

在多运营商同时搭载时，建议各运营商天线按照每个平台分别放置，每平台 安装一家运营商的天线，同时应充分考虑运营商的通信信号覆盖半径需求以确定 天线搭载高度。

实施例1：以乡村地区平原上220kV的2E3-SZC1交流输电铁塔为例，确定 共享电力铁塔通信天线搭载平台布置方法。2E3-SZC1型电力铁塔的全高49.4m， 呼称高33m。首先依据共享铁塔选取原则对该铁塔进行结构安全评估，经过评估 该铁塔可以作为共享铁塔使用。

根据铁塔呼称高33m、电压等级220kV，由表3可得电气安全距离为7m，因 此可得天线最大搭载高度h

当h

本发明上述技术方案与现有技术相比，本发明基于天线最大搭载高度和最小 搭载高度，给出共享电力铁塔通信天线搭载平台布置方法，为共享铁塔工程实现 提供参考，本发明通过共享铁塔选取原则，对输电线路铁塔能否共享进行初步筛 选；并提出天线最大搭载高度和最小搭载高度的计算方法，其中天线最大搭载高 度由铁塔呼称高和电气安全距离共同决定，天线最小搭载高度由通信信号覆盖半 径和周围环境共同确定；根据天线最大搭载高度、最小搭载高度得到天线平台布 置层数，确定天线布置方法，本发明提出的通信天线搭载平台布置方法为典型电 力铁塔天线搭载提供了具体实施方案，对我国电力铁塔共建共享和5G通信组网 具有很好的参考价值。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围 进行限定，在不脱离本本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明 的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围 内。