GSM隧道覆盖方案

【摘要】高速铁路（高铁）在全国范围内建设进程的加快，火车时速从120公里增加到350公里，这不仅给人民出行带来了便利，同时也给移动通信覆盖增加了难度。因列车在高速运行状态下会产生多普勒效应，加之高铁车厢的材质较为特殊，车体穿透时将产生大量损耗，在高速列车上，很容易出现掉话率高、接通率低等问题，这就阻碍了用户在高铁上的移动通信服务。基于上述背景，文章分析了GSM移动通信系统的发展现状以及高铁隧道的覆盖特性，并对两种GSM隧道覆盖方案展开了分析和对比。

【关键词】GSM；隧道覆盖；方案；设计

近年来，我国科学技术和经济水平均得到了稳步提升，在现代交通中，高速铁路也发挥着越来越重要的作用。回顾国家铁道部制定的相关规划，到2012年为止，国内高速铁路客运专线应达到1.3万千米，成为全球高铁运营里程最长的国家，并超越日本、德国等国。我国山区地形占比较大，在高速铁路运营中，隧道尤为关键。截止2010年底，我国已建成八千五百座铁路隧道，长度超过了5000千米，稳居世界第一。然而，隧道建设的增加，隧道对其内部环境与移动通信网络覆盖都提出了严峻的挑战。

1.GSM移动通信系统简介

GSM，即数字移动通信系统，最早起源于欧洲。上世纪中后期，欧洲已通过构建模拟移动通信系统，来向用户提供各种移动通信服务，同时期，西欧不少国家也在对其用户提供类似移动服务。然而，这种大规模的模拟移动系统，有其自身的局限性：第一，上世纪70年代末，人类低估了公众对移动业务的发展需求，即便如此，也远远超出了模拟网络的预期容量；第二，各个系统间的兼容性较差：TACS终端无法步入NMT网络，而NMT终端则与之相反。为缓解上述问题，1982年，CEPT成立了GSM（Group Special Mobile），并制定了一套与欧洲各国相适应的新的技术规范。1990年，该小组制定了GSM900技术规范，以便为各国建立数字移动通信网络提供技术性指导。在电信设备日益发展的今天，数字移动通信网的覆盖范围也在不断扩大，GSM逐渐演变为Global System for Mobile Communication，这实质上是细化和深入发展的表现。

2.高铁隧道覆盖特性

与普通的小区或室内覆盖不同，隧道覆盖有其自身的特点：

2.1 屏蔽性较强

一般而言，隧道需经过山体开凿，地铁工程也属于地面建设工程，且或多或少会衰减空间信号，室外基站天线传输的信号在隧道内部，大都无法适应人类的通话需求。

2.2 填充效应较为明显

填充效应，即列出穿行隧道时，其大部分切面空间被填满，导致隧道内的通信信号无法得到顺利传播，尤其是高铁，在其运行中有更显著的填充效。

2.3 话务量偏低

在隧道内，除列车与部分工作人员外，其他用户较少，为此，隧道内不会产生太大的话务量，覆盖问题和用户容量，是我们要解决的首要问题。

2.4 隧道覆盖效果制约着网络指标

隧道内一般会产生较大的电磁屏蔽，无线电波在隧道中很难做到全面覆盖。所以，隧道内可能有一定的信号盲区，最终导致用户在列车上不能正常通信，其对网络指标的影响也较大。

除具备上述基本特性外，受地形与运行状态等影响影响，铁路隧道中，横向宽度相对较小，列车高速穿过时，大部分隧道空间都被填满，列车外壳和隧道的内壁间的间隔在2米内，信号反射和衍射的差异性较大。正因为此，高速公路的隧道覆盖一般会在隧道口布置高定向天线，从外往里直接实现覆盖，列车经过隧道时，信号与其运行状态无太大关联。所以，高速公路的隧道覆盖，往往是在隧道外设立基站，在隧道口布置一根高增益定向天线。而针对铁路隧道而言，上述覆盖方式行不通，由于列车穿过隧道时，其外层和隧道内壁间仅有1.5-2米宽，信号在这样的环境下会明显衰减，用户大都无法通话。为此，铁路隧道无线覆盖，可选用下列方案：直放站+泄漏电缆或直放站+高增益的定向天线，并在隧道内架设一套天线覆盖系统。

3.高铁隧道覆盖方案设计

列车在隧道中容易发生填充效应，直接在隧道口装高增益定向天线的覆盖方案已无法适用，而应采用泄漏电缆（或漏缆）覆盖方案，其覆盖面积较广，但漏缆工程造价相对较高。基于此，文章建议采用易于安装、造价成本相对较低的同轴馈电分布式天线系统。

3.1 泄漏电缆覆盖特性

泄漏电缆属于同轴电缆，其外导体上设置了很多狭长且有规则分布的开槽口，如图1所示。从电磁场理论来看，射频信号传输到泄漏电缆后，有少量电磁能量会由开槽口向外部空间辐射，以实现隧道无线覆盖。由此可见，漏缆具有传输线与无线电波发射天线的双重属性。与常见的分布式天线系统相比，泄漏电缆具有下列几大特点：

（1）泄漏电缆的辐射能量较为均匀，能有效降低信号阴影。隧道内漏缆的每个点都能均匀接收到信号。如选用点源天线覆盖，天线附近的辐射强度将保持最高。然而，天线辐射强度与距离之间呈负相关，2个天线间容易产生盲区，导致接入失败等问题出现。

（2）能同时兼并多项服务。漏缆与宽带系统基本类似，所有的无线通信系统都借助同一套漏缆上运转。基于此，在隧道中往往会用到寻呼系统、广播系统等无线设备，因漏缆可实现共享，这就避免了多个天线系统架设时的复杂性，同时也降低了系统间的干扰。

（3）从电性能指标上分析，漏缆具有电压驻波比低、辐射方向图均匀以及功率容量高等特点；从机械性能上分析，漏缆有着较好的密封性和弯曲性能，其安装尺寸较小，不容易出现故障，且维修费用也不高。从成本角度上分析，漏缆工程造价成本较高，即便是选用国产泄漏电缆，每百米造价应需10000元，其投入成本偏高。

3.2 同轴馈电分布式天线系统覆盖特性

同轴馈电分布式天线系统的经济合理性较强，这种覆盖方案也较为灵活，价格也不高，且易于安装。同轴电缆的馈管衰减效果不明显，天线的增益很大程度上决定了天线系统的覆盖距离。如有必要，我们通过改变双向天线来拓宽覆盖范围。如果隧道较短，我们可直接将该方案进行简化，也就是在隧道内部设单根天线；反之，如隧道相对较长，可直接在覆盖链路中放置一台放大器，避免传输中信号发生过大衰减，如图2所示。

假如采用同轴馈电分布式天线系统来实现隧道覆盖时，应对辐射模块与耦合器进行分别设计，且应根据辐射模块的覆盖距离来选择耦合器的类型，而后再架设一套天线系统。外观方面，该方案只用一根同轴电缆串联起了多个一体化射频耦合辐射单元；辐射性能方面，如果双向天线覆盖效果较好，且能合理选择内置耦合器，并科学布设天线，则天线系统也可对隧道实现有效覆盖；机械性能方面，这种天线系统属于壁挂式安装，灵活性较强且造价成本不高。由此可见，同轴馈电分布式天线系统在隧道覆盖时有极大的优势。

4.结论

综合上述分析，泄漏电缆与同轴馈电分布式天线系统有其自身的优势与不足。在实际应用中，我们应认真分析成本、施工难度及性能等多个方面，要基于现场情况来选定相应的覆盖方案。与普通电缆相比，泄漏电缆明显更高，且铜的用量较大，这无疑制约了泄漏电缆的使用与推广；而天线系统覆盖的方案在长隧道中备受我们欢迎，随着分布式基站技术的日新月异，此天线系统所占据的市场份额也将越来越大。

参考文献

[1]刘肖强，邓宪法.现代移动通信技术[M].北京：国防工业出版社，2012.

[2]张威.GSM网络优化――原理与工程（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]啜钢等.移动通信原理与系统[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[4]李佳，史春光.高速铁路多普勒频移综合研究与分析[J].信息技术，2011.

作者简介：信任（1976―），男，工程师，研究方向：移动网GSM和WCDMA。