河谷地帶鐵路無線通信設備布放方式的探討

袁廷瑞，陶柁丞

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 概述

國內西南地區(qū)多山地、丘陵地貌，新建鐵路常有沿河谷修建的區(qū)段。鐵路全線需要覆蓋無線通信，提供語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務，滿足行車、調度等多方需求。不同于平原開闊地貌，河谷地帶多為陡坡和河流，陡坡上修建設備場坪施工難度大，日后維護也不方便，河流地段沒有可以修建場坪設施的地方，河岸積沙地帶可以修建場坪，但汛期容易因為洪水而損毀設備。相較于隧道內直接開鑿洞室安裝設備，河谷地區(qū)的無線通信設備站址選擇難度大，需要考慮的因素多。

都江堰至四姑娘山山地軌道交通項目區(qū)位于橫斷山脈東緣，起于成灌高鐵都江堰站，經汶川設映秀站，臥龍?zhí)貏e行政區(qū)等地區(qū)，止于小金縣四姑娘山鎮(zhèn)。正線全長123.180 km。其中橋長35.404 km，占線路長度28.74%。大部分橋梁沿河谷地區(qū)走行，兩側陡坡，下臨河流，地質條件難以滿足修建場坪需求，無法依照普通明區(qū)間無線設備安置方式進行布置。

2 鐵路無線通信設備簡介

從無線通信的角度，可以根據(jù)電磁波傳播特性，把鐵路分為信號傳播良好的明區(qū)間（例如平原、郊區(qū)等）和信號傳播能力較差的弱場區(qū)（例如隧道）。鐵路無線通信在明區(qū)間的設備主要包括基站、直放站和天線及其他配套設施。在弱場區(qū)則使用直放站（或RRU）與漏泄同軸電纜覆蓋，隧道進出口一般在漏纜端頭接尾巴天線，覆蓋200 m 左右的隧道外明區(qū)間。

基站又分為一體化基站和分布式基站，分布式基站由室內基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）和射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU） 構 成， 一 個BBU 可 以 攜 帶 多 個RRU，二者組合起來功能與一體化機柜相同，因此常見的組網結構有兩種，一種是“一體化基站+直放站+天線”，另一種是“BBU+RRU+天線”。

一體化基站尺寸約為600 mm×600 mm×1 000 mm，RRU 尺寸一般為300 mm×150 mm ×500 mm，BBU 與直放站的尺寸與RRU 相近。這些設備占地小且安裝靈活，一般不會成為站址選擇的影響因素。最影響站址選擇的是用于安置天線的鐵塔，在開闊地帶，GSM-R 天線一般掛設在軌面上方30 m 左右的高度，保證4 km 內的無線信號覆蓋，相應的鐵塔基礎需要10 m×10 m。

3 鐵路無線通信覆蓋能力分析

河谷地帶鐵路彎曲段較多，需要結合無線信號的繞射能力考慮設備站址的選擇，目前鐵路使用的無線通信一共有4 種：400 MHz 頻段的數(shù)字移動無線通訊（Digital Mobile Radio，DMR）、450 MHz 頻段的模擬無線系統(tǒng)、900 MHz 頻段的GSM-R、1 800 MHz 頻段的LTE 系統(tǒng)。需要說明的是，中國國家鐵路集團有限公司已經明確不再新建450 MHz 模擬無線系統(tǒng)，既有系統(tǒng)將逐漸被GSM-R 所取代。

頻率越低的電磁波覆蓋距離越遠，繞射能力越強，當天線高于軌面30 m 時，其中頻率最低的400 MHz 的DMR 數(shù)字無線系統(tǒng)信號能夠沿著蜿蜒的河流傳遞10 km 后仍然滿足終端接收要求；頻率最高的1 800 MHz 的LTE 繞射能力較差，基本上沿直線傳播，覆蓋距離在2 km 左右；而900 MHz電磁波的繞射能力居中，可繞過彎曲程度較小的河谷，覆蓋距離在4 km 左右。DMR 設備布放時可調整空間很大，安裝靈活，LTE 與GSM-R 的設備布放則相對受限，因此后文主要針對這兩種無線通信制式展開討論。

4 河谷地帶設備布放方式的選擇

鐵路無線通信覆蓋方式分為：普通單網、交織單網、共站址雙網、交織雙網。其中普通單網與共站址雙網的設備間距約為1.8 倍的覆蓋距離，而交織單網和交織雙網的設備間距約為0.9 倍的覆蓋距離。由此可以根據(jù)頻率、天線掛高、覆蓋方式估算設備間距，當天線掛高25 m 左右時，超過1 個設備間距的直線段為長距離少彎折區(qū)段，直線段長度不足1 個設備間距則為長距離多彎折區(qū)段，而不足400 m 的區(qū)段則為短距離區(qū)段。下面對這3 種區(qū)段進行無線覆蓋方案的分析。

4.1 短距離區(qū)段無線覆蓋方式

這種情況一般常見于“隧道-短橋-隧道”線路區(qū)段，鐵路穿過兩山之間的區(qū)段不超過400 m 的線路。針對這種情況，利用隧道進出口的尾巴天線即可完成覆蓋。需要考慮的是尾巴天線與隧道內直放站（或RRU）的漏纜長度，通過測量漏纜損耗、接頭損耗，計算天線發(fā)射信號強度，再依據(jù)鏈路預算和傳播模型計算覆蓋距離。實際工程中，掛設尾巴天線的漏纜長度一般不超過200 m。

4.2 長距離少彎折區(qū)段無線覆蓋方式

這種情況可以近似為開闊明區(qū)間處理，常見的設備布放方式有兩種：橋下立塔和橋邊立塔。若橋下無水流區(qū)域，且橋高不超過20 m，可以在橋下修建場坪設立鐵塔，塔高需要保證天線掛高超過軌面20 ～30 m；若橋下是河流區(qū)段，可以預先修建橋墩，在橋墩上安置鐵塔和設備房屋；若線路非?？拷露炔淮蟮纳狡?，可以開鑿坡地修建場坪樹立鐵塔。這些設備布放方式與普通開闊明區(qū)間基本一致，但需要綜合考慮施工和后期維護的難度。

這種區(qū)段也可以采用橋上立桿的方式進行無線覆蓋，但是由于考慮到行車安全，橋上桿高受限，天線掛高大約在3 m，因此覆蓋距離只有上述方式的1/3 左右，設備數(shù)量需要增加到上述方式數(shù)量的3 倍，帶來成本劇增。所以不推薦在長距離少彎折區(qū)段采用橋上立桿的無線設備安置方式。

4.3 長距離多彎折區(qū)段無線覆蓋方式

在都江堰至四姑娘山山地軌道中，修建在河谷地段的鐵路線最常出現(xiàn)的狀況就是彎道頻繁，直線區(qū)段一般不足600 m，線路兩側均為高山，下方則是河流，這種區(qū)段GSM-R 和LTE 的信號覆蓋能力基本上為視距覆蓋，線路拐彎后信號強度由于山地阻擋產生陡降，難以覆蓋彎折后的區(qū)段。

一種方案是仿照明區(qū)間設備布放，在線路拐彎處尋找位置設立鐵塔，掛設兩副定向天線，覆蓋彎道前后區(qū)段。當彎折處沒有可以利用的地形條件時，采用修建橋墩的方式完成布置。這一方案缺點很多，首先是地形因素，彎折處的地勢常常難以直接修建場坪，需要修建橋墩才行，這樣就會帶來工程量和成本的劇增，其次是覆蓋距離，這一方案能夠覆蓋2 ～4 km 的直線距離，但在河谷多彎區(qū)段，直線距離常常只有幾百米，因而造成了覆蓋能力的極大浪費。因此不推薦采用這一方案進行無線覆蓋。

另一種方案就是避免立鐵塔而采用立桿的方式。在河谷區(qū)段短直線多彎道區(qū)域，不需要把天線放到高處保證遠距離信號覆蓋。根據(jù)鏈路預算和傳播模型計算，當天線掛高為3 m，車載接收天線高度4.6 m 時，GSM-R 在河谷直線段覆蓋距離約為1 500 m，1 800 MHz 頻段的LTE 直線覆蓋距離約為600 m，能超過大部分河谷區(qū)段的直線線路長度。由此可見，在河谷區(qū)段可以選擇樹立高過軌面3 m 左右的桿來掛設天線，就能避免修建鐵塔基礎帶來的場坪選址困難。

都江堰至四姑娘山山地軌道交通采用的橋梁結構主要為T 梁復線結構，桿的位置可以選擇的地方有3 處：橋墩頂帽，橋上欄桿外，線路近處的平底或緩坡，如圖1 所示。

圖1 T梁復線無線通信設備桿安裝方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of wireless communication equipment pole on the T-beam double line

橋墩頂帽處的桿樹立方式與接觸網直腿柱的樹立方式一致，桿頂端高出軌面3 m 左右即可，這種方式的優(yōu)點在于橋墩承重能力優(yōu)良，結構穩(wěn)定，即便桿倒下也不會落在線路上影響行車安全，但缺點在于橋墩頂帽到軌面的高度較高，致使桿高度增加，桿頂端穩(wěn)定性較差，晃動較為明顯。

橋上欄桿外，可在支撐欄桿的橫板鋼梁上打孔立桿，這一鋼梁每隔2 m 會有一處，每處能承受500 kg 以上的重量，外側打孔不影響受力結構，因此設備安裝位置靈活，施工方便?？紤]到安裝和維護的方便，施工時建議直放站（或RRU）設備柜門方向面向線路，維護人員無需翻越欄桿就可以在人行橫道上進行檢修作業(yè)。同時需要為欄桿上的光纜、電纜槽預留好槽門開啟的空間。這一位置很好地解決了桿高的問題，成本低廉，覆蓋能力與需求匹配，方便施工和維護，但需要注意無線設備防雷接地的設置，需要利用綜合貫通地線或者在橋梁上預留好接地端子。

線路近處的平底或緩坡，這一方案與開闊明區(qū)間類似，但只適用于緩坡距離線路非常近的情況，如果距離過大，天線與直放站（或RRU）之間的光纜連接會成為施工和維護的難點。

5 結論

本文分析了河谷地帶鐵路無線信號覆蓋距離需求，對鐵路常用的GSM-R 和新興的鐵路LTE 無線網絡進行分析，對傳統(tǒng)明區(qū)間鐵塔、橋墩頂帽高桿、橋上短桿等多種設備布放方式進行比較，結論如下。

短區(qū)段直接采用漏纜掛設尾巴天線覆蓋即可，長距離少彎折區(qū)段建議采用傳統(tǒng)明區(qū)間鐵塔方式覆蓋以降低成本，長距離多彎折區(qū)段建議采用橋上短桿進行設備安置和無線覆蓋。

此外，橋墩頂帽高桿、橋上短桿的方式也通用于地質條件差、征地困難等橋梁線路區(qū)段，可以結合地形地貌，劃分為長距離少彎折與長距離多彎折區(qū)段，參考本文推薦的方式進行設備布放。