費(fèi)成圖

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高增益窄波束天線高速隧道內(nèi)應(yīng)用

費(fèi)成圖

安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司移動(dòng)通信咨詢規(guī)劃設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031

中國約70%的面積為山地地形，東部沿海多山地區(qū)、中部丘陵地區(qū)和西部屬于更復(fù)雜的盆地與高原地區(qū)。目前，中國已經(jīng)成為世界最大的地上地下空間和隧道市場國家。區(qū)域以及城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡嚴(yán)重制約著中國經(jīng)濟(jì)的合理與協(xié)調(diào)發(fā)展，大規(guī)模建設(shè)公路鐵路隧道、城市軌道交通、海底隧道已成必然趨勢。高速公路成為人們出行的主要方式，對(duì)高速公路實(shí)現(xiàn)全線覆蓋是運(yùn)營商提高網(wǎng)絡(luò)品牌形象的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而隧道內(nèi)信號(hào)覆蓋重要性更加凸顯。通過理論研究結(jié)合實(shí)地應(yīng)用，優(yōu)選隧道口布放隧道天線（高增益窄波束天線）的方式，解決隧道內(nèi)信號(hào)覆蓋問題。

室分覆蓋；隧道；隧道天線（高增益窄波束天線）

1 項(xiàng)目背景

隨著安徽經(jīng)濟(jì)的快速增長，境內(nèi)交通設(shè)施建設(shè)實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越，尤其是高速公路的建設(shè)更是進(jìn)入了快速增長時(shí)期。安徽境內(nèi)皖南地區(qū)多為山區(qū)，沿途隧道較多。當(dāng)前時(shí)期下，三家運(yùn)營商在安徽境內(nèi)高速隧道沿線基本采用傳統(tǒng)的室內(nèi)分布覆蓋方式，在隧道內(nèi)布放饋線及對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行覆蓋。然而高速隧道的管理單位多，建設(shè)協(xié)調(diào)困難、施工維護(hù)難度大、運(yùn)營成本高，使得高速隧道的4G覆蓋成為工作難點(diǎn)。

本次以合銅黃高速石頭嶺隧道（黃山境內(nèi)最長隧道）為例，該隧道全長2900?m，南北往返分為兩條隧道，由于建設(shè)協(xié)調(diào)困難，未建設(shè)隧道分布，隧道內(nèi)無LTE覆蓋。

2 隧道天線簡介

隧道天線又叫高增益窄波束天線，它的特點(diǎn)是水平波瓣寬度小，增益高，覆蓋面積集中且容易控制。以某廠家天線為例，其參數(shù)信息如圖1所示：水平波瓣角為17°（水平面方向圖見圖2），垂直波瓣角為20°（垂直面方向圖見圖3），增益為16?dBi，比普通定向天線高6?dB。高速隧道場景需求覆蓋的區(qū)域集中，采用隧道天線符合場景需求，可以利用6?dB增益改善覆蓋效果。

3 隧道天線石頭嶺隧道內(nèi)應(yīng)用

3.1 隧道場景介紹

石頭嶺隧道：南北方向兩條隧道，北隧道口位于湯口境內(nèi)，南隧道口位于屯溪境內(nèi)，全長該隧道全長2900?m。

圖2 隧道天線水平面方向圖

圖3 隧道天線垂直面方向圖

3.2 隧道覆蓋思路

（1）盡可能使得隧道天線水平主瓣及垂直主瓣覆蓋到隧道內(nèi)，最大能量集中于隧道沿線，達(dá)到最好效果；（2）主設(shè)備選擇1.8?G LTE-RRU；（3）在隧道口附近新建水泥桿，將天線固定于水泥桿上；（4）RRU+隧道天線安裝在同一水泥桿上；（5）考慮引電難易程度，優(yōu)先北隧道兩個(gè)口位置放置天線，先實(shí)現(xiàn)單邊覆蓋；（6）待北隧道口達(dá)到理想效果后，南隧道口再進(jìn)行隧道天線覆蓋。

3.3 隧道覆蓋方案

為達(dá)到隧道天線水平主瓣及垂直主瓣覆蓋到隧道內(nèi)的目的，天線選址以距離隧道口處20～30?m左右最佳。選址過近會(huì)導(dǎo)致天線對(duì)于隧道的掠射角過大，無法遠(yuǎn)距離覆蓋，過遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致能量擴(kuò)散無法達(dá)到覆蓋要求[1]。

（1）新建水泥桿安裝在道路外側(cè)。

（2）隧道天線塔桅不宜過高，天線掛高與應(yīng)予隧道高度中心點(diǎn)齊平，天線角度正對(duì)隧道口方向。本案選取了9?m的水泥桿加抱桿的安裝方式（由于安裝在隧道入口水泥桿直徑40～50?cm，需定制抱箍確保安裝水平方位與隧道方向平行）。

圖4天線設(shè)備安裝示意圖

（3）選取某廠家60?W的RRU設(shè)備，功率設(shè)置為60?W全開。

3.4 鏈路預(yù)算

3.4.1 空間損耗計(jì)算

高速隧道覆蓋損耗主要分為自由空間損耗及穿透高速隧道覆蓋損耗主要分為自由空間損耗及穿透損耗，而行駛在高速隧道內(nèi)的車輛多為玻璃窗和金屬材料構(gòu)成，平均穿透損耗為15?dB。

（1）隧道傳播模型特殊，鏈路預(yù)算采用的具體計(jì)算方式：

終端接收功率=天線口功率+天線增益-自由空間損耗-穿透損耗-多徑損耗/快衰落余量

隧道天線增益16dB（天線型號(hào)不同，其增益不相同，此增益來自某廠天線參數(shù)）。

空間損耗均具體計(jì)算公式如下：

自由空間損耗=32.45+20log（d）+20log（f）

其中：單位d為km；f為MHz。

本次取平均穿透損耗為15 dB（穿透損耗根據(jù)信號(hào)所穿過的介質(zhì)不同，其損耗也不相同）

多徑損耗/快衰落余量（dB）均取值為8?dB。

3.4.2 邊緣場強(qiáng)

根據(jù)上述鏈路預(yù)算相關(guān)公式，隧道天線口功率為5?dB，天線增益為16?dB，距離天線口1.5?km處車輛內(nèi)終端的接收功率為-103?dB，滿足安徽電信隧道內(nèi)覆蓋的邊緣要求。

3.5 開通后測試結(jié)果

由于隧道內(nèi)無法使用GPS打點(diǎn)，采用手動(dòng)打點(diǎn)方式記錄測試數(shù)據(jù)。

隧道內(nèi)，由位于隧道北出口布放的高增益天線正對(duì)隧道覆蓋。由于東側(cè)隧道彎度較小，西側(cè)隧道彎度較大，導(dǎo)致隧道兩側(cè)覆蓋差距較大。東側(cè)隧道覆蓋率為98.22%，西側(cè)隧道覆蓋率80.09%，西側(cè)隧道拐彎后洞體阻擋嚴(yán)重，無法有效覆蓋隧道南半段，建議西側(cè)隧道南出口方向新增一臺(tái)設(shè)備加強(qiáng)覆蓋。

測試結(jié)論：對(duì)于較直的高速隧道，隧道天線加普通RRU的單邊覆蓋，覆蓋距離約為2.5?km；對(duì)于存在一定弧度的高速隧道，隧道天線加普通RRU的單邊覆蓋距離約為2?km。

3.6 成本對(duì)比分析

對(duì)于高速隧道內(nèi)弱覆蓋區(qū)域，常規(guī)手段在隧道內(nèi)建室內(nèi)分布，采用定向天線（對(duì)數(shù)周期天線）進(jìn)行覆蓋。對(duì)于采用隧道天線與定向天線，表1 以本次試點(diǎn)為例對(duì)比了兩種方式的建設(shè)及運(yùn)營成本。

表1 ??

4 總結(jié)

隧道天線（高增益窄波束天線）在隧道內(nèi)的應(yīng)用理論研究結(jié)合實(shí)地測試，從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、維護(hù)、優(yōu)化、造價(jià)等方向進(jìn)行了綜合的評(píng)估。隧道天線覆蓋更有優(yōu)勢，在達(dá)到同等覆蓋效果的基礎(chǔ)上能夠減少投資和維護(hù)成本，為后續(xù)覆蓋高速隧道提供參考。

[1]京信通信天線參數(shù)說明書[Z].

High Gain and Barrow Beam Antenna High Speed Tunnel Application

Fei Chengtu

Mobile Communication Advisory Planning and Design Institute of Anhui Telecom Planning and Design Co., Ltd., Anhui Hefei 230031

About 70% China area of mountainous terrain, the eastern coastal mountainous area, hilly area of central and Western to more complex basin and plateau area.At present, China has become the world's largest underground space on the ground and the tunnel area and the urban and rural markets.Uneven development restricts the reasonable and coordinated development of China economy.China highway and railway tunnels, city rail transportation, large-scale construction of submarine tunnel has become an inevitable trend.High speed traffic has become the main way for people to travel, to achieve full coverage of Expressway operators is an important part to improve the network brand, and highlights the importance of the tunnel coverage Through theoretical research combined with field application, optimization of tunnel tunnel napkin antenna （high gain antenna with narrow beam） way to solve the coverage problem of signal in the tunnel.

room separation coverage; tunnel; tunnel antenna（high gain narrow beam antenna）

TN822+.3

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費(fèi)成圖（1985—），男，漢族，現(xiàn)任職于安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司移動(dòng)通信咨詢規(guī)劃設(shè)計(jì)院，主要從事移動(dòng)通信咨詢及規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。