高速公路隧道无线覆盖规划设计
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【摘 要】根据重庆“二环八射”高速公路170余个隧道特性，从高速公路可提供的资源入手，在隧道传播模型、信源选择、覆盖方式选择、天线选择、链路预算、裕量校正等方面进行了归纳总结，对同类型场景下的规划设计具有一定的指导作用，以实现高速公路无缝覆盖。
1 概述
高速公路隧道的无线覆盖是移动通信网络发展的一个重要组成部分，也是各运营商移动网络质量的体现。在我国，尤其是南方城市，由于地形原因，高速公路隧道占比非常高，特别是途经山区地段占比更高。例如：国家“7918”高速公路网上海至成都公路的重要组成部分沪蓉西高速公路，全长320公里中有370座桥梁和46座隧道，桥隧比为52%，特别是包茂高速重庆武隆段隧道占比更是达到了90%。因此，做好高速公路隧道规划设计是实现高速公路无缝覆盖最重要的一环，也是打造优质移动网络品牌的重要基础。
2 高速公路隧道资源
2.1 公路隧道的孔径尺寸
公路隧道的隧道结构、直径和高度几乎相同，两侧两车道单洞宽度为9m，三车道宽度为13m，隧道圆弧顶部高度为7m，隧道截面积最小为50m2。小型汽车宽2m、高1.5m，截面积为3m2；大型汽车宽3m、高4m，截面积一般小于12m2。车辆相对隧道的截面积较小，隧道空间比较宽敞，隧道里面的无线覆盖状况在少量车辆通过时与没有车辆通过时差别不大。
2.2 公路资源
公路业主单位一般可以给通信运营商提供电源、站点和管沟等资源，具体如下：
（1）公路隧道为保证行车安全，基本都配备有照明电源，而且为了保证电源的可靠性，会在隧道口自建有配电房，配置较完善的后备电源，提供不间断供电，这种电源系统称为EPS电源。由于目前EPS电源的价格低于运营商自建市电的费用，因此一般都采用高速公路转供的EPS供电系统。500m以下隧道通常采用箱式配电柜，无后备电源；500m以上隧道建有配电房，提供后备电源。
（2）公路隧道的站点建设一般有两种方案：隧道口空地和隧道内紧急人行通道。根据隧道的长度和弯曲度情况，移动通信运营商依据自身特性会选择不同的位置架设移动通信基站，而高速公路管理方会根据这些情况按照使用点位进行收费。
（3）公路隧道一般为双洞，两侧均有管道，在外侧的为强电管道，内侧为弱电管道。隧道内部放有照明用的强电电缆、通信监控用的光缆等各种管线；通信运营商在隧道内建设站点时，必须沿高速公路管道布放，无法自行建设管道。
为了保障高速公路隧道有效覆盖，在高速公路隧道站点建设过程中与业主方的费用主要由场地租金、管沟租金和电源搭接费等构成。目前由于没有统一的行业标准，因此对不同的业主单位收取的费用标准也不一致。
3 高速公路无线网络规划设计
3.1 无线传播模型
对无线通信而言，在自由空间情况下，根据能量守恒定律没有能量的损失，能量只是分散出去，如图1所示。在与点源距离为d时，能量分布到4πd2的面积上，因此能量与距离的对数成反比。
图1 能量在自由空间上发散模型图
信号在隧道中传播存在隧道效应，一部分在隧道中被反射，另一部分直射到接收机处，但主要以反射为主。这时如果反射不吸收能量，根据能量守恒定律，在隧道中几乎处处能量相等，此时除了在离天线几十米内由于能量的分散体现出衰减外，其他地方的能量则不会出现发散衰减，当然前提是反射不吸收能量。如图2所示：
图2 能量在隧道中反射模型图
在实际情况下，每反射一次能量就会被吸收一部分。被反射的能量与入射的能量成一定的比例a，而反射的次数是与距离成正比的，所以能量为：
P=P0-a*d/k （1）
其中，d为信号传播的总距离；k为反射一次的距离；d/k为反射次数。
因此，根据ITU-R P.1238-3建议书《用于规划900MHz至100GHz频率范围内室内无线电通信系统和无线局域网规划的传播数据和预测方法》提出的室内适用的传播模型：室内无线链路衰耗主要由路径衰耗中值与阴影衰落决定，隧道可以认为是一管道，信号传播是墙壁反射与直射的结果，直射为主要分量，这种传播模型对隧道覆盖也是有效的。根据试验数据对传播模型进行了修正，得出下面这个简单实用的隧道传播模型进行隧道覆盖的设计：
Lpath=20lgf+30lgd-28 （2）
其中，Lpath为信号的路径损耗；f为信号频率；d为信号传播距离。
3.2 常用信源对比
高速隧道的无线覆盖主要是满足过往车辆中的驾驶员或乘客的正常通信，容量需求较低，因此在进行高速公路隧道无线覆盖设计时只需考虑覆盖和质量。此外，由于高速公路隧道处于高速公路之上，存在存放设备区域小、维护较为困难等实际问题，所以用于高速公路隧道覆盖的信源设备只能选择直放站和射频拉远基站。这两种方案选用的性能对比如表1所示：
表1 光纤直放站与射频拉远基站对比
对比项 光纤直放站 射频拉远基站
网络覆盖 抬升底噪，导致反向受限，前反向覆盖不平衡 前反向链路增益基本相同，保证前反向覆盖一致
容量 不提供容量 最高8载波容量
网络质量 功控受影响，小区容量降低 功控不受影响
可靠性 附属设备多，可靠
性低 电信级设计，符合IP65防护标准
网管 信息量小，可靠性低，无法与其他无线设备统一管理 统一网管，可靠性高
定位等业务 无法支持 支持
综合考虑1X及DO业务，在3G信号覆盖中，业界普遍以RRU做信号源。结合实际应用效果，本文建议使用射频拉远基站作为隧道覆盖的信号源。
3.3 常见隧道覆盖方式
高速公路隧道的覆盖方式需要考虑建设简易性、维护方便性等，因此对于高速公路隧道的覆盖可选方式中，均采用了直接对信源设备出来的馈线进行二功分或四功分，从而实现对隧道的覆盖。
（1）短隧道的隧道口二功分直接覆盖，如图3所示；
（2）中长隧道的隧道内人行道二功分或四功分对隧道进行覆盖，如图4所示。
3.4 隧道覆盖天线选型
为保证行车安全，对隧道覆盖提出了三个要求：一是要保证天线的尺寸不能过大，车辆不会撞击到天线；二是为了保证天线不影响司机的视线，需要将天线伪装成与隧道内壁相近的颜色；三是不能影响隧道设施的正常使用。根据这些要求，在隧道覆盖过程中一般采用的天线有小面板天线、八木天线和对数周期天线。这三种天线参数对比如表2所示。
由于高速公路隧道内尘埃较多，天线设备所处环境较为恶劣，因此结合前期天线应用情况，推荐使用小面板定向天线。
3.5 隧道覆盖链路预算
（1）对业务的考虑
1X业务
对1X业务而言，中国电信集团公司要求在郊区的情况下，RSSI大于-95dBm，终端发射功率为20dBm。按照此要求，则使用前向-95dBm及反向20dBm功率作为设计目标。因此，1X设计目标为：
前向：-95dBm（100%负荷时总功率）；
反向：终端发射功率20dBm。
DO业务
对于DO业务而言，由于后续会发展VT业务，需要前反向连续覆盖速率为76.8kbps，这时前向的C/I要求为-8.58dB，考虑到终端噪声系数8dB，则终端的底噪为-105.1dBm，下行的终端接收灵敏度为-105.1+（-8.58）=-113.68dBm。为了与1X的要求保持一致，前向也可以使用-95dBm作为覆盖要求；而对于反向，也考虑与1X保持一致，使用20dBm发射功率作为覆盖要求。
（2）传播距离的预测
无线链路预算是对一条通信链路中的各种损耗和增益的核算。对收发信机之间信号传递过程中的各要素损益进行分析，获得一定场景下满足覆盖要求允许的最大传播损耗，选用合适的电磁波传播模式，可以有效地评估基站的覆盖范围。链路预算可分为前向链路预算和反向链路预算，由于反向链路预算的各种因素为已知或准确估计，结果较为可靠，因此工程上一般通过反向链路预算对基站覆盖能力进行估算。不同的业务有不同的链路预算的结果。
反向链路预算首先计算上行链路的最大允许损耗，即：
PLmax=PUE-S+GBS+GUE+GSHO-Lp-Lf-Lb-Ms-Mf+10lg（1-η） （3）
其中，PLmax为最大允许路径损耗；PUE为终端发射功率；GBS为基站天线增益；GUE为终端天线增益；GSHO为软切换增益；Lp为穿透损耗；Lf为馈线损耗；Lb为人体损耗；Ms为阴影衰落余量；Mf为快衰落余量；η为上行链路负载；10lg（1-η）为干扰余量；S为基站接收灵敏度，即：
S=kTW+NFBS+ （4）
其中，NFBS为基站噪声系数；k为Boltzmann常数，取1.38*10-23J/K；T为开氏温度，取290K。
根据目前使用二功分和四功分建设模式，覆盖预测具体如表3所示：
表3 各种建设模式下的覆盖预测
项目 1X 9.6k 1X 38.4k DO 76.8k
二功分（平直） 0.8*2 0.73*2 0.59*2
四功分（平直） 0.59*4 0.54*4 0.43*4
3.6 裕量校正
上文主要是针对直隧道的链路预算，但现实中存在着弯曲隧道和车流量大的城郊高速隧道，这些类型的隧道需在原来的隧道预算基础上考虑更多的裕量。
（1）弯曲隧道裕量估算
隧道弯曲半径越小，场强中值随距离变化的曲度对覆盖的影响越显著。因此在设计过程中，应对不同弯曲半径的隧道进行区别设计，以提高设计的精度。
目前，常见的高速公路弯曲隧道有R=4500m和R=5800m两种弯曲类型。根据已有隧道覆盖测试数据进行统计平均：传播损耗（弯曲R=5800m）-传播损耗（直通）=2.61dB，传播损耗（弯曲R=4500m）-传播损耗（弯曲R=5800m）=4.64dB。由此可见，隧道弯曲半径越小，场强中值随距离变化的曲度就越大。
（2）车流量较大隧道裕量估算
虽然常见的高速公路隧道车流量较小，对隧道无线信号的阻挡可忽略不计，但在距离城区较近的郊区隧道则不同，由于隧道宽度有限，时常出现堵车等情况，造成大量的车辆停留在隧道内，大卡车、长途客车等较高车辆阻挡天线主波瓣的辐射，再加上车体为铁皮等缘故，从而导致距离天线较远区域出现了弱覆盖。如图5所示：
图5 高速公路隧道堵车导致隧道部分覆盖不足
因此，根据实测情况，城郊大流量高速公路隧道在无线覆盖时需要考虑5dB左右的裕量。
4 总结
做好高速公路隧道内的无线信号覆盖可以大力提升用户感知，尤其是在突情况下更是发挥了不可替代的作用，产生巨大的社会效益。
由于高速公路隧道覆盖工程一般都具有工程施工时间紧、任务重、施工环境恶劣、建设难度大、夜间施工和山间施工多的特点，并且必须要按照隧道业主单位的时间要求进行施工，时效性高、危险性大，因此这就要求在进行高速公路隧道无线设计过程中充分考虑各项因素，并需要持续跟进建设进度情况，避免设计不当或及时性不强而耽误施工进度。
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