天津地鐵5號(hào)線數(shù)字集群專網(wǎng)場強(qiáng)覆蓋分析

張健　姚金龍　張洪巖

【摘要】數(shù)字集群專用無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對地鐵全線覆蓋，是地鐵運(yùn)營公司進(jìn)行有效調(diào)度的重要通信方式，地鐵隧道封閉狹長，彎道較多，無線覆蓋難度大。本文著重介紹使用地鐵中的無線覆蓋技術(shù)與實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】地鐵 隧道 無線通信覆蓋 泄漏電纜 吸頂天線

天津地鐵5號(hào)線，北起北辰區(qū)北辰科技園北站，南至西青區(qū)李七莊站，沿線經(jīng)過北辰、河北、河?xùn)|、河西、南開、西青六個(gè)行政區(qū)。線路全長33.6km，其中地下線33km，地面線及過渡段0.6km，共設(shè)車站30座，其中地下站29座，地面站1座；

本人有幸參與天津地鐵5號(hào)線的無線數(shù)字集群TETRA網(wǎng)絡(luò)的場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化、調(diào)試、開通工作，取得了一些工程的實(shí)際數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，其中以5號(hào)線淮河道站為例進(jìn)行分析介紹。

淮河道站位于北辰區(qū)淮河道附近，職業(yè)大學(xué)站和遼河北道站與之相鄰。該車站為地下站共有2層：地下一層是站廳層，地下二層是站臺(tái)層。集群無線專網(wǎng)射頻信號(hào)場強(qiáng)覆蓋區(qū)域?yàn)椋?.隧道區(qū)間的覆蓋；2.站臺(tái)的覆蓋；3.地面一層、二層站廳覆蓋。

該站點(diǎn)隧道區(qū)間采用射頻漏泄電纜來進(jìn)行區(qū)間的場強(qiáng)覆蓋，站臺(tái)采用漏泄電纜+吸頂天線方式來進(jìn)行站臺(tái)的場強(qiáng)覆蓋，站廳層采用吸頂天線來進(jìn)行站廳的場強(qiáng)覆蓋。

該站點(diǎn)在通信機(jī)房設(shè)置無線基站，作為該站的場強(qiáng)覆蓋的能量來源，經(jīng)各射頻耦合器和功率分配器的射頻能量分配，及至泄漏電纜及各天線端子從而形成目標(biāo)運(yùn)營區(qū)域的無縫覆蓋。

天津地鐵無線專網(wǎng)基站采用二載波，每一基站使用二對頻點(diǎn)，并優(yōu)選頻率配置：頻點(diǎn)間隔大于1MHZ，通過優(yōu)選頻率配置來避免在本網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生互調(diào)干擾的影響。

該站集群無線專網(wǎng)覆蓋的區(qū)域內(nèi)同時(shí)并存公眾移動(dòng)網(wǎng)，因此工程的設(shè)計(jì)須考慮到網(wǎng)間的相互干擾。經(jīng)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：無線專網(wǎng)和公網(wǎng)在隧道內(nèi)漏泄電纜安裝間隔≥0.45米，其隔離度可達(dá)78dB，如公網(wǎng)POI和直放站設(shè)備相關(guān)指標(biāo)符合國標(biāo)的條件下如此可減輕或消除網(wǎng)間互調(diào)和帶外雜散發(fā)射干擾的影響。站廳內(nèi)無線專網(wǎng)天線和公網(wǎng)分布天線安裝間隔≥4.5米，可以減輕或消除網(wǎng)間帶外雜散干擾的影響。

地鐵5號(hào)線淮河道站的場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)指標(biāo)：在無線專網(wǎng)95%的地點(diǎn)及時(shí)間（概率），移動(dòng)終端接收信號(hào)的場強(qiáng)電平應(yīng)不小于-85dBm；按瑞利衰落法進(jìn)行計(jì)算，基站、移動(dòng)終端接收端的比特誤碼率不超過4%（信噪比≥19dB）。按照設(shè)計(jì)要求滿足場強(qiáng)覆蓋最小接收電平設(shè)計(jì)參數(shù)：覆蓋范圍邊緣場強(qiáng)的最小接收電平門限取決于：

a.接收機(jī)的動(dòng)態(tài)靈敏度：基站=-106dBm（上行）

移動(dòng)手機(jī)=-103dBm（下行）

車載臺(tái)=-103dBm（下行）

b.場強(qiáng)覆蓋瞬時(shí)瑞利衰落深度：衰落儲(chǔ)備取值=13dB

c.設(shè)計(jì)儲(chǔ)備余量：取值=5dB

因此，在滿足信噪比≥19dB和可通率（時(shí)間、地點(diǎn)覆蓋概率為95%）的要求下，最小接收電平設(shè)計(jì)取值：

下行（基站至車臺(tái)）：每載波≥-85 dBm（車臺(tái)天線輸入端）

下行（基站至手機(jī)）：每載波≥-85dBm（手機(jī)天線輸入端）

上行（車臺(tái)至基站）：每載波≥-88dBm（基站接收端）

上行（手機(jī)至基站）：每載波>-88dBm（基站接收端）

在隧道內(nèi)由于車臺(tái)天線安裝列車頂部，天線位置較高且天線有一定的增益，天線距漏泄同軸電纜的直線距離較近，且不受車廂、車體屏蔽及人體屏蔽的影響。因此，在車臺(tái)和移動(dòng)手機(jī)均需覆蓋的所有車站站臺(tái)及隧道區(qū)間，車臺(tái)場強(qiáng)覆蓋余量在同一地點(diǎn)優(yōu)于移動(dòng)手機(jī)，故在進(jìn)行場強(qiáng)設(shè)計(jì)預(yù)算時(shí)，主要考慮移動(dòng)手機(jī)在列車內(nèi)的邊緣場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)、預(yù)算。

場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)余量預(yù)算：

隧道內(nèi)移動(dòng)手機(jī)在列車內(nèi)邊緣場強(qiáng)電平計(jì)算公式：

P（手機(jī)邊緣場強(qiáng)電平）=基站輸出電平-L（電纜系統(tǒng)路徑損耗）-L（耦合鏈路總衰耗）≥-85dBm；

上行的漏纜末端場強(qiáng)電平余量偏緊，上行為：-1.47dBm，下行1.53，考慮到920米區(qū)間末端是站臺(tái)，因此在站臺(tái)和隧道結(jié)合部安裝一個(gè)天線可彌補(bǔ)列車進(jìn)入站臺(tái)的弱場區(qū)。因此在區(qū)間和站臺(tái)的交界處覆蓋的上、下行都將滿足需求。改進(jìn)設(shè)計(jì)后完工測試的實(shí)際結(jié)果如下：

隧道信號(hào)電平測試（測試在以正常運(yùn)營車速開行的列車內(nèi)進(jìn)行）

a）測試儀器：頻譜儀（HP8591E）；

b）測試儀器電源使用列車電源：AC220V；

c）測試儀器參數(shù)設(shè)置：AT=10dB，RBW=30KHZ，VBW=30KHZ，SPAN=5MHZ，SWEEP=750ms；

d）天線為全向吸頂天線；

e）測試全部區(qū)間信號(hào)覆蓋電平，合格的測試電平≥-85dB。

在隧道和站臺(tái)交界處信號(hào)電平已降到-84dBm，此后移動(dòng)手機(jī)進(jìn)入站臺(tái)區(qū)，由于站臺(tái)安裝了吸頂天線，因此信號(hào)電平隨之上升至最大值-56dBm，滿足了站臺(tái)覆蓋要求。

站廳層場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)余量預(yù)算：站廳層的場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)采用吸頂天線，該站站廳層由上下兩層組成各分布式安裝3個(gè)吸頂天線。站廳層長為120米，寬為85米。天線安裝于站廳中心，天線覆蓋半徑為15米，天線增益為0dB。設(shè)計(jì)計(jì)算鏈路損耗時(shí)空間損耗采用自由空間模型公式。

根據(jù)無線信號(hào)傳輸模型，自由空間損耗計(jì)算公式為：

L=32.4+20log（F）+20log（D），其中F為頻率，單位為MHz，D為距離，單位為km以860M為例：

基站下行邊緣場強(qiáng)電平計(jì)算：

L=32.4+20log（860）+20log（D）=32.4+58.69+20log（15/1000）=91.09-36.48=55dB

移動(dòng)手機(jī)上行邊緣場強(qiáng)電平計(jì)算：

P（基站上行接收電平）=移動(dòng)手機(jī)輸出功率-L（電纜系統(tǒng)總損耗）-L（耦合鏈路總衰耗）≥-88dBm。

上面內(nèi)容可預(yù)見設(shè)計(jì)滿足要求，移動(dòng)手機(jī)在覆蓋最邊緣處且處于屏蔽衰減30dB的車控室內(nèi)，邊緣場強(qiáng)覆蓋電平上、下行均有余量。本案例同時(shí)關(guān)注到電磁環(huán)境的需求，各天線端口功率<15dBm。工程完工后實(shí)際現(xiàn)場測試結(jié)果如下：站廳層信號(hào)電平測試（測試在站廳進(jìn)行，特別選擇層與層交界面、通道拐點(diǎn)、站廳四周邊緣、站廳邊緣車控室內(nèi)等特殊點(diǎn)測試）：

a）測試儀器：頻譜儀（FSH3）；

b）測試儀器參數(shù)設(shè)置：RBW=30KHZ，VBW=30KHz；

c）測試信號(hào)覆蓋電平：合格的測試電平≥-85dB。endprint