隧道覆盖解决方案

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隧道覆盖解决方案


华为公司无线网络规划部 陶茂弟


概述

对重要的公路、铁路实现全线覆盖是运营商提高网络品牌的一个重要环节，是提高综合竞争力的一个有力手段。而目前大多数隧道都是覆盖盲区，因此需要结合交通线的覆盖设计来制订专门的隧道覆盖解决方案。

隧道覆盖主要分为铁路隧道、公路隧道、地铁隧道等多种。每种隧道有着不同的特点，一般来说公路隧道一般比较宽敞，在隧道里面的覆盖状况在有车通过时与没有车通过时差别不大。车辆通过时，隧道内剩余空间较大，可以根据实际情况选择尺寸大一些的天线，以获取较高的增益，使得覆盖范围更大。而铁路隧道一般来说要狭窄一些，特别是当火车经过时，被火车填充后所剩余的空间很小，火车对隧道的填充对信号传播会有较大的影响。并且天线系统的安装空间有限，这样天线的尺寸和增益也必然会受到很大的限制。

不管是哪种隧道，都存在长短不一的状况。短的隧道只有几百米，而长的隧道有十几公里。在解决短隧道的覆盖时，可采用较多灵便经济的手段，如在隧道口附近用普通的天线往隧道里进行覆盖等。而这些手段可能在解决长隧道覆盖时不起作用，对于长隧道的覆盖必须采取另外一些手段。因此对于每段隧道的解决方案可能都会有所区别，必须根据实际情况来选定覆盖解决方案。

在进行隧道覆盖规划之前，一般需要知道以下一些数据：隧道长度 、隧道宽度、隧道孔数（1或2）、需要的覆盖概率（50%，90%，95%，98%或99%）、隧道结构（金属结构还是混凝土结构）、总共考虑多少个载频、隧道中最小接收电平（一般为-85dBm到-102dBm）、隧道孔的间距、AC/DC是否可用、墙壁上能否打孔、隧道入口处的信号电平大小、隧道内部已有信号电平大小等。

II. 隧道覆盖的信号源选择

为了提供隧道覆盖，一个GSM信号源与一套分布式系统是必须要的。隧道覆盖需要根据隧道附近的无线覆盖状况及传输、话务、现有网络设备等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源：宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站等。

对于铁路、公路隧道覆盖来说，由于其中的话务量小，宏蜂窝基站作为信号源较为少用。但在城市地铁隧道中，人流量大，话务量也高，可以采用容量较大的宏蜂窝基站，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。

使用宏蜂窝基站的优点是：可以提供更多的信道资源、扩容较为容易、单个基站覆盖能力强；缺点是：需要用电缆从BTS设备所在的机房引入信号覆盖隧道，增加了馈线损耗、需要较大的机房等配套设备，总的投资费用高。 使用微蜂窝基站的优点是：所需设备空间小、所需配套设备少、总的投资费用低。

如果附近有信号源可以利用，则可采用无线直放站来作为隧道覆盖的信号源。采用直放站往往是网络拓展的第一步，在网络容量上来后再用GSM基站来替换。无线直放站有宽带直放站与选频直放站两种，采用直放站作为信号源也有一些优点，如无需传输，综合成本低、可以将远处的话务带给施主小区，使小区的信道利用率更高、安装速度快。但是采用射频直放站会使得网络管理复杂度增加，维护不便、在采用选频直放站时，但施主小区的频率发生变更后，直放站的频率也要进行调整，不利于整网规划与优化、施主天线与重发天线需要有足够的隔离度，造成安装空间上有些困难等缺点。

除采用无线直放站以外，也可以采用光纤直放站作为信号源对隧道进行覆盖。

在实际工程之中，要根据要覆盖的隧道长度、隧道附近覆盖状况、基站分布、话务分布、建站条件等因素选择一种信号源，一般选用较多的是微蜂窝基站与直放站作为隧道覆盖的信号源。

III. 隧道覆盖天馈系统的选择

在选择好了GSM信号源以后，要根据实际情况来配置不同的天馈系统来对隧道进行覆盖。通常有三种不同的配置，即同轴馈电无源分布式天线、光纤馈电有源分布式天线、泄漏电缆。

1、同轴馈电无源分布式天线

采用同轴馈电无源分布式天线进行隧道覆盖是一种可选的方式，这种覆盖方案设计比较灵活、价格相对低、安装较方便。同轴电缆的馈管衰减较小，天线的增益的选择主要是取决于安装条件的限制，在条件许可时，可选用增益相对高些的天线，覆盖范围会更大。该方案的简化就是采用单根天线对隧道进行覆盖，这种方案对较短的隧道是一种成本最低的解决方案。

2、光纤馈电有源分布式天线系统

在某些复杂的隧道覆盖环境中，可以采用光纤馈电有源分布式天线系统来替代同轴馈电无源分布式天线系统。它更适用于覆盖地下隧道（地铁隧道）及站台。采用光纤馈电有源分布式天线系统的主要好处有：在室内安装的电缆数减少、可适用更细的电缆、采用光缆可降低电磁干扰、在复杂的网络中设计更灵活。缺点是成本高。

3、泄露电缆

采用泄漏电缆来进行隧道覆盖是一种最为常用的方式。使用泄漏电缆的好处是：

1、可减小信号阴影及遮挡，在复杂的隧道中，若采用分布式天线，手机与某个特定的天线之间可能会受到遮挡导致覆盖不好；

2、信号波动范围减少，采用泄漏电缆与采用其它的天线系统相比，隧道内信号覆盖更均匀；

3、可对多种服务同时提供覆盖，泄漏电缆本质上是一宽带系统，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一些无线系统（如寻呼系统、告警系统、广播、移动电话），由于可共享一条泄漏电缆，减小了架设多个天线系统时工程安装的复杂性。

泄漏电缆覆盖设计是一种很成熟的技术，设计相对简单。因此本文不作重点分析。

下面着重分析采用普通的无源天馈进行隧道覆盖的方案设计方法。

IV. 隧道的无线传播

无线电波在隧道中传播时具有隧道效应，信号传播是墙壁反射与直射的结果，直射为主要分量。华为公司基于ITU－R建议，根据试验数据对传播模型进行了修正，得出一简单实用的隧道传播模型，用来进行隧道覆盖设计。该传播模型为：

Lpath = 20 lg f + 30 lg d 28 dB

其中:

f : 频率 (MHz)

d :距离（米）

下图为上述模型的预测值和在深圳梧桐山公路隧道的实测值对比图：



图1：路径损耗对比图

从上图可以看出，实测和预测仅在隧道口损耗相差较大，这是因为实验中天线放在距隧道口约40米处，而模型计算时，是考虑将天线放在隧道口，因此在隧道口两种情况的路径损耗相差较大。但在过了100米以后，两者的差别就较小。实验证明上述传播模型适于隧道覆盖预测。

I. 采用同轴馈电无源分布式天线系统的隧道覆盖方案

根据隧道的长短不同，在隧道中安装不同数量的双向天线与放大器，信号源采用GSM小基站，输出功率为39dBm。同时假定需要的最小接收信号电平为-85dBm（考虑到一定的车体穿透损耗裕量），再加上8dB以保证位置概率达到90%的水平。双向天线的增益为5dBi，等概率功分器、跳线损耗为2dB，馈管采用7/8"，每100米4dB的损耗。如下图所示：



图2：采用分布式天线进行隧道覆盖方案

下面对此方案进行覆盖能力进行分析。

首先，我们假定天线发射出来的信号在隧道入口处电平为-85dBm，根据这个要求，我们可以计算出第一个天线到隧道口的距离，如下式所示：

Pout - Lpath(d) - Lcable(d) - Ljumper + Gant = -85 dBm + 8dB90%_loc.Prob

其中：

Pout ：输出功率 39dBm

Lpath(d)：路径损耗

Lcable(d)：馈管损耗

Ljumper ：跳线损耗 2 x 2 dB

Gant ：天线增益 5dBi

基于上面的假定条件，可以得到：

Lpath(d) + Lcable(d) = 117 dB

将路径损耗与馈管损耗一起考虑后，计算得 d=301 米，d 是第一个天线在两个方向的覆盖范围。单根天线在两个方向上覆盖距离为602米。

如果功分器在第一个天线上使用了，那么应该加上3dB的损耗，则：

Lpath(d) + Lcable(d) = 114 dB

d = 261米

对于铁路隧道的应用环境下，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，考虑5dB（经验值）的保护裕量，在考虑裕量后d＝240米。即单根天线若放在隧道中间，可覆盖480米的距离。

如果第二个天线使用了功分器，则在第一个天线与第二个天线之间的覆盖距离会更短，除非使用放大器。

考虑第二个天线没有使用放大器的情况：

从第一个分路器（在第一个天线处）出来的总的功率为：

Pout1 = Pout - Lcable(d) - Ljumper - Lsplitter = 39dBm - Lcable(261m) - 2dB - 3dB= 23.56 dBm（261米的馈管损耗为10.44dB。跳线损耗为2dB，功分器插损为3dB）

基于假设，两天线覆盖之间的交迭处电平为 85dBm，那么第二个天线距离第一个天线为：

d2 = d + x

d = 261 meters (第一个天线的覆盖范围)

x = 第二个天线单方向的覆盖范围.

考虑进第一个天线， 第二根天线的 x 距离将可从下面得出：

Pout1- Lcable(261m) - Lcable(x) - Ljumper + Gant - Lpath(x) = -85 dBm + 8dB90%_loc.Prob

Lpath(x) + Lcable(x) = 108.56dB

从图表中可以得到： x = 100 米

这意味着在不采用放大器的情况下，使用2根天线可以覆盖： 2*（261+100） = 722 米的隧道。

在多级级连后，由于同轴电缆的损耗导致发射功率较低，这时可采用放大器对信号进行放大。计算方法类似。

对于隧道不长的情况，可以采用单根天线在隧道口处对隧道进行覆盖，这可以看成是采用无源天馈分布系统的一种最简方式。如下图所示：



图3：采用单根天线进行隧道覆盖方案

在这种方案中，信号源采用华为小基站，用一根定向天线在隧道口朝隧道里面进行覆盖，天线可以采用小尺寸的天线，增益假定为8dBi。覆盖状况可以分析如下：

这种方案中，Pout ： 39dBm（采用华为小基站）

Lpath(d) ： 传播损耗

Lcable(d) + Ljumper ： 5dB

Gant ：天线增益 8dBi

需要的接收电平为 77dBm (-85dBm + 8dB 由于需要以90％的概率进行覆盖)

Lpath(d) = 39dBm - 5dB + 8dBi (-77dBm) = 119dB,

根据公式：

Lpath(d) = 20 log10 f + 30 log10 d － 28 dB,

d = 858m

以上的分析方法适应于比较宽敞的公路隧道，对于铁路隧道由于火车填充作用对信号传播的影响，可以考虑10dB的裕量（经验值），计算方法相同，得到在铁路隧道中此种方案的覆盖距离为：398米。

II.结论

通过以上的分析可知，对于中等长度的隧道可以采用单根天线进行覆盖。这是一种简单经济的方案。在实际工程中，可根据隧道口的安装条件及隧道长度来选择合适增益的天线来对隧道进行覆盖。在安装条件许可时，可以选择高增益的天线。另外单根天线不足于覆盖整个隧道时，可以采用从隧道两头各用一个天线同时朝隧道覆盖的方式。一般来说隧道内部覆盖与隧道外部覆盖可以一起考虑，用同一小区对隧道内外同时进行覆盖。