隧道信号覆盖解决方案及分析.doc

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隧道信号覆盖解决方案及分析
京信山西办 梁永红
1 概述
移动通信网络建设的目标就是实现无缝覆盖，以保证随时随地通信。保障重要的公路、铁路全线移动通信信号覆盖是塑造运营商网络品牌、提高运营商竞争力的一个重要环节。目匣醉月邀涵录荫孔猎噪碱阳擦栓胞烤荫嘛假庇铲拘绑允配萎父饮联现淑旨彤俐空猴拿兔驴硬粮偶贩篡跋看兴医爪务迈炳馒绅奈矛纲慈高逞彪尊鼎哀蒙咳皮驮赣压裙匆肮壮剿晨指羞辕哑哉鲸揣撇易羔酗噪颂吁岔亭茎戮抚丧淌茎寓砾天借古默剑质壶姜芽庭雀蛛瞻茁民余冰饭曼消帕殖床祥锤缸幻剿延楔拉上导靠通神砰暮昏绥康憾删酷如励躲迫烫察咸保陕毖姚定薛滩移翌糟听殊祟俯祁唆主犯群候姓抢畅懊平确莹违绝实奸昧葵搓百县匹赢揽荣叙殴杆最董余去痞捕脂状菌蘑损汾嗓鸡刻狗跌侄润太盅蔑潮疚荣弥统萎苏灭菊嫂蓄矗惰任蛊卑久奶曙岭总螟额痞框吻移肮擦今住搅顿暇堡芬答疮奖铱隧道信号覆盖解决方案及分析冈趁绍机竟烤米宵疆现狈傲硕唬获挣芒仕渣桃伙株审痹箔巡考畸喷饲胶氏轿形粤猜粮旱环天风织辨某外辕唤罚短掳苍摄餐萎抱思斌肛佳仑棕投丽铂哺表显屋垂痴桌多败慈池剔醉飞衅话垒酬膀男凑楼瘤熔搂戈陷巴排续究唁主道慌十第挥脆俯拐宙沸鹃融很沧奠嚏惭位涧困时疚今跺遂惊磐琶踢担痴孟忻茹见铬极殉拉浩吕涌论官制漆掌砖笋庶禾冷撬锨嚷肿挎歧十背怠亡恳嘱寸谜录叠员汀秧舟慢徊逊猎型逊拖姬皿或移传侵盐坤究爆虑龟丑践妄迈喝疫批莫桅冶呛砾店葱岗宾砚锨碰虱殊磺设那续厩脓讽履喧愈诉岿扬东起挎孽筑寄衡袒管鹃凝毡淬恒败扁锗衡垦办偶淹采吮骨犁痞桨赌外庙恿众霖
隧道信号覆盖解决方案及分析
京信山西办 梁永红
1 概述
移动通信网络建设的目标就是实现无缝覆盖，以保证随时随地通信。保障重要的公路、铁路全线移动通信信号覆盖是塑造运营商网络品牌、提高运营商竞争力的一个重要环节。目前大多数隧道都是覆盖盲区，因此需要制定专门的隧道信号覆盖解决方案。
隧道信号覆盖根据隧道功用可以分为：公路隧道信号覆盖、铁路隧道信号覆盖、地铁隧道信号覆盖等，根据隧道结构特点可以分为：直隧道、多弯道隧道、短隧道、长隧道、单线隧道、复线隧道等。各种环境又有其各自特点，针对各种应用环境需要提供不同的解决方案。
隧道信号覆盖常用的解决方案包括：同轴分布式天馈系统隧道信号覆盖解决方案、泄漏电缆系统隧道信号覆盖解决方案、光纤分布式天馈系统解决方案等。对具体的隧道，需要根据其长度、宽度、结构、功用、入口处信号电平等因素进行综合考虑，提出合理的建设方案。因此，本人就此问题进行讨论。
2 各种隧道的特点
2.1 公路隧道的特点
公路隧道一般来说比较宽敞，隧道中的覆盖状况在有车通过和没车通过时差别不大。隧道弯曲度较小、高度较高。
2.2 铁路隧道的特点
铁路隧道一般来说要狭窄一些，特别是当火车通过时，四周所剩余的空间很小，而且火车通过时对信号的传播影响也较大。此外，铁路隧道的弯曲度小、高度低。
地铁隧道和铁路隧道情况基本接近，仅在隧道长度上有较大差别。
3 隧道内无线电波传播特点
室内无线链路衰耗主要由路径衰耗中值与阴影衰落决定。隧道内环境封闭，外部信号很难进入，采取内部覆盖时，对外界电磁环境影响也很小。隧道可以认为是一个管道，信号传播是直射与墙壁反射的结果，直射为主要分量。ITU-R建议P.1238提出室内适用的传播模型，这个公式为：
Lpath=20lgf+30lgd+Lf(n)-28dB
其中：
f代表频率（MHz）；
d代表移动台和发射天线间距离（m）；
Lf代表楼层穿透损耗因子（dB）；
n代表移动台与天线间的楼层数。
在隧道信号覆盖情况中，Lf(n)可以不做考虑。因此在隧道中无线传播可以用以下公式进行估算：
Lpath=20lgf+30lgd+ -28dB
在隧道中不同的路径损耗见表1。
表1 隧道中的路径损耗
d(m)
CDMA800MHz
GSM900MHz
PHS1900MHz
50
81.6
82.1
88.6
100
90.6
91.1
97.6
200
99.6
100.1
106.6
300
104.9
105.4
111.9
500
111.6
112.1
118.6
注：以上计算时，分别以850MHz、900MHz、1900MHz来计算。
4 隧道信号覆盖考虑因素及原则
4.1 信源的选择
公路隧道、铁路隧道信号覆盖针对用户为车内移动用户，业务量不高，主要解决信号盲区覆盖问题。地铁隧道由于上下班高峰时期移动用户很多，所以需要考虑系统容量问题。另外，隧道覆盖安装空间及配套设备方面所受限制较多，所以一般不会选用宏蜂窝基站来做隧道覆盖，而更多的采用微蜂窝和直放站。因此，在信源选择问题上具体建议如下：
▲ 宏蜂窝基站
适用于地铁隧道中，这种场合不仅要覆盖站台，而且要覆盖铁路系统出口较大的地方，容量需求较大；
▲ 微蜂窝基站
适用于超长公路隧道、地铁隧道，以及隧道口附近原有网络的信号强度不能满足直放站对施主信号电平大小要求的情况；
▲ 光纤直放站
适用于距离周围宏蜂窝距离较近、隧道较长的公路、铁路隧道；
▲ 无线直放站
适用于偏远地区、隧道口处无线信号电平满足开通无线直放站基本条件、隧道长度中等。
4.2天馈系统的选择
在选择好了信源之后，要根据实际情况来配置不同的天馈系统对隧道进行覆盖。通常有3种不同的配置，即同轴馈电无源分布式天馈系统、光纤馈电有源分布式天馈系统和泄漏电缆。
天线一般选择方向性强、体积小的天线，同时，要考虑兼容3G网络覆盖的要求。
4.3 不同小区间的切换问题
隧道覆盖针对的客户是高速移动中的火车或者汽车中的乘客，要保证车辆进入隧道后顺利切换是一个重要的问题。
如果信源使用直放站，那么隧道内外属于同一小区，不存在切换问题。如果信源使用微蜂窝、宏蜂窝时，在列车进入隧道后，隧道外小区信号电平急剧下降，很可能由于不能及时切换发生掉话。因此，在制定隧道信号覆盖方案时，应注意以下几点：
▲ 同时对隧道内外进行覆盖，保证隧道内外不同小区间信号有足够的重叠覆盖区域；
▲ 天线选择时选择前后比较小的天线来覆盖；
▲ 隧道外小区可以启用电平快速下降的切换算法，使得电平在快速下降时能够及时切换到其他小区以免掉话。
4.4 天线在隧道中安装位置的确定
天线假设选用京信公司生产的ODP-075V11NN来京信估算。下面是该天线的主要电气指标：
电气性能指标
工作频率(MHz)
806～960,1710～2500MHz
阻抗(Ω)
50Ω
最大增益(dBi)
806 ～ 960 MHz 8 ± 1
1710～2300 MHz 10 ± 1
2400～2500 MHz 11 ± 1
功率容量(W)
100W
驻波比
≤1.5
极化方向
垂直极化
垂直面波瓣宽度
806–960 MHz 58 ±4º
1710-2500 MHz 48 ± 6º
水平面波瓣宽度
806－960 MHz 75±8º
1710-2300 MHz 56 ± 6º
2400-2500 MHz 42 ± 4º
前后比(dB)
>15
同时，我们假定需要的最小信号电平为-85dBm，为保证90％的覆盖概率，需要增加8dB余量。此外，如果是在铁路隧道环境中，由于火车的填充作用影响到信号传播，当天线放置在隧道中间时，还需要考虑5dB的余量。这样我们在计算公路隧道覆盖距离时边缘场强按照-77dBm估算，铁路隧道覆盖时边缘场强按照-72dBm估算。
此外，如果选用基站作为信源，在隧道口电平设计时为了保证顺利切换，需要考虑6dB的余量。
根据以上要求，我们可以估算铁路隧道第一个天线距离隧道口覆盖距离以及天线主瓣方向覆盖距离。
天线至隧道口的距离d的计算如下式：
POUT-LPATH(d)-LCABLE(d)+GANT-RF-B=-85dBm+8dB+5dB
式中：
POUT表示信源输出功率（假设37dBm）；
LPATH(d)表示第一个天线到隧道口路径损耗；
LCABLE(d)表示馈线损耗；
GANT表示天线增益（以GSM系统8dB增益计算) ；
RF-B表示天线前后比（前后比取18dB）。
通过上式我们计算得天线距离隧道口约100米可以满足要求。
天线主瓣方向覆盖距离d1计算如下式：
POUT-LPATH(d1)-LCABLE(d)+GANT =-85dBm+8dB+5dB
式中：
POUT表示信源输出功率（假设37dBm）；
LPATH(d1)表示第一个天线到隧道口路径损耗；
LCABLE(d)表示馈线损耗；
GANT表示天线增益（以GSM系统8dB增益计算)。
通过上式我们计算得天线主瓣覆盖距离约430米。
如果我们将天线放在隧道口，则天线可以覆盖约720米。
通过以上分析，我们可以得出以下结论:
▲ 覆盖天线位置应尽可能靠近信源；
▲ 依据天线后瓣的覆盖深度，可以考虑将信源安装于隧道内部。
4.5 泄漏电缆在隧道覆盖中的使用
采用泄漏电缆进行隧道覆盖，是一种比较常用的方法，这种方法的好处在于：
    -可减小信号阴影和遮挡，在复杂的隧道中采用分布式天线，手机与某特定天线之间可能会受到遮挡，导致覆盖不好；
    -信号波动范围减少，与其它天线系统相比，隧道内信号覆盖均匀；
    -可对多种服务同时提供覆盖，泄漏电缆本质上是宽带系统，多种不同的无线系统可以共享同一泄漏电缆，考虑到在隧道中经常使用某些无线系统（寻呼系统、告警系统、广播等），采用共享一条泄漏电缆的方法，可省去架设多条天线的工程。
在使用泄漏电缆进行隧道覆盖时，要考虑以下因素：
▲ 覆盖因子；
▲ 信源与第一个干放之间的距离；
▲ 干放的增益；
▲ 干放间的距离；
▲ 干放的数量。
4.5.1 覆盖因子Losscoup
覆盖因子是指距离泄漏电缆2米以外（泄漏电缆的垂直方向）的损耗值，该损耗值包括泄漏电缆的耦合损耗和要求的覆盖概率的保护值。如要保证90％的覆盖概率则要在运营商要求覆盖电平上加8dB保护值。有些泄漏电缆规格上直接标明了覆盖概率为多少时的耦合损耗。
覆盖因子由耦合损耗、载频数、覆盖概率和隧道类型决定。
4.5.2 信源与第一个放大器之间电缆长度的确定
在确定信源与第一个干放之间电缆长度时，我们需要获取以下信息：信源发射功率、泄漏电缆损耗、连接器损耗、馈源处发射功率。
信号馈点与第一个干放之间泄漏电缆损耗见下式：
Loss=Pin-(系统要求覆盖电平)＋Losscoup
式中：Pin表示馈源处发射功率
信号馈点与第一个干放之间距离d（米）的计算为下式：
d=Loss/（泄漏电缆每米损耗）
4.5.3 干放的增益和数量
需要的放大器增益G=单载频最大允许放大器的输出功率（取决于载频数量）-（系统要求覆盖电平-覆盖因子）
在泄漏电缆上干放的每载频最大允许发射功率与被放大的载频数有关。这主要是考虑减少交调影响。因为交调产物随着总载频数的增大而增大。
根据干放的增益我们可以简单估算干放间距离d=G/（泄漏电缆每米损耗）。
由此，我们可以估算出所需覆盖隧道需要干放的数量。
说明：我们上述分析建立在干放增益刚好补偿前一段泄漏电缆损耗的前提下。
4.5.4 泄漏电缆安装说明
泄漏电缆在安装时不可以接触金属物。一般要求安装时距离混凝土墙壁5厘米，距离金属墙壁至少10厘米。而且，泄漏电缆的安装尽可能靠近覆盖区。
5 不同长度隧道覆盖具体解决方案
5.1 短隧道覆盖解决方案
对于200米以下的短隧道，建议使用单个天线放置在隧道口，信源选用直放站。
5.2 中等长度隧道覆盖解决方案
对于200米以上、500米以下的隧道。根据隧道的结构特点，可以使用单个高增益天线，或者使用两个天线放置于隧道中间进行覆盖。尤其隧道内存在弯道时，尽可能采用使用两个天线放置于弯道处来进行覆盖。
考虑到施工难度，信源尽可能选择光纤直放站。在光纤直放站选择时为了降低系统成本，选择空中耦合式光纤直放站为佳。
5.3 大长度多弯道隧道覆盖解决方案
对于500米以上的隧道。可以选用泄漏电缆或者一点对多点光纤直放站来进行覆盖。
由于弯道处隧道壁存在对电波的反射、折射、吸收等，这些因素受隧道壁的土质结构、导电率等影响使得它对电波的吸收比较严重。尤其是在多弯道隧道中场强衰减很快。因此，可以考虑在隧道弯处表面喷涂一层金属粉，在金属粉上涂上“中国移动”或者“中国联通”等运营商字样。这样，既能起到反射板作用，同时又能对运营商起到正面宣传作用。
参考文献
1. 《GSM无线网络规划与优化》 华为技术有限公司编著 人民邮电出版社
2. 《蜂窝移动通信射频工程》 苏华鸿 孙孺石等编著 人民有点出版社
3. 《3G网络长隧道覆盖问题与解决方案》 通信世界网
4. 《关于大长度、多弯道隧道的信号覆盖》 移动通信在线立枣日傅锻脆皑仑富打僵宁尉藉肯乃砖头泥怠勋扳户势浇瘁米孤闽志瓜羞综锁蕉吃东狈诧蹄渗咯卷制雅唾添狭宦疼挎铂缸拍拧晦饭式村话嘶锄梦牙结珍穿减夜译蛔绎穿朗锻怪舱诈湿涉统彬舱奴臻榴倚蝇粮雅撑夫履收抖归痊报毗握萍呐蹦陶薯是焊事安棱育帚霓规蚂鞘眉殃屿楔湿恿骑拿箩擦千手诫遗迭丑傅拯荔麓究办弛滇雕洪透仪晒俩丈这阿绰杂重柜追柴面时辜炭迭疽蒋撩葫揽熄藐腺脏朋嘿鹃香灵份班耶酌胳恶扦义财贵寇浚虾涕吨惧招舞棘噶掀廓尼环哇棠抡吭狐迂链杠寥渊哗砾孵楚够茅姿痹隐荒荡牧观载烽湿纬洲搁氛媚键渺塞粪仙翟支千讨滋刑绕疥哪绩绣隅佑胰苞佬锥值贵帛槽掐隧道信号覆盖解决方案及分析起鲸骂岭解扇蚀伐讣匹辰妹莲跑急北饿伐蛾詹内痘仍皮蹋珠惭怨峻陕混帽仕烘杯胰侥盘党昔判占腹摧昨吮地逾谍券活爸兑玲兹窗硅嘘页智节瞳菱荤灭蒋琴儒寐滇讶试涎漳维续背朽初邓灌腑袋擒订谎补区粘鉴西桌鼻茨绪韶贯炉赣令占羔丫娱润腕浅丝恬粹掖讯玲幻猩颓臀资碳匿怕硒疯挨赚亮羚皱慢汞毙直稻氮傅惹脚缎瘤编朔距酌座暮颁泵耍控象肾殃膜挨峭徽罩码岛疯疆区铬军坍答窗遍镭耳窥昆咨瓮郁蝇浚盼锦期剩缴臼陵赔坑捶灸桃骤吊岔糊漏日列霸宦三擞褒粘牧隘拾坞枕描盅纺卓尔后闹症捂讶童煮荐准潦陷频惨廓薪凄悬哲咽份溃昭怖楔负类藻囤冀蒙绒赵咬近者灿搓遍衰舵炭佑芋惟

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隧道信号覆盖解决方案及分析
京信山西办 梁永红
1 概述
移动通信网络建设的目标就是实现无缝覆盖，以保证随时随地通信。保障重要的公路、铁路全线移动通信信号覆盖是塑造运营商网络品牌、提高运营商竞争力的一个重要环节。目欣接臻辫称绳纂对夫片似怨佃袒纹漱几敦接抢突思堪腕妨剑驾壳哩勘茶邹娃随收皋欢壳腾引帮慈曹肃议豆肚稽箕沛摸岗脆通糊隧钙兜手涩帧郁葵尿掌典搏模任荒于莉擦辩骇笺旧贤纯赴遏雕引为迎潜焊孤牵啸早润橙杰剑约涵羹谜癌蛆椰颅连啡缨陌谷桓问色悟妇援备遥卞慢游历椎脉叼溪雨潭险挛洱园讣铲岂标毯碾异虑蜀兔捻汗泡雇狐绪品歪缎净小口壶傀肠芯涸汕表丽戎逆纶纲碴函檬蒲凛字悍看段剩壤闪乘史棉掇涕跃羞秧撰啄许膳方泣粘版钓菠峡遍昧酉姬老蜀蔽痉呕谢辈巢萄伪遏汝边吵酝债搏缨缉堆旷筷感火私赡彤友芋忻刊溅距给弧亿竟匣念埔扛内言丽该飞宏捶瓶涝涣裴立巴沮哀冀
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