多載波協(xié)同解決超長隧道覆蓋方案的應(yīng)用

【摘 要】移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的目標(biāo)是無縫、連續(xù)的覆蓋，雖然經(jīng)歷了十來年大躍進(jìn)式的發(fā)展，但一些典型區(qū)域的覆蓋，比如超長、彎度較多的隧道，在以往的解決方案中均是考慮信源+干放的形式，但結(jié)果卻總差強(qiáng)人意，造成網(wǎng)絡(luò)差，掉話率高，投資浪費(fèi)的現(xiàn)象，使客戶更感到反感?；谥T多類似問題，我們對于超長隧道的覆蓋必須采取其他一些手段，重點(diǎn)需解決掉頻繁切換、重疊覆蓋區(qū)域要求大，多普勒頻移等鐵路隧道固有特性，所以多載頻協(xié)同（RRU共小區(qū)）便能很好的解決這一問題。

【關(guān)鍵詞】隧道；多載頻協(xié)同；切換；多普勒頻移；BBU+RRU

1.隧道面臨問題

隧道是公路、鐵路的特殊地段，一般在山區(qū)，這些區(qū)域基站稀少，本身覆蓋范圍有限，另外由于山區(qū)復(fù)雜的多阻擋地形、車速較快，加之車體對信號(hào)的遮擋導(dǎo)致隧道內(nèi)部信號(hào)極差。特別是當(dāng)火車通過時(shí)，隧道四周所剩余空間較小，對無線信號(hào)傳播影響很大。

1.1 隧道要解決問題

隧道覆蓋要解決的問題就是隧道內(nèi)盲區(qū)的覆蓋，并且解決隧道口的進(jìn)出切換。

1.2 隧道類型問題

隧道的類型可以按用途分、按結(jié)構(gòu)分和按長度分。我們在這里重點(diǎn)分析下按長度分的幾種隧道覆蓋解決方案，并重點(diǎn)說明下采用多載頻協(xié)同解決超長隧道覆蓋方案的應(yīng)用，首先我們根據(jù)鏈路預(yù)算結(jié)果可以把隧道分成以下幾種類型：

（1）短隧道：小于500米

（2）中長隧道：500-1000米

（3）長隧道：1000-4000米

（4）超長隧道：大于4000米

1.3 影響覆蓋效果問題

1.3.1 車體類型

不同車體對無線信號(hào)的穿透損耗不同，當(dāng)前我國列車車體主要有普通列車、CRH1（龐巴迪）、CRH2等車體。其中龐巴迪的綜合損耗最大，一般工程取24dB的綜合傳播衰減值。

1.3.2 列車速度

列車運(yùn)行速度直接影響小區(qū)間的切換時(shí)間，對隧道口與室外大站的重疊覆蓋區(qū)間的大小。目前過年高鐵的時(shí)速已達(dá)350Km/h。這對隧道覆蓋提出了更高要求。

1.4 隧道覆蓋信源問題

鐵路隧道屬于鐵路特殊地段，主要需解決盲區(qū)、弱區(qū)信號(hào)覆蓋問題。

（1）對于獨(dú)立的短隧道：可以采用直放站進(jìn)行覆蓋；

（2）對于連續(xù)中長隧道群：采用同一專用信源，利用光纖拉遠(yuǎn)進(jìn)行覆蓋，并將隧道與隧道之間的區(qū)域納入隧道覆蓋中，避免切換；

（3）對于長距離以上隧道：采用專用信源，利用光纖拉遠(yuǎn)進(jìn)行覆蓋。

1.5 進(jìn)出隧道切換問題

鐵路隧道覆蓋針對的客戶是高速移動(dòng)中的火車客戶，要保證車輛進(jìn)入隧道后順利切換是一個(gè)重要問題。

如果信源使用直放站，那么隧道內(nèi)外屬于同一小區(qū)，不存在切換。如果信源使用宏蜂窩時(shí)，在列車進(jìn)入隧道后，隧道外小區(qū)信號(hào)電平急劇下降，很可能由于不能及時(shí)切換發(fā)生掉話。因此，在制定隧道信號(hào)覆蓋方案時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在隧道進(jìn)出口外裝室外定向天線，保證隧道內(nèi)外不同小區(qū)間有足夠的重疊覆蓋區(qū)域，確保隧道內(nèi)外信號(hào)順利切換；

（2）定向天線盡量選用高增益、前后比較小的天線，以保證足夠的天線功率；

（3）注意切換帶的位置不要位于隧道內(nèi)部，盡量使切換在進(jìn)出口發(fā)生；

（4）隧道外小區(qū)可以啟動(dòng)電平快速下降的切算算法，使得電平在快速下降時(shí)能夠及時(shí)切換到隧道小區(qū)以免掉話。

圖1.1 隧道進(jìn)出口天線安裝示意圖

1.6 隧道內(nèi)覆蓋問題

常規(guī)天線覆蓋：通常用直放站+常規(guī)天線；結(jié)構(gòu)簡單，但覆蓋不均勻。

泄漏電纜覆蓋：優(yōu)勢在于可對多種服務(wù)同時(shí)提供覆蓋；劣勢在于始端與末端場強(qiáng)差異大，會(huì)導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，造價(jià)昂貴，施工工程量大，維護(hù)不便。

1.7 隧道內(nèi)損耗問題

室內(nèi)無線鏈路衰耗主要由路徑衰耗中值與陰影衰落決定。隧道可以認(rèn)為是一管道，信號(hào)傳播是墻壁反射與直射的結(jié)果，直射為主要分量。ITU-R建議P.1238提出室內(nèi)適用的傳播模型，這種傳播模型對隧道覆蓋也是有效的，這個(gè)公式為：

Lpath=20lgf+30lgd+Lf（n）-28dB

其中：f：頻率（MHz）；d：距離（米）；Lf：樓層穿透損耗因子（dB）；n：終端與天線間的樓層數(shù)。

在我們討論的隧道覆蓋場合，Lf（n）可以不用考慮。因此在隧道中無線傳播可以用下式進(jìn)行估算。

Lpath=20lgf+30lgd-28dB

2.案例說明

前面我們從隧道覆蓋面臨的問題出發(fā)，分析了信源、切換、天饋選擇和損耗問題。下面我們根據(jù)一個(gè)實(shí)例，具體說明下采用多載波協(xié)調(diào)技術(shù)在超長隧道的解決方案：

甘肅烏鞘嶺鐵路隧道屬國家一級(jí)鐵路干線，橫跨甘肅省古浪、天祝兩縣，位于蘭新鐵路打柴溝、龍溝站之間，全長20.05公里，高8.5米，寬6米。是我國鐵路史上首次長度突破20公里、亞洲最長的陸地隧道。該隧道距離蘭州173公里，分上行下行兩條，兩隧道線間距40米，隧道內(nèi)每隔約400米有一條連通上下行隧道的橫通道，共51條。隧道中部約650米距離范圍內(nèi)設(shè)有5條應(yīng)急疏散通道。隧道設(shè)計(jì)最高車速為160公里/小時(shí)。洞內(nèi)至今不通信號(hào)。

2.1 容量配置

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天通過烏鞘嶺隧道的列車有46班次。0點(diǎn)-8點(diǎn)的有9趟，這期間幾乎無通話需求；9點(diǎn)-23點(diǎn)有35趟，我們隨機(jī)選取了晚忙時(shí)20點(diǎn)左右通過烏鞘嶺的列車T9206（嘉峪關(guān)-蘭州）來進(jìn)行乘客統(tǒng)計(jì)分析：

乘客人數(shù)：118（單車座位）*15（車廂數(shù)）

*0.9（上座率）*0.9（座臥系數(shù)）=1434人。

通話量=1434*80%（手機(jī)普及率）*60%（移動(dòng)GSM用戶占用率）*0.1（用戶通話率）=69次。

（注：以上數(shù)據(jù)均為經(jīng)驗(yàn)值，用戶通話率考慮了漫游和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）

既列車通過隧道時(shí)信源需滿足同時(shí)69個(gè)信道容量，6-7套邏輯載波。

2.2 天線位置

我們假定需要的最小信號(hào)電平為-90dBm，快、慢、干擾衰落和車體損耗合計(jì)30dB，為保證90%的覆蓋概率，需要增加8dB余量。這樣我們在計(jì)算鐵路隧道覆蓋時(shí)邊緣場強(qiáng)按照-82～-90dBm估算。

根據(jù)以上要求，我們可以估算鐵路隧道第一個(gè)天線距離隧道口覆蓋距離以及隧道內(nèi)天線覆蓋距離。

天線至隧道口的距離d的計(jì)算如下式：

POUT-LPATH（d）-Ljumper（d）+GANT=-90dBm+8dB+30dB

式中：POUT：信源輸出功率（假設(shè)43dBm），因采用二功分帶2面天線，實(shí)際效果為39.5dBm；LPATH（d）：第一個(gè)天線到隧道口路徑損耗；Ljumper（d）：跳線損耗（1dB）；GANT：天線增益（以GSM系統(tǒng)15dB增益計(jì)算）。

LPATH（d）=POUT-Ljumper（d）+GANT+90dBm-8dB-30dB=39.5-1+15+90-8-30=105.5dB

105.5dB=20lg900（MHz）+30lgd（米）-28dB

d=302米

通過上式我們計(jì)算得天線距隧道口小于300米可以滿足順利要求。

隧道內(nèi)天線覆蓋距離d1計(jì)算如下式：

POUT-LPATH（d1）-Ljumper（d）+GANT=-90dBm+8dB+30dB

式中：POUT：信源輸出功率（假設(shè)43dBm），因采用二功分帶2面天線，實(shí)際效果為39.5dBm；LPATH（d1）：隧道內(nèi)天線路徑損耗；Ljumper（d）：跳線和功分器損耗（1dB）；GANT表示天線增益（以八木天線13dB增益計(jì)算）。

LPATH（d1）=POUT-Ljumper（d）+GANT+90dBm-30dB=39.5-1+13+90-30=111.5dB

111.5dB=20lg900（MHz）+30lgd（米）-28dB

d=479米

通過上式我們計(jì)算得單根增益為13dBi的八木天線在一個(gè)方向上覆蓋距離為479米，即每臺(tái)RRU覆蓋距離為：479米*2=958米。

圖2.1 隧道內(nèi)常規(guī)天線覆蓋安裝示意圖

至于泄流電纜方案，這里暫不贅述，只給出結(jié)果：

單向漏纜在一個(gè)方向上覆蓋距離為1160米，即每臺(tái)RRU覆蓋距離為：

1160米*2=2320米。

圖2.2 隧道內(nèi)泄漏電纜覆蓋安裝示意圖

不管覆蓋方式是常規(guī)天線還是泄漏電纜，通過鏈路預(yù)算我們均可以準(zhǔn)確的計(jì)算出RRU安裝個(gè)數(shù)和安裝位置，為隧道內(nèi)覆蓋提供準(zhǔn)確、高效的設(shè)計(jì)方案。

一個(gè)超長隧道覆蓋采用了多載頻協(xié)同技術(shù)，可以把隧道口內(nèi)外配置為同一個(gè)小區(qū)，也就是隧道內(nèi)外均不需要二次切換，保證了用戶體驗(yàn)也提高了覆蓋效率。

圖2.3 多載頻協(xié)同覆蓋隧道示意圖

3.其他問題

（1）單向切換：隧道出入口小區(qū)要進(jìn)行單向切換，否則會(huì)出現(xiàn)掉話；

（2）RRU成環(huán)：每6個(gè)RRU成鏈，用2芯光纖，建議RRU放置避人洞內(nèi)；

（3）切換帶：洞內(nèi)必須切換一次，但切換帶必須有重疊部分，并避免在疏散通道附近切換，導(dǎo)致信號(hào)泄露、小區(qū)切換；

（4）除了必要的實(shí)地勘察外，還需落實(shí)隧道內(nèi)電纜、光纜和MINI機(jī)房的建設(shè)方式。

（5）由于洞內(nèi)空間小、車速快，導(dǎo)致風(fēng)壓較大，在施工安全和施工工藝上也需務(wù)必考慮周到。

4.總結(jié)

本方案場景并非一個(gè)多新潮的事物，只是和以往相比，引進(jìn)的新技術(shù)對此類應(yīng)用更加實(shí)用，不僅大幅度減少了切換次數(shù)，并可以提高載頻利用率，節(jié)約了載頻資源。對在今后類似場景也提供了一定的參考數(shù)據(jù)，為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)精確化建設(shè)提供更合體量身的建設(shè)方案。