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隧道覆盖解决方案

1.1隧道覆盖特点

目前大多数隧道都是覆盖盲区，因此需要制定专门的隧道覆盖方案。隧道覆盖主要为铁路隧道、公路隧道和地铁隧道等多种。每种隧道有着不同的特点，一般来说，公路隧道比较宽敞,隧道中的覆盖状况在有车通过时与没有车通过时的差别不大。有车通过时，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，覆盖范围更广。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，这时无线传播与没有火车通过时的差别较大。火车本身对新信号传播也会有较大的影响；同时天线系统的安装空间有限，天线的尺寸与增益必然会受到很大的限制。另外，对于铁路隧道的覆盖测试一般更困难，普通车辆无法到达，这些特点决定了公路隧道的覆盖与铁路隧道的覆盖规划有不同之处。

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，而长的隧道有几十公里。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辐射等，而这些手段可能在解决长隧道覆盖时不起作用。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。

单线铁路隧道及复线铁路隧道的截面示意如图1，2所示。截面越小，火车经过时的损耗越大。以下的分析计算都是基于复线铁路隧道及公路隧道的计算，对于单线隧道可以考虑在复线铁路隧道计算的基础上考虑5dB的保护余量。

在进行隧道覆盖规划之前，要知道以下一些数据： ? 隧道长度； ? 隧道宽度； ? 隧道孔数 （1或2）

图1 单线铁路隧道截面示意图（单位为mm）

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图2 复线铁路隧道截面示意（单位为mm）

? 需要的覆盖概率（50％、90％、95％、98％或99％）； ? 隧道是：金属结构还是混凝土结构； ? 总共考虑多少个载频（l－30）；

? 隧道中最小接收电平（一般为-85～-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。

1.2 隧道覆盖解决方案

1．链路预算

室内无线链路衰耗主要由路径衰耗中值与阴影衰落决定。隧道可以认为是一个管道，信号传播是墙壁反射与直射的结果，直射为主要分量。ITU－R建议P．1238提出室内适用的传播模型，这种传播模型对隧道覆盖也是有效的，这个公式为： LPath＝20lgf＋30lgd＋Lf（n）-28dB （1－1） 其中：

f代表频率（MHz） d代表距离（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。

在我们讨论的隧道覆盖场合，Lf（n）可以不用考虑。因此在隧道中无线传播

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可以用以下式子进行估算： LPath＝20lgf＋30lgd－28dB 在隧道中不同的路径损耗见下表。

2．覆盖GSM信号源选择

为了提供隧道覆盖，一个GSM信源与一套分布式系统是必需的。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GSM信源。隧道覆盖的GSM信号源可以是宏蜂窝基站、微蜂窝基站和直放站等。

对于铁路、公路隧道覆盖来说，室内宏基站作为信号源较少被采用，但它可能会应用在较复杂的地铁隧道中，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。

在大多数情况下，人们常用微蜂窝信号对隧道进行覆盖。

对于需要覆盖的区域，如果附近的网络容量足够，不必增加新的容量，且有较好的GSM信号源可以被利用（满足直放站对施主信号电平大小的要求，如-70dBm），则可采用无线直放站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，随着网络话务量的上升，再逐步用GSM基站来替换。

施主天线与重发天线需要有足够的隔离度，造成安装空间上的困难，一般重发天线采用高前后比的对数周期天线。

直放站与施主小区之间的连接可以采用普通天线（无线直放站）、同轴电缆和光纤（光纤直放站）等。

对于隧道覆盖来说，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，而更多地采用微蜂窝和直放站。在山区，采用直放站的可能性较大，因为往往在距隧道口不远的山头上存在足够强度的信号可能性较大，天线的隔离容易得到满足。而在隧道口附近原有网络的信号强度不够的情况下一般会采用微蜂窝进行隧道覆盖。 3．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对隧道进

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行覆盖。通常有3种不同的配置，即同轴馈电无源分布式天线和光纤馈电有源分布式天线和泄漏电缆。在本节中主要讨论同轴馈电无源分布式天线及泄漏电缆的解决方案。

1.3采用同轴分布式天线系统的隧道覆盖方案

在同轴天线分布式天线系统中，常采用以下的射频器件： ? 馈管（3／8英寸或1／2英寸或7／8英寸）与跳线； ? 放大器； ? 功分器； ? 天线。

1．同轴分布式天线系统隧道覆盖解决方案1

下面是一个用双向无源天线分布式系统进行隧道覆盖的方案，如图3所示。

图3 采用分布式天线进行隧道覆盖方案示意

在这种方案中，我们假定需要的最小信号电平为-85dBm（50％的位置概率）。为保证位置概率达到 90％的水平，需增加8dB余量。双向天线的增益为 5dBi，等概率功分器和跳线损耗为2dB,馈管采用7／8 英寸。每100m有4dB的损耗。设备输出功率为39dBm。

首先， 我们假定第一个双向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，我们可以计算出这个天线到隧道口的距离，如下式： Pout－Lpath(d)－Lcable(d)－Ljumper+Gant=-85dBm+8dB,

式中：

Pout:输出功率39dBm。

Lpath(d):第一个双向天线到隧道口路径损耗; Lcable(d):馈管损耗;

Ljumper跳线损耗; Gant天线增益5dBi;

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式中的8dB是为了保证位置概率达到90％的水平而需增加的余量. 基于此值,有:

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

距离d 与Lpath(d)和Lcable(d)的关系如图5-34所示。图中，曲线为Lpath(d)。斜线为Lcable(d)。根据图4,估算得到:d=301m。

图4 路径损耗曲线7/8英寸馈线损耗的关系

如果在第一个天线上使用了功分器，那么应该加上3dB的损耗，则： Lpath(d)+Lcable(d)=114Db 根据图4，估计得到d=261m.

在铁路隧道的应用环境中,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,需要考虑5dB的保护余量,此时d=240m(算法相同).即单根双向天线若放在隧道中间,可覆盖距离会更短.

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

我们分析第二个天线没有使用放大器时覆盖情况:

从第一个分路器(在第一个天线处)输出的总功率Pout1为:

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

基于假设,两天线之间的交叠电平为-85dBm,那么第二个天线与第一个天线的距离为:

d2=d+x

其中d2=261m（第一个天线的覆盖范围）； 其中，第二个天线单方向的覆盖范围。

综上得出： Pout1?Lcable(261m)?Lcable(x)?Ljumper?Gant?Lpath(x)=－85dBm+8dB

Lcable(x)?Lcable(x)=108.56dB 从以上两式可以得到x=100m。

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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)＝7221m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。 2.同轴分布式天线系统隧道覆盖解决方案2

对于隧道不长的情况，可以采用简单的方式进行覆盖，如图5所示

图5 采用单根天线进行隧道覆盖方案示意

在这种方案中，采用一个定向天线在隧道口向隧道内覆盖。下面就对采用这种方案的覆盖状况简要进行分析。

这种方案中：

Pout=39dBm（假设GSM信号源输出功率为8W）；

Lpath：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十8dBi-（－77dBm）=119dB 根据公式，有：

Lpath（d）=20lg10f＋30 lg10d－28dB 因此得到d＝858m。

以上的分析方法适用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影响，可以考虑10dB的余量,计算方法相同，得到在铁路隧道中此种方案的覆盖距离为398m。

1.4采用泄漏电缆系统的隧道覆盖方案

采用泄漏电缆来覆盖，要找到泄漏电缆的规格并完成具体的泄漏电缆设计。主要步骤如下:

（1）决定覆盖因子；

（2）计算双向放大器的增益；

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（3）估算出馈源与第一个放大器之间的泄漏电缆长度； （4）估算出放大器之间的泄漏电缆长度； （5） 决定所需放大器的数量。 1、覆盖因子的确定

首先我们需要以下的一些信息来确定覆盖因子： ? 耦合损耗； ? 载频数量； ? 覆盖概率。

覆盖因子是指距泄漏电缆2m以外（泄漏电缆的垂直方向）的损耗值，这一损耗值包括泄漏电缆的耦合损耗和某一要求的覆盖概率的保护值，如需要保证90％的覆盖概率要在中值电平上加8dB。有些泄漏电缆规格上直接表明了在覆盖概率为多少时的耦合损耗,这个概念等效覆盖因子。它将载频数固定为一常数。覆盖因子由耦合损耗、RF载频数、覆盖概率和隧道类型等参数决定，通过一下两图可以确定混凝土隧道与金属隧道的覆盖因子。在确定覆盖因子时，根据载频数与耦合损耗可决定图中的一点，通过此点做一水平线，该线与要求的覆盖概率相交处即为覆盖因子。

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图7 金属隧道覆盖因子示意

例如:采用耦合损耗为71(GSM900MHz)的泄漏电缆,18载频,覆盖概率为90%,根据图5-36得出在混凝土隧道覆盖因子是-77dB。 2、GSM信号源与第一个放大器之间的电缆长度的确定

在决定GSM信号源与第一个放大器之间的电缆长度时，我们需要用到以下的一些信息：

? 信号源发射功率（dBm）； ? 跳线损耗1(dB) ? 连接器损耗1（dB） ? 泄漏电缆损耗(dB/100m) ? 跳线损耗2(dB) ? 连接器损耗2（dB） ? 馈源处发射功率(dBm)

首先，在计算某馈点的功率时,将GSM信号源信号减去馈管传播衰耗。假如GSM信号源采用无线直放站输出功率为18dBm（l8个载频）,经由跳线、馈管、跳线接到泄漏电缆, 这中间7dB的衰减（通常情况从直放站输出,经跳线接到一馈管,再经一跳线接到泄漏电缆，中间有4个连接器，可以考虑每根跳线有1dB的衰减、馈管有ldB的衰减,每个连接器有0.5dB的衰减），则在该点的发射功率为11dBm，如图8所示。

图8 泄漏电缆连接示意

假设需要的隧道中的信号电平为-85dBm。考虑到最坏的场合,在第一个放大器的辐射信号应该最小为-85dBm以满足电平的要求。信号馈点与第一个放大器之间存在耦合损耗和泄缆纵向传播损耗，见下式：

Losslong=11dBm-(-85 dBm)+ Losscoup

Losscoup为覆盖因子,保证90％的覆盖时为一77dB。

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Losslong＝11dBm＋85 dBm－77 dBm=19dB

信号馈源与第一个放大器之间的泄缆长度可以从图9和10中得到，两图分别表示的是混凝土隧道与金属隧道放大器之间的泄缆长度。假设泄缆衰减为4.3dB／100m, 在4.3处划一条垂线，与19dB的曲线相交，再做一条水平线就可以从右边读出泄缆的长度。在这个例子中，在信号源与第一个放大器之间的距离为440m。

图9 金属隧道中放大器之间的电缆长度

图10 混凝土隧道中放大器之间的电缆长度

以上两图左边的纵坐标为“要求的无线放大器”，在实际应用时可直接用泄漏电缆的径向损耗来代替。从原理上来说是一致的，因此图表中隐含着一个前提：需要的放大器增益等于前一段的泄缆径向损耗。

3、需要的放大器增益

用以下的一些信息通过简单的算法就可以得出最大的放大器增益: ? 最小可接收信号电平(dBm)； ? 覆盖因子（dBm）；

? 单载频最大允许输出损耗（dBm）。

若不加放大器，泄缆传输最长距离处距离处泄缆输出信号电平=最小可接收信号电平-覆盖因子。

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超过此点之后的接收电平就会低于最小可接受电平，因此要在此点加放大器对信号进行放大，放大到最大单载频输出功率，而放大器单载频的最大允许输出功率与放大器的型号及被放大的载频数量直接相关。在知道了单载频最大输出功率之后，就可以计算出需要的放大器的增益。

需要的放大器增益=单载频最大允许放大器的输出功率（取决于载频数量）-（最小可接受电平-覆盖因子）

在泄缆上双向放大器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．因为交调产物会随着总载频数的增大而增大。如图11所示。

图11 单载频最大输出功率与被放大的载频数之间的关系示意

要求的放大器增益=覆盖因子十每载频的最大允许发射功率-最小可接受信号电平。如最小可接收电平为-85dBm，覆盖因子为-77Db，每载频的最大允许发射功率为7dBm。（总共18载频，泄缆是一个宽带系统，在设计时可能设计的带宽较宽，故这里先假设有18个载频），则需要的放大器增益为15dB。

4、放大器之间的泄缆长度的确定

我们需要以下的一些信息来确定介于两放大器之间的泄缆长度： ? 需要的放大器增益； ? 泄缆损耗（dB／100m）。

根据图9和10可以确定两放大器之间的泄缆长度，如混凝土隧道中，一个放大器的增益为13dB，泄漏电缆的衰减为4.3dB／100m，则在两放大器之间的泄缆长度为300m.

5.需要的放大器数量的确定

需要以下的一些信息来确定所需的放大器数量： ? 馈源与第一个放大器之间的泄缆长度； ? 放大器之间的泄缆长度； ? 隧道长度。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mkct.html