地鐵無(wú)線TETRA系統(tǒng)的覆蓋與優(yōu)化

周海春

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)城市地鐵建設(shè)的加快，地鐵專用無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于TETRA標(biāo)準(zhǔn)具有技術(shù)開(kāi)放、先進(jìn)、頻率利用率高、保密性強(qiáng)、語(yǔ)音質(zhì)量好、呼叫建立時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，目前各城市新建的專用無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)大都采用了該標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合深圳地鐵TETRA系統(tǒng)的應(yīng)用情況，重點(diǎn)介紹如何做好TETRA系統(tǒng)的覆蓋及優(yōu)化工作。

1 地鐵無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋考慮因素

1．地鐵線路沿線無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)主要覆蓋在運(yùn)營(yíng)線路狹長(zhǎng)的地帶，其規(guī)劃類似于線性、鏈狀的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)，而車站內(nèi)及車輛段 (停車場(chǎng))內(nèi)的無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)規(guī)劃與民用建筑內(nèi)相類似。

2．地鐵場(chǎng)強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)需參照土建環(huán)境，考慮地下、高架、站內(nèi)及車輛段 (停車場(chǎng))等不同的情況。

3．場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的最終目的應(yīng)以滿足地鐵范圍內(nèi)對(duì)無(wú)線的需求，滿足無(wú)線通信場(chǎng)強(qiáng)邊緣接收電平及無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋概率2大指標(biāo)。

4．場(chǎng)強(qiáng)覆蓋應(yīng)滿足電磁環(huán)境衛(wèi)生要求。

地鐵隧道區(qū)間或高架區(qū)間漏纜距列車車體邊緣一般不超過(guò)6m，因此漏纜至車載臺(tái)的無(wú)線傳播為視距傳播。傳播路徑損耗為漏纜耦合損耗+其他附加損耗。

站廳及出入通道，一般1個(gè)天線覆蓋半徑不超過(guò)50m，設(shè)備區(qū)不超過(guò)15m，因此天線至移動(dòng)臺(tái)的無(wú)線傳播為視距傳播。傳播路徑損耗為視距自由空間損耗+其他附加損耗。

2 專用無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)步驟

1．根據(jù)設(shè)計(jì)余量，確定上、下行無(wú)線鏈路的最小接收電平。

2．按照鏈路計(jì)算能量需求，兼顧上、下行鏈路余量平衡，選取合適的基站發(fā)射功率，有利于節(jié)能及環(huán)保，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

3．選用不同參數(shù)的功分器及定向耦合器，以優(yōu)化基站射頻能量在不同覆蓋區(qū)域內(nèi)合理分配，確保運(yùn)營(yíng)車站、區(qū)間及列車司機(jī)與行車調(diào)度之間的無(wú)線信道質(zhì)量。

4．通過(guò)對(duì)漏泄電纜、天線、射頻電纜的優(yōu)化選型 (各類損耗及增益)及安裝設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到場(chǎng)強(qiáng)覆蓋面積最大化和節(jié)約資源的目的。

5．在滿足移動(dòng)臺(tái)邊緣場(chǎng)強(qiáng)的同時(shí)，滿足電磁環(huán)境衛(wèi)生的要求。

6．確定與核算滿足移動(dòng)臺(tái)邊緣場(chǎng)強(qiáng)，基站覆蓋1/2區(qū)間漏纜末端電平，車站室內(nèi)天線端口電平等。

7．確定末端電平余量預(yù)算后，只需計(jì)算從基站至漏纜末端，或天線端口的鏈路即可。

8．根據(jù)實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)效果，無(wú)法通過(guò)直接覆蓋實(shí)現(xiàn)的，可通過(guò)增加光纖直放站的數(shù)量來(lái)提高場(chǎng)強(qiáng)。

3 無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的計(jì)算

通過(guò)選取合適的設(shè)備及參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得到相關(guān)覆蓋數(shù)據(jù)，為無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋及優(yōu)化提供參考。以深圳地鐵為例，最小接收電平－85dBm、覆蓋概率95%、設(shè)計(jì)余量 6dB，分別計(jì)算 1-5/8″漏纜、1-1/4″漏纜及出站廳、出入口、換乘通道等覆蓋范圍。

3.1 區(qū)間采用1-5/8″漏纜

手持臺(tái)滿足100m連續(xù)區(qū)段內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)無(wú)縫覆蓋時(shí)間及地點(diǎn)概率為95%的要求，1-5/8″漏纜區(qū)間長(zhǎng)度計(jì)算方程:

其中，P為手持臺(tái)發(fā)射功率，A為分布系統(tǒng)損耗，B為漏纜系統(tǒng)損耗，C為附加損耗。

已知 1-5/8″漏纜安裝高度距軌面3.6m，1/2區(qū)間漏纜長(zhǎng)度為 L/2(m)，基站輸出功率為25W(44dBm)，最小接收電平為－90dBm，手持臺(tái)輸出功率為1W(30dBm)。相應(yīng)參數(shù)值及鏈路計(jì)算見(jiàn)表1～表3。

對(duì)于基站 (手持臺(tái))上行鏈路，將相應(yīng)參數(shù)值代入公式 (1)可得:30－12.7－ (B1*L/2+58)－15.5=－90dBm(B1=0.03，為漏纜傳輸損耗系數(shù))，則L=2252m。

表1 A分布系統(tǒng)損耗表

表2 B漏纜系統(tǒng)損耗

表3 C附加損耗計(jì)算表

對(duì)于基站下行鏈路，將參數(shù)值代入公式 (1)可得:44－12.7－ (B1*L/2+58) －18.5=－85dBm，則L=2652m。實(shí)際計(jì)算中一般只考慮基站上行鏈路即可。

在不加直放站的情況下，車站區(qū)間1-5/8″漏纜覆蓋的最大距離為2252m，對(duì)于區(qū)間超過(guò)此長(zhǎng)度的應(yīng)增加直放站。

3.2 區(qū)間采用1-1/4″漏纜

1-1/4″漏纜傳輸損耗系統(tǒng)為0.037dB/m，代入公式 (1)得L=1394m。在不加直放站的情況下，車站區(qū)間 1-1/4″漏纜覆蓋的最大距離為1394m。因此在小于1394m的區(qū)間，可以考慮采用1-1/4″漏纜覆蓋。

3.3 站廳、出入口通道、換乘通道等區(qū)域覆蓋

以站廳中心設(shè)置一個(gè)天線為例，天線覆蓋半徑為50m，計(jì)算鏈路損耗時(shí)，采用自由空間模型，空間損耗計(jì)算公式為:

其中，F(xiàn)為頻率 (MHz);D為距離 (km)。以F=850MHz為例，代入公式 (2)，可得50m空間損耗為64.97dB。手持臺(tái)功率1W(30dBm)，雙工器插入損耗1dB，耦合損耗30dB，功分器(1/4)損耗6.5dB，1/2同軸電纜100m損耗6.5dB，人體損耗2dB，這樣移動(dòng)臺(tái)接收?qǐng)鰪?qiáng)為

30－64.97－1－30－6.5－6.5－2=－80.97dBm

而基站接受靈敏度為－90dBm，滿足室內(nèi)天線端口功率小于10dBm的要求。

近年來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)漏纜的大量應(yīng)用，越來(lái)越多的地鐵車站站廳、出入口通道、換乘通道等區(qū)域采用漏纜覆蓋，場(chǎng)強(qiáng)效果更好。

4 地鐵線路之間的無(wú)線覆蓋規(guī)劃

無(wú)線規(guī)劃和覆蓋設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足移動(dòng)臺(tái)在穿越地鐵幾條不同運(yùn)營(yíng)線路時(shí)，網(wǎng)間小區(qū)重選和越區(qū)切換要求，越區(qū)切換時(shí)移動(dòng)臺(tái)應(yīng)能保持通話的連續(xù)性和語(yǔ)音質(zhì)量。

深圳地鐵1—5號(hào)線無(wú)線基站和交換機(jī)采用同一家供應(yīng)商 (EADS公司)的設(shè)備。各線在無(wú)線交換機(jī)層面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，2條線路交匯換乘站采用共用基站 (部分換乘站為分設(shè)基站，三期建設(shè)為共用基站模式)，減少了基站建設(shè)投資，節(jié)省使用頻點(diǎn)。共用基站場(chǎng)強(qiáng)不僅覆蓋了本網(wǎng)絡(luò)線路區(qū)間，還覆蓋了不同網(wǎng)絡(luò)的線路區(qū)間，形成網(wǎng)間小區(qū)邊緣場(chǎng)強(qiáng)的重疊區(qū)，滿足移動(dòng)臺(tái)在換乘站區(qū)間的網(wǎng)間越區(qū)切換，實(shí)現(xiàn)了各條線路無(wú)線用戶的互聯(lián)互通。

在2條線路無(wú)線交換機(jī)不互聯(lián)時(shí) (或采用不同交換機(jī)暫時(shí)無(wú)法互聯(lián)時(shí))，在線路交匯換乘站可采用互聯(lián)控制器的方式，實(shí)現(xiàn)車站范圍內(nèi)不同線路站務(wù)及維修人員的TETRA移動(dòng)電話互通。在不同線路2個(gè)基站覆蓋下，形成2條線路信號(hào)完全重疊的互聯(lián)互通覆蓋區(qū)。

深圳地鐵原一、二期1—5號(hào)線專用無(wú)線交換設(shè)備為歐宇航DXTip，三期7、9、11號(hào)線目前已招標(biāo)為海能達(dá)的ACCESSNET-TIP設(shè)備，由于廠家不同，設(shè)備差異很大，暫時(shí)無(wú)法完成中心級(jí)交換機(jī)互聯(lián)。為此，一、二期與三期換乘站的無(wú)線規(guī)劃為:原1—5號(hào)線無(wú)線專網(wǎng)信號(hào)延伸覆蓋至7、9、11號(hào)線區(qū)域，而7、9、11號(hào)線也延伸覆蓋至1—5號(hào)線區(qū)域，形成2個(gè)不同線路場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)完全重疊，換乘站的站務(wù)及維修人員無(wú)論在1—5號(hào)線區(qū)域或7、9、11號(hào)線區(qū)域發(fā)起呼叫，都可以先叫回歸屬網(wǎng)，再叫通互聯(lián)互通服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)1—5號(hào)線與7、9、11號(hào)線的無(wú)線電話互通，有利于發(fā)生緊急情況時(shí)的聯(lián)合應(yīng)急指揮。

5 交換機(jī)小區(qū)重選參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置

在地鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，小區(qū)重選是影響無(wú)線通信質(zhì)量的重要問(wèn)題之一。因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)在地鐵沿線隧道內(nèi)或高架區(qū)間傳播會(huì)造成信號(hào)的瑞利衰落，從而影響無(wú)線通信的質(zhì)量。如果地鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)或者小區(qū)重選參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)引起掉話。下面以深圳地鐵EADSDXTip交換機(jī)及TB3基站為例，分析對(duì)小區(qū)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置。與小區(qū)重選關(guān)聯(lián)的6個(gè)小區(qū)重選參數(shù)及基站的發(fā)射功率的優(yōu)化選取見(jiàn)表4。

1．參數(shù)SRT及FRT。通常情況下，根據(jù)小區(qū)間無(wú)線信號(hào)重疊區(qū)、列車運(yùn)行速度及無(wú)線環(huán)境情況，可將FRH和SRH設(shè)置為0～6dB。車載臺(tái)最大發(fā)射功率為35dBm，NTXPWER設(shè)置為35dBm，NRXLEV設(shè)置為－105dBm，小區(qū)重選與切換見(jiàn)圖1，計(jì)算條件參見(jiàn)表5。當(dāng)SRT和FRT值被設(shè)置為0～30dB時(shí)，空閑狀態(tài)與通話狀態(tài)下觸發(fā)電平可以設(shè)置在－105～－45dBm(空閑狀態(tài))和－105～－75dBm(通話狀態(tài))。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，觸發(fā)電平在空閑狀態(tài)下設(shè)置為－59dBm，通話狀態(tài)下設(shè)置為－75dBm比較理想，則參數(shù)優(yōu)化設(shè)置為FRT=30dB，SRT=16dB。

圖1 小區(qū)重選與切換圖

2．參數(shù)SRH及FRH。車輛段、停車場(chǎng)在地面采用全向或定向天線實(shí)施覆蓋，且列車在車輛段、停車場(chǎng)出入線運(yùn)行時(shí)，速度較低，甚至可能停車進(jìn)行呼叫通話。因此，應(yīng)采用與正線區(qū)間不同的小區(qū)重選參數(shù) (FRH及SRH應(yīng)大于正線2～4dB)，以保證該區(qū)域小區(qū)重選時(shí)的通信質(zhì)量要求。優(yōu)化參數(shù)設(shè)置為:正線，SRH=FRH=2dB;車輛段，SRH=FRH=4dB。

3．參數(shù)POW。對(duì)于基站的發(fā)射功率選取要針對(duì)高架、地下、長(zhǎng)短區(qū)間分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置?？紤]到地下區(qū)間相對(duì)封閉，漏纜安裝高度相對(duì)較高，區(qū)間相對(duì)較短;而高架區(qū)間相對(duì)開(kāi)放，漏纜安裝相對(duì)較低，區(qū)間也普遍較長(zhǎng)。因此，對(duì)于地下段 (或短區(qū)間)將基站功率優(yōu)化調(diào)整為4W，則POW=36dBm;對(duì)于高架段 (或長(zhǎng)區(qū)間)將基站功率調(diào)整為15W，則POW=42dBm。

6 覆蓋重疊區(qū)的控制

為確保越區(qū)切換時(shí)移動(dòng)臺(tái)能保持通話的連續(xù)性和語(yǔ)音質(zhì)量，按照規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，列車的越區(qū)切換應(yīng)在區(qū)間完成，因?yàn)檫M(jìn)、出站前后，司機(jī)與行調(diào)的通話機(jī)率較大。通常經(jīng)漏纜選型及交換機(jī)參數(shù)優(yōu)化，越區(qū)切換都能實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行切換，但對(duì)于個(gè)別特別短的區(qū)間，如深圳地鐵2號(hào)線的海上世界站—水灣站，區(qū)間長(zhǎng)度560m，半?yún)^(qū)間長(zhǎng)度280m，工程開(kāi)通后經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)越區(qū)切換在站臺(tái)，切換時(shí)手機(jī)顯示電平較低，雖經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)重選、參數(shù)優(yōu)化調(diào)整仍然不能滿足要求。只能通過(guò)增加無(wú)線鏈路衰減的方法，使得覆蓋重疊區(qū)移向列車出發(fā)的一端，成功地將越區(qū)切換位置拉回區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了理想的越區(qū)切換，如圖2所示。

表4 交換機(jī)小區(qū)參數(shù)優(yōu)化設(shè)置表

表5 不同狀態(tài)下小區(qū)重選觸發(fā)條件表

圖2 覆蓋重疊區(qū)優(yōu)化控制圖

地鐵專用無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)還應(yīng)重視干擾對(duì)TETRA網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信道的影響。

1．在滿足移動(dòng)臺(tái)邊緣場(chǎng)強(qiáng)的前提下，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能采用無(wú)源射頻設(shè)備，盡可能減少中繼放大級(jí)數(shù)，一般不超過(guò)2級(jí)。中繼放大器上行噪聲對(duì)基站底噪的影響將導(dǎo)致基站接收靈敏度惡化。

2．規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注來(lái)自同一基站的直放站(中繼器)與施主基站2個(gè)不同路徑信號(hào)重疊區(qū)產(chǎn)生的同頻干擾。為防止同頻干擾對(duì)移動(dòng)臺(tái)的影響，二者之間的漏泄電纜應(yīng)在中間斷開(kāi)，并間隔一定的距離。

3．在地鐵隧道通信區(qū)域，為防止800～900MHz頻段公眾通信對(duì)TETRA800MHz調(diào)度專網(wǎng)的干擾，在設(shè)計(jì)、施工時(shí)，公眾接收漏纜要求距專網(wǎng)漏纜0.5m以上，困難地段不得少于0.3m。

地鐵專用無(wú)線TETRA系統(tǒng)是行車調(diào)度員與列車司機(jī)之間進(jìn)行通信的惟一方式，也是公務(wù)聯(lián)絡(luò)和傳遞各種信息的重要手段。因此對(duì)TETRA系統(tǒng)的覆蓋與優(yōu)化進(jìn)行研究尤為重要，合理的覆蓋與優(yōu)化設(shè)計(jì)將能達(dá)到很好地通信效果，實(shí)現(xiàn)專用無(wú)線通信安全、暢通。

［1］ 陸正炎．地鐵無(wú)線數(shù)字集群專網(wǎng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)與實(shí)踐［EB/OL］． http://jq． ccr100． com/html/news/c59f8f29d1d0a819．html，2009，6，2．

［2］ 周杭．漏泄電纜功能分析及其選擇要素——漏纜在地鐵無(wú)線通信中的運(yùn)用［J］．現(xiàn)代城市軌道交通，2007，(4):31－35．

［3］ 陳斌，劉曉娟．漏泄波導(dǎo)通信在地鐵列車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．城市軌道交通研究．2008(3)．

［4］ 蒲先?。摰罔F無(wú)線調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展［J］．專業(yè)無(wú)線通信．2011(2):4．