铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国土木工程集团有限公司科研计划项目()作者简介:黄光()男福建宁德人高级工程师主要从事工程设计与建设管理方面的工作:.引文格式:黄光.铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究.铁道建筑技术():.铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究黄 光(中土集团福州勘察设计研究院有限公司 福建福州)摘 要:铁路隧道作为公众移动网络覆盖重点与难点场所以目前漏缆及其他可行性覆盖方式因流量、传输速率、覆盖距离、安全性、铁路空间应用限制等原因均难以完全适用于铁路隧道内公网覆盖 通过深入剖析铁路网络需求、环境特点、技术应用限制等因素从使用安全性、可实施性、检修便利性角度出发提出采用创新型高增益贴壁天线作为覆盖解决方案以破解铁路隧道公网覆盖难题 本文对天线覆盖实施方案进行研究并通过测试分析对方案进行验证关键词:铁路隧道 公网覆盖 天线中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言近年来随着我国铁路基础设施建设持续快速推进我国铁路特别是高速铁路得到了快速发展截至 年底中国铁路营业里程达 万 其中高铁运营里程达到 万 铁路以其安全、便捷、舒适的特点成为多数人交通出行的首选 据统计仅高铁累计输送的旅客人数就已超过 亿人次高上座率的高铁逐步成为中国的新名片 移动通信技术逐步由/发展为 网络而铁路是 公网覆盖的重要场景之一是移动通信运营商重点关注的应用场景是 网络建设的重点关系到运营商网络品牌的品质提升是各运营商的重要竞争领域我国是多山地的地貌特征修建铁路时产生大量的隧道截至 年底投入运营的铁路隧道共 座总长约 数量如此庞大的隧道无论是新建 公网还是运营商既有/网络的改造建设既要考虑覆盖效果还要考虑铁路运营安全、投资、工期及检修等因素 研究背景和现状分析.网络需求 年统计数据显示移动互联网接入流量达 亿比上年增长.创历史新高 其中手机上网流量达到 亿 比上年增长.在移动互联网总流量中占比为.从 年至 年 年间月户均移动互联网接入流量增加.倍根据高铁 网络数据统计高铁业务模型与大网 类似旅客作为高铁业务客户需求端以视频业务为主占比约 未来将仍以“高清视频”为主带动流量增长 文献提出了高铁 网络规划建议在初期以 视频 智能手机和 视频 /为主情况下、边缘速率按照 视频业务需求规划:速率要求 初期 速率 后铁道建筑技术 ()黄光:铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究期速率 .通信质量现状由于大量旅客在旅途中频繁使用高耗流量的社交、视频软件流量及速率需求量大且呈逐年增长趋势但隧道内 升级改造受铁路运行安全性、运输干扰等原因进展缓慢所以目前隧道内信号覆盖仍以/为主 因此隧道内覆盖信号传输速率低容量小旅客在乘坐高铁途经隧道时出现手机信号弱、不稳定、通话不畅、话音不清、上网掉线等现象日渐凸显这将在一定程度上降低旅客乘坐铁路特别是高铁出行的体验感、舒适感影响运营商服务质量评价.传播特点对于通信而言铁路隧道属于受限空间概念中的硬边界受限空间电磁波因边界被限定在一定范围内传播 因单线、双线及设计时速等级不同等因素导致隧道断面面积不同轮廓线型各异断面一般由底部直墙及上部不同半径圆弧组成的复杂曲线形状而且隧道壁材质为粗糙混凝土反射面 基于此电磁波辐射至隧道二衬壁上时一部分电磁波被混凝土面吸收一部分在一定距离内产生反射、散射等现象多次反射分量叠加形成复杂的多径效应因此到达车厢内终端信号是经过直射、反射、散射叠加传播的结果在传播路径上还存在因空气介质传播、穿过列车车体的损耗造成的电磁波衰减辐射传播原理复杂.环境空间特点铁路隧道内空间狭小但设备布设复杂有接触网、电力、通风、排水、有线通信、铁路专网 系统、应急消防、公网覆盖设备及传输系统等各系统在空间上均有相应的安全距离要求而且均不得侵入铁路行车限界内 因此预留给公网覆盖的空间位置有限 为确保 列控系统运行安全一般公网覆盖及铁路专网覆盖设备分设在轨道两侧隧道壁上或综合洞室中当列车进入隧道由于列车的活塞效应会在隧道内形成列车风的活塞效应 依据文献中的活塞风计算方法以 列车为对象可以估算车速 /时 截面单线隧道内的活塞风最大约为./相当于九级风速.覆盖现状.常规应用方案目前工程实际应用中铁路中长隧道/公网覆盖普遍采用隧道外 洞内 分布式基站 合路器()漏泄同轴电缆(简称漏缆)方式覆盖如图 所示 通过光纤连接 与 安装在综合洞室内高铁隧道综合洞室单侧间距一般为 左右两侧按 交错布置 运营商信号合路后由馈线与漏缆连接漏缆安装高度与高铁列车窗对齐距离轨面高度约.漏缆辐射信号穿透列车车窗到达车厢内用户图 漏泄电缆覆盖方式示意漏缆发射的信号具有衰减较大、覆盖距离较短、极化单一()且不适用于高频段等特点 常用于隧道覆盖的漏缆有/及/两种规格其理论截止频率分别约为.和.所以现有/漏缆不支持联通和电信的 接入因此对原有/网络要进行 改造升级就需将原网络的/漏缆更改为/漏缆文献通过漏缆覆盖上行链路预算分析表明若使用/漏缆覆盖.频段基站接收到的每 信号强度为 .无法满足接收机灵敏度.的要求如要满足接收机的灵敏度要求进行反向分析对于/漏缆单侧有效覆盖距离为 两侧有效覆盖距离为 而高铁综合洞室间距为 无法满足 等设备布设要求 此外若在隧道中要部署 的 网络需要并排布设 根漏缆将投入大量建设成本而且将出现在隧道壁空间上布设困难及因此导致部分漏缆无法垂直入射车窗增加额外损耗等新问题.漏泄波导管方案漏泄波导管在隧道的覆盖方式与漏泄电缆相似波导管顶部根据传输无线频段的不同开有形状、间距、大小不同的裂缝由裂缝向外辐射无线信号 但漏泄波导管安装复杂需要沿轨道平铺平板天线作为接收漏泄波导管信号需安装在列车底部距近侧波导管平行距离约 漏泄波导管非常敏感尺寸较大与线路轨道养修相互影响因此安装条件受限.车载方式覆盖方案一种基于 移动车载基站()技术可实现高铁隧道 网络覆盖该系统能为时速 /高铁提供平均 以上的接入速率 但该方案同样要面对车顶天线接入信号源的问题以及车厢内的接入系统涉及车、地两套系统就目前而言实施可能性低.特型天线方案在小部分采用天线方案的隧道中有研究使用小面积的板状天线但增益小传输距离短并需要建立大量直放站投资增大面积大的板状天线能提高增铁道建筑技术 ()黄光:铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究益但引起的风阻很大 有些学者提出采用高增益的螺旋天线该天线信号传输距离远但螺旋天线底盘太大也会引起较大的风阻 高增益隧道贴壁天线研究基于背景与现状分析结果当前隧道内以漏缆覆盖方式为主漏泄波导管、特型天线等覆盖方式鲜见应用于工程实例多数业界学者认为应尽快研发高增益天线作为隧道 覆盖的首选方案 研究方向与总体思路应遵循实现两个主要目标:()性能目标 天线增益高其辐射性能满足公网无线通信产品相关标准、规范要求满足隧道特殊环境内的辐射覆盖范围及速率等要求()安全可靠性目标 天线的安装位置满足铁路行业隧道内行车建筑限界要求与铁路构筑物的连接安全可靠、耐久天线能抵抗列车风压作用一种用于铁路隧道内的 贴壁天线的发明能够有效实现以上目标并用于工程实践.辐射性能优化基于铁路隧道内的场景特点将高增益天线设计为 交叉双极化的定向天线 根据电磁波传输理论通过对反射器、双极化馈电单元、有源振子及引向器等元器件排列间距和尺寸的优化研究反射器起反射电磁波及消除天线方向图后瓣作用引向器起到引导加强电磁波向主瓣方向辐射作用形成的波束符合隧道轮廓的窄波辐射束长度与实际的铁路隧道轮廓空间相适应在垂直高度上保持与客车车窗接近的水平位置保持电磁波较优的入射角度即隧道贴壁天线安装高度距离钢轨顶面.天线增益能够达到.安全可靠性安全可靠性是天线安装于隧道环境中最主要的指标之一需要从天线的尺寸、外观设计、材料选型、安装固定方式等方面去分析研究防止天线倾倒甚至脱落确保铁路列车运营安全.安装空间高增益天线与隧道贴壁安装天线外形尺寸小安装位置符合标准轨距铁路建筑限界规定与接触网回流线、保护地线和照明线等非高压带电体间距大于.与牵引供电设备带电部分的距离大于 符合电气化铁路及技术规程相关要求.天线结构天线尺寸越小受到列车的风阻作用就越小附着在铁路构筑物上的天线就越牢靠 贴壁天线内部各元器件在满足频带及辐射性能要求的前提下尽量减小其宽度(半径)即宽度由反射装置尺寸决定天线的长度主要取决于引向装置即引向装置中引向片的数量及间距在满足隧道纵向辐射距离及增益的前提下尽量缩短天线的长度空间结构布局要紧凑.天线外形天线两端采用符合流体力学减阻能力较强的半球形设计天线主体长度方向外型也采用低风阻的圆柱形设计水平与垂直投影受风面积非常小.天线连接固定与场坪抱杆天线竖向安装位置不同而是将天线长度方向平行于铁路线路方向的隧道壁上安装减少受风面进而降低列车风阻对天线的作用力 天线采用两块安装板与隧道二衬贴壁安装与隧道壁四角固定安装板每侧采用双膨胀螺栓或双化学锚栓及双重防松吸振型自锁螺母固定增加安全冗余.试验验证以 动车为例按 /行驶在不同隧道截面及长度等工况推算出最大活塞风速为./即最不利风速 试验时进一步提高风洞试验最大风速至/是最不利风速的.倍相当于时速/列车在隧道内产生的活塞风速试验数据表明即使在 /风速下天线位移均方根值和位移均值最大值分别为水平向(接线端口于尾流端时风向定为 方向)时的.、.均未发生明显形变天线受力最大值出现在 风向角时值为.由化学锚栓国家强度标准可知当 螺栓以螺孔直径为 、深度为 的标准埋设于 混凝土内则其使用的化学锚栓单个螺栓承载剪切力.列车风产生的作用力远低于螺栓的正常使用承载剪切力 应用方案研究.站点规划及方案系统组网方式可采用小区合并技术洞内及洞口附近可设为一个小区便于信号切换即 个 下的连接多个 分布式站点规划方式从洞外通信机房 用光纤连接到洞内射频拉远单元 站点间距为 倍综合洞室间距 通过功分器、馈线与两副天线进行连接分别向洞室上下行方向信号进行覆盖如图 所示图 贴壁天线覆盖方式示意铁道建筑技术 ()黄光:铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究.工程测试实例以国内某时速为 的单线铁路中的一座隧道作为天线覆盖系统方案试验段单侧综合洞室间距为 对隧道贴壁天线覆盖效果进行测试测试信号源为中国移动.频段和中国电信.频段分别采用移动 ()贴壁天线及电信 贴壁天线组合进行组网设备及天线在综合洞室的布设如图 所示图 贴壁天线安装示意本文以中国移动.频段测试为例分别设置站点间距为 和 的测试方案.测试分析.场强覆盖分析根据测试结果站点间距 场强覆盖电平值 整体高于 站点间距 场强覆盖电平值 整体高于 .车地数据传输能力分析中国移动.频段()贴壁天线组网方式 通道下载吞吐量的峰值达到.均值为.上传吞吐量的峰值达到.均值为.优势分析()提升覆盖性能 增益高覆盖能力强传输距离远方向性好支持 /()安全可靠 不侵入建筑限界占用隧道空间小安装位置较灵活尺寸小、重量轻、受风面积小固定可靠()降低建设难度 漏缆使用数量大固定点数量巨大漏缆挂设高施工难度大放线需要大量人员配合()减少投资成本 运营商 等设备数量较漏缆方案减少建安综合费用大幅降低既有铁路改造升级因工期短铁路运输损失费及配合费用将大幅降低()便于检修维护 一副天线隧道连接打孔 处固定点较漏缆方案呈几何级数降低相应减少了检修工作量同时也减少了对隧道壁的损害()缩短建设工期 天线打孔数量少安装方便快速特别是升级改造项目中能减少大量作业时间减少对铁路运营的干扰时长 结束语采用漏缆发送射频方案是目前铁路隧道公网覆盖主要方式在/甚至 网络时代承担并发挥了重要作用 但随着 技术的推广及应用旅客用户流量与速率的需求以现行漏缆或其他技术方案很难适应 技术发展的要求本文通过对隧道高增益贴壁天线的研究与试验验证以及推荐的应用方案在铁路隧道公网覆盖项目特别是既有网络升级改造项目中具备投资成本、工期、检修便利性等优势无论是项目建设期还是运营维护期的综合成本降低幅度较为显著 本研究成果所形成的技术积累和测试、应用经验具备工程实际推广应用价值本文研究成果也可为轨道交通公网、专网及铁路、专网等类似场景的覆盖提供前瞻性研究与借鉴参考文献 交通运输部.年交通运输行业发展统计公报/.().:./.林铁力.时代高铁覆盖解决方案研究.无线通信():.田四明王伟巩江峰.中国铁路隧道发展与展望(含截至 年底中国铁路隧道统计数据).隧道建设(中英文)():.工业和信息化部.年通信业统计公报/.().:./.李争鹏.高速铁路隧道公众移动通信网络覆盖方案研究.高速铁路技术():.李大伟王均宏何显时.受限空间中天线产生的电波覆盖研究.北京航空航天大学学报():.李炎周鸣镝张健.铁路隧道列车活塞风的简化计算方法.兰州大学学报():.潘翔张涛李福昌.高铁隧道场景的 覆盖方案研究.邮电设计技术():.蒲玲玲杨柳刘恒等.高速铁路隧道场景下的 通信覆盖方案分析.四川建筑():.戴克平.车地无线通信系统抗干扰研究.铁道通信信号():.王洪伟蒋海林.漏泄波导在城市轨道交通 车地通信系统中的应用研究.铁道学报():.杨慧.高铁 公网的解决方案的探索.中国新通信铁道建筑技术 ()黄光:铁路隧道公网高增益天线覆盖方案研究():.杨新 尤扬 张代飞 等.浅析移动通信隧道覆盖方案与共建共享.邮电设计技术():.张昕 杨晓冬 郭黎利 等.隧道中泄漏同轴电缆和螺旋天线辐射场的比较.系统工程与电子技术():.中土集团福州勘察设计研究院有限公司.用于铁路隧道内的 贴壁天线:.王子渊.移动通信在智能铁路中的方案分析.铁道建筑技术():.(上接第 页)表 模板安装允许偏差序号检查项目允许偏差/基础轴线偏移模板表面平整度相邻模板表面高低差顶、底面高程 由于单线隧道找平层厚度仅有.必须采用小直径专用捣固棒振捣 在插捣过程中注意对 盲管的保护避免损坏 严格控制砼标高保证最终填充表面标高与设计标高误差在正负 之内.找平层混凝土养护在一般情况下混凝土养护在砼浇筑 后进行 在平均气温高于 的条件下采用自然养护法表面覆盖保持湿润的塑料薄膜等能延续保持湿润的材料(与混凝土表面之间不得留有空隙)同时采用水泵进行表面及腔内洒水养护在混凝土养护时间内保持湿润状态采用红外温度测试计读取混凝土表面及内部温度确定养护用水的温度使养护用水与混凝土表面温度的温差控制在 左右 养护时间不少于 混凝土强度达到设计强度后进行拆模 在平均气温低于 的条件下停止浇筑施工 找平层排水措施应用效果通过在预留找平层和填充层接触面处设置 排水盲管(见图)将层间水进行“泄压”引排至单侧增设的纵向泄水槽使其排水可通过泄水槽纵向排出实施效果表明运营期隧道排水系统封闭后层间水的水量微小、水质清澈槽内不易因杂物淤积形成堵塞图 排水管施作 结论跃龙门隧道作为特长型双洞分修隧道施工建设工期长仰拱填充一次性浇筑到设计顶面高程施工难度大进而采用了仰拱填充预留找平层施工工艺 预留找平层施工阶段接触基面层间排水成为影响隧道施工质量的关键问题经过技术创新、工程试验和现场实践提出一种层间“引排结合”排水的新技术措施 通过工程实施长期效果验证预留找平层施工质量可控、排水畅通且无开裂变形等现象 该新排水技术措施操作简单、效果显著保证了运营期间无砟轨道道床的整体稳定和行车安全为同类型铁路隧道施工提供了一种可行的技术措施和成功经验参考文献 刘强.运营高铁隧道仰拱隆起灾害分析及整治措施研究.铁道建筑技术():.周庆松.型无砟轨道底座板防裂混凝土配合比控制技术研究.铁道建筑技术():.殷明旻 向芬 乔建春 等.路基段双块式无砟轨道在线重构整治研究与实践.高速铁路技术 ():.张建超 刘世川 田秀淑.无砟轨道混凝土结构病害检测技术研究综述.北京交通大学学报 ():.方宜 卓建成 殷明旻 等.隧道内无砟轨道常见病害分析与整治措施研究.高速铁路技术 ():.李建辉 胡秋霞.双块式无砟轨道道床板离缝翻浆病害整治研究.铁道运营技术 ():.李铁钟.某高速铁路隧道无砟轨道上拱处治技术.铁道标准设计 ():.赵彦旭.岩溶隧道内无砟轨道上拱原因分析与治理.铁道建筑 ():.易忠来 杨志强 温浩 等.高速铁路无砟轨道支承层服役现状及伤损机理.铁道建筑 ():.伍卫凡.高原铁路大跨桥梁轨道结构选型研究.铁道标准设计 ():.易强 刘伟斌 张宏程 等.单元双块式无砟轨道对隧底上拱变形的适应性研究.铁道建筑 ():.马瑞华.运营客专隧道内无砟轨道病害快速整治技术.铁道建筑技术():.刘慧丽 刘健 刘佳佳.复杂高抗渗现浇混凝土排水沟施工技术研究.黑龙江交通科技 ():.铁道建筑技术 ()