高鐵覆蓋網供電方案探討

李德鋒，馬 鐵

（1.中國移動通信集團吉林有限公司；2.中國移動通信集團吉林有限公司白城分公司）

1 高鐵基站建站背景

1.1 目前對高鐵通信覆蓋存在的問題

隨著社會經濟的發展，人們對移動通信的要求越來越高，在一些特殊場景下也需要很高的通信質量。高速鐵路就是新出現的一種重要特殊場景，在已開通的高速鐵路上測試顯示，由于高鐵客車的運行時速平均高于150 k m／h以上，因此在正常狀態的網絡覆蓋區域，由于列車時速較高，在部分小區切換、覆蓋相對較弱的區域出現了脫網、不能正常呼叫和切換以及掉話等現象，一方面造成用戶對網絡的感知度受到影響，另一方面導致不必要的經濟損失。

如何在高速移動情況下提供良好的網絡服務質量成為運營商和設備商當前的一個關注點。高速移動狀態下對手機信號呼叫和切換帶來的較大的影響。移動通信系統需要一定的時間對無線信道資源進行測量、平均、判決、執行等，隨著用戶移動速度的加快，一項流程從發起到完成（如切換、呼叫等），無線環境往往已經發生了很大的變化，這將給網絡業務的正常進行帶來一些新的問題。

1.2 高速鐵路的通信覆蓋解決方案

正常移動速度的用戶移動通信終端通信是正常的，而高速鐵路對GSM網絡的影響主要原因是由于速度過快，使GSM網絡進行各種測量、判決、執行的時間里無線環境已發生很大變化，因此可以采用擴大小區的覆蓋范圍，延長小區的駐留時間，增大相鄰小區的重疊覆蓋范圍等方式解決。在市縣城區通過網絡優化就可以解決，而在農村只有通過增加覆蓋方式處理。增加覆蓋就是在高鐵沿線增設基站，用較高的信號保證小區有足夠的覆蓋范圍，對于200 k m／h的高速鐵路，建議小區覆蓋范圍應達到1 k m，對于400 k m／h的高速鐵路，建議小區覆蓋范圍應達到2 k m。具體覆蓋方式如下：

（1）當基站遠離鐵路邊時，可以采用寬波瓣天線，擴大覆蓋范圍，同時抑制覆蓋邊緣天線增益的快速下降；

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

（3）使用功放、塔放或 MCPA（多載波功率放大器）擴大小區的覆蓋范圍；

（4）使用數字光纖直放站，把射頻信號拉遠，延長小區的覆蓋范圍，減少切換。

2 高鐵基站供電方案

在農村、荒原、山區建設高鐵基站存在最大的困難是供電問題，常用站型是MBO或光纖直放站，現實采用三種24小時不中斷供電方式，一是采用農電＋UPS＋電池（AC），二是小型柴油固定發電機組（AC），三是太陽能＋電池（DC）。這三種供電方式都存在問題；

（1）采用農電＋UPS＋電池（AC）方式，建設投入成本高，電池壽命短，運營成本大，維護較復雜；

（2）采用小型柴油固定發電機組（AC），運營成本大，維護人員勞動強度大；

（3）采用太陽能＋電池（DC），投資成本高，電池壽命短。

針對上述三種供電方式，結合高速鐵路的運行特點和網絡的覆蓋對象進行深入研究后，我們清晰的指導高鐵基站的服務對象是乘座高速列車上的用戶。高速列車是定點通過的，經過時間短，針對這種特殊的基站通信需求，我們重點保障的是在列車通過覆蓋相對較弱的覆蓋區域時通信需求是整個問題解決的關鍵。結合列車通過覆蓋區的定時、時間短的特點。根據吉林省高速鐵路的沿線網絡覆蓋實際，我們創造了一種新的基站供電方案。即：時間控制基站供電方式。

方案一：市（農）電時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）電地區采用220 V交流市（農）電供電，為節約用電，我們在供電回路中加裝一個分段時間控制器，在高速鐵路客車到達該站覆蓋區前（給BTS留有啟動時間）給供電（提前30分鐘），在高速鐵路客車離開該站覆蓋區后（10－20分鐘），中斷供電停止基站通信運行，供電系統如圖1。

圖1 市（農）電供電示意圖

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

配電箱2內安裝有空氣開關21、交流接觸器22、接觸器手動合閘開關23、分路負荷開關24等器件。

交流接觸器22主要由啟動線圈、主動合觸點、手動啟動開關23組成。

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

供電時段是通過時間設定和顯示器件31預先設定并保存在CPU定時控制板32內的，當到達供、停電設定時間時，控制輸出板33就會接通或斷開配電箱2內交流接觸器22啟動線圈的供電回路，使交流接觸器21主觸點閉合供電或斷開停止供電。

當自動控制系統發生故障時，閉合交流接觸器22上的手動開關23接通交流接觸器22啟動線圈的供電回路，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過三次，每次通過該站時間是10分鐘，沒有安裝分段時間控制器時全天24小時運行，每天用電12.5 k W／h，每天電費為15.00元。加裝分段時間控制器后，每次基站開通45分鐘，每天運行135分鐘，每天用電1.125 k W／h，每天電費只有1.35元，全年電費為492.75元。 每 天 節 電11.375 k W／h，每 年 節 電4151.875 k W／h，節省電費4982.25元。

方案二：固定式內燃發電機時間控制基站供電方式

在沒有市（農）電地區或市（農）電價格高的地點，采用安裝小型固定式內燃發電機方式供電。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分段時間控制器，在高速鐵路客車到達該站覆蓋區前（給BTS留有啟動時間）固定式內燃發電機自動啟動給供電（提前30分鐘），在高速鐵路客車離開該站覆蓋區后（10－20分鐘），固定式內燃發電機自動關機中斷供電，停止基站通信運行，油機供電系統如圖2。

圖2 油機供電系統示意圖

油機時間控制基站供電系統由油機發電機組1、配電箱2、分段時間控制器3、基站用電設備4等四部分組成。

油機發電機組1由內燃發機、交（直）流發電機、發電機控制器11等器件組成。

發電機控制器11主要由啟動、停機控制單元111等電子和機械器件組成。

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

供電時段是通過時間設定和顯示器件31預先設定并保存在CPU定時控制板32內的，當到達供、停電設定時間時，控制輸出板33就會向電機控制器11發出啟動或停機信號，使內燃發動機啟動運行或關閉油路停機，從而拖動發電機供電或停機停止供電。

當自動控制系統發生故障時，通過手動啟動發電機，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，又可減少固定式內燃發電機組運行時間，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過三次，每次通過該站時間是10分鐘，采用加裝分段時間控制器，每次基站開通45分鐘，每天發電機運行135分鐘，以每天耗1升計量，每天支付油費4.65元，每年油費為1697.25元。比用市（農）電高1204.5元，但是在解決供電問題同時，節省了大筆市（農）電引入開支，節省了維護人員勞動強度，由平常兩三天加一次燃油，延長至每月加一次油。平時在動環系統上觀察其運行狀態。

方案三：太陽能時間控制基站供電方式

常規的太陽能供電基站，在計算太陽能電池板容量時，將用電負荷與電池充電負荷相加來計算，例如兩個扇區的光纖直放站，用電負荷為1 500 W，電池采用500 Ah兩組電池，太陽能電池板最小功率為7 k W。如采用時間控制基站供電方式，每24小時高速列車通過三次，基站運行2.25小時，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，太陽能板設計容量也會大大降低，只要能保證給電池充電就可以了，大約太陽能電池板功率為1 k W就能滿足電池充電需要（需要充入電量4.1 k W）。太陽能供電系統如圖3。

太陽時間控制基站供電系統由太陽能電池板1、蓄電池組2、分段時間控制器3、基站用電設備4、直流接觸器5等五部分組成。

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

直流接觸器5主要由啟動線圈、主動合觸點、手動啟動開關51組成。

供電時段是通過時間設定和顯示器件31預先設定并保存在CPU定時控制板32內的，當到達供、停電設定時間時，控制輸出板33就會接通或斷開直流接觸器5上啟動線圈的供電回路，使直流接觸器5主觸點閉合供電或斷開停止供電。

圖3 太陽能供電系統示意圖

當自動控制系統發生故障時，閉合直流接觸器5上的手動開關51接通直流接觸器5上啟動線圈的供電回路，給基站供電。

正常供電方式，電源投資為44.828萬元，采用太陽能時間控制基站供電方式，建站電源投資為9.164萬元，減少80%。

3 結束語

目前全國共計有將近30萬移動通信基站在網運行，其中按照高速鐵路沿線的基站進行區分，亦可達到1萬左右。大量的高鐵覆蓋基站，不僅僅為高速鐵路在客運過程中提供了良好的網絡覆蓋，同時對于提升網絡質量和用戶感知具有重要作用。

另外，隨著國家鐵路事業的不斷發展，傳統的鐵路客運方式正發生著變革，高速省際、城際之間鐵路客運的不斷發展和用戶對網絡覆蓋質量的高度需求矛盾已經突出顯現出來。

近年來，隨著能源建設使用的緊縮機制和綠色能源利用、節能工作的開展，高速鐵路定時供電方案勢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，采用定時基站供電方式，一改常規通信供電方式，節約大量能源或投資資金。對企業和社會都會產生極大效益。該項技術己申報發明專利。