河谷地带铁路无线通信设备布放方式的探讨

袁廷瑞，陶柁丞

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 概述

国内西南地区多山地、丘陵地貌，新建铁路常有沿河谷修建的区段。铁路全线需要覆盖无线通信，提供语音业务和数据业务，满足行车、调度等多方需求。不同于平原开阔地貌，河谷地带多为陡坡和河流，陡坡上修建设备场坪施工难度大，日后维护也不方便，河流地段没有可以修建场坪设施的地方，河岸积沙地带可以修建场坪，但汛期容易因为洪水而损毁设备。相较于隧道内直接开凿洞室安装设备，河谷地区的无线通信设备站址选择难度大，需要考虑的因素多。

都江堰至四姑娘山山地轨道交通项目区位于横断山脉东缘，起于成灌高铁都江堰站，经汶川设映秀站，卧龙特别行政区等地区，止于小金县四姑娘山镇。正线全长123.180 km。其中桥长35.404 km，占线路长度28.74%。大部分桥梁沿河谷地区走行，两侧陡坡，下临河流，地质条件难以满足修建场坪需求，无法依照普通明区间无线设备安置方式进行布置。

2 铁路无线通信设备简介

从无线通信的角度，可以根据电磁波传播特性，把铁路分为信号传播良好的明区间（例如平原、郊区等）和信号传播能力较差的弱场区（例如隧道）。铁路无线通信在明区间的设备主要包括基站、直放站和天线及其他配套设施。在弱场区则使用直放站（或RRU）与漏泄同轴电缆覆盖，隧道进出口一般在漏缆端头接尾巴天线，覆盖200 m 左右的隧道外明区间。

基站又分为一体化基站和分布式基站，分布式基站由室内基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU） 构 成， 一 个BBU 可 以 携 带 多 个RRU，二者组合起来功能与一体化机柜相同，因此常见的组网结构有两种，一种是“一体化基站+直放站+天线”，另一种是“BBU+RRU+天线”。

一体化基站尺寸约为600 mm×600 mm×1 000 mm，RRU 尺寸一般为300 mm×150 mm ×500 mm，BBU 与直放站的尺寸与RRU 相近。这些设备占地小且安装灵活，一般不会成为站址选择的影响因素。最影响站址选择的是用于安置天线的铁塔，在开阔地带，GSM-R 天线一般挂设在轨面上方30 m 左右的高度，保证4 km 内的无线信号覆盖，相应的铁塔基础需要10 m×10 m。

3 铁路无线通信覆盖能力分析

河谷地带铁路弯曲段较多，需要结合无线信号的绕射能力考虑设备站址的选择，目前铁路使用的无线通信一共有4 种：400 MHz 频段的数字移动无线通讯（Digital Mobile Radio，DMR）、450 MHz 频段的模拟无线系统、900 MHz 频段的GSM-R、1 800 MHz 频段的LTE 系统。需要说明的是，中国国家铁路集团有限公司已经明确不再新建450 MHz 模拟无线系统，既有系统将逐渐被GSM-R 所取代。

频率越低的电磁波覆盖距离越远，绕射能力越强，当天线高于轨面30 m 时，其中频率最低的400 MHz 的DMR 数字无线系统信号能够沿着蜿蜒的河流传递10 km 后仍然满足终端接收要求；频率最高的1 800 MHz 的LTE 绕射能力较差，基本上沿直线传播，覆盖距离在2 km 左右；而900 MHz电磁波的绕射能力居中，可绕过弯曲程度较小的河谷，覆盖距离在4 km 左右。DMR 设备布放时可调整空间很大，安装灵活，LTE 与GSM-R 的设备布放则相对受限，因此后文主要针对这两种无线通信制式展开讨论。

4 河谷地带设备布放方式的选择

铁路无线通信覆盖方式分为：普通单网、交织单网、共站址双网、交织双网。其中普通单网与共站址双网的设备间距约为1.8 倍的覆盖距离，而交织单网和交织双网的设备间距约为0.9 倍的覆盖距离。由此可以根据频率、天线挂高、覆盖方式估算设备间距，当天线挂高25 m 左右时，超过1 个设备间距的直线段为长距离少弯折区段，直线段长度不足1 个设备间距则为长距离多弯折区段，而不足400 m 的区段则为短距离区段。下面对这3 种区段进行无线覆盖方案的分析。

4.1 短距离区段无线覆盖方式

这种情况一般常见于“隧道-短桥-隧道”线路区段，铁路穿过两山之间的区段不超过400 m 的线路。针对这种情况，利用隧道进出口的尾巴天线即可完成覆盖。需要考虑的是尾巴天线与隧道内直放站（或RRU）的漏缆长度，通过测量漏缆损耗、接头损耗，计算天线发射信号强度，再依据链路预算和传播模型计算覆盖距离。实际工程中，挂设尾巴天线的漏缆长度一般不超过200 m。

4.2 长距离少弯折区段无线覆盖方式

这种情况可以近似为开阔明区间处理，常见的设备布放方式有两种：桥下立塔和桥边立塔。若桥下无水流区域，且桥高不超过20 m，可以在桥下修建场坪设立铁塔，塔高需要保证天线挂高超过轨面20 ～30 m；若桥下是河流区段，可以预先修建桥墩，在桥墩上安置铁塔和设备房屋；若线路非常靠近坡度不大的山坡，可以开凿坡地修建场坪树立铁塔。这些设备布放方式与普通开阔明区间基本一致，但需要综合考虑施工和后期维护的难度。

这种区段也可以采用桥上立杆的方式进行无线覆盖，但是由于考虑到行车安全，桥上杆高受限，天线挂高大约在3 m，因此覆盖距离只有上述方式的1/3 左右，设备数量需要增加到上述方式数量的3 倍，带来成本剧增。所以不推荐在长距离少弯折区段采用桥上立杆的无线设备安置方式。

4.3 长距离多弯折区段无线覆盖方式

在都江堰至四姑娘山山地轨道中，修建在河谷地段的铁路线最常出现的状况就是弯道频繁，直线区段一般不足600 m，线路两侧均为高山，下方则是河流，这种区段GSM-R 和LTE 的信号覆盖能力基本上为视距覆盖，线路拐弯后信号强度由于山地阻挡产生陡降，难以覆盖弯折后的区段。

一种方案是仿照明区间设备布放，在线路拐弯处寻找位置设立铁塔，挂设两副定向天线，覆盖弯道前后区段。当弯折处没有可以利用的地形条件时，采用修建桥墩的方式完成布置。这一方案缺点很多，首先是地形因素，弯折处的地势常常难以直接修建场坪，需要修建桥墩才行，这样就会带来工程量和成本的剧增，其次是覆盖距离，这一方案能够覆盖2 ～4 km 的直线距离，但在河谷多弯区段，直线距离常常只有几百米，因而造成了覆盖能力的极大浪费。因此不推荐采用这一方案进行无线覆盖。

另一种方案就是避免立铁塔而采用立杆的方式。在河谷区段短直线多弯道区域，不需要把天线放到高处保证远距离信号覆盖。根据链路预算和传播模型计算，当天线挂高为3 m，车载接收天线高度4.6 m 时，GSM-R 在河谷直线段覆盖距离约为1 500 m，1 800 MHz 频段的LTE 直线覆盖距离约为600 m，能超过大部分河谷区段的直线线路长度。由此可见，在河谷区段可以选择树立高过轨面3 m 左右的杆来挂设天线，就能避免修建铁塔基础带来的场坪选址困难。

都江堰至四姑娘山山地轨道交通采用的桥梁结构主要为T 梁复线结构，杆的位置可以选择的地方有3 处：桥墩顶帽，桥上栏杆外，线路近处的平底或缓坡，如图1 所示。

图1 T梁复线无线通信设备杆安装方式示意图Fig.1 Schematic diagram of installation of wireless communication equipment pole on the T-beam double line

桥墩顶帽处的杆树立方式与接触网直腿柱的树立方式一致，杆顶端高出轨面3 m 左右即可，这种方式的优点在于桥墩承重能力优良，结构稳定，即便杆倒下也不会落在线路上影响行车安全，但缺点在于桥墩顶帽到轨面的高度较高，致使杆高度增加，杆顶端稳定性较差，晃动较为明显。

桥上栏杆外，可在支撑栏杆的横板钢梁上打孔立杆，这一钢梁每隔2 m 会有一处，每处能承受500 kg 以上的重量，外侧打孔不影响受力结构，因此设备安装位置灵活，施工方便。考虑到安装和维护的方便，施工时建议直放站（或RRU）设备柜门方向面向线路，维护人员无需翻越栏杆就可以在人行横道上进行检修作业。同时需要为栏杆上的光缆、电缆槽预留好槽门开启的空间。这一位置很好地解决了杆高的问题，成本低廉，覆盖能力与需求匹配，方便施工和维护，但需要注意无线设备防雷接地的设置，需要利用综合贯通地线或者在桥梁上预留好接地端子。

线路近处的平底或缓坡，这一方案与开阔明区间类似，但只适用于缓坡距离线路非常近的情况，如果距离过大，天线与直放站（或RRU）之间的光缆连接会成为施工和维护的难点。

5 结论

本文分析了河谷地带铁路无线信号覆盖距离需求，对铁路常用的GSM-R 和新兴的铁路LTE 无线网络进行分析，对传统明区间铁塔、桥墩顶帽高杆、桥上短杆等多种设备布放方式进行比较，结论如下。

短区段直接采用漏缆挂设尾巴天线覆盖即可，长距离少弯折区段建议采用传统明区间铁塔方式覆盖以降低成本，长距离多弯折区段建议采用桥上短杆进行设备安置和无线覆盖。

此外，桥墩顶帽高杆、桥上短杆的方式也通用于地质条件差、征地困难等桥梁线路区段，可以结合地形地貌，划分为长距离少弯折与长距离多弯折区段，参考本文推荐的方式进行设备布放。