深圳地铁无线场强覆盖的计算研究
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摘要：场强覆盖的计算对于无线网络的规划和网络评估具有关键作用，是衡量无线网络通信服务质量的重要指标之一。本文结合深圳地铁一期、二期工程无线通信系统的建设经验，对地铁无线通信两个子系统的无线场覆盖计算进行研究，以期对地铁无线网络场强覆盖问题的研究提供参考。
关键词：地铁无线通信；场强覆盖计算；
1.概述
目前，随着我国经济社会的快速发展，我国轨道交通也迎来了建设大高潮，已有22个城市相继开展了地铁建设规划，与此同时移动通信的日益发展使得地铁乘客和列车控制系统对隧道间移动通信的要求成为现实。深圳地铁无线通信系统分为运营线路无线调度通信子系统、车辆段列检库无线通信子系统（此两部分合称专网）和公众移动业务天线分布系统（简称公网）。
深圳地铁现今规划线路16条，车站369座，换乘站58座，车辆段和停车场29个，全线专网规划的基站数为364个，用户总数为8400个。分别如下：
（1）自二期工程起，系统采用小区制组网方案，即每个车站设置1个基站。
（2）1至5号线的基站数和用户数采用设计确定值：1号线（基站26个，700个用户）；2号线（基站30个，800个用户）；3号线（基站23个，500个用户）；4号线（基站12个，400个用户）；5号线（基站29个，1000个用户）。
（3）6至16号线，20个以上基站的线路按500个用户测算，20个以下基站的线路按照400个用户测算。
地铁无线通信系统和地面无线通信系统之间的最大区别是全部在地下，而且大部分处于隧道里面。漏泄同轴电缆的特性无疑使其成为实现地铁隧道区间无线通信的一种有效传输途径，连接地铁线路各基站形成链状覆盖小区网络。列车行进方向的切换(本小区与邻小区)位于区间中部，此时列车的车速也达到最高，列车又是金属外壳，而其链状小区网络重叠区域非常单一，在一个地理位置上不会出现众多小区的重叠覆盖，这些都给越区切换带来了困难。因此，网络规划时的场强覆盖计算显得尤为重要。
本文主要针对地铁典型区域的场强覆盖进行计算，建立适用于地铁一般区域的无线电传播模型、路径损耗模型。
2地铁场强的覆盖方式
地铁无线信号覆盖网的架构是由各车站基站的收发信机通过射频分路器/合路器与双工器相连，其射频信号再经过耦合器、功分器、馈线分别送至站厅天线和区间漏泄电缆。相邻车站区间的漏泄电缆在区间中点附近通过射频跳线相连，以构成相邻基站越区切换的场强重叠区。车辆段基站的收发信机通过射频分路器/合路器与双工器相连，其射频信号经馈线直接送至架设于运营楼顶的铝合金塔上的全向天线。
根据地铁无线信号覆盖网的构架，地专用无线通信子系统的场强覆盖可以分为三部分：
（1）隧道内运营路线及沿线车站站台区采用漏泄同轴电缆进行场强覆盖；
（2）地铁沿线车站站厅层采用吸顶天线进行场强覆盖；
（3）车辆段采用在楼顶铝合金塔上架设全向天线进行场强覆盖。
三部分区域的场强覆盖因其所在坏境的边界条件和采用的手段均不同，因此需要采用不同的分析计算方法来进行设计和场强预测。
在（1）区主要采用漏泄同轴电缆（LCX）进行覆盖，从三部分来分析其场强损耗：分布系统损耗、漏缆系统损耗和附加损耗，这就需要我们考虑LCX的模式选取、耦合损耗的取值、大于2m处的耦合损耗、人体损耗、车厢屏蔽损耗以及多径跌落等等因素。
在（2）区主要考虑属于地下限定空间的边界条件以及室内损耗、穿透损耗等因素的影响。
在（3）区属于地面市区，主要应考虑外界的干扰问题以及出入段线的“敷设漏缆”的覆盖方式。
3.隧道区间场强覆盖链路计算
隧道区间场强覆盖以同轴漏泄电缆为传输介质，深圳地铁一期漏缆铺设从上到下为：专网漏缆、警用漏缆、公网下行漏缆和公网上行漏缆，距轨面高度分别是3.35m、3.00m、2.75m、2.50m。为了减少其他信号场强对专网的干扰，深圳地铁二期工程将专网漏缆提高到3.5m。
对于专网而言，车载台与便携台相比，列车车载台天线有一定的增益，天线位于机车顶部，距漏缆的直线距离较近，且不受车厢、车体屏蔽及人体屏蔽的影响。因此车载台场强覆盖余量在同一地点优于便携台，故以下分析、计算，专网、公网都主要考虑便携移动终端的场强覆盖分析、计算。
电波在隧道内传播可视为漏泄电缆在地面自由空间传播时的耦合损耗加上各种修正附加损耗而形成的接近实际的传播路径损耗，所以，列车内移动终端在半区间漏缆末端的边缘场强电平预算可以表达如下公式：
P0（隧道内漏缆末端电平）≥P（移动终端边缘场强电平）+ L1（漏缆耦合损耗）+ L2（增加宽度耦合因子）+ L3（车体屏蔽损耗）+ L4（人体阻挡损耗）+ L5（隧道修正因子）+ L6（越区切换延伸传输损耗）。 （1）
设计过程中，移动终端的最小接收电平要求大于-85dBm。增加宽度耦合因子：设置列车边缘便携台距漏缆大约4m，由13*lgD/2可得，增加耦合因子为4dB。
3.1 专网集群系统
专网场强覆盖系统图如图1所示。
（1）半区间漏缆末端的场强覆盖余量预算
以深圳地铁2号线为例，采用1-5/8″、1-1/4″、7/8″三种漏缆以优化漏缆系统组合，来满足无线电波在各区间的覆盖要求。
根据漏缆幅射电波在隧道空间传播时的各种路径损耗参数，由公式（1）可计算便携台边缘电波场强。经计算，三种不同型号漏缆在半区间末端的场强覆盖余量预算如表1所示。
从表1可以知，深圳地铁2号线隧道区间采用1-5/8″、1-1/4″、7/8″三种漏缆进行不同类型隧道区间的场强覆盖，它们各满足列车车内便携台边缘场强及覆盖小区越区切换条件的半区间漏缆末端功率要求分别为Po1≥11.66dBm、Po2≥15.55dBm、Po3≥20.55dBm。
（2）基站覆盖距离估算
以二号线世界之窗站基站为例，使用1-5/8″漏缆覆盖区间，来说明基站覆盖距离的估算方法。其估算取决于以下参数：
Tetra基站下行输出功率：44dBm、分布系统损耗（7.09dB）、漏缆系统损耗（1-5/8″漏泄电缆传输损耗：2.4dB/100m）、以及其他附加损耗。具体计算如下：
L=（85+44dBm-7.09-75-4-5-5-5-2.66）/0.024=1052m （2）
因此，对于二号线世界之窗站基站，满足隧道区1-5/8″漏缆场强覆盖车内便携台及越区切换条件的最长半区间长度为：1052m。
3.2 公网无线系统
公网无线系统区间漏缆覆盖图如图2所示。
（1）半区间漏缆末端的场强覆盖余量预算
在1-5/8″泄漏电缆作为传输介质、95%耦合损耗的情况下，移动终端的隧道环境和专网相似，故选择相同附加损耗。由公式（1），可以计算得到各种制式系统的漏缆末端输出功率的下限值Po。如表2所示。
由表2可知，当 时，即漏缆末端的电平 时，各种系统在半区间漏缆末端的输出电平满足场强覆盖区切换要求。
（2）基站覆盖距离估算
根据表2计算的各种制式系统的漏缆末端输出功率的下限值，我们可以计算基站输出功率覆盖的最大距离。计算公式如下：
Lmax=[P1(基站功率)-P2(POI插损)-Po ]/Lc*100 (3)
即隧道的最大长度为：2*Lmax，各个系统的基站覆盖距离估算如表3所示（计算式（2）和公式（3）实质上相同）。从表3可见，TD_SCDMA、FDD基站的覆盖距离比较短，当较长区间时，必须通过增加光纤直放站，使隧道内场强满足覆盖要求。
4.地铁站厅场强覆盖分析
车站公共站厅区和出入口场强覆盖采用吸顶天线，公网和专网在站厅场强覆盖相类似，具体站厅室内天线无线电场强预算计算如下：
设计每个站厅天线覆盖半径为：50m，全向吸顶天线增益均为：3.0dBi，厅公众区及狭窄出入口通道损耗为：15 dB，人员拥挤时阻挡损耗为：10 dB，假设天线口最弱功率为X0。
站厅无线电波传播主要路径损耗：自由空间损耗以及各种障碍物阻挡损耗和人体阻挡损耗；
根据无线电传输模型，自由空间损耗计算为： L=32.4+20lg(F) +20lg(D)（4）
公式（4）中，F为无线电波的频率，单位为MHz，D为天线覆盖半径，单位为Km。以850M为例，则：
L=32.4+20lg(850) +20lg(50/1000)=90.99+20lg(50/1000) =65 dBm
于是，有：
Po(站厅天线端口电平)≥P1（便携台边缘场强电平）+L（空间损耗）+L1（阻挡损耗）+L2（人体阻挡损耗）-P2（天线增益） （5）
即：Po≥-85+（65+15+10）-3≥2（dBm）
结论：根据上面计算，站厅公共区及出入口采用吸顶天线覆盖，只要天线口功率≥2dBm就能达到覆盖半径50米站厅区域及纵深50米出入口通道的要求。
5.车辆段场强分析计算
5.1 车辆段场强覆盖余量
车辆段采用在铝合金塔上架设全向天线来进行覆盖，一般铝合金塔设置在楼顶，车辆段内的基站通过全向天线发射无线电波进行场强覆盖。
假设：全向天线要求覆盖最远1500米处（检修库、运用库建筑物内远端点）。
已知：① 室外全向天线口功率为：36dBm（基站输出功率设为：44 dBm、基站至楼顶天线7/8″射缆200米损耗为8 dB），天线增益=11dBi；
② 电波穿透建筑物损耗,按照穿透一堵水泥墙损耗为20dB；
③检修库、运用库列车内电波穿透车体损耗:5 dB，人体阻挡损耗:5 dB；
则，由自由空间损耗公式（4）有： L1=90.99+20(1500/1000)=90.99+3.52=94.5
电波传播路径总损耗：L2=94.5+20+5+5=124.5dB
因此距天线最远处1500米内检修库、运用库列车内便携台边缘场强电平为：
P=36+11-124.5=-77.5dBm > -85dBm
综上所述，全向天线的信号在要求覆盖区域场强都能满足大于最低边缘场强（-85dBm）的要求。
5.2 车辆段出入线场强切换
车辆段出入线，列车由正线行驶进入车辆段、或车辆段驶行进入线路正线，存在着一个覆盖小区切换至另一个覆盖小区的问题， 在列车入隧道的过程中，其信号强度的变化是：隧道内信号增强，隧道外信号迅速减弱的过程，其切换区（信号重叠区）不足以确保车上移动通信信号的切换成功；出隧道也存在同样的情况。
解决方法是在漏缆的末端增加定向板状天线，将隧道内小区信号引到隧道外面，与外部车辆段基站形成足够充裕的重叠区，达到顺利切换的目的。
6.结论
在无线系统网络的设计过程中，无线场强的测量计算有助于选取更优质的无线网络覆盖方案。特别对于地铁无线网络系统，场强覆盖的分析计算，能够得到相邻两小区边缘场强覆盖余量，以致确定合理且具体的越区切换参数，从而确保移动终端在地铁列车、车站以及车辆段等区域的顺利切换，保证地铁连续、稳定的移动通信信号，最终为地铁列车的安全运行保驾护航。
注：文章内所涉及的公式及图表请用PDF查看