天線塔上的天線應該能扛多大級風？

這篇文章本是4月13日發(fā)布，但當時忘記申請原創(chuàng)，所以今天重發(fā)一遍。

這個周末北京多個區(qū)均出現了10級以上大風天氣，有些地區(qū)陣風甚至達到14級，很多樹木被刮倒。那么，強風天氣對蜂窩通信網絡可能會造成什么樣的影響呢？比如較為極端的情況：天線桿被吹倒、或供電的電線桿被吹倒、光纜中斷、基站損毀或者基站退服（退出服務）等，均會造成通信中斷。

那么從通信天線本身來說，應該滿足什么樣的防風能力呢？下圖是我們常見的天線塔，上面掛滿了各種制式和功能的天線或基站，2/3/4/5G，還有用于回傳的微波天線。

下圖是中國氣象網發(fā)布的風力等級劃分表，對于天線塔上的天線來說能扛到多少級風呢？

先從兩個基本的概念說起。

01、生存風速

我們先來看一下標準中定義的有關基站天線抗風指標的術語定義。之前在與無線通信相關的標準化組織一文中，提到過NGMN（Next Generation Mobile Networks）聯盟，它是一個由全球運營商領導的聯盟，由近70家公司和組織組成，主要的標準包括有關于BASTA基站的有源和無源天線建議。在它發(fā)布的《Recommendations on Base Station Antenna Standards》中，給出了以下定義：

Survival Wind Speed：The maximum wind velocity the BSA can withstand without suffering permanent damage. It shall also survive without being mechanically or electrically affected due to wind forces in any way that would require service maintenance at the site. ??生存風速（Survival Wind Speed）：BSA （Base Station Antennas ：基站天線）在不遭受永久損壞的情況下所能承受的最大風速。 此外，在風力的作用下，BSA還應不會受到機械或電氣方面的影響，從而需要在現場進行維護。

例如：天線的生存風速為200 公里/小時，即表示它能承受200 公里/小時的風速而不會損壞。200km/h約為55.6m/s，根據上圖的風力等級劃分，應為16級風的水準。

生存風速是通信網絡在風力影響下保持可用的一個限制因素。 對于運營商來說，產品和現有網絡裝置保持功能可用以避免維修是很重要的。在一些國家，法律要求在發(fā)生颶風或龍卷風等自然災害后需要確保通信系統的可用性。

02、風荷載

風荷載又分為風荷載—正面和風荷載—側向。但其實最大風荷載不一定是正面或側面的風荷載。由于空氣動力的升力和阻力效應，最大風荷載可以是任何角度。

The windload – frontal：defines the load on the antenna frontal surface resulting at 150 km/h wind velocity. ?The incoming angle of the wind is therefore the same of the antenna mounting orientation。風荷載 - 正面：定義了風速為150 公里/小時（41.7m/s，相當于14級風）時天線正面所承受的荷載。 因此，風的進入角度與天線的安裝方向應相同。

下圖是一個Dual-beam天線的天線安裝方向（Antenna mounting orientation）示意圖。其安裝方向沿 0° 對齊。左、右機械視距方向分別指向 -30° 和 +30°。

The windload – lateral：defines the load on the antenna side surface resulting at 150 km/h wind velocity. ?The incoming angle of the wind is therefore perpendicular to the antenna mounting orientation。風荷載 - 側面：定義風速為150 公里/小時時天線側表面所受的荷載。因此，風的吹入角度垂直于天線的安裝方向。

下圖更加直觀地展示了風荷載-正面示意圖（左），和風荷載-側面示意圖（右）。

風荷載的單位是牛頓（N），例如風荷載-正面要求500N。那么，如何得到風荷載的具體數值呢？一般有三種方法：

一是基于標準定義來進行計算，ANSI/TIA 222為北美地區(qū)風荷載的確定提供計算方法；EN 1991-1-4提供了用于歐洲和亞洲的風荷載計算方法。被測天線的所有計算只能始終遵循這兩個標準中的一個。

二是使用仿真的方法。這是比較快捷、經濟的方法。然而，由于流體的復雜性，僅靠仿真計算風荷載是遠遠不夠的。

三是使用風洞試驗（Wind Tunnel Testing），它模擬的環(huán)境與產品的實際自然環(huán)境最為相似，因此是最準確的測試方法。下圖是中南大學風洞實驗室的測試環(huán)境圖：

03、基站天線的抗風標準規(guī)定

下表是ETSI定義的不同等級下的環(huán)境要求。包含了溫度、濕度、降雨、氣壓、溫度變化率、太陽輻射、最大風速等。4.1 級代表名義上不受控的室外環(huán)境。4.1E 級將溫度和濕度范圍擴展到歐洲5個氣候區(qū)的平均最低和最高溫度。4.2L 級和 4.2H 級代表 ETSI 規(guī)定的更為極端的氣候條件，但在歐洲以外的地區(qū)也可進一步擴展。例如，在+70oC的高溫條件下運行是基站天線的常見要求。

Table 7.1-1—ETSI 300 019-1-4 stationary, non-weather protected environmental classes.

由上表可知，ETSI?300019 最大風速（Maximum wind speed）或者叫Movement of surrounding air的要求均為50m/s，也就是15級風的水準。但各國使用的參數可能有所不同。實際上，ETSI中的最大風速還不足以滿足BSA應用的要求。 因此，標準的生存風速一般為200 km/h，即124 英里/小時，也就是55.6 米/秒，相當于16級風的水準。對于更高的風荷載設計要求，一般可達到240 km/h，即66.6 米/秒，150 英里/小時。

所以看起來，如果是符合NGMN標準的基站天線應該在這幾日的大風中安然無恙才對。也就是說在這樣的大風中生存是沒問題的，但是否能很好的工作還不一定，也許天線發(fā)生了偏轉，影響了覆蓋和通信質量，等等。

04、微波天線的抗風標準規(guī)定

在我們身邊的天線塔上，除了基站天線以外，還有一種近幾年大量涌現的微波天線，用于5G回傳業(yè)務，尤其是工作在71-76/81-86GHz頻段的E-band微波，如下圖：

由于E-band微波工作在非常高的頻段，具有非常窄的波束，例如3dB波寬只有零點幾度。那么大風如果吹偏了一點，通信質量就會相比其他波段下降得尤為明顯。吞吐量和通信距離也就無法保證。那么微波通信系統的天線應該有多大的抗風能力呢？

根據ETSI?EN 301 126-3-1，也有生存風速的要求，此外還規(guī)定了天線穩(wěn)定度：

Antenna stability：The supplier shall declare the operational conditions under which the antenna shall remain stable. Guidance information on antenna stability may be found in the relevant antenna standard.?天線穩(wěn)定度：供應商應聲明天線能保持穩(wěn)定的工作條件。有關天線穩(wěn)定性的信息可在相關的天線標準中找到。

在ETSI中給出的廠商聲明建議如下：

天線類型 ?生存風速m/s (km/h) ?穩(wěn)定度m/s (km/h)正常荷載 ? ? ?55 (200) ? ? ? ? ? 30（110）重荷載 ? ? ? ?70 (252) ? ? ? ? ? 45（164）

在我國待發(fā)布的《微波通信系統拋物面天線技術要求和測試方法》行業(yè)標準中，規(guī)定了生存風速和工作風速：

所以，如果是符合上述標準規(guī)定的微波天線，正常情況下也應該在這幾日的大風中安然無恙才對。如果考慮穩(wěn)定性或工作風速的要求為110km/h，即30.6m/s，相當于11級風的水準，那么在瞬時14級風的情況下，通信質量可能會受到影響。