CN111263368B - 共享铁塔通信资源评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共享铁塔通信资源评估方法，考虑到不同电压等级输电线路中铁塔的呼称高不同，致使5G通信天线的架设高度不同，进而单个铁塔的通信信号覆盖面积也不同；再加上输电线路的走向错综复杂，时有并行交错情况，这也致使不同线路中铁塔架设天线后的信号覆盖面积存在重叠现象。若采用简单的叠加法进行计算信号覆盖面积，误差必然很大，无法用做参考。本发明基于单个天线信号覆盖范围算法，得到了区域输电线路共享铁塔搭载5G天线后的通信信号覆盖总面积，从而实现对区域内所有共享铁塔的通信资源评估。该方法精度较高，计算简单，为共享铁塔大规模应用奠定了理论基础，为电网公司发展5G、进行通信规划提供了重要的参考依据。

Description

共享铁塔通信资源评估方法
技术领域
本发明涉及一种共享铁塔通信资源评估方法，尤其涉及一种区域共享铁塔通信资源评估方法。属于电力技术领域。
背景技术
当前我国正处于一个“后4G”与5G开端的时代，相比4G人与人的连接，5G应用场景拓展到人与物，物与物的连接，拥有巨大的市场前景。随着社会朝着智能化发展，互联网+、物联网技术突飞猛进，而这一切需要庞大的、全覆盖的无线通信网络支撑。相比4G信号，5G信号虽然在速度、时延等多个方面有着全面提升。但单个基站信号覆盖范围相对较小，因此随着5G信号的全面覆盖，通信塔的数量需求将是十分巨大的，若重新设立专门用以架设5G天线的通信塔，其成本必定很高，时间周期很长。这种情况下可把输电线路中的高压铁塔作为共享铁塔搭载天线，既节省了重新架设大量通信塔的高额成本，缩短了时间周期，又可以对原有的铁塔资源进行再次利用。
共享铁塔即在输电线路原有的电力铁塔上加装通信设备，使电力通道资源获得综合利用。对电力行业而言，共享铁塔可以推进形成电力和通信企业市场化的共建共享合作模式，促进电网企业盘活资源和提高效益，有利于国有资产保值增值和放大功能。国家电网长期以来一直加大在5G领域的布局，2018年，国家电网、南方电网分别与中国铁塔公司签署战略合作协议，开启“共享铁塔”的全新合作模式。近日，中国广电与国家电网在5G领域的合作事项已基本确立，目前正有序推进，国家电网公司通过与广电合作，预计成为5G网络重要的建设方、使用方和运营商。同时国网在后期5G基站运营阶段是受益者，由于5G基站功耗是4G基站的3-3.5倍，同时铺设密度也将提升3-4倍，预计5G基站全面铺设完成后，每年将为国家电网带来超过3000亿元电费收入。
当电网公司在某个地区架设5G基站时，首先需要对该地区现有的共享铁塔通信资源进行评估，从而对全地区的信号覆盖进行总体规划。对现有共享铁塔资源的评估，可为估算基站的铺设密度及计算基站全面铺设完成后为国网带来的收益提供理论依据。所以，对电网公司而言，需要一种能够对现有存量的共享铁塔通信资源进行评估的方法，而对共享铁塔的资源评估可通过计算此地区输电线路共享铁塔搭载通信天线之后的信号覆盖范围来体现。
自2G、3G、4G信号的逐步出现，对于信号覆盖面积的计算多是以通讯领域为出发点进行研究，而目前的5G基站将借助输电线路中的共享铁塔进行架设，在这种情况下，5G信号的覆盖面积计算不能仅仅从通讯领域进行研究推算，还要结合电力系统领域即输电线路中的各个因素，这些因素也会对输电线路共享铁塔架设5G天线后的信号覆盖面积产生影响。在这一背景下，需要一种专门适用于输电线路共享铁塔架设5G基站后信号覆盖面积的计算方法，以评估共享铁塔的通信资源。
由于输电线路的电压等级不同，铁塔的呼称高也存在差异，不同呼称高的铁塔搭载天线的高度也不同，而天线的搭载高度则直接决定了单个铁塔的信号覆盖面积；再加上输电线路的走向错综复杂，时有并行交错情况，这也致使不同线路搭载天线后的信号覆盖面积存在重叠现象。在这种情况下，若采用简单的叠加法进行计算得到的误差必然很大，无法用作参考。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种共享铁塔通信资源评估方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种共享铁塔通信资源评估方法，其特点是：使用带宽廊道法进行信号覆盖面积计算时，两相邻覆盖圆相交时未能覆盖的边缘部分面积可用以下公式表示：
式中，r为各输电线路铁塔信号覆盖半径，d为各输电线路的铁塔平均档距；
两条线路交叉时重复的信号覆盖面积：
S2＝(2r′)(2r″)
式中，r′和r″分别为两条交叉输电线路各自铁塔信号覆盖半径；
线路并行重叠时重复的信号覆盖面积：
S3＝(rx+ry-d′)l′
式中，rx和ry分别为两条并行输电线路各自铁塔信号覆盖半径；d′为两条并行输电线路的平均距离，且d′＜rx+ry；l′为输电线路并行段长度；
输电线路跨河跨江架设时，此时相邻铁塔的信号覆盖圆并无交叉，信号覆盖面积将会有一处空白的区域，此处空白区域面积可用以下公式表示：
S4＝2rd″-(λ-1)πr2
式中，λ为档距超过信号覆盖圆直径铁塔的个数；d″为铁塔档距，d″＞2r；
综上，输电线路中铁塔皆架设5G基站后的信号覆盖面积计算公式如下所示：
式中n为输电线路条数；l为各输电线路长度；δ为各输电线路中的铁塔数量；m为输电线路交叉次数；k为电缆线路与输电线路总长度之比。
一种共享铁塔通信资源评估方法，两条输电线路的信号覆盖面积计算步骤如下：
Step1:根据两条输电线路中共享铁塔的呼称高来确定单塔的信号覆盖范围；包括链路预算和传播模型分析；
Step2：根据两条线路中铁塔架设天线后的通信信号覆盖半径以及通信信号覆盖总面积S*的公式进行计算；
进一步的，Step1中，链路预算如下式所示：
式中，PLMAX为最大允许路径损耗；
PTx为基站发射功率，上行时为基站接收功率；
Lf为馈线损耗；
GTx为基站天线增益；
Mf为阴影衰落和快衰落余量；
Ml为干扰余量，上行取2dB，下行取7dB；
GRx为手机天线增益；
LP为建筑物穿透损耗；Lb为人体损耗，一般取为3dB；
SRx为下行时为手机接收灵敏度；hBS为上行时为手机发射功率；ΔL2为叶片损耗。
进一步的，传播模型如下式所示：
式中，PL取为上节中求得的最大允许路径损耗；
W为街道宽度；
h为平均建筑物高度；
fc为工作频率；
hBS为基站天线有效高度；
hUT为移动台天线有效高度，此处设为2.5m；
d2D为基站天线与移动台天线直线距离。
进一步的，天线的挂高由铁塔呼称高的加权算术平均值来确定，铁塔呼称高的加权算术平均值如下式所示：
式中，h为铁塔呼称高，f为呼称高相同铁塔的数量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种共享铁塔通信资源评估方法，即带宽廊道计算法，该方法基于共享铁塔搭载5G天线后的信号覆盖面积，考虑了不同呼称高的铁塔具有不同的信号覆盖面积、输电线路错综复杂且时有并行交错的走向等影响因子，可对区域内所有共享铁塔进行通信资源评估。该方法精度较高，较为简单，为共享铁塔大规模应用奠定理论基础，为电网公司发展5G、进行通信规划提供了重要的参考依据。
附图说明
图1为理论的带宽廊道确定方法示意图。
图2为实际的线路的通信信号覆盖范围示意图。
图3为本发明的式(10)的信号3D传播路径示意图。
图4为计算结果校验的实际信号覆盖范围示意图。
图中：
共享铁塔1，廊道宽度2，廊道长度3，未覆盖区域4，单塔信号覆盖圆5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，在输电线路共享铁塔皆搭载通信天线的情况下，会出现单塔天线信号覆盖半径远大于电力杆塔档距的情况，此时整条线路信号的覆盖范围近似于一个简单的矩形，矩形的边长由单塔通信天线信号覆盖圆直径及线路长度所确定。
图1所示的信号覆盖面积可近似于：
式中，a为单塔信号覆盖圆5的直径，可称之为带宽或者廊道宽度2；b为廊道长度；
实际的线路的通信信号覆盖范围如图2所示，因此上述计算公式可能存在如下问题：
1)线路拐角处的信号覆盖面积可能存在误差；
2)在使用矩形廊道等效计算时，计算结果中包含了两相邻覆盖圆相交时未能覆盖的边缘部分(未覆盖区域4)，此部分为无效信号覆盖面积；
3)在计算信号覆盖半径时，使用的是由平均铁塔呼称高确定的天线搭载高度，计算结果可能会存在一定偏差；
4)实际线路存在两条输电线路交叉时的信号重复覆盖情况，两条或多条输电线路距离较近且近似平行时的信号重复覆盖情况；
5)输电线路跨河时铁塔档距很大，可能会大于信号覆盖圆直径；
6)在实际线路中考虑到会有电缆线路存在，电缆线路是无法进行5G基站架设的，这一部分线路的存在将会影响信号覆盖面积的计算结果，必然会导致计算面积虚高，为避免这种情况，需要首先对这一部分线路数据进行剔除再进行其他计算；
针对上述问题1，经过演算，使用带宽廊道法进行信号覆盖面积计算时，若遇到线路拐角，并不会对计算的结果造成影响；
针对上述问题2，使用带宽廊道法进行信号覆盖面积计算时，两相邻覆盖圆相交时未能覆盖的边缘部分面积可用以下公式表示：
式中，r为各输电线路铁塔信号覆盖半径，d为各输电线路的铁塔平均档距；
针对上述问题3，由于平均值在计算时容易被数组中极大或极小的数值所影响，所以在参与天线架高高度计算时平均值并不是具有最佳代表性的数值，本专利中通过计算某条线路铁塔呼称高的加权算术平均值来确定天线的挂高，加权平均值即将各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数。权重表示在评价过程中，是被评价对象的不同侧面的重要程度的定量分配，对各评价因子在总体评价中的作用进行区别对待，某一指标的权重是指该指标在整体评价中的相对重要程度，所以铁塔呼称高的加权平均数在计算某一输电铁塔的天线挂高时具有较好的代表性，能够更准确地契合真实情况；
铁塔呼称高的加权算术平均值如下式所示：
式中，h为铁塔呼称高，f为呼称高相同铁塔的数量；
针对上述问题4，两条线路交叉时重复的信号覆盖面积：
S2＝(2r′)(2r″) (4)
式中，r′和r″分别为两条交叉输电线路各自铁塔信号覆盖半径；
线路并行重叠时重复的信号覆盖面积：
S3＝(rx+ry-d′)l′ (5)
式中，rx和ry分别为两条并行输电线路各自铁塔信号覆盖半径；d′为两条并行输电线路的平均距离，且d′＜rx+ry；l′为输电线路并行段长度；
针对上述问题5，输电线路跨河跨江架设时，相邻铁塔间的档距有可能会，即上述式子中d>2r的情况，此时相邻铁塔的信号覆盖圆并无交叉，信号覆盖面积将会有一处空白的区域，此处空白区域面积可用以下公式表示：
S4＝2rd″-(λ-1)πr2 (6)
式中，λ为档距超过信号覆盖圆直径铁塔的个数；d″为铁塔档距，d″＞2r；
针对上述问题6，为避免电缆线路的存在致使信号覆盖面积的计算结果虚高，计算前线路长度需要扣除一定比例，扣除比例k以线路中电缆线路长度占总长度的比例进行计算；
综上所述，某个地区的输电线路中铁塔皆架设5G基站后的信号覆盖面积计算公式如下所示：
式中n为输电线路条数；l为各输电线路长度；δ为各输电线路中的铁塔数量；m为输电线路交叉次数；k为电缆线路与输电线路总长度之比；
实施例一：
选用某地区的两条输电线路进行其信号覆盖面积的计算，这两条输电线路的电压等级分别是110kV、35kV。以下分别用将分步骤对其信号覆盖的总面积进行计算以及计算结果校验。
1、根据两条输电线路中共享铁塔的呼称高来确定单塔的信号覆盖范围
单个通信天线的信号覆盖范围计算需要两个步骤：链路预算及信号传播模型分析。
1)链路预算
链路预算的目的是确定信号传输的最大允许路径损耗(maximum allowablepathloss,MAPL)，链路预算如下式所示：
式中，PLMAX为最大允许路径损耗，dB；
PTx为基站发射功率，上行时为基站接收功率，dBm；
Lf为馈线损耗，dB；
GTx为基站天线增益，dBi；
Mf为阴影衰落和快衰落余量，dB；
M1为干扰余量，上行取2dB，下行取7dB；
GRx为手机天线增益，dBi；
Lp为建筑物穿透损耗，dB；Lb为人体损耗，一般取为3dB；
SRx为下行时为手机接收灵敏度；hBS为上行时为手机发射功率，dBm；
ΔL2为叶片损耗，dB；
式(8)中的参数在不同状态下的取值是不同的，因此，在不同场景下得到的最大允许路径损耗值也是不同的。例如，在乡村中建筑物穿透损耗值较低，则允许的最大路径损耗值就可以更大。
2)传播模型分析
鉴于共享铁塔的位置分布，选择3GPP规定的5G NR农村宏蜂窝(Rma-NLOS)传播模型，模型如式9和式10所示。通信信号频率选为3.5GHz。
式中，PL取为上节中求得的最大允许路径损耗，dB；
W为街道宽度，m；
h为平均建筑物高度，m；
fc为工作频率，GHz；
hBS为基站天线有效高度，m；
hUT为移动台天线有效高度，此处设为2.5m；
d2D为基站天线与移动台天线直线距离，m。
式(10)的示意图如图3所示，将链路预算中计算得到的最大允许路径损耗代入式(9)中，从而结合式(9)、(10)计算d2D，即为单塔信号覆盖半径。为简化计算，公式(8)～(9)中的参数取值如表3所示；
表1链路预算参数取值
代入数据计算：
首先对两条输电线路中铁塔的呼称高数据进行整理
表2两条输电线路铁塔互称高数据
根据以上数据得到两条输电线路各自天线挂高的加权平均值hBS
将上述天线挂高数据代入覆盖面半径求取公式中得到两条输电线路各自的等效单塔信号覆盖半径如下所示(d2D即为信号覆盖半径)
表3计算所得两条输电线路单塔信号覆盖半径
2、根据两条线路中铁塔架设天线后的近似信号覆盖半径以及式中所需其他参数进行信号覆盖总面积的计算。
表4计算信号覆盖总面积所需参数
计算过程：
3、计算结果校验
为校验上述两条输电线路信号覆盖总面积数据的准确性，我们将这两条输电线路的线路信息包括各个杆塔的地理坐标导入AutoCAD中，根据各个杆塔的呼称高确定其对应的单塔信号覆盖半径以作圆形覆盖面积示意图，对两条输电线路中95座共享铁塔均进行对应的信号覆盖圆绘制，完成之后的效果示意图如图4所示。
根据AutoCAD自带的面积计算功能得到这两条输电线路共享铁塔搭载天线后的区域信号覆盖总面积约为41138854.89平方米。由此可得此种算法的相对误差约为：
为简化计算整个过程，输电线路的各数据测定选用就造成了不可避免的误差，但是经过校验后，计算所造成的误差显然并不会对资源评估产生过大影响，所以本专利所提出的这种共享铁塔资源评估方法用以信号覆盖面积计算时还是可供参考的。
输电线路中共享铁塔搭载通讯天线后，通过本发明所提供信号覆盖范围算法的计算，可对某地区的5G信号覆盖面积进行模拟演算，将某条输电线路乃至某个地区的信号覆盖面积以较为准确的信号覆盖率数据直观地展现出来，从而可以根据信号的覆盖面积数据对某个地区的共享铁塔通信资源进行评估，进而对全地区的信号覆盖进行总体规划，为估算5G基站的铺设密度以及基站全面铺设完成后为国网带来的收益提供理论依据。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (5)

1.一种共享铁塔通信资源评估方法，其特征在于：使用带宽廊道法进行信号覆盖面积计算时，两相邻覆盖圆相交时未能覆盖的边缘部分面积可用以下公式表示：
式中，r为各输电线路铁塔信号覆盖半径，d为各输电线路的铁塔平均档距；
两条线路交叉时重复的信号覆盖面积：
S2＝(2r′)(2r″)
式中，r'和r″分别为两条交叉输电线路各自铁塔信号覆盖半径；
线路并行重叠时重复的信号覆盖面积：
S3＝(rx+ry-d′)l′
式中，rx和ry分别为两条并行输电线路各自铁塔信号覆盖半径；d′为两条并行输电线路的平均距离，且d′＜rx+ry；l′为输电线路并行段长度；
输电线路跨河跨江架设时，此时相邻铁塔的信号覆盖圆并无交叉，信号覆盖面积将会有一处空白的区域，此处空白区域面积可用以下公式表示：
S4＝2rd″-(λ-1)πr2
式中，λ为档距超过信号覆盖圆直径铁塔的个数；d″为铁塔档距，d″＞2r；
综上，输电线路中铁塔皆架设5G基站后的信号覆盖面积计算公式如下所示：
式中n为输电线路条数；l为各输电线路长度；δ为各输电线路中的铁塔数量；m为输电线路交叉次数；k为电缆线路与输电线路总长度之比。
2.一种共享铁塔通信资源评估方法，两条输电线路的信号覆盖面积计算步骤如下：
Step1:根据两条输电线路中共享铁塔的呼称高，应用链路预算和传播模型分析分别确定单塔的信号覆盖范围；
Step2：根据两条线路中铁塔架设天线后的通信信号覆盖半径以及权利要求1中输电线路中铁塔皆架设5G基站后的信号覆盖面积计算公式进行信号覆盖总面积的计算。
3.根据权利要求2所述的一种共享铁塔通信资源评估方法，其特征在于：Step1中，链路预算如下式所示：
式中，PLMAX为最大允许路径损耗；
PTx为基站发射功率，上行时为基站接收功率；
Lf为馈线损耗；
GTx为基站天线增益；
Mf为阴影衰落和快衰落余量；
Ml为干扰余量，上行取2dB，下行取7dB；
GRx为手机天线增益；
LP为建筑物穿透损耗；Lb为人体损耗，取为3dB；
SRx为下行时为手机接收灵敏度；hBS为上行时为手机发射功率；ΔL2为叶片损耗。
4.根据权利要求2所述的一种共享铁塔通信资源评估方法，其特征在于；传播模型如下式所示：
式中，PL取为上节中求得的最大允许路径损耗；
W为街道宽度；
h为平均建筑物高度；
fc为工作频率；
hBS为基站天线有效高度；
hUT为移动台天线有效高度，此处设为2.5m；
d2D为基站天线与移动台天线直线距离。
5.根据权利要求4所述的一种共享铁塔通信资源评估方法，其特征在于：天线的搭载高度由铁塔呼称高的加权算术平均值来确定，铁塔呼称高的加权算术平均值如下式所示：
式中，h为铁塔呼称高，f为呼称高相同铁塔的数量。
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