5G建设过程中通信铁塔的承载能力分析

曲方明

（吉林吉大通信设计院股份有限公司 吉林省长春市 130000）

在第五代通信技术不断发展和普及应用的时代背景下，无线网络建设对通信铁塔需求量日益增加，这给存量铁塔承载能力带来挑战。因此，为促进我国5G 通信网络的可持续发展，对通信铁塔承载能力进行分析与探究是十分必要的。

1 5G相关概述及通信铁塔建设现状

1.1 5G相关概述

所谓5G，主要是指第五代移动通信技术，是当前时代下最新一代的蜂窝移动通信技术，相较于4G、3G，5G 具有高数据速率、低成本、少延迟、能源节约、可连接大规模设备以及提高网络系统容量的性能优势，但相应的，5G 对基站等基础设施的要求也有所提升[1]。

1.2 目前通信铁塔建设现状

对于无线通信网络而言，通信铁塔是实现网络通信的基础设施，是建设“网络强国”的重要前提。在5G 网络的时代背景下，无论是大数据技术还是人工智能技术均得到进一步发展，人们对无线网络性能也提出了更高要求，使得现存通信铁塔无法切实满足用户使用需求和5G 网络的建设需求。从当前我国通信铁塔建设现状来看，在对该基础设施进行建设时主要需要考虑的因素是周边环境、所在区域的具体规划情况、信号覆盖范围以及信号覆盖高度。目前，我国通信铁塔高度普遍在20-42m 范围内，根据各地不同的规划要求铁塔类型和高度也大同小异，主要使用的通信铁塔类型有美化塔、单管塔以及角钢塔。其中，角钢塔占地面积较大，且外在美观度较低，主要应用于具有较大天线负荷的平原地区和征地费用一般的农村地区；拉线塔主要为楼顶拉线塔，受大风影响较为严重，使用过程中容易找到破坏，为此，整体使用量较少；单管塔具有较强适应性，能够用于多个场景；三（四）管塔的应用场景主要是征地费用较低的农村地区；一体化塔房外在美观度较高，相较于其他通信铁塔，其高度较低，主要应用于网络信号临时覆盖区域。

从我国目前存量通信铁塔现状来看，其发挥的作用主要是满足运营商2G 网络、3G 网络和4G 网络信号覆盖需求，为此，此类通信铁塔在设计和建设阶段并未对5G 建设要求进行考虑，排除掉已经用于2G 网络、3G 网络和4G 网络的平台，剩下的通信铁塔无法满足不同移动网络运营商的5G 建设需求。以单管塔为例，若是该铁塔具有5 层平台且高度在42m 时，为满足5G 网络建设需求，需要在该铁塔上至少增加6 副以上5G 天线。不同于现网天线，5G 天线具有十分突出的特点，即集成化水平高、尺寸小、重量大、迎风面积小。例如，795mm×395mm×195mm 尺寸的天线重量为45kg，迎风面积大概在0.314mm2；880mm×450mm×140mm 尺寸的天线重量为49kg，迎风面积大概在0.396mm2；1140mm×480mm×144mm尺寸的天线重量为47kg，迎风面积大概在0.547mm2左右，由此可见，无论是迎风面积还是天线重量，均给通信铁塔承载能力提出更高要求。另外，现网本就在4G 网络时代下进行过扩容，相较于2G网络和3G 网络，RRU 数量也明显增加，但在5G 网络背景下，各参数均需要进一步提高，为此，在开展5G 网络建设工作时，需要以通信铁塔承载能力为核心对各方面影响因素进行综合考虑[2]。

2 分析5G建设对通信铁塔的需求

从我国5G 建设现状来看，对通信铁塔的需求体现在多个方面，具体如下：

（1）从宏观角度来看，5G 通信网络是我国数字新基建的关键组成，同时也是我国数字经济发展以及信息通信行业发展的基础和前提。5G 网络能够实现智慧社会和工业互联网等多个领域的赋能，尤其是信息通信行业发展角度，5G 建设统筹行业和经济社会两方面，能够带动产业链高效协同发展。而这些愿景的实现均离不开通信铁塔这一重要基础设施，我国幅员辽阔、人口众多，用户对网络使用质量的要求日益提高，这不仅要求通信铁塔的承载能力提高，更对其网络覆盖范围和深度提出挑战。

（2）以通信铁塔频谱资源的分配现状和铁塔使用效率角度来看，5G 建设要求对信号覆盖进行完善，提高用户感知，尤其是行业企业数字化应用领域等，均对通信铁塔规模、布局提供更大、更合理的需求。然而，由于5G 设备具有较高集成化程度，整体质量较大，虽然我国具有丰富的通信铁塔资源，但亟需按照5G 网络需求进行改造和建设，这给各地通信铁塔使用方法和布局提出更高要求。

（3）从中国通信铁塔的层面来看，我国铁塔主要负责的是为社会各个领域提供应用服务，并在全国规划建设运营的基础上对基站进行维护。但是，在5G 时代背景下，移动互联网技术和移动智能设备的普及应用使得我国增加需求巨大，虽然该情况使得我国5G 发展前景十分广阔，但也给中国铁塔的使用提出更高要求。具体而言，在市场需求不断提高以及科学技术水平迭代发展的情况下，5G 网络建设需求处于不断变化的状态，目前，5G 网络建设关键是提高基站相应速度和供应能力。但是，基站需求方往往难以提出准确意见，这导致供应方需要根据市场变化对其进行优化调整，但是，中国通信铁塔正面临选址困难、需求响应不及时等问题，5G 建设需求难以被满足，影响中国铁塔发展[3]。

3 探究5G建设过程中提高通信铁塔承载能力的有效方法

作为5G 建设的重要基础设施，在优化通信铁塔承载能力时，主要从铁塔建设和运营商两个方面入手，从而满足用户高标准的网络通信需要。具体方法如下：

3.1 基于通信铁塔建设优化承载能力

相较于以往4G 无线通信网络，5G 建设要求集成化程度较高的天线，而此类天线重量、迎风面积和尺寸均较大，这给通信铁塔整体架构的承载能力提出更高要求。因此，在通过优化建设通信铁塔的方法提高铁塔承载能力时，主要对三方面进行改造，提高铁塔稳定可靠性，满足5G 建设的高承载力要求。具体建设方法为：

（1）一体化塔房加固建设。在采取建设手段优化通信铁塔承载能力时，应立足于我国面对5G 网络建设所具有的独特优势，除了国家相关政策优势、市场主导优势以及共享创新优势，更为重要的是我国具有极强的铁塔资源优势。在中国铁塔成立之初就拥有数以百万计的存量铁塔，在开展5G 网络建设时，这些资源可以直接建成使用，经有关机构统计和预测，到2022年我国的5G 通信铁塔将高达250 万座，为此，在该优势下，对此类资源进行改造建设即可。一体化塔房加固建设工作主要针对的问题是塔身直径较小和塔壁较薄的问题，由于原本的一体化塔房的塔身无法支撑5G 网络建设，无法设计多层平台，最多为2-3 层，为此，对于此类通信铁塔，需要采取增加斜撑和配重的方式进行改造，对一体化塔房整体进行加固，进而实现其承载能力的提升。同时，通过该加固措施，还能够有效增加1-2层的平台，平台层数可达3-4层，满足5G网络建设需求。

（2）拆除辅材，替换单管塔主材。不同于一体化塔房塔身直径和壁厚较小的问题，单管塔塔身直径较大且塔壁较厚，虽然其强度较高，但存在受力薄弱点，即塔身和塔脚法兰连接位置，为此，在对此类通信铁塔的承载能力进行强化时，主要采取替换主材和拆除辅材的方法。具体而言，在我国众多通信铁塔中，部分早期设计的单管塔，其塔身法兰和塔脚法兰处所使用的螺栓为8.8 级30-M24，虽然能够满足以往4G 网络建设和运营需要，但不满足5G网络建设所需强度。因此，在对单管塔进行改造建设时，应将使用更高强度的螺栓进行替换，根据5G 实际需求，可使用10.9 级30-M24 螺栓，加强此类通信铁塔的塔脚和塔身的薄弱点，提高其整体抗风荷载能力，进而实现其承载能力的提高。除此之外，部分单管塔在建设时为了与周边环境相协调，解决周围投诉问题，在建设之初采用了美化形式，即在单管塔的塔顶安装了美化外罩。虽然该举措有效避免了上述问题，但美化外罩的存在也导致通信铁塔迎风面积的扩大，远大于天线迎风面积，而该情况在此类塔设计初期被相关人员察觉到，为此，加装美化外罩的单管塔，其抵抗风荷载能力和自身强度均较高。但在当前时代形势下，辐射科普宣传工作的落实使得人们对通信铁塔的错误认知逐渐纠正，周边居民对通信铁塔的投诉越来越少，故在该前提下，可以将此类单管塔的美化外罩拆除，减小铁塔顶部迎风面积，进一步提高通信铁塔的承载能力，同时还能够行满足新增天线抱杆的需求[4]。

（3）延长通信铁塔的天线抱杆。从我国早期通信铁塔的设计来看，其抱杆长度在2 米，但目前所使用的双频天线高度和四频天线高度一般在1.5 米和2 米之间，由于RRU 的安装位置，通信铁塔一根抱杆只能安设一副天线。由于5G 天线具有高度集成化的特点，且天线高度在1 米以下，通过对天线抱杆进行延长，能够增加抱杆安装设备的数量。具体而言，将通信铁塔原本2 米的抱杆延长为2.5 米。在该情况下，可以安装2 台5GAAU，提高通信铁塔平台利用率。值得注意的是，5G 设备的高集成化特点使得其重量较大，为此，在对抱杆进行延长时应对抱箍和抱杆进行加固处理，提高通信铁塔的承载能力，满足5G 网络建设需要。

（4）针对通信铁塔的塔桅承载能力问题以及上述改造措施的实现，铁塔负责方应做好存量铁塔详细资源查摸，全面评估目前现有杆塔安装空间和承载能力，若是空余安装空间较小或是没有，则需要及时通过检测单位出具相关检测报告，并对单管塔水平位移限值进行调整、对挂载天线面积和重量进行核准以及精细化设计格构塔阻尼比等，从而提高通信铁塔的挂载能力，促进5G 建设工作的顺利展开。总而言之，由于5G 网络建设对我国现有通信铁塔的最大应力、支臂承重、塔顶位移以及风荷载等方面具有较高要求，外加我国密集市、一般市区等5G 场景主要应用的通信铁塔为景观塔等，此类铁塔已经挂载多套天线，整体承载能力不高，为此，应结合实际情况选择合适的承载能力强化方法，从而满足5G 建设对通信铁塔承载能力的要求。

3.2 从运营商方面提高铁塔承载能力

我国移动通信主要运营商的通信铁塔基本上都是以租赁的方式获得中国铁塔资源，为此，其履约、续约较为稳定，外加我国副员辽阔、人口众多，导致运营商的租用量巨大、租用周期一般在5年到15年。为此，若想在5G 网络建设中有效提高通信铁塔承载能力，除了对现有铁塔资源进行改造和建设，还可以从运营商方面强化通信铁塔承载能力。具体措施如下：

（1）合理减少天线数量，尽量使用多频天线。从目前现状来看，针对2G 网络、3G 网络以及4G 网络而言，一家运营商主要以简单叠加的方式、投入多个单频天线提供支持，在该情况下，若想要实现区域信号的全覆盖，至少需要叠加9 副天线才能够满足多种信号的收发。但在通信技术不断发展的情况下，目前已投入使用多种多频天线，例如“4488”四频天线，该天线同时支持四种信号的收发， 有885-960MHz、1885-2025MHz、1710-1830MHz 以 及2575-2635MHz。同时，相较于单频天线，此类天线的网络性能较高，通过天馈合路，能够有效减少天线数量，提高通信铁塔可以利用的天面空间，实现铁塔承载能力的有效提高。

（2）对天线挂高进行合理调节。一般情况下，通信铁塔往往会将塔底的直径设计的比塔顶大，塔底的壁厚也大于塔顶，在对铁塔承载能力进行复核时，主要对铁塔迎风面积进行考量，在天线高度较高时，铁塔顶部迎风面积就会越大，那么铁塔所需要承受的风荷载就越大。当天线挂高较高时，风荷载主要集中于通信铁塔顶部，在长期作用情况下，塔顶位移增大，进而影响通信铁塔承载能力，无法满足5G 网络建设与后续运营需要。因此，运营商可在满足信号收发和区域覆盖的前提下，将通信铁塔天线挂高向下调节，转移最大迎风面，将其移动到铁塔中间部位，进而避免铁塔顶部承担过大的风荷载作用力，从根本上减少铁塔顶部的水平位移，进而有效提高通信铁塔承载能力，为5G 网络建设奠定良好基础。

4 结论

综上所述，提高通信铁塔承载能力对促进5G 建设尽快落实具有极强现实意义。因此，运营商和铁塔供给侧应根据实际情况选择合适的改造方法，例如调节天线挂高、延长天线抱杆等，从而满足5G 建设需求，促进我国数字经济健康发展。