深圳市地鐵同頻同播基站覆蓋設(shè)計(jì)

莫志剛

(深圳市地鐵三號(hào)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(hào)在隧道內(nèi)、站廳、站臺(tái)范圍內(nèi)應(yīng)做到無縫隙覆蓋,且從地面至地下移動(dòng)通信過程中,無通信斷層,不需信道轉(zhuǎn)換操作。深圳地鐵3號(hào)線無線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中考慮了3組無線同頻同播網(wǎng),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(hào)線公安無線通信系統(tǒng)概況

深圳地鐵3號(hào)線西延線公安無線通信系統(tǒng)為地鐵警用、消防、指揮調(diào)度員和公安車站值班員等建立通信手段。該系統(tǒng)使用350 MHz警用無線頻點(diǎn),與現(xiàn)有公安350 MHz網(wǎng)絡(luò)有機(jī)銜接,整合為一個(gè)完整、統(tǒng)一的通信調(diào)度指揮網(wǎng)。本系統(tǒng)采用無線同頻同播技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng),且引入衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)(GPS)鎖頻控制技術(shù)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(fù)雜等環(huán)境下的無線通信。系統(tǒng)覆蓋區(qū)域包括站廳、站臺(tái)及隧道;站廳、站臺(tái)采用辮狀天線覆蓋,隧道采用泄漏電纜覆蓋。

本系統(tǒng)包括公安指揮網(wǎng)、地鐵分局網(wǎng)、消防專網(wǎng)等3組無線同播網(wǎng)絡(luò)。其中,公安指揮網(wǎng)地面部分已建成,本項(xiàng)工程是將該網(wǎng)絡(luò)向地鐵內(nèi)部擴(kuò)展;地鐵分局網(wǎng)和消防專網(wǎng)是新組建網(wǎng)。系統(tǒng)鏈路采用有線鏈路與無線鏈路混合模式,地鐵網(wǎng)采用由光纜傳輸系統(tǒng)提供的有線鏈路。從區(qū)域功能劃分,無線通信系統(tǒng)由指定區(qū)域地鐵內(nèi)同播網(wǎng)組成。

2 公安無線通信系統(tǒng)覆蓋要求及功能

地鐵內(nèi)部覆蓋目標(biāo)為:

(1)地鐵站臺(tái)、站廳、警務(wù)站覆蓋率達(dá)到98%;

(2)地鐵各進(jìn)出口通道覆蓋率達(dá)到90%;

(3)地下商業(yè)城覆蓋率達(dá)到95%;

(4)地鐵隧道覆蓋率達(dá)到90%。

本系統(tǒng)采用同播技術(shù)組建,利用多個(gè)同頻中轉(zhuǎn)臺(tái)的協(xié)同工作,達(dá)到擴(kuò)大覆蓋范圍和加強(qiáng)覆蓋強(qiáng)度的目的。從可靠性方面考慮,公安指揮網(wǎng)、地鐵分局網(wǎng)及消防專網(wǎng)采用平行配置方式,即3組網(wǎng)相互獨(dú)立,除部分設(shè)備共用外,其它設(shè)備都獨(dú)立配置。因此,當(dāng)系統(tǒng)某設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),影響范圍僅限于某一同播網(wǎng),而不是所有同播網(wǎng)。

每個(gè)同播網(wǎng)又分為地鐵部分和交換控制中心。地鐵網(wǎng)各同播站采用光纜所提供的有線鏈路連接,其同步基準(zhǔn)信號(hào)采用中心時(shí)鐘信號(hào)方式。交換控制中心負(fù)責(zé)各地鐵同播站信號(hào)間的相互交換,同時(shí)完成地面網(wǎng)與地鐵網(wǎng)之間的相互轉(zhuǎn)接。交換控制中心配置時(shí)鐘調(diào)制器。時(shí)鐘調(diào)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(jīng)解調(diào)后還原為秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)。解調(diào)器具備延時(shí)補(bǔ)償功能,以補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)傳輸所產(chǎn)生的延時(shí),使解調(diào)出的秒時(shí)鐘脈沖信號(hào)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(yù)算是估算基站覆蓋能力的重要手段,它根據(jù)空中接口的技術(shù)特點(diǎn),計(jì)算鏈路的功率衰減和信噪比損失。鏈路預(yù)算的結(jié)果被稱為最大各向同性路徑損耗。使用適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ涂梢詫⑵滢D(zhuǎn)化為基站的覆蓋小區(qū)范圍。鏈路預(yù)算可分為上行鏈路預(yù)算和下行鏈路預(yù)算。

上行鏈路預(yù)算公式為:

最大允許路徑損耗=移動(dòng)臺(tái)總的功率級(jí)-人體損耗+基站接收天線增益-基站饋線損耗總計(jì)-系統(tǒng)余量-基站靈敏度。

下行鏈路預(yù)算公式為:

最大允許路徑損耗=基地臺(tái)總的功率級(jí)-相關(guān)損耗+基站接收天線增益-基站饋線損耗總計(jì)-系統(tǒng)余量-移動(dòng)臺(tái)靈敏度。

因基站發(fā)射功率遠(yuǎn)大于移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率,下行覆蓋遠(yuǎn)大于上行覆蓋,因此同頻同播對(duì)講通信系統(tǒng)的通信效果受限于上行覆蓋。

無線網(wǎng)絡(luò)傳播環(huán)境非常復(fù)雜,廠家設(shè)備性能、系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、具體工程參數(shù)設(shè)定等相關(guān)取值也千差萬別。為簡化分析過程,以下鏈路預(yù)算將取一些代表性參數(shù)值,計(jì)算丘陵環(huán)境和覆蓋要求情況下的上行鏈路預(yù)算。不規(guī)則地形(地形高差Δh=50 m)的上下行鏈路預(yù)算見表1。

表1 上下行鏈路預(yù)算表(不規(guī)則地形)

3.2 基站覆蓋半徑計(jì)算

陸地移動(dòng)通信移動(dòng)臺(tái)的天線高度一般只超出地面數(shù)米,因而受地形、地物的影響極大;且由于移動(dòng)臺(tái)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其傳播路徑時(shí)刻在變化,影響電波傳播的地形、地物也時(shí)刻變化,傳播特性異常復(fù)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(lián)盟(ITU)推薦的移動(dòng)通信場強(qiáng)預(yù)測模型——Okuamura-Hata模型,進(jìn)行覆蓋預(yù)測計(jì)算。

Okuamura-Hata模型有兩點(diǎn)假設(shè)條件:

(1)是準(zhǔn)平滑地形而不是不規(guī)則地形;

(2)適用于城市市區(qū)傳播損耗的計(jì)算,其他地區(qū)采用校正公式進(jìn)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(dòng)臺(tái)天線高度為1～10 m,通信距離為1～20 km,超出通信范圍需進(jìn)行γ因子修正。

傳播損耗公式為:

式中:

Lb——城市市區(qū)的基本傳播損耗中值;

d——通信距離,km;

f——頻率,MHz;

hm——移動(dòng)臺(tái)天線的有效高度,m;

hb——基站天線有效高度,m。

設(shè)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(dòng)臺(tái)所在位置的地面海拔高度為hmg,則hb=hs+hg-hmg。

移動(dòng)臺(tái)天線高度的修正因子a(hm)為:

遠(yuǎn)距離傳播修正因子:

為了使模型更附合實(shí)際情況,需要進(jìn)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(jì)算,本文給出任意角度的擬合公式。設(shè)傳播方向與街道的夾道為θ,則:

街道效應(yīng)一般在8～10 km后將會(huì)消失,故只考慮10 km之內(nèi)。

(2)郊區(qū)校正因子Kmr。

(3)開闊地校正因子Q0。

(4)準(zhǔn)天闊校正因子Qr。

(5)農(nóng)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(jù)鏈路預(yù)算的結(jié)果并通過Okuamura-Hata傳播模型的計(jì)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(dāng)其他條件不變時(shí),采用不同的終端,其覆蓋半徑是有很大差別的;同時(shí),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(yù)算只能大致預(yù)測基站的覆蓋,實(shí)際的覆蓋情況需要實(shí)地測試得到。

[1] 周文安.無線通信原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

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

[3] 徐小濤.數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2008.