室內(nèi)覆蓋信號概述及隧道覆蓋設(shè)計(jì)

丁浩明

（天津京信通信系統(tǒng)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630）

室內(nèi)覆蓋信號概述及隧道覆蓋設(shè)計(jì)

丁浩明

（天津京信通信系統(tǒng)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630）

隨著人們對網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的要求越來越高，在城市建設(shè)過程中，一些未覆蓋地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)信號設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)課題。為了提高室內(nèi)覆蓋信號以及隧道覆蓋信號質(zhì)量，文章對當(dāng)前常用的隧道內(nèi)無縫覆蓋方法進(jìn)行分析，旨在為信號傳輸提供支持。

室內(nèi)覆蓋；隧道覆蓋；信號質(zhì)量

1 室內(nèi)覆蓋信號

室內(nèi)覆蓋信號設(shè)計(jì)指的是針對室內(nèi)用戶群開展的建筑物內(nèi)部移動通信環(huán)境建設(shè)方案。在室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)中，首先將移動基站的信號均勻分布到室內(nèi)的每一個(gè)角落，確保室內(nèi)每個(gè)區(qū)域的信號覆蓋效果都達(dá)到理想狀態(tài)。系統(tǒng)的主要組成部分是信號源和分布天線。室內(nèi)覆蓋信號源采用宏蜂窩或者微蜂窩基站，可以對室外宏蜂窩話務(wù)進(jìn)行分擔(dān)，從而擴(kuò)大信號覆蓋網(wǎng)絡(luò)，從整體上提高室內(nèi)信號質(zhì)量。

1.1 TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)

室內(nèi)分布是移動通信系統(tǒng)中的重要部分，隨著移動通信多年發(fā)展，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)覆蓋中大部分已建室內(nèi)分布系統(tǒng)都是TD-SCDMA/GSM/WLAN等多網(wǎng)共存的，在現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)中引入TD-LTE，TD-LTE室內(nèi)建設(shè)模式可以分為兩種模式：（1）MIMO雙流建設(shè)方式，可以通過兩路饋線以及天線組成2×2 MIMO系統(tǒng)，通過使用SFBC、空間復(fù)用等方式，提高室內(nèi)覆蓋效果以及用戶使用網(wǎng)絡(luò)的速率（見圖1）；（2）SIMO單流建設(shè)方式，TD-LTE基站僅輸出一路（見圖2）。

各大城市天線覆蓋網(wǎng)絡(luò)十分廣泛。在城市天線覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，要對具體的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，邊緣場強(qiáng)=天線口功率+天線增益－自由空間傳播損耗（含衰落余量）。由于不同建筑的室內(nèi)環(huán)境是不同的，所以要采用實(shí)際模型測試。在室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要對室內(nèi)小區(qū)的數(shù)目、天線的數(shù)目等進(jìn)行確定，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以適用測試發(fā)射設(shè)備，對不同的位置進(jìn)行檢查，查看信號的傳輸效果。本文所描述的模型是一個(gè)站點(diǎn)的通用模型，可以用于典型的室內(nèi)環(huán)境中，在設(shè)計(jì)信號覆蓋網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，要對信號的損耗進(jìn)行計(jì)算，用平均的路徑損耗和有關(guān)的陰影衰減統(tǒng)計(jì)來表征室內(nèi)路徑損耗。基本的模型關(guān)系如下：

其中N表示距離損耗系數(shù)，隨著距離增加，信號損耗越多，f表示信號的頻率，單位為Hz，d表示建筑物之間的距離，單位為m，Lj表示穿越樓層時(shí)產(chǎn)生的損耗，n表示信號穿過不同樓層之間的樓層數(shù)。

例如某個(gè)室內(nèi)覆蓋工程設(shè)計(jì)中，工作頻段為2 300 MHz，帶寬為20 MHz，慢衰落余量取0 dB，邊緣RSRP要求≥-105 dBm，ITU-R P.1238模型中N取28。假設(shè)樓層的天線覆蓋半徑為10 m，則可以計(jì)算出自由空間傳播損耗為：Lr=20lgf+28lgd+p×w－28+0=20lgf+28lg10+p×w－28。一面墻體的衰落余量大約為15 dB，兩面墻體取15 dB×2。

圖1 MIMO雙流建設(shè)方式

圖2 SIMO單流建設(shè)方式

空間傳播損耗Lr=20log（2300）+28LOG（10）+15×1－28+0=82 dB

但是由于天線的單載波功率Lr≥-105 dBm，因此可以得到天線口單載波功率≥-105+82=-23 dBm。

所以該工程中天線口的總功率為：天線口單載波功率+10lg（1200）=-23+30.8=7.8 dBm。

在設(shè)計(jì)過程中，如果需要穿透兩面墻體，則可以取15 dB×2，其他條件不變，可以得到天線口總功率≥7.8 dBm +30 dB =37.8 dBm，已經(jīng)超過電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)15 dBm。所以，在進(jìn)行室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)的時(shí)候，要綜合考慮覆蓋效果、室內(nèi)信號分布情況、信號泄露等問題，LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)的天線功率要按照穿透一面墻進(jìn)行覆蓋規(guī)劃，遵循“多天線，小功率”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)布放，才能提高室內(nèi)分布系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1.2 新型覆蓋系統(tǒng)

傳統(tǒng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)協(xié)調(diào)難度較大，而且隨著室內(nèi)通信壓力逐漸增大，傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的擴(kuò)容過程比較困難，傳統(tǒng)的覆蓋理念不能滿足移動寬帶時(shí)代的需求，所以要加強(qiáng)對分布式系統(tǒng)的研究，深入地解決室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋問題。分布式皮基站現(xiàn)代室內(nèi)分布式系統(tǒng)中的一個(gè)重要應(yīng)用，例如華為公司推出的Lampsite具有易于協(xié)調(diào)、施工快捷、全系統(tǒng)監(jiān)控以及擴(kuò)容快速的優(yōu)點(diǎn)。Lampsite包括基帶處理單元BBU，RHUB，PRRU 3個(gè)部分，Lanpsite采用光纖和網(wǎng)線連接的方式，降低了室內(nèi)分布系統(tǒng)的協(xié)調(diào)難度，而且中間施工環(huán)節(jié)較少，建立基站的速度較快，在當(dāng)前室內(nèi)信號覆蓋領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。

2 隧道信號覆蓋設(shè)計(jì)

本文以隧道環(huán)境為例，對隧道中信號覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，旨在為其他的地下結(jié)構(gòu)信號設(shè)計(jì)提供支持。

常見的隧道結(jié)構(gòu)有鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道，每一種隧道都有不同的特點(diǎn)，在隧道中信號質(zhì)量明顯比隧道外要弱很多，通常公路隧道的信號質(zhì)量好于鐵路隧道和地鐵隧道，因?yàn)楣匪淼赖膶挾容^寬，車道較多，當(dāng)車輛運(yùn)行的時(shí)候還有一些富余的空間可用于信號覆蓋，但鐵路隧道以及地鐵隧道中，當(dāng)火車和地鐵車輛通過的時(shí)候，所剩下的范圍較小，導(dǎo)致信號覆蓋面減小，對信號的傳輸有較大的影響。另外，天線的安裝也會影響到信號的傳輸，公路隧道中的天線尺寸要大于地鐵和鐵路隧道，所以綜合起來，導(dǎo)致公路隧道的信號要比鐵路隧道和地鐵隧道好。對于隧道長短所帶來的信號覆蓋問題，也有不同的處理方式，對于長度較短的隧道，一般是在隧道入口以及出口附近使用普通的天線對隧道內(nèi)進(jìn)行信號覆蓋，但是這種方法對于較長的隧道是不適用的。

2.1 隧道覆蓋方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在進(jìn)行隧道覆蓋方案設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該要對一些基本參數(shù)進(jìn)行了解，比如隧道的長度、隧道的寬度、隧道是一孔還是兩孔，隧道結(jié)構(gòu)、隧道最小的接收電瓶、隧道入口處的電平大小、隧道信號覆蓋要求等，其中隧道的覆蓋要求有幾個(gè)不同的等級，分別是覆蓋50%，90%，95%，98%，99%。

2.2 隧道無線傳播模型

本文主要分析普通信號分布系統(tǒng)在隧道覆蓋中的應(yīng)用。無線電波在隧道傳輸中具有隧道效應(yīng)，即信號的傳播結(jié)果是墻壁反射與直射綜合的結(jié)果。隧道的環(huán)境比較封閉，所以需要考慮的因素較小，在室內(nèi)覆蓋模型設(shè)計(jì)過程中可以將其簡化為下面的關(guān)系：室內(nèi)覆蓋的模型可以簡化為：L=20lf+30ld－28 dB，其中f表示信號傳輸頻率，d表示傳輸距離。

2.3 同軸饋電無源分布式天線系統(tǒng)

由于隧道的長短不相同，在隧道中可以設(shè)計(jì)不同數(shù)量的雙向天線以及信號放大器，對隧道中的信號進(jìn)行放大。信號源可以采用GSM小基站，基站的輸出功率為39 dBm。假設(shè)隧道中需要的最小接收信號電平為-85 dBm，為了保障信號覆蓋率達(dá)到90%，所以再加上8 dB，雙向天線的增益為5 dB，等概率功分器、跳線損耗為2 dB。

2.4 光纖直放站覆蓋

對于一些比較長的隧道，在隧道口設(shè)計(jì)天線并不適合，可以采用同軸饋電無源分布式天線系統(tǒng)疊加使用，但是成本較高，由于隧道較長，在信號傳輸過程中的損耗也比較大。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對于較長的隧道，可以采用光纖直放站、遠(yuǎn)端串聯(lián)的方式進(jìn)行較長的隧道信號覆蓋設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)端每一次都可以對信號進(jìn)行放大，當(dāng)信號在傳輸?shù)臅r(shí)候就可以盡量減少信號的損耗，確保隧道中的信號強(qiáng)度滿足要求。具體的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 光纖直放站覆蓋

對于這種方案，要考慮到光線損耗較小的情況，可以根據(jù)隧道的實(shí)際情況對遠(yuǎn)端的輸出功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)滿功率輸出的目的。在距離隧道出口的地方要進(jìn)行調(diào)整，防止信號泄露。

2.5 多網(wǎng)合一

多網(wǎng)合一指的是只使用一套TCP/IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過統(tǒng)一的TCP/IP傳輸模式，將個(gè)股子系統(tǒng)串聯(lián)起來，從而形成一個(gè)復(fù)雜的管理網(wǎng)絡(luò)，在集成網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)部分的管理和控制。多網(wǎng)合一理念在智能建筑小區(qū)建設(shè)過程中比較常用，在隧道信號覆蓋設(shè)計(jì)過程中，除了對當(dāng)前比較熱門的3G和4G技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，也可以實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)合一，將隧道監(jiān)控、隧道內(nèi)的信號傳輸?shù)雀鱾€(gè)過程集成在一個(gè)系統(tǒng)中，從而提高隧道內(nèi)信號的傳輸質(zhì)量，還可以實(shí)現(xiàn)對隧道信號帶寬的實(shí)時(shí)調(diào)控。

2.6 GRRU數(shù)字光纖射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)在隧道覆蓋中的應(yīng)用

以鐵路為例，鐵路車輛運(yùn)行的速度十分快、信號衰落快，手機(jī)需要在不同的基站服務(wù)區(qū)域間進(jìn)行切換，而且現(xiàn)代的很多車廂本身對手機(jī)信號產(chǎn)生影響導(dǎo)致信號衰耗較大，如果用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)去覆蓋高鐵其接通一般為70%～80%，GRRU數(shù)字光纖射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用，可以提高鐵路隧道信號覆蓋水平。以廣深港高鐵為例，深圳段建設(shè)中信號覆蓋采用GSM900系統(tǒng)，提供信號源的小區(qū)一共有6個(gè)，其中發(fā)射點(diǎn)共包括紅線內(nèi)23個(gè)拉遠(yuǎn)點(diǎn)，紅線外42個(gè)拉遠(yuǎn)點(diǎn)。

GRRU數(shù)字光纖射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種功能：（1）自動時(shí)延調(diào)整功能，消除重疊區(qū)域的延時(shí)色散干擾；（2）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，在信號傳輸過程中公共網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)之間可以隨時(shí)切換，而且在廣深港高鐵也覆蓋了專用網(wǎng)絡(luò)，確保用戶在車輛高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的通話質(zhì)量；（3）專網(wǎng)小區(qū)優(yōu)化，信源小區(qū)專用頻點(diǎn)在945～954 MHz范圍內(nèi)，而且小區(qū)的頻點(diǎn)經(jīng)過調(diào)整，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)專供，避免對信號產(chǎn)生干擾；（4）網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)不斷提升，由于系統(tǒng)中的有源設(shè)備較多，加上自然環(huán)境的影響，GRRU的故障率要比主設(shè)備高，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的優(yōu)化難度較大，對于設(shè)備的穩(wěn)定性還要不斷研究。

3 結(jié)語

建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，可以有效地改善建筑物內(nèi)的信號質(zhì)量，例如改善通話質(zhì)量，提高電話的接通率。在隧道覆蓋設(shè)計(jì)中，要根據(jù)隧道的實(shí)際情況，對室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行靈活應(yīng)用，以提高信號覆蓋水平。

[1]郭本英，米世成.隧道內(nèi)無線信號覆蓋論述[J].信息通信，2013（5）：179-180.

[2]王夢文，竇巖.室內(nèi)覆蓋信號的概述及隧道覆蓋的典型設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2005（9）：597-600.

Overview of indoor coverage signal and design of tunnel coverage

Ding Haoming
（Guangzhou Branch of Tianjin Jingxin Communication System Co., Ltd., Guangzhou 510630, China）

With the increasing demand for the quality of network communication, some network signal design in some uncoverable areas has become a key issue in urban construction. In order to improve the indoor coverage signal and tunnel coverage signal quality, the article is currently used of the tunnel seamless coverage method for analysis, designed to provide support for signal transmission.

indoor coverage; tunnel coverage; signal quality

丁浩明（1980— ），男，廣東梅州人，本科；研究方向：各大運(yùn)營商多系統(tǒng)通信工程覆蓋系統(tǒng)集成。