（通信与信息系统专业论文）铁路隧道内gsmr网络覆盖技术的研究.pdf

北京交通大学硕士论文 摘要 解决铁路隧道内网络覆盖问题是实现g s m r 全线网络无缝覆盖 目标的重要手段之一，是g s m - r 网络优化的一个重要方面。本论文 以青藏铁路试验段g s m r 网络工程为基础，结合实际铁路环境下隧 道内的网络覆盖情况，对铁路隧道内g s m r 网络覆盖设计进行深入 的理论研究以及应用方案的探讨，指出设计隧道内无线网络覆盖的关 键问题所在，从而为g s m r 网络优化工作的进一步发展提供依据。 第一章绪论概述了目前铁路隧道内g s m r 覆盖状况，以及青藏 铁路g s m r 试验工程中隧道内网络覆盖设计的概要，给出网络测试 的目的： 第二章介绍了隧道内g s m r 网络覆盖的系统组成，详细分析比 较了在铁路隧道环境下，几种信号源和天馈系统的优缺点，继而引出 光纤直放站的概念、作用以及在解决隧道覆盖上的应用，最后对不同 长度隧道内无线网络覆盖的几种工程模型进行了探讨； 第三章结合青藏铁路g s m - r 试验工程中隧道覆盖设计应用方 案，详细分析了其中的关键技术； 第四章根据青藏铁路g s m r 试验测试工程的具体情况，分析了 测试过程中发现的问题，给出解决方法； 第五章对全文进行总结，提出解决铁路隧道内网络覆盖问题应继 续研究的重点内容。 关键词：g s m r 、隧道、直放站、覆盖设计 ! ! 塞奎墨查兰堡主笙壅 a b s t r a c t t h en 咖o r kc o v e r a g ei nr a i l w a yt u n n e l si so n eo f 也ei n 币o r t a n tt h i n g st o r e a l i z em i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n so rg s m rc o m p l e t e l yc o v e r i n g a l s o ，i ti s a ni m p o r t a n ta s p e c to fg s m rn e 铆o r ko p t i m i z i n g i nt 1 1 i sp 印e r ，t h ei n v e s t j g a d o n s i sd o n eo nt h et h e o r ya n d 印p l i c a t i o no fg s m rn e t 、v o r kc o v e r a g e i nr a i l w a y t u n n e l s t h bw a r kc o n s i d e r s 也ec u r r e n tc a s eo f t h ec o v e r a g eo f m ep r e s e n tn e t w o r k f o rm i l w a y a n dp o i n t so u tt 1 1 ek e yp o i n t so f t h en e 咐o r kc o v e r a g ei nr a i l w a y m 【l i l e l s b a s e do nm eg s m rn e t w o r ke n g i n e e r i n go nt h ee x p e r i m e i l t a ls e g m e n to ft j b e t r a i l w a yw h i c hc o n t 曲u t e st of u r t h e rd e v e i o p m e n to f g s m - rn e m o r ko p t i i i l i z i n g t h ef i 哑c h a p t e r “i n 证o d u c t i o n ”s u r i z e st h ep r e s e ms t a t l l so fg s m _ r n e r kc o v e r a g ei nr a i l w a yt u l l l l e l sa i l dg i v e st h eo v e r v i e wo fg s m - rn e t w o r k c o v e r a g ep m j e c to nt i l et i b e tr a i l w a ye x p e r i m e n t a le n g i n e e r i n ga n dt t l ep u r p o s e o f n e t w o r kt e s h n g ； n l es e c o n dp a r to ft h i sp a p e rd e s c r i b e sl l l ea r c h i t e c m r eo ft 1 1 eg s m - rn e t w o r k c o v e m g ei nn m n e l s ，a n dt h e nc o m p a r e st h ea d v a i l t a g e sa n ds h o n c 。r n j n g so f s e v e r a l s i 舭a ls o u r c e sa n da 1 1 t e i l 工1 as y s t e m s na l s op r e s e n t s t h ec o n c e p ta n df u n c t i o n so f f i b r e o p t i cr e p e a t e li t sa p p l i c a t i o ni nn e t w o r kc o v e r a g eo nt l l er a i l w a y ，a n daf e w e n 画n e e n gm o d e l so f m i l w a yn e t w o r kc o v e r a g eo f d i 丘色r e n tl e n 昏hi nm n n e l s ； t h e 血i r dp a r 七a n a l y z e si nd e t a i l t h ek e yt e c t l i l o l o g yi nt l l ea p p l i c a t i o np m g m m o fn e t 、v o r kc o v e 豫g ed e s i g l l si nt l l l l l l e l so nt 1 1 et i b e tt a 订w a yg s m re x p e r i m e n t a l e n g i n e e r i n g ； t h ef o u r t hc h a p t e a c c o r d i n gt ot | l et i b e tr a i l w a yg s m re x p e f i m e n 叫 t e s t i n ge 1 1 9 i n e n 吕a n a l y z e sp r o b l e m so c c u 州n gi nt 1 1 et e s t i n ga i l do 僚r s m e t h o d st o 2 北京交通大学硕士论文 s o i v et h e m ： t h el a s t p a r t s u m m a r i z e st t l ew h o l ep a p e ra n dp o i n to u ts o m e i m p o r t a n tp m b l e m sd e s e r v i n g 血n h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：g s m - r 、t h n n e l 、r e p e a t e r 、c o v e r a g ed e s i g n 3 北京交通大学硕士论文 1 1 论文背景 第一章绪论 随着铁路信息化水平的不断提高，语音和数据通信在铁路安全与 效率方面的作用显得日益重要。目前我国铁路正在朝高速铁路、客运 专线方向发展。铁路提速和客运专线网络化、智能化、综合化的行车 调度指挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的综合移动通信系 统，以及透明、双向、大容量的车一地安全和调度指挥的信息传输通 道。而g s m r 正是这样一种符合要求的可承载多种业务的移动通信 网络。 g s m r 是一种基于目前世界最成熟的、最通用的公共无线通信 系统g s m 平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信 系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为 铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。 在g s m r 上可以实现列车的安全运行，建立车内和铁路控制中央系 统，同时和紧急救助部门实现互联，避免了铁路上旧式模拟通信系统 的种种弊端，从而保证铁路通信的可靠性和安全性。 网络覆盖、网络容量、网络质量从根本上体现了移动通信网络的 服务水平，是网络优化工作的主题。而就g s m r 来说，对重要的铁 路实现全线、无缝覆盖是g s m r 网络优化的一个主题，是提高g s m r 网络质量的一个重要环节，是提高g s m r 综合竞争力的一个有力手 北京交通大学硕士论文 段( 相对于t e t r a ) 。然而在移动通信迅速发展的今天，无论何种无 线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和覆盖盲区，g s m - r 当然不会 例外。由g s m r 网络覆盖的铁路沿线，出现的覆盖盲区大多数为隧 道、路堑等区域，尤其是建设g s m r 网络的第一条铁路青藏铁路， 地处世界屋脊，多为高山和荒原的环境，经常出现隧道与路堑等电磁 传播环境复杂的区域，目前仅青藏线试验段全长1 8 6 公里的铁路沿线 就有3 条隧道，总长约2 4 公里，在g s m r 网络建成后，这些区域 均为无线网络的覆盖弱信号区或者覆盖盲区，在铁路的调度通信上是 不允许存在这样通信不能保证的区域的。为了保证铁路通信的安全性 和可靠性，要求g s m r 在铁路沿线必须达到无缝覆盖的目标，由此， 例如类似隧道、路堑这样的网络覆盖弱场强区域或者覆盖盲区，需要 通过相应的覆盖手段来满足g s m r 建网的最初目标。对隧道覆盖技 术的研究就是在这样的背景产生的。本论文基于这种背景下，以 g s m r 网络优化为出发点，从铁路隧道内的g s m r 网络覆盖开始展 开，结合对青藏铁路试验段3 条隧道的覆盖技术解决方案的探讨以及 测试方案和测试结果的分析，对隧道内的无线网络覆盖需要考虑的一 系列技术、设备选择等问题进行分析研究和探讨。 由于g s m - r 系统诸多技术借鉴了公网的g s m 技术，保留了g s m 的大体网络结构，其绝大多数软硬件都已在现网中得到检验，而且 9 0 0 m h z 的工作频段，使得该隧道覆盖系统在网络优化方面也基本上 与公网g s m 相同，因此隧道内的g s m r 网络覆盖技术可以大量的 借助于己成熟的g s m 技术，方便灵活地对一系列问题进行分析和解 决。 北京交通太学硕士论文 1 2 隧道内g s m - r 网络覆盖概述 在没有对隧道进行专门的网络覆盖设计时，隧道内g s m r 网络 的情况总结如下： 覆盖方面，由于隧道自身的屏蔽和吸收作用，造成了无线电 波较大的传输衰耗，形成了g s m r 移动信号的弱场强区甚 至是覆盖盲区： 质量方面，隧道内电波环境传播复杂，在某种程度上存在无 线频率干扰，服务小区信号不稳定，出现话音质量难以保证， 掉话、数据传输中断等现象。 考虑到移动网络优化的另一个重要方面，容量方面，般的诸如 城市地铁这样的移动信号覆盖弱场强区域由于人流较大，话务量繁 忙，当局部网络容量不能满足用户需求，无线信道发生拥塞现象，容 易产生通话质量下降、掉话等现象。由于g s m r 是铁路上的专用通 信网络，一般不会发生话务量很大，无线信道拥塞的情况，所以铁路 隧道的网络覆盖的目的是为了延伸g s m - r 网络覆盖范围、提高网络 的通信质量。 目前，大多数铁路沿线上的隧道是g s m r 网络的覆盖盲区，需 要采取相应的手段使得g s m 承网络延伸至整个隧道内，覆盖后的隧 道内g s m r 网络各项指标均要符合g s m r 网络建设的最初目标， 隧道内的g s m r 网络覆盖需要结合铁路沿线的具体环境进行专门的 解决方案的设计和研究。 一般来说，铁路隧道相对其他交通线路上的隧道较为狭窄，特别 是当机车经过时，被机车填充后，隧道内所剩余的空间很小，机车对 隧道的填充会对信号的传播产生较大的影响，容易产生较为严重的信 3 北京交通大学硕士论文 号衰落，而且隧道内覆盖天线系统的安装空间有限，使天线的尺寸和 增益受到很大的限制。另外，铁路隧道存在长短不一的状况，短隧道 仅有几百米，丽长隧道有几公里，隧道内无线信号传播环境复杂，受 隧道大小和转弯等因素影响，这样就使得铁路隧道内网络覆盖的设计 更为困难和严格一些。经过对公网中弱场强区域的网络覆盖分析，发 现，由于隧道内无线信号衰减快，一个基站的覆盖范围有限，而 g s m r 网络的特点是区段内话务量不高，所以适合采用直放站进行 信号的引入，因为直放站本身实现的就是“小容量、大覆盖”的网络 规划目标。天馈系统的选择则根据隧道长短的不同可以更为灵活一 些，如对于短隧道，在隧道口附近可以用普通的定向天线向隧道里进 行覆盖，或者对于较长隧道，最可靠的就是选择泄漏电缆来进行隧道 内的信号覆盖。在后面的章节中本文将对隧道内网络覆盖的具体方案 给予详细的设计分析。 在进行隧道覆盖规划之前，般需要知道以下数据： 隧道长度、隧道宽度、覆盖概率( 5 0 、9 0 、9 5 、9 8 、9 9 ) 、 隧道结构、载频数目、隧道中最小接收电平( 一股为一8 5 d b m 到 一1 0 2 d b m ) 、隧道入口处的信号电平、隧道内部已有信号电平等。在 解决方案设计前应有对隧道覆盖系统的设计要求。 1 3 青藏线试验段隧道内g s m r 网络覆盖设计概 述 青藏铁路g s m r 网络试验段从格尔木至不冻泉，全长约1 8 6 公 里，移动通信采用g s m r 系统，工作频段8 8 5 m h z 8 8 9 m h z ， 9 3 0 m h z 9 3 4 m h z ，海拔高度将近4 0 0 0 米，最低温度可至零下3 5 。 北京交通大学硕士论文 整个青藏线试验段包含三个隧道，其中最长隧道昆仑山隧道长1 6 8 0 米，电波传播环境较差，属于g s m r 系统的覆盖盲区，需要通过相 应的覆盖手段以达成g s m r 系统近似无缝覆盖的目标。由于g s m r 无线系统存在其本身的特殊性一一网络性能要求严格，地形复杂，气 候条件恶劣等，所以解决此处隧道覆盖需要考虑多方面的技术因素， 具有一定的特殊性。 此次青藏线g s m - r 试验段三条隧道均属于中短类型，均采用光 纤直放站作为信号引入源，采用泄漏电缆作为辐射天线对整个隧道内 进行g s m r 信号的均匀覆盖。为了配合g s m r 网络采用的双网覆 盖模式，每套光纤直放站设备也均有备份以支持原有网络的覆盖方 式。选择光纤直放站和泄漏电缆的原因是由于这两种设备的可靠性 高，对环境的适应性强。从这两点意义上出发，比较适合青藏线铁路 沿线的隧道，缺点是相对于其他中转放大设备或者天馈系统，成本 较高，在一定程度上增加了网络建设的投资。 目前，青藏线试验段隧道g s m r 网络覆盖已经经过了一系列的 测试项目的检验，目前已经能得出结论：铁路隧道内g s m r 网络的 覆盖设计可以满足网络最初的各项指标要求，其中隧道内由泄漏电缆 作为辐射天线，信号均匀、通话质量良好，光纤直放站网管系统采用 了发送短消息的通信方式，能够实时的对远端直放站设备进行监视和 控制，效果良好，并且在以后g s m r 网络增加了g p r s 功能以后， 其网管通信方式可以安全、方便的过渡。隧道内覆盖网络可以实现与 原有网络的兼容性良好的目标，其中在设计方案中要考虑的问题在实 际工程和测试中也基本上得到证实，其中无线传输中的一些干扰问题 还需要更深入的研究。 北京交通大学硕士论文 1 4 青藏线试验段隧道g s m r 网络覆盖测试概述 网络测试的目的主要是针对预先设定好的设计方案，在实际的网 络工程环境下，通过一系列测试项目，检验设计方案是否可以满足预 先的设计目标，满足系统的整体要求。网络测试需要预先设定一定的 测试方案，包括测试仪表的选用、测试项目的定位、测试案例的编写 等等，同时测试中也应有一定的参考标准，整个测试过程需要被测单 位和测试单位配合协调完成。 青藏铁路格尔木一不冻泉试验段隧道内g s m r 网络覆盖测试就 是依照上面几个原则，其主要目的是验证隧道内网络的0 0 s 、直放站 及其网管子系统在实际运行环境中具体功能的实现、与g s m r 网络 的兼容性以及整个系统的可靠性，同时为全线的隧道或路堑等弱场强 区覆盖设计提供依据，也为以后铁路的g s m r 网络建设提供参考。 青藏线试验段隧道g s m - r 网络覆盖测试主要包括两部分：即， 直放站网管子系统的测试，隧道现场测试，在西宁和格尔木主机房进 行了直放站网管功能的测试，在铁路沿线的隧道现场，通过测试车以 及步行两种方式进行了一系列数据的采集。在现场测试中共提取信号 场强( r x l e v ) 、时间延迟( t a ) 、通话质量( r x o u a l ) 、呼叫拨打评 价等测试数据7 万多组，通过对测试数据的总结和分析，解决了一系 列隧道网络的问题，从而达到了测试的最初目标。这次测试是铁路隧 道g s m - r 网络覆盖的第一尝试，它不但是对隧道内g s m r 网络覆 盖技术解决方案设计的一种肯定，同时也是对网络覆盖测试方案的一 种肯定，在整个测试过程中，提取的大量测试数据对今后铁路上隧道 内网络覆盖的设计和测试都有大量的借鉴作用。通过对试验段隧道测 试所得数据进行分析得出：铁路隧道在没有使用相应技术手段进行网 6 北京交通大学硕士论文 络覆盖时，多个测试指标表明隧道内的信号不能保证g s m r 系统的 通信要求；采用直放站覆盖工程后，各项测试指标均能达到g s m r 系统的要求，可以满足g s m r 系统中各种高级业务对无线覆盖的特 殊要求。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要研究的是铁路隧道内g s m r 网络的覆盖问题，并针 对青藏铁路试验段上3 条隧道的g s m r 网络覆盖解决方案的设计、 实际工程的安装和实施、测试方案的设计以及测试用例的编写、测试 工作的进展、测试结果的分析，测试报告的形成以及最后对于整个隧 道网络覆盖工程的验收都相应给出了介绍、分析和讨论。其中重点部 分为隧道内g s m r 网络覆盖解决方案的设计，结合青藏铁路试验段 上隧道的覆盖工程的设计特点以及实际测试经验给出解决铁路隧道 g s m r 网络覆盖设计中需要考虑的和注意的几点技术问题。 论文首先在第一章简单介绍了g s m r 网络、隧道内g s m r 网 络覆盖、青藏铁路试验段隧道内g s m r 网络覆盖设计概况以及测试 概况，分析了解决铁路隧道内网络覆盖的重要性、提出了解决隧道内 网络覆盖技术以及测试技术研究的必要性，为以后各蕈做好了铺垫， 是后边几章研究的基础。 第二章主要研究了隧道内g s m r 网络覆盖设计中需要考虑的几 个问题。首先通过对隧道覆盖系统组成的介绍，分析了其中几种信号 源和天馈系统的优缺点，说明哪一种更适合于在铁路隧道上应用；然 后，针对铁路隧道上最常用的光纤直放站，给出了其工作原理、应用 特点以及具体的组网方式；最后根据铁路隧道自身的特点，给出几种 7 北京交通大学硕士论文 分别适合不同长度隧道的覆盖设计模型以及需要考虑的不同问题。 第三章是本文的重点，是结合青藏铁路试验段上3 条隧道g s m r 网络覆盖的具体设计情况，详细分析了解决方案中需要注意的一系列 技术问题，包括时间提前量、多径传输延时、载干比、直放站上行对 基站的干扰、隧道内的上下行信号电平以及链路的平衡问题、直放站 的网管等，通过预先覆盖设计中对问题的研究与分析并与工程中的实 际调测结果向比较，得出相应的结论。 第四章首先介绍了青藏铁路试验段隧道g s m r 网络覆盖工程的 测试工作，包括测试方案的设计以及测试用例的编写，并针对青藏铁 路试验段隧道覆盖测试工程中遇到的实际问题以及相应问题的解决 方法进行了详细的分析和讨论，最后给出了隧道覆盖工程的设计经验 和测试经验，对以后铁路隧道内g s m r 网络覆盖的设计有一定的借 鉴作用。 第五章，本文针对前边四章做了综合的分析和总结工作，由于本 文作者参加了青藏铁路试验段3 条隧道g s m r 网络覆盖工程的测试 工作，并进行了事前的测试方案的设计和测试用例的编写以及事后测 试结果的分析并提交测试报告等等一系列相关工作，所以这些总结是 对上边几章问题研究的一个综述，同时也说明了解决铁路隧道内 g s m ，r 网络覆盖的重要性和复杂性。 北京变通大学硕士论文 第二章隧道内g s m r 网络的覆盖设计 在进行铁路隧道内的g s m r 网络覆盖设计时，要考虑的不仅仅 是一系列技术问题，运营部门更关心各种设备的安装灵活度、成本、 需要的辅助设施以及以后的操作维护过程，在实际的工程中，要综合 考虑各种因素，才能使隧道内的g s m r 网络建设得经济、可靠、实 用性高。 下面是隧道覆盖设计中主要考虑的几个问题： ( 1 ) 信号源 ( 2 ) 分布式天线 ( 3 ) 场强分布 ( 4 ) 载干比 ( 5 ) 多径传输 ( 6 ) 上、下行平衡 ( 7 ) 直放站上行噪声 ( 8 ) 直放站网管系统 其中一些技术问题( 如场强分布、载干比、多径传输) 的研究， 本文将在第四章中，结合青藏线试验段3 条隧道的覆盖设计给出具体 的分析。 2 1 隧道网络覆盖的组成 铁路隧道内的网络覆盖一般要由g s m r 信号源与一套信号分布 式天线系统组成，具体设备的需求和安装要看隧道所处的沿线地理环 境以及隧道本身的长度和自身结构，隧道覆盖组成如图2 1 所示： 9 北京交通大学硕士论文 信号分布方式 悟号凉 j直放站 无源天馈分布系统 i宏微蜂窝 有源分布方式 光纤分布方式 l基站 泄漏电缆分布系统 图2 1隧道覆盖系统组成示意围 2 2 隧道覆盖设计中信号源的选择 信号源的选择要依据隧道附近的无线覆盖状况，与最近基站的距 离，以及传输、话务、现有网络设备等情况来决定。对于一般的隧道 而言可选择的信号源有：宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站等。 ( 一) 宏蜂窝基站 由宏蜂窝基站覆盖的小区成为宏蜂窝小区。它的覆盖半径一般为 l 2 5 k m ，基站的发射功率较高，超过i o w ，基站天线尽可能做的很 高。宏蜂窝小区般都会存在着相应的“盲点”和“热点”，“盲点” 就是指由于电波传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区域，该区域通 信质量恶化，不能满足正常人的通信要求，而“热点”是指由于客观 存在商业中心或交通要道等业务繁忙的区域，该区域会造成空间业务 负荷的不均匀分布，这两点的解决往往还要靠增加直放站、小区分裂 等办法。所以这种形式的覆盖方式一般不适合做隧道内的覆盖。 ( 二) 微蜂窝基站 由微蜂窝基站覆盖的小区成为微蜂窝小区，微蜂窝小区的覆盖半 径一般为3 0 3 0 0 m ，基站天线高度较低，信号传播及覆盖主要沿着 1 0 北京交通大学硕士论文 线形的范围进行，能够绕过障碍物的信号很小。微蜂窝小区是用来加 大无线电波的覆盖，消除宏蜂窝小区中的“盲点”，由于微蜂窝基站 设备体积小，安装简单灵活，更无需改变网络结构，可以解决g s m r 的盲点区域，如地堑、隧道等，但是，由于它同时也是增加系统容量 和覆盖区域的一种解决方法，在造价方面，相对直放站来说偏高，同 时，若采用微蜂窝形式进行铁路隧道沿线隧道内的覆盖，在网络结构 和频率规划上也比较复杂，所以微蜂窝覆盖方式比较更适合解决公网 g s m 中的“盲点”和“热点”问题。 ( 三) 直放站 采用直放站使移动通信系统信号延伸的一种手段。直放站实际上 是一种双工放大器，通过放大基站上下行链路的信号来提高链路余 量。使用直放站的一般用途有两个：一是使用在网络中需要扩大覆盖 范围( 如山区、隧道、告诉公路等) 但不需要增加容量的地区，通过 诸如增、中继效率等途径，直放站可用来提高网络容量的利用率。二是 舾 应用在建筑物内信号难以抵达的地下室内。 使用直放站是实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一。由于 使用直放站，可以在不增加基站数量的前提下保证g s m ，r 网络覆盖， 而g s m r 网络本身是一个铁路专网，本身话务量较小，但却需要整 个铁路沿线大范围的网络覆盖，所以使用直放站是解决g s m r 网络 延伸覆盖能力的一种优选方案。它与基站相比有结构简单、投资较少 和安装方便等优点，更可广泛适用于铁路上难于覆盖的隧道、路堑等 路段，从而提高通信质量，解决掉话、降低网络建设成本等问题。 按照传输方式来分，直放站分无线直放站和光纤直放站两种：光 纤直放站采用光纤作为传输媒介，需要基站侧具有光传输能力；无线 直放站采用一幅施主天线接收基站的信号，经过信号放大后，用一幅 1 1 北京交通大学硕士论文 重发天线在另一方向把信号转发出去。按照信道带宽来分，直放站可 以分为宽带直放站和选频直放站：宽带直放站对某一段频率都可以放 大；选凝直放站只对选定的频点放大，是窄带的直放站，并且放大的 频点有限。 ( 四) 总结 对于铁路隧道覆盖来说，由于其中的话务量小，宏蜂窝基站作为 信号源是不适合的，这与城市地铁隧道的覆盖是完全不一样的。城市 地铁隧道内人流量大，话务量高，适合采用容量较大的宏蜂窝基站， 这种场合下宏蜂窝基站不仅要覆盖站台，而且要覆盖铁路系统出口较 大的地方。对于铁路隧道覆盖来说，安装空间及配套设备方面所受限 制较多，所以一般不会选用宏蜂窝基站来做隧道覆盖。g s m - r 网络 的特点是以椭圆型小区形状覆盖整个铁路沿线，g s m - r 基站被铺设 在铁轨沿线两边，所以铁路沿线上出现的隧道，其两边势必有可以利 用的基站，即信号源可以利用，则采用直放站来作为隧道覆盖的信号 源是非常适合的。首先，在公网中，采用直放站往往是网络拓展的第 一步，在网络容量上来后再用g s m 基站来替换。而在铁路上一般不 会出现这种情况，因为g s m r 是铁路上的专用移动通信系统，铁路 一旦建成以后，其话务量的增加有限，所以使用直放站之后，一般不 会再出现因为网络扩容而用基站替换直放站的情况，这样就减少了以 后运作中的网络优化成本，给操作维护人员提供更大的方便。其次， 在铁路沿线的高山地区段，往往在距隧道口不远的山头上存在足够强 度的信号可能性较大，天线的隔离容易得到满足，所以此时采用直放 站作为信号源更为可行。在采用直放站作为信号源有以下一些优点： 无需传输，综合成本低、可以将远处的话务带给施主小区，使小区的 信道利用率更高、安装速度快。但是在采用选频直放站时，一旦施主 l2 北京交通大学硕士论文 小区的频率发生变更后，直放站的频率也要进行调整，不利于整网规 划与优化、施主天线与重发天线需要有足够的隔离度，造成安装空间 上有些困难等缺点。 除采用无线直放站以外，也可以采用光纤直放站作为信号源对隧 道进行覆盖。采用光纤直放站相对无线直放站来说，有诸多的优点， 在下面要分析的光纤直放站的组网时，将给出光纤直放站的相关介 绍。 在铁路隧道覆盖的实际工程之中，要根据覆盖的隧道长度、隧道 附近覆盖状况、基站分布、建站条件等因素选择信号源，根据铁路隧 道的具体情况，一般适宜选用的的是光纤直放站直放站作为隧道覆盖 的信号源。 2 3 光纤直放站在g s m r 网络中的应用 2 3 1 概述 光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输 方式上，无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩 大基站的覆盖范围。光纤直放站是通过光纤进行信号的传输，分别由 光近端机和光远端机两部分组成。光纤直放站具有如下特点： f 1 ) 工作稳定，覆盖效果好 光纤直放站通过光纤传输信号，不受地理环境、天气变化或旋主 基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好。 f 2 ) 设计和旎工更为灵活 根据无线直放站的工作原理，无线直放站需把施主天线安装在可 北京交通大学硕士论文 以接收到g s m 信号的地方，而且接收信号强度不能小于一8 0 d b m ， 所以无线直放站一般只能安装在基站覆盖范围的边缘，并向顺着基站 覆盖的方向延伸覆盖。同时，为了防止直放站自激，还需保证施主天 线和覆盖天线有足够的隔离度。因此，无线直放站的安装位置和方式 受到一定限制，而且一般采用定向天线进行覆盖，覆盖范围较小。光 纤直放站在设计时无需考虑安装地点能否接收到信号；不需考虑收发 隔离问题，选址方便：覆盖天线可根据需要采用全向或定向天线。另 外射频信号能够在很小的传送损失的情况下被传送到远达2 0 公里的 远处，光缆很细，容易铺设。因此，设计和施工的灵活性大。 ( 3 ) 避免了同频干扰，可全向覆盖，干扰少 光纤直放站是为了扩大移动电话基地站的覆盖范围，把c d m a 移动电话信号变成光纤后，从基地站到远程地区，可使干扰及插入损 失减小到最小。 ( 4 ) 可提高增益而不会自激，有利于加大下行信号发射功率； f 5 ) 信号传输不受地理条件限制。 上述光纤直放站的诸多特点，特别适合作为铁路沿线隧道内网络 覆盖的信号引入源，符合铁路对网络覆盖质量以及网络可靠性要求严 格的要求，所以在青藏线试验段3 条隧道的网络覆盖设计方案中均采 用了光纤直放站的覆盖设计手段。 2 3 2 光纤直放站的工作原理 光纤直放站的原理图如图2 2 所示，主要有光近端机i 光纤、光 远端机( 覆盖单元) 几个部分组成。光近端机和光远端机都包括射频 单元( r f 单元) 和光单元。无线信号从基站中耦合出来后，进入光近端 北京交通太学硕士论文 机，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤， 经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入r f 单元进行放大，信号经过放大后送入发射天线，覆盖目标区域。上行 链路的工作原理一样，手机发射的信号通过接收天线至光远端机再 到近端机，回到基站。 施主 图2 2 光纤直放站的原理图 光纤直放站的原理结构框图如图2 3 所示。 线 鼍事q 藿葺 一|一他信号一一算他一一 主兰 一一黝一| 图2 3 光纤直放站原理结构框图 光纤直放站近端机直接从施主基站耦合下行信号 f 9 3 0 m h z 一9 3 4 m h z ) ，放大后送到光端机内进行电光转换，发射1 5 5 或者1 3 l 舯波长的光信号，再送到光波复用器，同原传输链路的光 信号( 波长1 3 l p m ) 合在一起经光缆传到远端；远端光波波分器将 1 3 l 胂和1 5 5 肛m 波长的光信号分开后，让1 5 5 肛m 波长的光信号输 入光端机进行光电转换，还原成下行信号( g s m r 下行频率为 北京交通大学硕士论文 9 3 5 m h z 一9 6 0 m h z ) ，再经远端主机内部功放放大，由全向天线发射出 去送给移动台。移动台的上行信号( g s m - r 上行频率为 8 9 0 m h z 9 1 5 m h z ) 逆向送到基站，这样就完成了基站与移动台的信号 联系，建立通话。 2 3 3 光纤直放站的典型组网方式 光纤直放站在g s m r 网络中的应用大多体现在铁路沿线出现的 隧道网络覆盖上，为了保证铁路通信的可靠性能，一般选用泄漏电缆 作为辐射天线。其中较为典型的隧道组图方式为： 融丫1 _ 斗 目三- 目t _ 焉一 图2 4 光纤直放站覆盖隧道组网示意图 线 上述这种组图方式是光纤直放站较为典型的一种设计方式，适用 于铁路沿线上长度相对比较短的隧道。由于光纤直放站对站址要求不 高( 耦合旌主基站信号上比无线直放站稳定) ，所以，覆盖设计时， 要考虑的一些主要技术问题是多径传输延迟、上下行电平和载干比 ( c i ) ，本文将会在下文中对典型的隧道网络覆盖和长大隧道的网络 覆盖需要考虑的不同问题给予详细的分析和探讨。 北京交通大学硕士论文 2 4 隧道覆盖天馈系统的选择 在选择好了g s m 信号源以后，要根据实际情况来配置不同的天 馈系统来对隧道进行覆盖。通常有三种不同的配置，即同轴馈电无源 分布式天线、光纤馈电有源分布式天线、泄漏电缆。 ( 一) 无源分布式天线 无源分布式天线是通过无源器件和天线、馈线，将信号传送和分 配到隧道内，以得到良好的信号覆盖，是隧道内覆盖天线的一种可选 的方式，这种覆盖方案设计比较灵活、价格相对低、安装较方便。同 轴电缆的馈管衰减较小，天线的增益的选择主要是取决于安装条件的 限制，在条件许可时，可选用增益相对高些的天线，覆盖范围会更大。 该方案的简化就是采用单根天线对隧道进行覆盖，这种方案对较短的 隧道是一种成本最低的解决方案，但是就其可靠性、隧道网络覆盖的 质量而言，还不能跟泄漏电缆相比。 ( 二) 光纤有源分布式天线系统 在某些复杂的隧道覆盖环境中，可以采用光纤馈电有源分布式天 线系统来替代同轴馈电无源分布式天线系统。光纤有源分布式天线系 统是通过使用一些有源器件f 有源集线器、有源放大器、有源功分器、 有源天线等) 和光纤进行信号放大和分配。它也是比较适用在铁路环 境下的隧道内网络覆盖。采用光纤馈电有源分布式天线系统的主要好 处有：要安装的馈线电缆数减少、采用光缆可降低电磁干扰、在复杂 的网络中设计更灵活。缺点是成本高。 ( 三) 泄露电缆 采用泄漏电缆来进行铁路隧道覆盖是一种最为常用的方式。 泄漏电缆是种屏蔽不完善的特种通讯电缆，利用在同轴电缆外 1 8 北京交通大学硕士论文 部开槽的方式，令射频无线电信号能麴发射及接收，是泄漏电缆的最基 本的原理。它既具有传输线的特性又具有无线电发射天线的性质。即 一方面它可以导引电信号沿电缆轴向传输，另一方面又向电缆径向周 围辐射电磁波信号。泄漏的电磁波信号可以被电缆沿线与电缆有一定 距离的接收设备接收：或进行相反的过程，即移动发射机发射信号，电 波馈进到泄漏电缆传输到固定接收机。泄漏同轴电缆是利用辐射场的 传输线，能量沿电缆传输过程中部分能量以辐射波的形式沿线均匀 地发射出去，这些辐射波的发射方向是垂直于传输方向的，大部分能 量仍沿电缆内传输。泄漏电缆的基本原理如图2 5 ： 泄漏电缆的基本原理如图2 5 ： 普通同轴电缆 卜射频信号 泄漏电缆重蚕蚕蚕蚕；i ；雪蜃茎蚕蚕茎；i i 雪卜射频信号 匕；耋、= 纠| ；毛z = = 兰划 图2 5 泄漏电缆原理图 根据泄漏电缆这种既能传输信号，又能辐射信号的独特性质，所 以它可解决无线电无法传输信息区域的信息传输问题。 使用泄漏电缆作为隧道内辐射天线有诸多优点： 可减小信号阴影及遮挡，在复杂的隧道中，若采用分布式天线， 手机与某个特定的天线之间可能会受到遮挡导致覆盖不好； 信号波动范围减少，采用泄漏电缆与采用其它的天线系统相比， 北京交通大学硕士论文 隧道内信号覆盖更均匀； 可对多种服务同时提供覆盖，泄漏电缆本质上是一宽带系统，多 种不同的无线系统可以共享间一泄漏电缆，考虑到在隧道中经常使用 一些无线系统( 如寻呼系统、告警系统、广播、移动电话) ，由于可 共享一条泄漏电缆，减小了架设多个天线系统时工程安装的复杂性。 另外，泄漏电缆由于其本身的耦合损耗和传输损耗相对较大，所 以在进行隧道内覆盖时，一般一段泄漏电缆仅能传输1 2 公里的长度 ( 与漏缆的类型和具体参数有关) ，所以在相对长一些的隧道里，需 要增加干放器或者级联直放站才能满足覆盖要求。再有，泄漏电缆的 造价较高，选用这种辐射天线，在保证了通信质量和通信的可靠性的 同时，也在某种程度上增加了网络的建设成本。 2 5 典型隧道的覆盖模型 本节中，将讨论典型( 常见) 铁路隧道的覆盖解决方案，在这里 我们定义典型隧道的含义为中短长度的隧道，一般考虑2 k m 以下长 度的隧道，这个定界是比较相对的，因为本文中考虑的两种情况是以 在隧道内是否会出现小区重选( 越区切换) 为界限的，而并不考虑超 长隧道内，必须加基站进行隧道覆盖的情况。另外，铁路隧道内进行 g s m r 无线网络的覆盖，g s m r 网络的特点是典型的业务量不大， 几乎不会出现网络超负荷的情况，所以在解决这种情况下的隧道网络 覆盖时，跟公网上的解决一般隧道的覆盖不同，它比较适合采用光纤 直放站这种不增加系统容量，但可以延伸网络覆盖距离的设备。所以 此次给出的几种解决方案仅考虑采用光纤直放站和泄漏电缆情况下 的几种覆盖设计模型。本文把隧道的网络覆盖模型分为这两种情况考 北京交通大学硕士论文 虑，其原因是在同时采用直放站作为信号源来分析问题的时候，中短 型隧道和大长隧道的覆盖存在着一个明显的不同之处，就是隧道内的 小区切换问题。一般情况下，中短型隧道的覆盖，在隧道内不会产生 小区重选问题( 专有模式下为小区切换问题) ，仅仅在隧道外设计小 区重选区域，这样的覆盖设计可以减少需要考虑的问题，仅仅分析时 间延迟、上下行电平以及载干比等问题，而长大隧道或者连在一起的 短隧道群在进行覆盖设计时则需要考虑隧道内的小区重选或是越区 切换问题，这个考虑起来，相对比较复杂。所以在进行这种中短型隧 道的网络覆盖设计时，要尽量避免出现隧道内小区重选的情况。下面 我们给出几种典型隧道覆盖设计的几种工程模型。 模型( 一) ：基站( b t s ) 与光纤直放站( r e p t e r ) 在隧道同侧， 直放站信号向隧道内覆盖： 基站光纾 光纤直放站 图2 6 覆盖设计模型( 一) 模型( 二) ：光纤直放站在隧道内，信号通过l c x 向两边覆盖 北京交通大学硕士论文 兰 基站 光纤 图2 7 覆盖设计模型( 二) 模型( 三) ：信号来自同一b t s 的两台光纤直放站向隧道中部覆 基站f i b 口一o p t i c a la 喝直放站i i 图2 8 覆盖设计模型( 三) 这种覆盖设计模型，时间色散的影响较为严重，相对于其他模型， 需要对图中d 1 和d 2 的值有所限制。在后边一章对于时间色散的分析 中，本文会给出按照此种模型设计的昆仑山隧道解决方案中，由时间 色散的限制而得出的d 1 和d 2 的设置。另外，这种模型由于两个远端 机均引自同一个基站信号，覆盖设计合理的话，在隧道内不会出现小 北京交通大学硕士论文 区重选的过程。 2 6 长隧道的覆盖模型 在上文中已经提到，一般这里给出的覆盖设计模型适用于隧道超 过2 k m 长度的情况，但是，如果隧道长度超过了3 、4 k m 以上的，则 必须在隧道内添加基站才能保证整个隧道内网络的覆盖。在铁路隧道 上g s m r 网络的覆盖，由于业务量不是主要问题，所以一般适合采 用如下模型进行隧道的覆盖设计。 模型( 四) ：信号来自不同基站的两台光纤直放站向隧道中部覆 盖 隧道 t u n n c l 隆重叠夏盖匿爿 一 融电缆l 图2 9 覆盖设计模型( 四) 这种覆盖模型适合于隧道长度较长，而两边基站分布又差不多比 较对称的情况下，如果隧道长度在4 、5 k m 左右的，需要在隧道内部 级联直放站，而由于直放站的级联会造成对基站上行噪声的叠加，从 而引起一系列问题，造成对原有网络的干扰，所以一般一个光纤近端 机所能级联的远端机不能超过4 个。 最后，要指出的是，上述这种讨论方式，即根据隧道长度来划分 界限，进行隧道覆盖模型设计，仅仅是进行铁路隧道网络覆盖设计考 虑中的一种因素，在实际的工程设计中，还要综合考虑很多因素，诸 北京交通大学颐士论文 如：隧道距离基站的距离、实际的g s m r 网络环境、隧道出入口电 平、隧道的弯曲度等等，如果加上这些，实际的设计就较为复杂一些 了。而我们在讨论这种铁路上的隧道覆盏设计时，要做到尽量避免在 隧道内出现小区重选的情况，因为上文也提及到了，如果在小区内涉 及到了小区重选问题，则会使问题复杂化。而像超过6 、7 k m 以上的 隧道，隧道内需要加基站才能解决整个隧道的网络覆盖，这种情况本 文不做讨论。 2 4 北京交通大学硕士论文 第三章青藏铁路试验段隧道内g s m r 网 络覆盖解决方案中的关键技术 青藏线试验段共3 条隧道，均属于中短类型隧道，其中最长 隧道为1 6 8 0 米，在g s m r 网络全面建设以后，该三条隧道属于 网络覆盖弱信号区，电磁环境复杂，在隧道洞口处基站信号强， 而隧道内由于波导效应的影响，使得当没有车体穿入时，隧道内 信号衰落较小，但是当有车体穿入时，由于车体的阻挡，隧道内 的信号立刻衰减到几乎为零，造成车内移动台通话质量下降甚至 掉话，数据传输中断，无法满足铁路通信的要求，为了解决g s m r 无线通信隧道内的通信问题，实现无缝覆盖的目标，要对三条隧 道进行网络覆盖设计，做到既能保证隧道内通信的可靠性，又能 节约网络建设成本。因此，在设计隧道内的g s m _ r 网络覆盖时， 根据3 条隧道的实际地理环境，邻近的基站分布情况，现场 g s m r 信号场强分布数据，其中两个较短隧道( 分别为2 3 4 m 和 4 1 7 m ) 覆盖设计方法采用了上述提出典型隧道内网络覆盖的模型 ( 一) ，较长的隧道覆盖设计采用模型( 三) ，不同的地方是，青 藏线试验段g s m r 网络是采用了双网覆盖的模式，即每套设备 下都有冗余备份的一套，所以为了配合原有网络的建设，每个隧 道的覆盖设计也均采用了设备冗余备份的方式，即在原来覆盖设 计模型( 一) 和( 三) 的基础上，把光近端机和光远端机分别进 行了备份，最后通过合路器或者耦合器将信号发射出去。下面， 北京交通大学硕士论文 我们以其中一条较长隧道昆仑山隧道为例，来分析在设计这条隧 道内g s m ，r 网络覆盖时所要考虑的一些技术问题。 3 1 系统设计要求 在进行铁路隧道内无线网络覆盖设计时，最初的技术分析、 设备选择不仅要考虑现场隧道的地理、网络环境，还要根据铁路 运营部门对整个g s m r 系统的整体要求以及对隧道覆盖的特殊 要求来进行。青藏线试验段3 条隧道的覆盖设计根据g s m r 系 统的总体要求，对解决