共享高鐵跨海大橋設(shè)施的移動通信覆蓋方案研究及應(yīng)用

摘要：在高鐵跨海大橋移動通信系統(tǒng)建設(shè)過程中，4G/5G移動通信覆蓋是重要建設(shè)項目。由于傳統(tǒng)通信覆蓋需要在橋梁上預(yù)制或者增加水泥基礎(chǔ)安裝金屬抱桿，但該方案存在一定的局限性。為此，文章以福平跨海大橋為例，結(jié)合該大橋已有設(shè)施資源的情況及其特點，對將風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)支架改造為天線支架，安裝專用多頻天線進(jìn)行移動通信公網(wǎng)覆蓋的方案進(jìn)行了研究。實踐證明，該方案具有良好的安全性和經(jīng)濟性，值得在高鐵跨海大橋移動通信覆蓋項目建設(shè)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高鐵跨海大橋；共享設(shè)施；移動通信覆蓋；方案研究

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.036

中圖分類號：TN 929.53" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-0-04

Research and Application of Mobile Communication Coverage Scheme for Shared High-speed Railway Bridge Facilities

HUANG Yuanzhong

（China Tower Limited by Share Ltd. Fujian Branch， Fuzhou 350000， China）

Abstract： In the construction process of mobile communication system of high-speed railway bridge， 4G/5G mobile communication coverage is an important construction content. Because the traditional communication coverage needs to prefabricate cement foundation on the bridge or add cement foundation to install metal pole， but this scheme has certain limitations. Therefore， this paper takes Fuping cross-Sea Bridge as an example， combined with the existing facility resources of the bridge and its characteristics， and studies the scheme of replacing the wind barrier structural bracket into an antenna bracket and installing a dedicated multi-frequency antenna to cover the mobile communication public network. Practice has proved that the scheme has good safety and economy， and it is worth popularizing and applying in the construction of mobile communication coverage project of high-speed railway cross-sea bridge.

Key words： high-speed railway cross-sea bridge; shared facilities; mobile communication coverage; program study

1" 研究目的及意義

針對傳統(tǒng)的高鐵跨海大橋的4G/5G移動通信公網(wǎng)覆蓋，大都采用金屬抱桿＋抱桿土建基礎(chǔ)＋天線的建設(shè)方式進(jìn)行建設(shè)，存在需要對橋梁力學(xué)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計、安全論證、抱桿土建基礎(chǔ)、抱桿施工養(yǎng)護(hù)周期長、力學(xué)檢算結(jié)構(gòu)論證難和項目造價高等問題。因此，根據(jù)高鐵跨海大橋已有設(shè)施資源的情況及特點，并結(jié)合高鐵跨海大橋空間狹窄、話務(wù)及數(shù)據(jù)流量小等無線覆蓋特征，探討利用具有風(fēng)屏障的橋梁段落，采用替換風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)支架將其改造為天線支架，安裝專用多頻天線的方案進(jìn)行移動通信公網(wǎng)覆蓋，可有效合理地利用鐵路現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施資源，降低工程實施難度、建設(shè)周期、工程投資、維護(hù)等工作量[1]。符合降本增效、集約化建設(shè)的總體趨勢，對滿足高鐵跨海大橋移動通信公網(wǎng)覆蓋、推廣資源共享利用、保障鐵路行車安全等有著重要的現(xiàn)實意義。

2" 主要研究內(nèi)容

2.1 總體設(shè)計思路

高鐵跨海大橋移動通信公網(wǎng)覆蓋需要滿足以下兩個條件：一是在實施的安全性方面，橋梁上安裝天線及配套附屬抱桿、RRU設(shè)備所受風(fēng)壓應(yīng)按最不利的情況考慮，應(yīng)滿足GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中地區(qū)自然風(fēng)壓（平潭地區(qū)為1.3 kN/㎡）和TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中列車氣動力（350 km/h列車，距線路中心3 m處所受的列車氣動力為1.3 kN/㎡）疊加值的要求。二是在覆蓋的有效性方面，跨海大橋高速列車在行駛過程中接收到的4G/5G移動通信信號邊緣場強，需要滿足95%的區(qū)域RSRP功率不低于-105 dBm的覆蓋率要求。以福平跨海大橋為例，對移動通信公網(wǎng)覆蓋共享橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和有效性進(jìn)行研究。在安全性方面，對天線安裝風(fēng)屏障方案進(jìn)行風(fēng)荷載和天線支架強度的力學(xué)檢算，得出安裝可行性和安全性的評估。在有效性方面，根據(jù)4G/5G移動通信公網(wǎng)覆蓋信號的傳播特性和覆蓋指標(biāo)要求，以滿足NR2.6G系統(tǒng)覆蓋指標(biāo)要求為無線空間鏈路預(yù)算計算基礎(chǔ)，結(jié)合福平跨海大橋現(xiàn)有的風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)特點和高度，提出相應(yīng)的天線掛載高度和天線站點間距的公網(wǎng)覆蓋方案[2]。本次鏈路預(yù)算采用COST231-Hata模型，結(jié)合分布式基站設(shè)備RRU的RSRP導(dǎo)頻輸出功率和多頻天線增益等參數(shù)，對福平跨海大橋移動通信公網(wǎng)覆蓋進(jìn)行模擬邊緣場強覆蓋的鏈路計算，通過鏈路預(yù)算結(jié)果對共享風(fēng)屏障天線掛載方案進(jìn)行4G/5G移動通信公網(wǎng)覆蓋的效果評估。通過對支架及天線安裝安全性和4G/5G移動通信公網(wǎng)覆蓋有效性和兩個方面綜合評估得出該方案是可行的，安裝圖見圖1。

2.2 鏈路預(yù)算模型

高鐵跨海大橋空間鏈路預(yù)算模型要考慮天線掛載高度、天線掠射角度、天線空間分集、網(wǎng)絡(luò)制式傳播特性、高速列車車體損耗等幾個因素，根據(jù)以上要求，本次選用COST 231-Hata模型進(jìn)行鏈路預(yù)算，對移動通信公網(wǎng)覆蓋方案進(jìn)行效果評估[3]。

2.2.1 路徑損耗公式

根據(jù)COST 231-Hata模型，路徑損耗公式如式（1）所示。

式中，為電波傳播損耗中值（dB）；為工作頻率（MHz）；為移動臺與基站之間的距離（km）；為基站天線有效高度（m）；為移動臺天線有效高度（m）。

（1）基站天線有效高度計算：基站天線離地面的高度為（根據(jù)風(fēng)屏障高度約為2.5 m），基站天線地面的海拔高度為（根據(jù)大橋離海平面高度約為60 m），移動臺天線離地面的高度為（根據(jù)列車車窗高度約為2.1 m），移動臺所在位置的地面海拔高度為（根據(jù)橋離海平面高度約為60 m）。則基站天線的有效高度 m。

（2）：移動臺天線高度修正因子。

（3）：城市修正因子，郊區(qū)為3 dB。

2.2.2 鏈路預(yù)算公式

鏈路預(yù)算包含上行鏈路預(yù)算和下行鏈路預(yù)算，由于終端的發(fā)射功率小于基站設(shè)備的發(fā)射功率，鏈路預(yù)算在上行受限，按照公式（2）計算。

式中，為上行鏈路最大傳播損耗（dB）；為終端最大發(fā)射功率（dBm）；為基站天線增益（dBi）；為終端天線增益（dBi）；為饋線損耗（dB）；為陰影衰落余量（dB）；為干擾余量（dB）；為路徑損耗（dB）；為人體損耗（dB）；為車體損耗（dB）；為基站接受靈敏度（dB）。

2.3 天線覆蓋計算

通過對4G/5G移動通信網(wǎng)絡(luò)1.8 GHz、2.1 GHz、2.6 GHz無線空間電磁波傳播模型特點進(jìn)行分析，根據(jù)福平跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)及環(huán)境特點，結(jié)合COST 231-Hata無線空間傳播模型公式。經(jīng)鏈路預(yù)算分析計算，設(shè)備及天線參數(shù)是：終端UE發(fā)射功率5 W，天線高度2.2 m，天線增益14 dBi。車體損耗按照CRH3車型取值，人體損耗為3 dB，陰影衰落余量為6 dB，干擾余量3 dB，接收機靈敏度為-113.54 dBm（95%），在天線間重疊覆蓋區(qū)15%的情況下，覆蓋距離理論計算如表1所示。由COST 231-Hata無線空間傳播模型的計算結(jié)果，得出分布式基站＋風(fēng)屏障掛設(shè)天線方案天線覆蓋半徑為天線間距500 m（2.6 GHz），滿足移動通信公網(wǎng)覆蓋95%的區(qū)域信號電平RSRP功率不低于-105 dBm的覆蓋率要求。根據(jù)頻段越高無線空間損耗及車體介質(zhì)損耗越大的無線傳播特性，天線間距500 m可以滿足2.6 GHz頻段的移動通信公網(wǎng)覆蓋指標(biāo)要求，從而從覆蓋有效性方面論證了該方案的可行性[4]。

2.4 力學(xué)論證分析

2.4.1 風(fēng)荷載及天線支架力學(xué)分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009—2012的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，天線風(fēng)荷載計算過程如下。

高鐵跨海大橋掛載的天線應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)有4G/5G移動通信公網(wǎng)信源進(jìn)行整合，采用1副多頻天線接入各制式的4G/5G信源，同時考慮17級臺風(fēng)風(fēng)荷載和列車氣動風(fēng)荷載等因數(shù)，應(yīng)該盡量采用迎風(fēng)面積小、質(zhì)量輕的小型化多頻天線，多頻天線主要參數(shù)：長1300 mm×寬450 mm×深150 mm，迎風(fēng)面積S=0.585 m2；基本風(fēng)壓取值W0=當(dāng)?shù)?0年一遇基本風(fēng)壓取值1.3 kN/m2×（1-高鐵橋梁風(fēng)屏障減風(fēng)率55%）+350 km/h列車對天線附加風(fēng)壓取值0.9 kN/m2= 1.485 kN/m2；高度z風(fēng)振系數(shù)?z，以高鐵橋梁風(fēng)屏障立柱及天線支架作為整體進(jìn)行3D3S建模分析，得出自振周期0.23 s小于0.25 s，故?z=1；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs，根據(jù)《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》YD/T5131，板狀移動通信天線體型系數(shù)μs=1.3；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz：考慮橋梁與海平面高度H=60m，μz為2。

以上基本參數(shù)，帶入天線風(fēng)荷載公式F=WK×S，WK=?z×μs×μz×W0，計算得出天線及天線支架受力F=2.2875 kN，天線掛載設(shè)計方案為天線由2根H型鋼支撐，1根H型鋼所受力為1.44 kN，因此需要對H型鋼所受力進(jìn)行力學(xué)檢測以確認(rèn)天線掛載的安全性要求。

2.4.2 天線H型鋼立柱強度分析

根據(jù)天線在高鐵橋梁風(fēng)屏障掛載的設(shè)計圖紙，天線的H型鋼立柱尺寸為腹板高度125 mm×翼緣寬度125 mm×腹板厚度6.5 mm×翼緣厚度9mm，長度為620 mm，材質(zhì)為Q345D鋼材以保證抗風(fēng)荷載強度和防銹蝕的安全性要求。通過建模計算天線H型鋼立柱最大強度應(yīng)力δ=9.3 Mpa，Q345D強度設(shè)計值為305 Mpa，δ=9.3 Mpalt;305 Mpa，因此，天線掛載設(shè)計方案中的天線H型鋼立柱滿足設(shè)計荷載強度承載力要求。其他參數(shù)要求：天線H型鋼立柱作用于風(fēng)屏障的承載能力極限狀態(tài)下的彎矩M=0.6409 kN*m，剪力Q=1.7721 kN。

2.4.3 天線支架螺栓承載力分析

在安全性方面，除了對天線掛載所受的承載力進(jìn)行力學(xué)檢算，還需要對天線支架螺栓拉抗和剪承所受的承載力進(jìn)行相應(yīng)的穩(wěn)固性力學(xué)檢算，以確保整體的天線高鐵橋梁風(fēng)屏障掛載方案滿足17及臺風(fēng)和350 km/h列車運行疊加產(chǎn)生空氣動力風(fēng)荷載的要求。由3D3S建模檢算得出承載力極限狀態(tài)下，通過驗算分析彎矩對天線支架螺栓承載力，設(shè)計方案中天線H鋼螺栓采用8顆M12的316L不銹鋼螺栓與風(fēng)屏障立柱連接，計算得出單個螺栓所受拉力N=4.0625 kN，小于單個螺栓設(shè)計所受拉力Nt=15.96 kN，螺栓拉抗所受的承載力可以滿足設(shè)計方案要求。單個螺栓所受剪力Q=0.23 kN，小于單個螺栓設(shè)計所受剪力Nv=13.02 kN，螺栓拉剪所受的承載力可以滿足設(shè)計方案要求。

2.4.4 力學(xué)論證結(jié)論

通過上述驗算結(jié)果，在列車高速行駛速度為350 km/h和17及臺風(fēng)引起的氣動壓力下，天線H型鋼立柱的抗彎強度滿足要求，天線H型鋼立柱的螺栓承載力滿足要求，因此，采用天線掛載方案具有較好安全性。

3" 技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

福平跨海大橋4G/5G移動通信公網(wǎng)覆蓋采用分布式基站＋天線覆蓋方式，根據(jù)場強覆蓋鏈路計算和風(fēng)屏障位置等因數(shù)，系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

3.2 天線安裝

天線安裝在鐵路線路風(fēng)屏障立柱上，多頻天線尺寸不大于1500 mm×380 mm×138 mm，質(zhì)量為26 kg。通過加長風(fēng)屏障立柱與風(fēng)屏障障條的連接螺栓，2個橫向的H型鋼柱安裝在1根風(fēng)障立柱上，1副天線通過2塊天線安裝背板牢靠固定在2個H型鋼柱上。每1根風(fēng)障立柱通過16個M12（316L）螺栓與2個H型鋼柱連接。每2個天線安裝背板通過8個M12（316L）螺栓與2個H型鋼柱連接。每1副公網(wǎng)天線通過4個M6（304）螺栓與2個天線安裝背板連接。每1處站點在4根風(fēng)屏障立柱上安裝4副天線，2副天線朝上行方向覆蓋，2副天線朝下行方向覆蓋。

4" 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量

4G/5G移動通信系統(tǒng)調(diào)試完成后，利用鐵路試驗車搭載進(jìn)行了多次測試，在福平跨海大橋4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)到96.7%、下行平均速率達(dá)到56.53 Mbps，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達(dá)到96.2%、下行平均速率達(dá)到327.35 Mbps，場強覆蓋和服務(wù)質(zhì)量均滿足移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)范相關(guān)要求。

5" 實施及應(yīng)用

福平跨海大橋采用分布式基站設(shè)備＋多頻雙極化天線共享橋梁風(fēng)屏障的天線掛載方案，按照500 m天線間距的4G/5G無線空間鏈路預(yù)算結(jié)果，大橋全線共設(shè)置29個站點，多頻天線58副，實際采用15天組織完成天線支架、基站設(shè)備和天饋線安裝實施工作，較原方案在大橋上預(yù)制基礎(chǔ)設(shè)立抱桿縮短了60天。單站配套基礎(chǔ)造價2.5萬元，在較大橋預(yù)制基礎(chǔ)上設(shè)立抱桿減少了12.5萬元。通過對高鐵跨海大橋共享鐵路風(fēng)屏障資源覆蓋方案的研究可知，該方案具有較好的可行性、安全性和經(jīng)濟型[5]，可有效降低施工難度，減少施工周期，降低工程造價，便于后期設(shè)施維護(hù)，同時對未來類似場景有著良好的借鑒和推廣作用。■

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