高速公路隧道警用無(wú)線通信覆蓋解決方案

葉杰

摘要：隨著我國(guó)過(guò)去十幾年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施特別是交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了全面發(fā)展。在公路隧道、地鐵等地下建筑中，移動(dòng)通信傳播效果不佳。公路隧道封閉狹長(zhǎng)，彎道多，無(wú)線覆蓋難度大，利用一般通信天線傳遞無(wú)線信號(hào)存在不同程度的難度。本文簡(jiǎn)要講解了泄漏同軸電纜的基本原理及主要性能指標(biāo)，著重闡述了使用泄漏同軸電纜技術(shù)解決警用無(wú)線通信系統(tǒng)在公路隧道內(nèi)覆蓋的方法。

關(guān)鍵詞：隧道 無(wú)線通信覆蓋 泄漏同軸電纜

中圖分類號(hào)：TN929.533 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0031-02

1 引言

隨著我國(guó)過(guò)去十幾年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施特別是交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了全面發(fā)展。十二五期間，初步形成以“五縱五橫”為主要結(jié)構(gòu)的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，國(guó)家高速公路交通網(wǎng)絡(luò)基本形成，高速公路總里程達(dá)到10.8萬(wàn)公里。筆者所在的宜昌市轄區(qū)高速公路隧道有35個(gè)，其中長(zhǎng)隧道9個(gè)，特長(zhǎng)隧道10個(gè)，很多單體長(zhǎng)隧道一般跨越多山，封閉狹長(zhǎng)，彎道多，警用無(wú)線通信信號(hào)覆蓋問(wèn)題相對(duì)滯后，隧道內(nèi)消防安全、搶險(xiǎn)救援等問(wèn)題日益凸顯。為此，研究分析泄漏同軸電纜在公路隧道中的應(yīng)用，加強(qiáng)和完善警用無(wú)線通信系統(tǒng)在公路隧道內(nèi)的信號(hào)覆蓋和傳遞，確保移動(dòng)無(wú)線通信無(wú)盲點(diǎn)是當(dāng)前形勢(shì)下的迫切需求。

2 泄漏同軸電纜基本原理及主要性能指標(biāo)

泄漏同軸電纜（LCX）也叫漏泄同軸電纜，簡(jiǎn)稱漏纜，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開(kāi)有周期性槽孔的外導(dǎo)體三部分組成，具有信號(hào)傳輸作用，又具有天線功能。電磁波不僅在漏纜中縱向傳遞信號(hào)，還通過(guò)周期性的槽孔向外界輻射電磁波；外界的電磁波也會(huì)通過(guò)槽孔感應(yīng)到漏纜內(nèi)部并傳送到接收端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)盲區(qū)的覆蓋，達(dá)到移動(dòng)通信的目的。目前，泄漏同軸電纜的頻段覆蓋在150MHz～2GHz以上，適合應(yīng)用在公路隧道、鐵路隧道、地鐵和地下商場(chǎng)等區(qū)域。

2.1 泄漏同軸電纜的種類

根據(jù)信號(hào)與外界的耦合機(jī)制不同，具體的耦合機(jī)制取決于槽孔的排列形式。泄漏同軸電纜主要分為耦合和輻射兩種泄漏模式。

耦合型漏泄電纜（CMC）的外導(dǎo)體上開(kāi)的槽孔的間距遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)。耦合型漏泄電纜適合于寬頻傳輸，漏泄的電磁波沒(méi)有方向性，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨傳播距離的增大迅速減小。

輻射型漏泄電纜（RMC）外導(dǎo)體上開(kāi)的槽孔間距與波長(zhǎng)相當(dāng)，槽孔結(jié)構(gòu)使得在槽孔處的信號(hào)同相迭加。典型的輻射型漏泄電纜外導(dǎo)體上開(kāi)有周期性排列的槽孔。漏泄的電磁波具有方向性，相同的漏泄能量在輻射方向上相對(duì)集中，同時(shí)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)隨傳播距離的增大而迅速減小。

2.2 泄漏同軸電纜主要性能指標(biāo)

泄漏同軸電纜主要電性能指標(biāo)有：頻率范圍、特性阻抗、耦合損耗、傳輸衰減、總損耗的動(dòng)態(tài)范圍、駐波比、傳輸時(shí)延。主要物理性能指標(biāo)有：絕緣電阻、絕緣介質(zhì)強(qiáng)度（耐壓）、阻燃和煙毒性能、抗扭力和彎曲性能、密封性。

泄漏同軸電纜最重要的指標(biāo)是其總損耗，即傳輸衰減和耦合損耗的總和。

（1）傳輸衰減。泄漏同軸電纜的傳輸衰減是描述漏泄電纜內(nèi)所傳輸電磁能量損失幅度的重要系數(shù)，通常由導(dǎo)體衰減、介質(zhì)衰減和輻射衰減三部分組成，可定義如下：

α=α1·f+α2·f+α3

其中：α=給定頻率的衰減系數(shù)

α1=導(dǎo)體的衰減系數(shù)

α2=介紹的衰減系數(shù)

α3=泄漏的衰減系統(tǒng)

（2）耦合損耗。耦合損耗是泄漏電纜區(qū)別于一般的通信電纜的一個(gè)重要指標(biāo)，是代表泄漏電纜與外界間的相互耦合強(qiáng)度的特征參數(shù)，可定義如下：Lc=-10lg（Pr/Pt）

其中：Lc—耦合功耗，dB

Pr—與漏纜距離2m處標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線所接收的頻率，W

Pt—泄漏電纜的傳輸功率，W

由于某一處漏泄電纜內(nèi)的傳輸功率等于電纜輸入功率減去電纜輸入端到該處的功率衰減，因此，局部耦合損耗αc（z）計(jì)算公式如下：

αc（z）=Ne-（α×z）-Nr（z）

式中： αc（z）—局部耦合損耗，dB

Ne —電纜輸入端的電平，dBm

Nr（z） —天線處的接收電平，dBm

α—電纜的傳輸衰減系數(shù)，單位dB/Km

z—電纜輸入端到天線處的距離，Km

3 泄漏同軸電纜在公路隧道中的應(yīng)用案例

筆者以宜昌轄區(qū)內(nèi)G50滬渝高速漁泉溪隧道泄漏電纜覆蓋方案為例，進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

3.1 滬渝高速漁泉溪隧道概述

G50滬渝高速公路漁泉溪隧道地處宜昌市長(zhǎng)陽(yáng)縣高家堰車溝村與賀家坪鎮(zhèn)白凡村交界地段，隧道全長(zhǎng)5228m，洞寬6m，單洞雙車道，屬超長(zhǎng)隧道，也是事故高發(fā)路段。為了加強(qiáng)該路段的安全管理和應(yīng)急救援工作，亟需建設(shè)一套完整的隧道通信系統(tǒng)。

3.2 設(shè)計(jì)方案分析

該覆蓋方案主要針對(duì)警用無(wú)線通信系統(tǒng)，以350MHz消防通信系統(tǒng)和800MHz公安數(shù)字集群系統(tǒng)為主對(duì)隧道內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，利用公路隧道控制交換中心（MSC）、基地站（BS）、移動(dòng)臺(tái)（MS）、傳輸信號(hào)線（LC）和泄漏同軸電纜（LCX）就可以組成一個(gè)基本的公路隧道移動(dòng)通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中基站部署在公路隧道內(nèi)部，通過(guò)分配器連接2根泄漏同軸電纜分別向隧道兩端輻射，構(gòu)成復(fù)合基地臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)組網(wǎng)便捷，缺點(diǎn)是傳輸損耗大、基站數(shù)量多、建設(shè)成本高，在超長(zhǎng)隧道中可以增加中繼器和變頻器，構(gòu)成中頻返回系統(tǒng)。

4 泄漏同軸電纜通信鏈路計(jì)算實(shí)例

經(jīng)初步估算，上述覆蓋方案擬選用焦作鐵路電纜廠生產(chǎn)的5/4〞漏纜（型號(hào)DWZR-SLYWY-50-32），以下是上行鏈路電平計(jì)算：

（1）頻率為350MHz，耦合損耗為65dB，泄漏同軸電纜的傳輸衰減系數(shù)α為18dB/Km，手持移動(dòng)臺(tái)最大輸出按功率為4W（36dBm）計(jì)算，最低工作電平為-105dBm，耦合損耗的波動(dòng)裕量為5dB，接頭及跳線損耗為2dB，分配器耦合總體損耗6dB，車體損耗約10dB，中繼器最小增益20dB：

最大允許損耗αmax=αs+M=36dBm-（-105dBm）=141dBm；

其他相關(guān)損耗M=5dB+2dB+6dB+10dB=23dB；

則泄漏電纜最大允許長(zhǎng)度L=（αmax-Lc-M）/α=（141dB-65dB-23dB）/（18db/Km）=2.94Km。

（2）頻率為800MHz，耦合損耗為68dB，泄漏同軸電纜的傳輸衰減系數(shù)α為35dB/Km，手持移動(dòng)臺(tái)最大輸出按功率為4W（36dBm）計(jì)算，最低工作電平為-105dBm，耦合損耗的波動(dòng)裕量為5dB，接頭及跳線損耗為2dB，分配器耦合總體損耗6dB，車體損耗約10dB，中繼器最小增益20dB：

最大允許損耗αmax=αs+M=36dBm-（-105dBm）=141dBm；

其他相關(guān)損耗M=5dB+2dB+6dB+10dB=23dB；

則泄漏電纜最大允許長(zhǎng)度L=（αmax-Lc-M）/α=（141dB-68dB-23dB）/（35db/Km）=1.43Km。

根據(jù)上述通信鏈路計(jì)算，該種規(guī)則泄漏電纜的最大覆蓋距離為1430m。當(dāng)泄漏電纜最長(zhǎng)為1200m，依照上述計(jì)算方法可得到下列結(jié)果：

350M/4W時(shí)，系統(tǒng)接受的最弱信號(hào)為-73.6dBm，

800M/4W時(shí)，系統(tǒng)接受的最弱信號(hào)為-97dBm。

因?yàn)橄到y(tǒng)下行信號(hào)由無(wú)線基站發(fā)往用戶手持移動(dòng)臺(tái)，輸出電平高出8dB，考慮到漏纜通信系統(tǒng)的耦合過(guò)程等因素，下行信號(hào)將高于上行信號(hào)3dB左右，則擬選用的漏纜規(guī)格能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路、鐵路隧道等復(fù)雜場(chǎng)所數(shù)量越來(lái)越多，規(guī)模越來(lái)越大。科學(xué)合理利用泄漏電纜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路隧道的無(wú)線覆蓋，確保警用移動(dòng)無(wú)線通信暢通，對(duì)消防部隊(duì)滅火救援應(yīng)急處置工作有著十分深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

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