高鐵覆蓋網(wǎng)供電方案探討

李德鋒，馬 鐵

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司白城分公司）

1 高鐵基站建站背景

1.1 目前對(duì)高鐵通信覆蓋存在的問(wèn)題

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的要求越來(lái)越高，在一些特殊場(chǎng)景下也需要很高的通信質(zhì)量。高速鐵路就是新出現(xiàn)的一種重要特殊場(chǎng)景，在已開(kāi)通的高速鐵路上測(cè)試顯示，由于高鐵客車的運(yùn)行時(shí)速平均高于150 k m／h以上，因此在正常狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，由于列車時(shí)速較高，在部分小區(qū)切換、覆蓋相對(duì)較弱的區(qū)域出現(xiàn)了脫網(wǎng)、不能正常呼叫和切換以及掉話等現(xiàn)象，一方面造成用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的感知度受到影響，另一方面導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

如何在高速移動(dòng)情況下提供良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量成為運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商當(dāng)前的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。高速移動(dòng)狀態(tài)下對(duì)手機(jī)信號(hào)呼叫和切換帶來(lái)的較大的影響。移動(dòng)通信系統(tǒng)需要一定的時(shí)間對(duì)無(wú)線信道資源進(jìn)行測(cè)量、平均、判決、執(zhí)行等，隨著用戶移動(dòng)速度的加快，一項(xiàng)流程從發(fā)起到完成（如切換、呼叫等），無(wú)線環(huán)境往往已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，這將給網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行帶來(lái)一些新的問(wèn)題。

1.2 高速鐵路的通信覆蓋解決方案

正常移動(dòng)速度的用戶移動(dòng)通信終端通信是正常的，而高速鐵路對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)的影響主要原因是由于速度過(guò)快，使GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種測(cè)量、判決、執(zhí)行的時(shí)間里無(wú)線環(huán)境已發(fā)生很大變化，因此可以采用擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍，延長(zhǎng)小區(qū)的駐留時(shí)間，增大相鄰小區(qū)的重疊覆蓋范圍等方式解決。在市縣城區(qū)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化就可以解決，而在農(nóng)村只有通過(guò)增加覆蓋方式處理。增加覆蓋就是在高鐵沿線增設(shè)基站，用較高的信號(hào)保證小區(qū)有足夠的覆蓋范圍，對(duì)于200 k m／h的高速鐵路，建議小區(qū)覆蓋范圍應(yīng)達(dá)到1 k m，對(duì)于400 k m／h的高速鐵路，建議小區(qū)覆蓋范圍應(yīng)達(dá)到2 k m。具體覆蓋方式如下：

（1）當(dāng)基站遠(yuǎn)離鐵路邊時(shí)，可以采用寬波瓣天線，擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)抑制覆蓋邊緣天線增益的快速下降；

（2）當(dāng)基站位于鐵路邊時(shí)，可以將兩個(gè)小區(qū)合并為一個(gè)小區(qū)，用功分器連接兩副定向的高增益天線，以擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)減少切換；

（3）使用功放、塔放或 MCPA（多載波功率放大器）擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍；

（4）使用數(shù)字光纖直放站，把射頻信號(hào)拉遠(yuǎn)，延長(zhǎng)小區(qū)的覆蓋范圍，減少切換。

2 高鐵基站供電方案

在農(nóng)村、荒原、山區(qū)建設(shè)高鐵基站存在最大的困難是供電問(wèn)題，常用站型是MBO或光纖直放站，現(xiàn)實(shí)采用三種24小時(shí)不中斷供電方式，一是采用農(nóng)電＋UPS＋電池（AC），二是小型柴油固定發(fā)電機(jī)組（AC），三是太陽(yáng)能＋電池（DC）。這三種供電方式都存在問(wèn)題；

（1）采用農(nóng)電＋UPS＋電池（AC）方式，建設(shè)投入成本高，電池壽命短，運(yùn)營(yíng)成本大，維護(hù)較復(fù)雜；

（2）采用小型柴油固定發(fā)電機(jī)組（AC），運(yùn)營(yíng)成本大，維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；

（3）采用太陽(yáng)能＋電池（DC），投資成本高，電池壽命短。

針對(duì)上述三種供電方式，結(jié)合高速鐵路的運(yùn)行特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的覆蓋對(duì)象進(jìn)行深入研究后，我們清晰的指導(dǎo)高鐵基站的服務(wù)對(duì)象是乘座高速列車上的用戶。高速列車是定點(diǎn)通過(guò)的，經(jīng)過(guò)時(shí)間短，針對(duì)這種特殊的基站通信需求，我們重點(diǎn)保障的是在列車通過(guò)覆蓋相對(duì)較弱的覆蓋區(qū)域時(shí)通信需求是整個(gè)問(wèn)題解決的關(guān)鍵。結(jié)合列車通過(guò)覆蓋區(qū)的定時(shí)、時(shí)間短的特點(diǎn)。根據(jù)吉林省高速鐵路的沿線網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)際，我們創(chuàng)造了一種新的基站供電方案。即：時(shí)間控制基站供電方式。

方案一：市（農(nóng)）電時(shí)間控制基站供電方式

高鐵基站采用MBO站型，直接采用工頻220 V供電，有市（農(nóng)）電地區(qū)采用220 V交流市（農(nóng)）電供電，為節(jié)約用電，我們?cè)诠╇娀芈分屑友b一個(gè)分段時(shí)間控制器，在高速鐵路客車到達(dá)該站覆蓋區(qū)前（給BTS留有啟動(dòng)時(shí)間）給供電（提前30分鐘），在高速鐵路客車離開(kāi)該站覆蓋區(qū)后（10－20分鐘），中斷供電停止基站通信運(yùn)行，供電系統(tǒng)如圖1。

圖1 市（農(nóng)）電供電示意圖

市（農(nóng)）電時(shí)間控制基站供電系統(tǒng)由市（農(nóng)）電電源1、配電箱2、分段時(shí)間控制器3、基站用電設(shè)備4等四部分組成。

配電箱2內(nèi)安裝有空氣開(kāi)關(guān)21、交流接觸器22、接觸器手動(dòng)合閘開(kāi)關(guān)23、分路負(fù)荷開(kāi)關(guān)24等器件。

交流接觸器22主要由啟動(dòng)線圈、主動(dòng)合觸點(diǎn)、手動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)23組成。

分段時(shí)間控制器3主要由時(shí)間設(shè)定和顯示器件31、CPU定時(shí)控制板32、控制輸出板33、電源34等組成。

供電時(shí)段是通過(guò)時(shí)間設(shè)定和顯示器件31預(yù)先設(shè)定并保存在CPU定時(shí)控制板32內(nèi)的，當(dāng)?shù)竭_(dá)供、停電設(shè)定時(shí)間時(shí)，控制輸出板33就會(huì)接通或斷開(kāi)配電箱2內(nèi)交流接觸器22啟動(dòng)線圈的供電回路，使交流接觸器21主觸點(diǎn)閉合供電或斷開(kāi)停止供電。

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，閉合交流接觸器22上的手動(dòng)開(kāi)關(guān)23接通交流接觸器22啟動(dòng)線圈的供電回路，給基站供電。

該方式供電即保證了高速鐵路客車乘客通信需求，又可減少基站用電量。以某高鐵基站為例，該基站O2配置，耗電功率為0.5 k W，每天高速鐵路客車經(jīng)過(guò)三次，每次通過(guò)該站時(shí)間是10分鐘，沒(méi)有安裝分段時(shí)間控制器時(shí)全天24小時(shí)運(yùn)行，每天用電12.5 k W／h，每天電費(fèi)為15.00元。加裝分段時(shí)間控制器后，每次基站開(kāi)通45分鐘，每天運(yùn)行135分鐘，每天用電1.125 k W／h，每天電費(fèi)只有1.35元，全年電費(fèi)為492.75元。 每 天 節(jié) 電11.375 k W／h，每 年 節(jié) 電4151.875 k W／h，節(jié)省電費(fèi)4982.25元。

方案二：固定式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)時(shí)間控制基站供電方式

在沒(méi)有市（農(nóng)）電地區(qū)或市（農(nóng)）電價(jià)格高的地點(diǎn)，采用安裝小型固定式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)方式供電。高鐵基站采用MBO站型，直接采用工頻220V供電，在供電回路中加裝一個(gè)分段時(shí)間控制器，在高速鐵路客車到達(dá)該站覆蓋區(qū)前（給BTS留有啟動(dòng)時(shí)間）固定式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)給供電（提前30分鐘），在高速鐵路客車離開(kāi)該站覆蓋區(qū)后（10－20分鐘），固定式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)中斷供電，停止基站通信運(yùn)行，油機(jī)供電系統(tǒng)如圖2。

圖2 油機(jī)供電系統(tǒng)示意圖

油機(jī)時(shí)間控制基站供電系統(tǒng)由油機(jī)發(fā)電機(jī)組1、配電箱2、分段時(shí)間控制器3、基站用電設(shè)備4等四部分組成。

油機(jī)發(fā)電機(jī)組1由內(nèi)燃發(fā)機(jī)、交（直）流發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器11等器件組成。

發(fā)電機(jī)控制器11主要由啟動(dòng)、停機(jī)控制單元111等電子和機(jī)械器件組成。

分段時(shí)間控制器3主要由時(shí)間設(shè)定和顯示器件31、CPU定時(shí)控制板32、控制輸出板33、電源34等組成。

供電時(shí)段是通過(guò)時(shí)間設(shè)定和顯示器件31預(yù)先設(shè)定并保存在CPU定時(shí)控制板32內(nèi)的，當(dāng)?shù)竭_(dá)供、停電設(shè)定時(shí)間時(shí)，控制輸出板33就會(huì)向電機(jī)控制器11發(fā)出啟動(dòng)或停機(jī)信號(hào)，使內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行或關(guān)閉油路停機(jī)，從而拖動(dòng)發(fā)電機(jī)供電或停機(jī)停止供電。

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，給基站供電。

該方式供電既保證了高速鐵路客車乘客通信需求，又可減少固定式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間，以某高鐵基站為例，該基站O2配置，功率為0.5 k W，每天高速鐵路客車經(jīng)過(guò)三次，每次通過(guò)該站時(shí)間是10分鐘，采用加裝分段時(shí)間控制器，每次基站開(kāi)通45分鐘，每天發(fā)電機(jī)運(yùn)行135分鐘，以每天耗1升計(jì)量，每天支付油費(fèi)4.65元，每年油費(fèi)為1697.25元。比用市（農(nóng)）電高1204.5元，但是在解決供電問(wèn)題同時(shí)，節(jié)省了大筆市（農(nóng)）電引入開(kāi)支，節(jié)省了維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，由平常兩三天加一次燃油，延長(zhǎng)至每月加一次油。平時(shí)在動(dòng)環(huán)系統(tǒng)上觀察其運(yùn)行狀態(tài)。

方案三：太陽(yáng)能時(shí)間控制基站供電方式

常規(guī)的太陽(yáng)能供電基站，在計(jì)算太陽(yáng)能電池板容量時(shí)，將用電負(fù)荷與電池充電負(fù)荷相加來(lái)計(jì)算，例如兩個(gè)扇區(qū)的光纖直放站，用電負(fù)荷為1 500 W，電池采用500 Ah兩組電池，太陽(yáng)能電池板最小功率為7 k W。如采用時(shí)間控制基站供電方式，每24小時(shí)高速列車通過(guò)三次，基站運(yùn)行2.25小時(shí)，每天耗電量為61 Ah，采用單組500 Ah電池，就能保證6.56天供電，太陽(yáng)能板設(shè)計(jì)容量也會(huì)大大降低，只要能保證給電池充電就可以了，大約太陽(yáng)能電池板功率為1 k W就能滿足電池充電需要（需要充入電量4.1 k W）。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)如圖3。

太陽(yáng)時(shí)間控制基站供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板1、蓄電池組2、分段時(shí)間控制器3、基站用電設(shè)備4、直流接觸器5等五部分組成。

分段時(shí)間控制器3主要由時(shí)間設(shè)定和顯示器件31、CPU定時(shí)控制板32、控制輸出板33、電源34等組成。

直流接觸器5主要由啟動(dòng)線圈、主動(dòng)合觸點(diǎn)、手動(dòng)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)51組成。

供電時(shí)段是通過(guò)時(shí)間設(shè)定和顯示器件31預(yù)先設(shè)定并保存在CPU定時(shí)控制板32內(nèi)的，當(dāng)?shù)竭_(dá)供、停電設(shè)定時(shí)間時(shí)，控制輸出板33就會(huì)接通或斷開(kāi)直流接觸器5上啟動(dòng)線圈的供電回路，使直流接觸器5主觸點(diǎn)閉合供電或斷開(kāi)停止供電。

圖3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)示意圖

當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，閉合直流接觸器5上的手動(dòng)開(kāi)關(guān)51接通直流接觸器5上啟動(dòng)線圈的供電回路，給基站供電。

正常供電方式，電源投資為44.828萬(wàn)元，采用太陽(yáng)能時(shí)間控制基站供電方式，建站電源投資為9.164萬(wàn)元，減少80%。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前全國(guó)共計(jì)有將近30萬(wàn)移動(dòng)通信基站在網(wǎng)運(yùn)行，其中按照高速鐵路沿線的基站進(jìn)行區(qū)分，亦可達(dá)到1萬(wàn)左右。大量的高鐵覆蓋基站，不僅僅為高速鐵路在客運(yùn)過(guò)程中提供了良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知具有重要作用。

另外，隨著國(guó)家鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鐵路客運(yùn)方式正發(fā)生著變革，高速省際、城際之間鐵路客運(yùn)的不斷發(fā)展和用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的高度需求矛盾已經(jīng)突出顯現(xiàn)出來(lái)。

近年來(lái)，隨著能源建設(shè)使用的緊縮機(jī)制和綠色能源利用、節(jié)能工作的開(kāi)展，高速鐵路定時(shí)供電方案勢(shì)必成為一種較好的解決思路和手段。

高鐵基站供電方案在保證用戶通信需求的條件下，采用定時(shí)基站供電方式，一改常規(guī)通信供電方式，節(jié)約大量能源或投資資金。對(duì)企業(yè)和社會(huì)都會(huì)產(chǎn)生極大效益。該項(xiàng)技術(shù)己申報(bào)發(fā)明專利。