(2004-01-17 16:03:27)
華為公司無線網路規劃部陶茂弟
i.概述
對重要的公路、鐵路實現全線覆蓋是運營商提高網路品牌的乙個重要環節，是提高綜合競爭力的乙個有力手段。而目前大多數隧道都是覆蓋盲區，因此需要結合交通線的覆蓋設計來制訂專門的隧道覆蓋解決方案。
隧道覆蓋主要分為鐵路隧道、公路隧道、地鐵隧道等多種。每種隧道有著不同的特點，一般來說公路隧道一般比較寬敞，在隧道裡面的覆蓋狀況在有車通過時與沒有車通過時差別不大。車輛通過時，隧道內剩餘空間較大，可以根據實際情況選擇尺寸大一些的天線，以獲取較高的增益，使得覆蓋範圍更大。
而鐵路隧道一般來說要狹窄一些，特別是當火車經過時，被火車填充後所剩餘的空間很小，火車對隧道的填充對訊號傳播會有較大的影響。並且天線系統的安裝空間有限，這樣天線的尺寸和增益也必然會受到很大的限制。
不管是哪種隧道，都存在長短不一的狀況。短的隧道只有幾百公尺，而長的隧道有十幾公里。在解決短隧道的覆蓋時，可採用較多靈便經濟的手段，如在隧道口附近用普通的天線往隧道裡進行覆蓋等。
而這些手段可能在解決長隧道覆蓋時不起作用，對於長隧道的覆蓋必須採取另外一些手段。因此對於每段隧道的解決方案可能都會有所區別，必須根據實際情況來選定覆蓋解決方案。在進行隧道覆蓋規劃之前，一般需要知道以下一些資料：
隧道長度、隧道寬度、隧道孔數（1或2）、需要的覆蓋概率（50%，90%，95%，98%或99%）、隧道結構（金屬結構還是混凝土結構）、總共考慮多少個載頻、隧道中最小接收電平（一般為-85dbm到-102dbm）、隧道孔的間距、ac/dc是否可用、牆壁上能否打孔、隧道入口處的訊號電平大小、隧道內部已有訊號電平大小等。
ii.隧道覆蓋的訊號源選擇
為了提供隧道覆蓋，乙個gsm訊號源與一套分布式系統是必須要的。隧道覆蓋需要根據隧道附近的無線覆蓋狀況及傳輸、話務、現有網路裝置等情況來決定隧道覆蓋所採用的訊號源：巨集蜂窩基站、微蜂窩基站、直放站等。
對於鐵路、公路隧道覆蓋來說，由於其中的話務量小，巨集蜂窩基站作為訊號源較為少用。但在城市地鐵隧道中，**量大，話務量也高，可以採用容量較大的巨集蜂窩基站，這種場合不僅要覆蓋站台，而且要覆蓋鐵路系統出口較大的地方。
使用巨集蜂窩基站的優點是：可以提供更多的通道資源、擴容較為容易、單個基站覆蓋能力強；缺點是：需要用電纜從bts裝置所在的機房引入訊號覆蓋隧道，增加了饋線損耗、需要較大的機房等配套裝置，總的投資費用高。
使用微蜂窩基站的優點是：所需裝置空間小、所需配套裝置少、總的投資費用低。
如果附近有訊號源可以利用，則可採用無線直放站來作為隧道覆蓋的訊號源。採用直放站往往是網路拓展的第一步，在網路容量上來後再用gsm基站來替換。無線直放站有寬頻直放站與選頻直放站兩種，採用直放站作為訊號源也有一些優點，如無需傳輸，綜合成本低、可以將遠處的話務帶給施主小區，使小區的通道利用率更高、安裝速度快。
但是採用射頻直放站會使得網路管理複雜度
增加，維護不便、在採用選頻直放站時，但施主小區的頻率發生變更後，直放站的頻率也要進行調整，不利於整網規劃與優化、施主天線與重發天線需要有足夠的隔離度，造成安裝空間上有些困難等缺點。
除採用無線直放站以外，也可以採用光纖直放站作為訊號源對隧道進行覆蓋。
在實際工程之中，要根據要覆蓋的隧道長度、隧道附近覆蓋狀況、基站分布、話務分布、建站條件等因素選擇一種訊號源，一般選用較多的是微蜂窩基站與直放站作為隧道覆蓋的訊號源。
iii.隧道覆蓋天饋系統的選擇
在選擇好了gsm訊號源以後，要根據實際情況來配置不同的天饋系統來對隧道進行覆蓋。通常有三種不同的配置，即同軸饋電無源分布式天線、光纖饋電有源分布式天線、洩漏電纜。
1、同軸饋電無源分布式天線
採用同軸饋電無源分布式天線進行隧道覆蓋是一種可選的方式，這種覆蓋方案設計比較靈活、**相對低、安裝較方便。同軸電纜的饋管衰減較小，天線的增益的選擇主要是取決於安裝條件的限制，在條件許可時，可選用增益相對高些的天線，覆蓋範圍會更大。該方案的簡化就是採用單根天線對隧道進行覆蓋，這種方案對較短的隧道是一種成本最低的解決方案。
2、光纖饋電有源分布式天線系統
在某些複雜的隧道覆蓋環境中，可以採用光纖饋電有源分布式天線系統來替代同軸饋電無源分布式天線系統。它更適用於覆蓋地下隧道（地鐵隧道）及站台。採用光纖饋電有源分布式天線系統的主要好處有：
在室內安裝的電纜數減少、可適用更細的電纜、採用光纜可降低電磁干擾、在複雜的網路中設計更靈活。缺點是成本高。
3、洩露電纜
採用洩漏電纜來進行隧道覆蓋是一種最為常用的方式。使用洩漏電纜的好處是：
1、可減小訊號陰影及遮擋，在複雜的隧道中，若採用分布式天線，手機與某個特定的天線之間可能會受到遮擋導致覆蓋不好；
2、訊號波動範圍減少，採用洩漏電纜與採用其它的天線系統相比，隧道內訊號覆蓋更均勻；3、可對多種服務同時提供覆蓋，洩漏電纜本質上是一寬頻系統，多種不同的無線系統可以共享同一洩漏電纜，考慮到在隧道中經常使用一些無線系統（如尋呼系統、告警系統、廣播、移動**），由於可共享一條洩漏電纜，減小了架設多個天線系統時工程安裝的複雜性。
洩漏電纜覆蓋設計是一種很成熟的技術，設計相對簡單。因此本文不作重點分析。下面著重分析採用普通的無源天饋進行隧道覆蓋的方案設計方法。iv.隧道的無線傳播
無線電波在隧道中傳播時具有隧道效應，訊號傳播是牆壁反射與直射的結果，直射為主要分量。華為公司基於itu－r建議，根據試驗資料對傳播模型進行了修正，得出一簡單實用的隧道傳播模型，
用來進行隧道覆蓋設計。該傳播模型為：
lpath = 20 lg f + 30 lg d 28 db其中:
f :頻率(mhz)d :距離（公尺）
下圖為上述模型的**值和在深圳梧桐山公路隧道的實測值對比圖：
圖1：路徑損耗對比圖
從上圖可以看出，實測和**僅在隧道口損耗相差較大，這是因為實驗中天線放在距隧道口約40公尺處，而模型計算時，是考慮將天線放在隧道口，因此在隧道口兩種情況的路徑損耗相差較大。但在過了100公尺以後，兩者的差別就較小。實驗證明上述傳播模型適於隧道覆蓋**。
i.採用同軸饋電無源分布式天線系統的隧道覆蓋方案
根據隧道的長短不同，在隧道中安裝不同數量的雙向天線與放大器，訊號源採用gsm小基站，輸出功率為39dbm。同時假定需要的最小接收訊號電平為-85dbm（考慮到一定的車體穿透損耗裕量），再加上8db以保證位置概率達到90%的水平。雙向天線的增益為5dbi，等概率功分器、跳線損耗為2db，饋管採用7/8"，每100公尺4db的損耗。
如下圖所示：
圖2：採用分布式天線進行隧道覆蓋方案
下面對此方案進行覆蓋能力進行分析。
首先，我們假定天線發射出來的訊號在隧道入口處電平為-85dbm，根據這個要求，我們可以計
算出第乙個天線到隧道口的距離，如下式所示：
pout - lpath(d) - lcable(d) - ljumper + gant = -85 dbm + 8db90%_其中：
pout：輸出功率39dbmlpath(d)：路徑損耗lcable(d)：饋管損耗ljumper：跳線損耗2 x 2 dbgant：天線增益5dbi
基於上面的假定條件，可以得到：lpath(d) + lcable(d) = 117 db
將路徑損耗與饋管損耗一起考慮後，計算得d=301公尺，d是第乙個天線在兩個方向的覆蓋範圍。單根天線在兩個方向上覆蓋距離為602公尺。
如果功分器在第乙個天線上使用了，那麼應該加上3db的損耗，則：lpath(d) + lcable(d) = 114 dbd = 261公尺
對於鐵路隧道的應用環境下，由於火車的填充作用影響到訊號傳播，當天線放置在隧道中間時，考慮5db（經驗值）的保護裕量，在考慮裕量後d＝240公尺。即單根天線若放在隧道中間，可覆蓋480公尺的距離。
如果第二個天線使用了功分器，則在第乙個天線與第二個天線之間的覆蓋距離會更短，除非使用放大器。
考慮第二個天線沒有使用放大器的情況：
從第乙個分路器（在第乙個天線處）出來的總的功率為：
pout1 = pout - lcable(d) - ljumper - lsplitter = 39dbm - lcable(261m) - 2db - 3db=23.56 dbm（261公尺的饋管損耗為10.44db。
跳線損耗為2db，功分器插損為3db）
基於假設，兩天線覆蓋之間的交迭處電平為85dbm，那麼第二個天線距離第乙個天線為：d2 = d + x
d = 261 meters (第乙個天線的覆蓋範圍)
x =第二個天線單方向的覆蓋範圍.
考慮進第乙個天線，第二根天線的x距離將可從下面得出：
pout1-lcable(261m)-lcable(x)-ljumper+gant-lpath(x)=-85dbm+8db90%_ + lcable(x) = 108.56db從圖表中可以得到：x = 100公尺
這意味著在不採用放大器的情況下，使用2根天線可以覆蓋：2*（261+100）= 722公尺的隧道。
在多級級連後，由於同軸電纜的損耗導致發射功率較低，這時可採用放大器對訊號進行放大。計算方法類似。
對於隧道不長的情況，可以採用單根天線在隧道口處對隧道進行覆蓋，這可以看成是採用無源天饋分布系統的一種最簡方式。如下圖所示：
圖3：採用單根天線進行隧道覆蓋方案
在這種方案中，訊號源採用華為小基站，用一根定向天線在隧道口朝隧道裡面進行覆蓋，天線可以採用小尺寸的天線，增益假定為8dbi。覆蓋狀況可以分析如下：
這種方案中，pout：39dbm（採用華為小基站）lpath(d)：傳播損耗lcable(d) + ljumper：5dbgant：天線增益8dbi
需要的接收電平為77dbm (-85dbm + 8db由於需要以90％的概率進行覆蓋)lpath(d) = 39dbm - 5db + 8dbi (-77dbm) = 119db,根據公式：
lpath(d) = 20 log10 f + 30 log10 d－28 db,
d = 858m
以上的分析方法適應於比較寬敞的公路隧道，對於鐵路隧道由於火車填充作用對訊號傳播的影響，可以考慮10db的裕量（經驗值），計算方法相同，得到在鐵路隧道中此種方案的覆蓋距離為：398公尺。
ii.結論
通過以上的分析可知，對於中等長度的隧道可以採用單根天線進行覆蓋。這是一種簡單經濟的方案。在實際工程中，可根據隧道口的安裝條件及隧道長度來選擇合適增益的天線來對隧道進行覆蓋。
在安裝條件許可時，可以選擇高增益的天線。另外單根天線不足於覆蓋整個隧道時，可以採用從隧道兩頭各用乙個天線同時朝隧道覆蓋的方式。一般來說隧道內部覆蓋與隧道外部覆蓋可以一起考慮，用同一小區對隧道內外同時進行覆蓋。
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