综述地铁移动通信覆盖系统的设计

摘要：本文主要对地铁内移动通信信号覆盖中的覆盖方式和干扰隔离等技术设计，从而进行阐述。

关键词：地铁；系统设计；通信覆盖

1主要设计要求

（1）系统功能要求

能支持CDMA800、GSM900、DCS1800、3G等移动通信信号的接入，以及在将来扩容时能支持PHS、DTV等其它通信系统；

满足包括站台层、站厅层、商业层和所有地下隧道区间的覆盖；

保证沿地铁线路的地下链状蜂窝小区，以及地铁各站与站外蜂窝小区之间的可靠切换。

（2）主要系统指标

信号覆盖电平≥－85dBm（95%覆盖区域）；

C/I(GSM下行)>30dB;C/I(GSM上行)>12dB；

Ec/Io(CDMA下行>-12dB;Eb/Io(CDMA上行)>7dB；

上行噪声电平

切换成功率≥99%；

覆盖可通率≥95%；

通话质量：等级不大于3的测试点的数量应占95%以上。

2覆盖方式

地铁系统的覆盖方式可以分为两类：地下车站站台层和地下隧道区间为第一类；站厅层和商业层为第二类。前者适合采用泄漏电缆方式进行覆盖；而后者则可采用吸顶天线方式进行覆盖，典型的地铁覆盖系统原理图如图1。

3场强计算

在地铁移动通信覆盖系统的设计中，可分下列三种不同环境进行场强计算：

3.1隧道中列车内的场强

覆盖示意图见图2：

以距漏缆4米处的边缘场强不小于-85dBm为前提，计算出GSM900系统信号在漏缆末端的信号电平值，用于计算信源的功率输出要求，并确定是否加装放大器。下面以GSM900系统为例进行分析：

95%泄漏电缆耦合损耗：64dB(2米处)（不同厂家不同型号的漏缆耦合损耗不同，本文取13/8″漏缆的典型值。）；车体及人体损耗：9dB；宽度因子：20Log D/2。

设泄漏电缆末端需要的功率为P，则：P-(64+9+20Log2)>-85dBm。计算得到P≥-6dBm，即泄缆末端输出功率为-6dBm，则能满足地铁列车车厢内的覆盖要求。

3.2站台内场强

在额定信源输出功率的情况下，计算出站台内GSM900系统信号最弱处（站台中线距信源最远处）的信号电平值，确定其是否满足设计要求。对于站台的覆盖尽可能利用隧道壁上的泄漏电缆，如图2所示。也可用吸顶天线、定向天线作为补充，本文以纯漏缆方式进行计算。下面以GSM900系统为例进行分析：

信源的输出信号功率：30dBm；设站台长度为200米，宽度为25米，隧道宽度为5米；则站台中线距隧道壁上的泄漏电缆的距离：D=17.5米。

95%泄漏电缆耦合损耗：64dB（2米处）；13/8″泄漏电缆的百米传输损耗：2.2dB；车体阻挡损耗：20dB（考虑最差情况即列车靠站）；宽度因子：20Log D/2；其它损耗（含线路损、器件损耗等之和）：4dB。

则距站台内最弱处的信号电平为：

30-(64+20Log17.5/2+2×2.2+20+4)=-81.2 dBm。

可见该值大于边缘场强-85dBm，满足覆盖区要求。

3.3站厅及商业层内场强

考虑到地铁空间是受限自由空间，可选用的传播模型为室内自由空间路径损耗附加因子模型，并得到在半径为20米处的总损耗值,在满足边缘场强(-85dBm)的条件下，考虑损耗储备及天线增益后，可计算出天线口功率。并可进一步反向推算出相应信源输出功率，确定是否满足需求。下面以GSM900为例进行分析：

传播模型表达式为：PL(d)=P L(d0)+20log(d/d0)+β×d。

式中PL(d)为距离信源d米处的传播损耗；PL(d0)为距离信源1米处的自由空间传播损耗；β为路径损耗因子，取1.25 dB/m（站厅模拟测试值）；d取20m。

由上式可得20米传播损耗PL(20)。

天线增益Ga为2.1dBi，衰落储备为11.2dB，

则可得吸顶天线口功率：

P=-Ga-85+PL(20)+11.2=6.6 dBm。

4泄漏电缆长度的计算

泄漏电缆的长度决定了覆盖区间的距离和是否加设干线放大器等有源设备，在这里以隧道中两相邻小区信号交叉点的场强值为-85dBm为前提，充分利用信源能量，使覆盖范围尽可能大。下面以GSM900系统为例进行分析：

13/8″泄漏电缆百米损耗为2.2dB；

由4.1节计算知覆盖场强大于-85dBm时所需最小功率为-6dBm；

从POI输出30dBm，线损及无源器件损耗4dB；(30-4)-(D×2.2)=-6dBm，得D=1454.5m。

即在隧道长度为(1454.5×2)=2909m内的隧道区间，GSM信号可满足覆盖要求，大于2909m的区间需加装有源放大器。

对于3G系统用类似方法可计算出大于1040m的隧道区间需加装3G放大器。

5切换分析

在具体工程项目中，一般有列车运行在隧道内的切换和行人进出地铁站两种情况，有时还要考虑列车进出隧道时的切换。

以GSM900移动通信系统为例分析如下：

（1）列车运行在隧道中的切换

隧道内的电磁环境相对比较纯净，且在隧道内信号强度变化比较规律，当列车运行在A、B站区间时，从A站――>B站，A站的信号越来越弱，B站的信号越来越强。因此，切换测量的计算速度和准确性都较高，启动越区切换测量的场强门限值可高一些，这就可以使越区切换测量计算可以早一些进行。

这样相邻小区信号电平与本小区信号电平的差值可以小一些，就可以在相邻小区信号质量C2略好于本小区信号质量C1时启动移动台进行快速切换。

另外本小区和相邻小区的信号质量C1和C2的测量计算时间可短一些，这可以使移动台尽快找到合适的相邻小区并尽早进行越区切换。

参考国外隧道内无线通信越区切换场强参数的选取，并结合我国具体情况，当满足切换时间6秒的要求下选取下列隧道内越区切换参数：

启动越区切换测量计算门限电平，高于移动台最低允许接收电平10～15dB；

本小区与相邻小区信号质量差值C2-C1：5～10dB；

本小区与相邻小区信号质量计算总时间：5～10秒。

根据切换要求，隧道中切换区内场强大于允许接收电平15dB，考虑列车运行设计时速为80km/h，则场强重叠区的最大值为：S=V×T=(80×103/3600)×6＝133m。

在理想情况下，本小区与相邻小区的信号在漏泄电缆中的传输损耗是相同的，因此它们的场强衰减特性曲线相对于它们的交点是对称的，所以漏缆的切换损耗余量可由本小区与相邻小区各负担一半，即：66.5m。

对应于泄漏缆在900MHz频段的传输损耗22.6dB/km，越区切换损耗余量为22.6×66.5/1000=1.5dB。.

（2）列车出入隧道时的切换

个别工程需要覆盖地面隧道，当列车在出入隧道时，由于隧道外的空间传播衰耗及隧道内泄漏电缆终止，使隧道内信号强度在隧道口外锐减，造成信号重迭区域（切换区）不够，易造成用户通话中断，因此移动终端在进出地铁站同样有信号切换问题，较为可行的办法是利用在隧道口加设定向天线，通过向外溢出信号，延缓信号强度的衰减，从而延长切换区，保证列车出入隧道时信号得以正常切换。

行人出入地铁站时的切换是慢速移动，属于一般室内外切换，不作重点描述。

6上行噪声电平分析

在覆盖地铁隧道区间较短时，信源功率足够覆盖相应范围，不需另加有源放大器，故不会引入噪声；而在覆盖长距离地铁区间时，需要加装有源放大器，从而引入了有源噪声，以GSM900系统为例，当区间距离超过2900m时需加有源放大器，分析如下：

有源设备（如干线放大器）的热噪声为：NT=10log(KTB)；

其中，K:波尔兹曼常数，等于1.38×10ˉ23J/ok；T:参考温度，取293ok；B:工作带宽，等于200kHz。

NT=10log(KTB)=-121dBm

干线放大器的噪声系数为NF=5dB,则其基底噪声NA为：NA=NT+NF=-121+5=-116dBm。

干线放大器到达基站的上行噪声电平为：NBS-R=NA-L+GA。

式中，L:干线放大器到基站间的上行损耗；GA:干线放大器的上行增益。本例干放输入-4dBm，输出为26dBm，干放增益GA为30dBm，设上下行增益相同，L为34dB（POI输出电平30dBm与干放输入电平-4dBm之差），由此可得干线放大器到达基站的上行噪声电平NBS-R=NA-L+GA=-120dBm，满足工程设计要求。

7多系统接入平台(POI)的应用

POI是整个地铁信号覆盖系统中的重要设备，位于基站信号源和分布系统之间，其主要功能是将各系统基站的不同载频信号合路后，输出到共用的分布系统，同时也将分布系统的上行的不同载频信号分路后送往各自基站。POI的主要性能包括系统插入损耗、系统间隔离度、无源三阶互调以及是否具有监控功能等所决定。

8系统间的干扰和隔离度分析

由于多个不同频段的信号通过POI接入同一天馈分布系统，存在干扰问题。为了尽量减少干扰的影响，保证足够的收发隔离度，一方面除在POI内为各频段滤波器增加电路隔离外，另一方面采取发射天线与接收天线分开，以增加空间隔离。根据频谱图分析和实际测量，下面两种干扰影响较大：

CDMA800下行带外杂散辐射对GSM900上行信号的干扰；

CDMA下行信号通过POI后产生三阶互调对GSM900上行信号的干扰。

（1）电路隔离

共用天馈分布系统应保证CDMA800的带外杂散辐射不会干扰GSM900接收，必须使其干扰电平值小于-124dBm/200kHz，应满足两个关键条件：一个是CDMA800带外杂散辐射小于-67dBm/100kHz（在885MHz测量，按无委2002年65号文要求）；另一个是双频段合路器隔离度应在60dB以上，如图：

2）空间隔离：

有效减小干扰的另一方法是通过上下行链路分开，即空间隔离的办法满足隔离度要求，将两泄漏电缆并排安装在隧道壁上。

根据隔离度要求（如60dB），由侧向距离损耗公式（由漏缆生产商提供13/8″漏缆典型值）：LISOC=64+20 log(D/λ),可计算出上下行泄露电缆的间距D=0.3米时，就能满足隔离度要求。

9结束语

通过以上分析，地铁公用移动通信工程不同地面蜂窝通信，有其特殊的覆盖方式、切换方式、多系统合路和干扰隔离。因此地铁公用移动通信工程采用收发分开、无源天馈分布和泄漏电缆相结合，是当前的主流覆盖方式。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。