移动通信无线信号在高速公路隧道覆盖技术

付道繁

【摘要】 本文通过对移动通信无线信号传播特点的分析，结合高速公路无线信号覆盖的特点。通过对高速公路隧道无线覆盖各种场景的分析，设计出了高速公路各种隧道场景下的移动通信对应的实施方案。对高速环境下信号覆盖的、重点、难点问题进行分析，提出高速公路移动通信无线信号的场强问题、切换问题、多普勒频移问题，并提出了解决方案。

【关键词】 移动通信 高速公路 隧道 泄漏电缆 多普勒频移

一、前言

据统计，至2012年年底，中国高速公路的通车里程已到96000公里，是世界上规模最大的高速公路系统。高速公路移动信号覆盖是实现无线网络无缝覆盖的一个重要组成部分。是各运营商提高综合竞争力的一个有效手段。在我国公路隧道占比非常高。特别是高速公路途经山区地段，占比会更高。隧道占整个干线50%以上。所以，隧道的有效移动通信信号的有效覆盖对于高速公路的覆盖来说至关重要。

本文结合山区各种隧道无线覆盖的特点，对各种隧道覆盖信号源选择、天馈系统选择、传输方式选择等方面的优缺点进行对比分析；对高速公路环境下应该重点考虑的几个问题进行探讨。提出了4种典型隧道场景的覆盖方案。希望能对移动通信隧道无线覆盖的工程建设规划和优化工作起到借鉴作用。

二、高速公路隧道覆盖的特点

隧道的结构特点决定了其需要的覆盖特点：（1）洞内空间狭长，会产生多重折射，还要考虑车体的阻挡；（2）信号纵向延伸对覆盖要求高；（3）高速公路用户数较少，信号覆盖主要以连续通话为目的；（4）隧道出入口可能为切换边界。

三、隧道的移动通信信号的无线传播特性

隧道可以看做一管道，信号传播是隧道壁反射与直射的结果，直射信号为主要分量。ITU-R提出室内覆盖适用的传播模型，此传播模型对隧道内无线信号覆盖也有效，公式为：Lpath=30lgd+20lgf+28dB d：距离（米）、f：频率（MHz）；

隧道中不同距离的路径损耗：

四、高速公路隧道无线覆盖基本方案

（1）洞内分布系统方案：天馈系统安装于隧道内。适用于长隧道，空间不够宽敞隧道或有较大弧度隧道。此方案结构：信号源+天馈分布系统。（2）洞外无线投射方案：天馈线系统安装于隧道外。适用于中隧道、短隧道。且隧道内较为宽敞。没有弧度。此种方案结构：信号源+定向天线系统。（3）泄漏电缆方案：泄漏电缆安装于隧道内墙体。适用于超长隧道，或隧道内比较狭窄。方案结构：分布式基站+泄漏电缆系统。

五、高速环境下几个重点问题分析

5.1 信号覆盖的场强分析

5.1.1 隧道内侧定向天线覆盖方式

在隧道中无线电波传播时具有隧道波导效应，信号的传播是由墙璧反射与直射信号几何叠加的结果，直射信号为主分量。此方式是指将天线安放于隧道口或隧道内侧，如果距离隧道口外有一定的距离，会有所偏差。

5.1.2 隧道內安装泄露电缆覆盖方式

通过缜密的理论计算和大量的工程实际验证可以得出如下结论：信号源功率单方向覆盖（信号源放置在覆盖区域一端时）的覆盖距离稍大于2倍信号源用功分器分开时，双方向覆盖（信源放置在覆盖区域中部向两个方向进行覆盖）的距离。

5.2 隧道内/隧道外切换分析

隧道内的小区切换分析：如果隧道长度过长。需要采用两个或两个以上的小区进行信号覆盖。手机用户经过隧道的中段时，接收到的原小区信号强度逐渐减弱，目标小区的信号强度逐渐增强。不会有信号突然消失的情况，这样可避免移动台因切换判决时间不足造成掉话的问题。

隧道内、隧道外的小区切换分析：在实际无线网络中，实现内外小区重叠有两种方法。一是把隧道外信号引入至隧道内。二是把隧道内信号引至隧道外。由于室外无线信号复杂，可靠性不够高，工程中多数采用延伸隧道内无线信号的方法，使得隧道口与隧道外一定距离内的信号一致，高速环境下在切换方面应该着重考虑。

5.3 高速条件下多普勒频移问题

5.3.1 多普勒频移概念

快速运动的移动台会发生多普勒频移现象。使用定向天线方式顺着铁路沿线覆盖信号时。频率偏移公式如下：fD=V*cos I/X=V*COS I/（c/f0）

fo：工作频率；fD：最大多普勒频移；V：移动台的运动速度

频移大小和运动速度成正比，运动速度越快频偏越大。（1）MS靠近和远离基站，合成频率会在中心频率上下偏移。（2）MS靠近基站，波长变短，频率增大。（3）MS远离基站，波长变长，频率减少。（4）高速载体上的MS频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重。

5.3.2 多普勒频移的克服

可以采用增强AFC算法应对多普勒频移：（1）AFC是针对快速移动的特点设计的基站频率校正算法；（2）通过快速测算由于高速所带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，从而提高解调性能。

六、高速公路隧道覆盖方案实施

6.1 洞内分布方案实施

天馈系统装于隧道内。适用于长隧道，空间不宽敞隧道或者有较大弧度的隧道。

6.1.1 隧道覆盖的信号源选择

需要解决隧道覆盖。信号源与分布式系统是必须要的。隧道覆盖需要根据隧道附近的无线覆盖状况及话务、传输、现网设备等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源。通常信号源类型有以下几种：微蜂窝基站、宏蜂窝基站、直放站等。

（1）微蜂窝基站。对于公路隧道覆盖来说，由于话务量小，宏蜂窝基站作为信号源较为少用。微蜂窝使用的较多。使用微蜂窝基站的优点是：所需配套设备少，所需设备空间小，总的投资费用低。新建的微蜂窝基站可以增加系统容量，相比较直放站来说，输出功率更大，覆盖范围更广。缺点：用户享受的信道资源较少、需要电源到位、传输资源，扩容需换设备。目前比较常用的是BBU+RRU的DBS3900分布式基站。（2）直放站。如果在需要覆盖的区域附近的网络容量足够，不必增加新的容量，且在附近有较好的GSM信号可以利用（满足直放站对施主信号电平大小的要求，如-70dBm），则可采用无线直放站作为隧道覆盖的信号源。在实际工程之中，要根据覆盖的隧道附近覆盖状态，隧道长度，建站条件，基站分布，话务分布等因素选择一种合适的信号源。

6.1.2 传输方式的选择

高速公路隧道一般都位于大山之间，林密山高，通信传输是个重要问题。一般可以采用如下三种传输方式：

（1）无线移频传输（传输射频信号）。安装无线移频覆盖端设备，需要的较少的馈线，造成的干扰也少，在网络中设计更加灵活。在铺设传输光纤资源不便或者其他特殊情况下，还可以采用无线移频直放站使得移动TD-SCDMA信号在隧道里得以延伸。隧道内电磁环境比较好，采用此方式能取到良好的效果。（2）光纤有线传输（传输射频信号）。优点：传输的稳定性更好，在隧道内安装的馈线减少可使用更细的馈线，施工更方便。（3）微波传输（传输基带信号）。除了移頻传输和光纤传输方式之外，还可以选用微波传输。优点：建设速度快，受地物地貌等环境影响较小。缺点：受气候影响，信号传输质量会有波动，易遭雷击，维护工作量大。

6.1.3 隧道覆盖天馈线系统的选择

（1）同轴电缆无源分布式天线系统。同轴电缆无源分布式天线覆盖的方案设计较灵活。价格相对较低、安装方便。同轴电缆的馈管衰耗较小。天线增益选择取决于安装条件限制。条件允许下，可选用增益较高的天线，覆盖距离会更远。其简化方案是用单根天线覆盖隧道。对较短的隧道覆盖来说成本最低。对短隧道，可以在隧道口或延伸至隧道内用定向天线（如八木天线或短背投天线）进行信号覆盖。（2）光纤有源分布式天馈系统。在有些复杂的隧道环境中。可采用光纤馈电有源分布式天馈系统来代替同轴电缆无源分布式天线系统。其优点是：在室内安装的电缆数较，可以适用更细的电缆，采用光缆可避免电磁干扰，在较复杂的网络中设计更加灵活，缺点是成本较高。

6.2 洞外投射方案实施

洞外投射方案，天馈系统安装于隧道外或隧道口。该方案适用于短隧道、中隧道，并且隧道内较宽，隧道直没有弧度。

6.2.1 隧道覆盖信号源选择

隧道覆盖要根据隧道附近的无线覆盖环境及传输、话务、现有网络设备等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源。信号源类型通常有如下下几种：微蜂窝基站、直放站等。（1）微蜂窝基站 + 定向天线。对公路隧道覆盖来说，由于话务量比较小，宏蜂窝基站作为信号源较为少用。所以微蜂窝使用的较多。使用微蜂窝基站的优点是：所需设备空间小，所需配套设备少，总的投资费用低。缺点：需传输资源，扩容需换设备。（2）直放站。A：无线同频直放站 + 定向天线。优点：安装灵活、投资少、可以有效提高信号源所在小区的信道利用率；缺点：不能进行独立的话务处理、易产生自激，需要考虑天线隔离度问题。B：无线移频直放站 + 定向天线。优点：信号较纯净，不会产生自激问题；缺点：需要额外的传输用频率资源，传输天线间要求可视，不能有阻挡。（3）有线光纤直放站 + 定向天线。优点：利用有线光纤资源可得到纯净信号源，可以把信号延伸到较远的距离，信号源可以从基站耦合或从直放站耦合；缺点：需要考虑信号源基站与覆盖目标周围基站的参数设置。考虑邻区切换关系，同邻频干扰等问题。

实际工程中，要根据所需覆盖隧道长度，隧道附近覆盖情况，基站分布，话务分布情况，建站条件等因素选择信号源。

6.2.2 传输方式的选择

同洞内分布方案类似，洞外投射方案也可以采用如下三种传输方式：（1）无线移频传输（传输射频信号，采用直放站时用）；（2）有线光纤传输（传输射频信号，采用基站和光纤直放站时用）；（3）无线微波传输（传输基带信号，采用基站时用）。

实际工程之中，要根据覆盖的隧道附近地形、地貌特征、现有传输资源情况、新建传输条件等因素选择合理的传输方式。

6.2.3 隧道覆盖天馈线系统的选择

采用同轴电缆无源分布式天线覆盖方案设计比较灵活。价格相对较低、安装方便。同轴电缆的馈管衰耗较小。天线增益的选择主要是取决于安装条件限制。在许可的条件时，可选用增益相对较高的天线，覆盖距离会更远。其简化方案就是采用单根天线沿着隧道进行覆盖。对较短的隧道是这一种成本最低的解决方案。

对于距离较短隧道。可以用在隧道口或延伸至隧道内的定向天线进行信号覆盖。根据基站的位置、隧道的长度、安装条件等因素可以选择抛物面、天线八木天线、短背射天线和角反射天线等。

6.3 泄漏电缆方案实施

6.3.1 隧道覆盖的信号源选择

采用泄漏电缆方案信号源的选择。隧道覆盖要根据隧道附近无线覆盖情况及话务、传输、现有网络设备等等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源。此方案信号源通常采用：微蜂窝基站，目前较常用的是BBU+RRU的DBS3900分布式基站。高速公路隧道覆盖，由于话务量较小，较少用宏蜂窝基站作为信号源。所以微蜂窝使用较多。采用微蜂窝基站的优点是：总的投资费用低、所需设备占用空间小，所需配套设备较少。缺点：需要传输设备资源，扩容需要换主设备。

6.3.2 传输方式的选择

同洞内分布方案类似，采用泄漏电缆方案也可以采用如下两种传输方式：（1）有线光纤传输（传输射频信号，用于基站和光纤直放站）；（2）无线微波传输（传输基带信号，用于基站）。

实际工程中，要根据覆盖的隧道口的地貌、地形特点、传输资源等因素选择一种合适的传输方式。

6.3.3 隧道覆盖天馈线系统的选择

采用泄漏电缆进行隧道覆盖是一种常用的方式。优点是：（1）可减小信号遮挡及阴影；（2）信号波动范围小，泄漏电缆信号覆盖更加均匀；（3）泄漏电缆是一宽带系统，多种不同的无线系统信号可以通过合路共享同一泄漏电缆，这样使得架设多个天线系统工程安装的复杂性降低。（4）泄漏电缆覆盖设计技术成熟，相对简单。缺点是：成本较高。

七、典型隧道场景覆盖方案

7.1 短隧道覆盖

单洞短程隧道是最简单的隧道。由于孔洞短、通风好、洞相对较宽。采用洞口天线向内投射的方式覆盖，就可以达到理想的覆盖效果，且投资成本较低，信号源的选择可根据具体情况而定。如果洞口有满足条件的信号，可用无线直放站作为信号源。如果没有可用的信号，可用移频直放引入较远处的信号进行覆盖。如果有现成光纤或者可以方便铺设光纤，可用微蜂窝基站或光纤直放站进行覆盖。天线采用室外天线。如：短背射天线、八木天线、抛物面天线等方向性强的天线。从成本处罚，可以考虑将隧道和公路一起覆盖，或者隧道、公路以及附近村庄等区域共享一套设备。

推荐方案：（1）洞外无线覆盖方案；（2）共享覆盖方案（指村庄或公路覆盖时引信号来覆盖）；（3）隧道内天线多采用八木天线，或容易安装的天线。

7.2 连续隧道群覆盖

如果，公路或铁路在山脉之间穿梭会出现隧道间隔小于900米的连续隧道。隧道连续不断，形状各异，长短不一，需要考虑传输、造价、施工、覆盖等更多因素。该情况主要考虑的重心在传输，还需综合考虑覆盖，要仔细分析每段隧道的特点和隧道之间公路的信号情况。可以根据现场实际情况采用如下几种方案：（1）光纤分布式覆盖，BBU+RRU（适合多段短隧道）；（2）馈缆分布式覆盖（适合多段长隧道）；（3）综合式覆盖（无线设备和其他有线系统配合）。

7.3 中长隧道覆盖

中长隧道是指单洞长度在1Km～3Km之间，公路隧道内部空间较宽敞，隧道内覆盖情况在有车时和没车通过时差别不大，天线安装较方便。可根据实际情况选用尺寸稍大的天线。中长直形隧道天线安装在中间，弯形隧道天线安装在转弯处。或者从隧道两出口处采用不同的两个小区向内对打的方式来覆盖，切换带设计在隧道中部。建议方案：（1）直放站+天线分布系统（可以是无线直放站、光纤直放站、移频直放站、视具体情况而定）；（2）直放站+干放分布系统（用于较长公路隧道）；（3）隧道内多采用八木天线，或用易于安装的板状天线。

7.4 超长隧道覆盖

公路隧道的单洞延伸长度超过3Km可算作超长隧道。隧道延伸可能是弯曲的。“S”形或“L”形或其他形状。单独一套设备不能满足隧道的覆盖。需要多设备配合使用，多方案综合运用。每段隧道的解决方案都可能会有所差别。必须因地制宜根据实际情况选择覆盖方案。对超长隧道；天馈线建议选择泄漏电缆或分布式天线。信號源可以选用如下方式：（1）微蜂窝基站覆盖；（2）射频拉远BBU+RRU覆盖（光纤拉远）；（3）直放站分布系统覆盖。

八、结束语

山区高速公路各种隧道场景均可能出现。所以在进行隧道无线网络覆盖规划时一定要根据道路的实际情况灵活选择相适应的覆盖方案，并对天馈线的安装位置、高度、天线型号的选用做现场的勘测设计。不管选择哪种方案。一定要站在网络全局的高度去考虑，强化网络观念。还要充分考虑直放站对用户感知和系统容量的影响。确保网络运行状态最佳，打造真正的无缝覆盖精品网络。