深圳市地鐵同頻同播基站覆蓋設計

莫志剛

(深圳市地鐵三號線投資有限公司,518172,深圳∥工程師)

地鐵的特殊性決定無線信號在隧道內、站廳、站臺范圍內應做到無縫隙覆蓋,且從地面至地下移動通信過程中,無通信斷層,不需信道轉換操作。深圳地鐵3號線無線系統在設計過程中考慮了3組無線同頻同播網,分別為地鐵警用、消防、公安指揮提供通信解決方案。

1 深圳地鐵3號線公安無線通信系統概況

深圳地鐵3號線西延線公安無線通信系統為地鐵警用、消防、指揮調度員和公安車站值班員等建立通信手段。該系統使用350 MHz警用無線頻點,與現有公安350 MHz網絡有機銜接,整合為一個完整、統一的通信調度指揮網。本系統采用無線同頻同播技術進行組網,且引入衛星全球定位系統(GPS)鎖頻控制技術及多站同頻同播工作方式,特別適用于大范圍覆蓋和地形復雜等環境下的無線通信。系統覆蓋區域包括站廳、站臺及隧道;站廳、站臺采用辮狀天線覆蓋,隧道采用泄漏電纜覆蓋。

本系統包括公安指揮網、地鐵分局網、消防專網等3組無線同播網絡。其中,公安指揮網地面部分已建成,本項工程是將該網絡向地鐵內部擴展;地鐵分局網和消防專網是新組建網。系統鏈路采用有線鏈路與無線鏈路混合模式,地鐵網采用由光纜傳輸系統提供的有線鏈路。從區域功能劃分,無線通信系統由指定區域地鐵內同播網組成。

2 公安無線通信系統覆蓋要求及功能

地鐵內部覆蓋目標為:

(1)地鐵站臺、站廳、警務站覆蓋率達到98%;

(2)地鐵各進出口通道覆蓋率達到90%;

(3)地下商業城覆蓋率達到95%;

(4)地鐵隧道覆蓋率達到90%。

本系統采用同播技術組建,利用多個同頻中轉臺的協同工作,達到擴大覆蓋范圍和加強覆蓋強度的目的。從可靠性方面考慮,公安指揮網、地鐵分局網及消防專網采用平行配置方式,即3組網相互獨立,除部分設備共用外,其它設備都獨立配置。因此,當系統某設備出現故障時,影響范圍僅限于某一同播網,而不是所有同播網。

每個同播網又分為地鐵部分和交換控制中心。地鐵網各同播站采用光纜所提供的有線鏈路連接,其同步基準信號采用中心時鐘信號方式。交換控制中心負責各地鐵同播站信號間的相互交換,同時完成地面網與地鐵網之間的相互轉接。交換控制中心配置時鐘調制器。時鐘調制器由GPS鎖定,并以音頻方式通過光纜有線鏈路送至各地鐵同播站,經解調后還原為秒時鐘脈沖信號。解調器具備延時補償功能,以補償信號經傳輸所產生的延時,使解調出的秒時鐘脈沖信號與GPS相位相同。

3 同頻同播基站覆蓋

3.1 基站覆蓋要求

無線鏈路預算是估算基站覆蓋能力的重要手段,它根據空中接口的技術特點,計算鏈路的功率衰減和信噪比損失。鏈路預算的結果被稱為最大各向同性路徑損耗。使用適當的傳播模型可以將其轉化為基站的覆蓋小區范圍。鏈路預算可分為上行鏈路預算和下行鏈路預算。

上行鏈路預算公式為:

最大允許路徑損耗=移動臺總的功率級-人體損耗+基站接收天線增益-基站饋線損耗總計-系統余量-基站靈敏度。

下行鏈路預算公式為:

最大允許路徑損耗=基地臺總的功率級-相關損耗+基站接收天線增益-基站饋線損耗總計-系統余量-移動臺靈敏度。

因基站發射功率遠大于移動臺發射功率,下行覆蓋遠大于上行覆蓋,因此同頻同播對講通信系統的通信效果受限于上行覆蓋。

無線網絡傳播環境非常復雜,廠家設備性能、系統設計指標、具體工程參數設定等相關取值也千差萬別。為簡化分析過程,以下鏈路預算將取一些代表性參數值,計算丘陵環境和覆蓋要求情況下的上行鏈路預算。不規則地形(地形高差Δh=50 m)的上下行鏈路預算見表1。

表1 上下行鏈路預算表(不規則地形)

3.2 基站覆蓋半徑計算

陸地移動通信移動臺的天線高度一般只超出地面數米,因而受地形、地物的影響極大;且由于移動臺處于運動狀態,其傳播路徑時刻在變化,影響電波傳播的地形、地物也時刻變化,傳播特性異常復雜,故自由空間或平面大地電波傳播衰耗公式一般不再使用。本工程采用國際電信聯盟(ITU)推薦的移動通信場強預測模型——Okuamura-Hata模型,進行覆蓋預測計算。

Okuamura-Hata模型有兩點假設條件:

(1)是準平滑地形而不是不規則地形;

(2)適用于城市市區傳播損耗的計算,其他地區采用校正公式進行修正。

模型適用范圍:

頻率為150～1 500 MHz,基站天線有效高度為30～200 m,移動臺天線高度為1～10 m,通信距離為1～20 km,超出通信范圍需進行γ因子修正。

傳播損耗公式為:

式中:

Lb——城市市區的基本傳播損耗中值;

d——通信距離,km;

f——頻率,MHz;

hm——移動臺天線的有效高度,m;

hb——基站天線有效高度,m。

設基站天線離地面的高度為hs,基站地面的海拔高度為hg,移動臺所在位置的地面海拔高度為hmg,則hb=hs+hg-hmg。

移動臺天線高度的修正因子a(hm)為:

遠距離傳播修正因子:

為了使模型更附合實際情況,需要進行修正。修正因子包括:

(1)街道校正因子Kstreer。一般資料上只給出了與傳播方向呈水平或垂直的損耗修正曲線。為便于計算,本文給出任意角度的擬合公式。設傳播方向與街道的夾道為θ,則:

街道效應一般在8～10 km后將會消失,故只考慮10 km之內。

(2)郊區校正因子Kmr。

(3)開闊地校正因子Q0。

(4)準天闊校正因子Qr。

(5)農村校正因子Ru。

(6)建筑物密度校正因子S(α)。α為建筑物密度。

根據鏈路預算的結果并通過Okuamura-Hata傳播模型的計算,可得出各情況下基站的覆蓋半徑(見表2)。

表2 不同天線高度基站覆蓋半徑

需要注意的是:①當其他條件不變時,采用不同的終端,其覆蓋半徑是有很大差別的;同時,隨著天線高度的增加,覆蓋半徑也隨之增加。②理論上,如傳播路徑上無障礙物阻擋,其無線傳輸將不受距離影響。③鏈路預算只能大致預測基站的覆蓋,實際的覆蓋情況需要實地測試得到。

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[2] 王敏建,何世彪,蔣健敏.無線通信測量[M].北京:東南大學出版社,2001.

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