高铁覆盖网供电方案探讨

李德锋，马 铁

（1.中国移动通信集团吉林有限公司；2.中国移动通信集团吉林有限公司白城分公司）

1 高铁基站建站背景

1.1 目前对高铁通信覆盖存在的问题

随着社会经济的发展，人们对移动通信的要求越来越高，在一些特殊场景下也需要很高的通信质量。高速铁路就是新出现的一种重要特殊场景，在已开通的高速铁路上测试显示，由于高铁客车的运行时速平均高于150 k m／h以上，因此在正常状态的网络覆盖区域，由于列车时速较高，在部分小区切换、覆盖相对较弱的区域出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象，一方面造成用户对网络的感知度受到影响，另一方面导致不必要的经济损失。

如何在高速移动情况下提供良好的网络服务质量成为运营商和设备商当前的一个关注点。高速移动状态下对手机信号呼叫和切换带来的较大的影响。移动通信系统需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等，随着用户移动速度的加快，一项流程从发起到完成（如切换、呼叫等），无线环境往往已经发生了很大的变化，这将给网络业务的正常进行带来一些新的问题。

1.2 高速铁路的通信覆盖解决方案

正常移动速度的用户移动通信终端通信是正常的，而高速铁路对GSM网络的影响主要原因是由于速度过快，使GSM网络进行各种测量、判决、执行的时间里无线环境已发生很大变化，因此可以采用扩大小区的覆盖范围，延长小区的驻留时间，增大相邻小区的重叠覆盖范围等方式解决。在市县城区通过网络优化就可以解决，而在农村只有通过增加覆盖方式处理。增加覆盖就是在高铁沿线增设基站，用较高的信号保证小区有足够的覆盖范围，对于200 k m／h的高速铁路，建议小区覆盖范围应达到1 k m，对于400 k m／h的高速铁路，建议小区覆盖范围应达到2 k m。具体覆盖方式如下：

（1）当基站远离铁路边时，可以采用宽波瓣天线，扩大覆盖范围，同时抑制覆盖边缘天线增益的快速下降；

（2）当基站位于铁路边时，可以将两个小区合并为一个小区，用功分器连接两副定向的高增益天线，以扩大覆盖范围，同时减少切换；

（3）使用功放、塔放或 MCPA（多载波功率放大器）扩大小区的覆盖范围；

（4）使用数字光纤直放站，把射频信号拉远，延长小区的覆盖范围，减少切换。

2 高铁基站供电方案

在农村、荒原、山区建设高铁基站存在最大的困难是供电问题，常用站型是MBO或光纤直放站，现实采用三种24小时不中断供电方式，一是采用农电＋UPS＋电池（AC），二是小型柴油固定发电机组（AC），三是太阳能＋电池（DC）。这三种供电方式都存在问题；

（1）采用农电＋UPS＋电池（AC）方式，建设投入成本高，电池寿命短，运营成本大，维护较复杂；

（2）采用小型柴油固定发电机组（AC），运营成本大，维护人员劳动强度大；

（3）采用太阳能＋电池（DC），投资成本高，电池寿命短。

针对上述三种供电方式，结合高速铁路的运行特点和网络的覆盖对象进行深入研究后，我们清晰的指导高铁基站的服务对象是乘座高速列车上的用户。高速列车是定点通过的，经过时间短，针对这种特殊的基站通信需求，我们重点保障的是在列车通过覆盖相对较弱的覆盖区域时通信需求是整个问题解决的关键。结合列车通过覆盖区的定时、时间短的特点。根据吉林省高速铁路的沿线网络覆盖实际，我们创造了一种新的基站供电方案。即：时间控制基站供电方式。

方案一：市（农）电时间控制基站供电方式

高铁基站采用MBO站型，直接采用工频220 V供电，有市（农）电地区采用220 V交流市（农）电供电，为节约用电，我们在供电回路中加装一个分段时间控制器，在高速铁路客车到达该站覆盖区前（给BTS留有启动时间）给供电（提前30分钟），在高速铁路客车离开该站覆盖区后（10－20分钟），中断供电停止基站通信运行，供电系统如图1。

图1 市（农）电供电示意图

市（农）电时间控制基站供电系统由市（农）电电源1、配电箱2、分段时间控制器3、基站用电设备4等四部分组成。

配电箱2内安装有空气开关21、交流接触器22、接触器手动合闸开关23、分路负荷开关24等器件。

交流接触器22主要由启动线圈、主动合触点、手动启动开关23组成。

分段时间控制器3主要由时间设定和显示器件31、CPU定时控制板32、控制输出板33、电源34等组成。

供电时段是通过时间设定和显示器件31预先设定并保存在CPU定时控制板32内的，当到达供、停电设定时间时，控制输出板33就会接通或断开配电箱2内交流接触器22启动线圈的供电回路，使交流接触器21主触点闭合供电或断开停止供电。

当自动控制系统发生故障时，闭合交流接触器22上的手动开关23接通交流接触器22启动线圈的供电回路，给基站供电。

该方式供电即保证了高速铁路客车乘客通信需求，又可减少基站用电量。以某高铁基站为例，该基站O2配置，耗电功率为0.5 k W，每天高速铁路客车经过三次，每次通过该站时间是10分钟，没有安装分段时间控制器时全天24小时运行，每天用电12.5 k W／h，每天电费为15.00元。加装分段时间控制器后，每次基站开通45分钟，每天运行135分钟，每天用电1.125 k W／h，每天电费只有1.35元，全年电费为492.75元。 每 天 节 电11.375 k W／h，每 年 节 电4151.875 k W／h，节省电费4982.25元。

方案二：固定式内燃发电机时间控制基站供电方式

在没有市（农）电地区或市（农）电价格高的地点，采用安装小型固定式内燃发电机方式供电。高铁基站采用MBO站型，直接采用工频220V供电，在供电回路中加装一个分段时间控制器，在高速铁路客车到达该站覆盖区前（给BTS留有启动时间）固定式内燃发电机自动启动给供电（提前30分钟），在高速铁路客车离开该站覆盖区后（10－20分钟），固定式内燃发电机自动关机中断供电，停止基站通信运行，油机供电系统如图2。

图2 油机供电系统示意图

油机时间控制基站供电系统由油机发电机组1、配电箱2、分段时间控制器3、基站用电设备4等四部分组成。

油机发电机组1由内燃发机、交（直）流发电机、发电机控制器11等器件组成。

发电机控制器11主要由启动、停机控制单元111等电子和机械器件组成。

分段时间控制器3主要由时间设定和显示器件31、CPU定时控制板32、控制输出板33、电源34等组成。

供电时段是通过时间设定和显示器件31预先设定并保存在CPU定时控制板32内的，当到达供、停电设定时间时，控制输出板33就会向电机控制器11发出启动或停机信号，使内燃发动机启动运行或关闭油路停机，从而拖动发电机供电或停机停止供电。

当自动控制系统发生故障时，通过手动启动发电机，给基站供电。

该方式供电既保证了高速铁路客车乘客通信需求，又可减少固定式内燃发电机组运行时间，以某高铁基站为例，该基站O2配置，功率为0.5 k W，每天高速铁路客车经过三次，每次通过该站时间是10分钟，采用加装分段时间控制器，每次基站开通45分钟，每天发电机运行135分钟，以每天耗1升计量，每天支付油费4.65元，每年油费为1697.25元。比用市（农）电高1204.5元，但是在解决供电问题同时，节省了大笔市（农）电引入开支，节省了维护人员劳动强度，由平常两三天加一次燃油，延长至每月加一次油。平时在动环系统上观察其运行状态。

方案三：太阳能时间控制基站供电方式

常规的太阳能供电基站，在计算太阳能电池板容量时，将用电负荷与电池充电负荷相加来计算，例如两个扇区的光纤直放站，用电负荷为1 500 W，电池采用500 Ah两组电池，太阳能电池板最小功率为7 k W。如采用时间控制基站供电方式，每24小时高速列车通过三次，基站运行2.25小时，每天耗电量为61 Ah，采用单组500 Ah电池，就能保证6.56天供电，太阳能板设计容量也会大大降低，只要能保证给电池充电就可以了，大约太阳能电池板功率为1 k W就能满足电池充电需要（需要充入电量4.1 k W）。太阳能供电系统如图3。

太阳时间控制基站供电系统由太阳能电池板1、蓄电池组2、分段时间控制器3、基站用电设备4、直流接触器5等五部分组成。

分段时间控制器3主要由时间设定和显示器件31、CPU定时控制板32、控制输出板33、电源34等组成。

直流接触器5主要由启动线圈、主动合触点、手动启动开关51组成。

供电时段是通过时间设定和显示器件31预先设定并保存在CPU定时控制板32内的，当到达供、停电设定时间时，控制输出板33就会接通或断开直流接触器5上启动线圈的供电回路，使直流接触器5主触点闭合供电或断开停止供电。

图3 太阳能供电系统示意图

当自动控制系统发生故障时，闭合直流接触器5上的手动开关51接通直流接触器5上启动线圈的供电回路，给基站供电。

正常供电方式，电源投资为44.828万元，采用太阳能时间控制基站供电方式，建站电源投资为9.164万元，减少80%。

3 结束语

目前全国共计有将近30万移动通信基站在网运行，其中按照高速铁路沿线的基站进行区分，亦可达到1万左右。大量的高铁覆盖基站，不仅仅为高速铁路在客运过程中提供了良好的网络覆盖，同时对于提升网络质量和用户感知具有重要作用。

另外，随着国家铁路事业的不断发展，传统的铁路客运方式正发生着变革，高速省际、城际之间铁路客运的不断发展和用户对网络覆盖质量的高度需求矛盾已经突出显现出来。

近年来，随着能源建设使用的紧缩机制和绿色能源利用、节能工作的开展，高速铁路定时供电方案势必成为一种较好的解决思路和手段。

高铁基站供电方案在保证用户通信需求的条件下，采用定时基站供电方式，一改常规通信供电方式，节约大量能源或投资资金。对企业和社会都会产生极大效益。该项技术己申报发明专利。