高增益窄波束天線高速隧道內應用

費成圖

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高增益窄波束天線高速隧道內應用

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安徽電信規劃設計有限責任公司移動通信咨詢規劃設計院，安徽 合肥 230031

中國約70%的面積為山地地形，東部沿海多山地區、中部丘陵地區和西部屬于更復雜的盆地與高原地區。目前，中國已經成為世界最大的地上地下空間和隧道市場國家。區域以及城鄉發展不平衡嚴重制約著中國經濟的合理與協調發展，大規模建設公路鐵路隧道、城市軌道交通、海底隧道已成必然趨勢。高速公路成為人們出行的主要方式，對高速公路實現全線覆蓋是運營商提高網絡品牌形象的一個重要環節，而隧道內信號覆蓋重要性更加凸顯。通過理論研究結合實地應用，優選隧道口布放隧道天線（高增益窄波束天線）的方式，解決隧道內信號覆蓋問題。

室分覆蓋；隧道；隧道天線（高增益窄波束天線）

1 項目背景

隨著安徽經濟的快速增長，境內交通設施建設實現了歷史性的跨越，尤其是高速公路的建設更是進入了快速增長時期。安徽境內皖南地區多為山區，沿途隧道較多。當前時期下，三家運營商在安徽境內高速隧道沿線基本采用傳統的室內分布覆蓋方式，在隧道內布放饋線及對數周期天線進行覆蓋。然而高速隧道的管理單位多，建設協調困難、施工維護難度大、運營成本高，使得高速隧道的4G覆蓋成為工作難點。

本次以合銅黃高速石頭嶺隧道（黃山境內最長隧道）為例，該隧道全長2900?m，南北往返分為兩條隧道，由于建設協調困難，未建設隧道分布，隧道內無LTE覆蓋。

2 隧道天線簡介

隧道天線又叫高增益窄波束天線，它的特點是水平波瓣寬度小，增益高，覆蓋面積集中且容易控制。以某廠家天線為例，其參數信息如圖1所示：水平波瓣角為17°（水平面方向圖見圖2），垂直波瓣角為20°（垂直面方向圖見圖3），增益為16?dBi，比普通定向天線高6?dB。高速隧道場景需求覆蓋的區域集中，采用隧道天線符合場景需求，可以利用6?dB增益改善覆蓋效果。

3 隧道天線石頭嶺隧道內應用

3.1 隧道場景介紹

石頭嶺隧道：南北方向兩條隧道，北隧道口位于湯口境內，南隧道口位于屯溪境內，全長該隧道全長2900?m。

圖2 隧道天線水平面方向圖

圖3 隧道天線垂直面方向圖

3.2 隧道覆蓋思路

（1）盡可能使得隧道天線水平主瓣及垂直主瓣覆蓋到隧道內，最大能量集中于隧道沿線，達到最好效果；（2）主設備選擇1.8?G LTE-RRU；（3）在隧道口附近新建水泥桿，將天線固定于水泥桿上；（4）RRU+隧道天線安裝在同一水泥桿上；（5）考慮引電難易程度，優先北隧道兩個口位置放置天線，先實現單邊覆蓋；（6）待北隧道口達到理想效果后，南隧道口再進行隧道天線覆蓋。

3.3 隧道覆蓋方案

為達到隧道天線水平主瓣及垂直主瓣覆蓋到隧道內的目的，天線選址以距離隧道口處20～30?m左右最佳。選址過近會導致天線對于隧道的掠射角過大，無法遠距離覆蓋，過遠會導致能量擴散無法達到覆蓋要求[1]。

（1）新建水泥桿安裝在道路外側。

（2）隧道天線塔桅不宜過高，天線掛高與應予隧道高度中心點齊平，天線角度正對隧道口方向。本案選取了9?m的水泥桿加抱桿的安裝方式（由于安裝在隧道入口水泥桿直徑40～50?cm，需定制抱箍確保安裝水平方位與隧道方向平行）。

圖4天線設備安裝示意圖

（3）選取某廠家60?W的RRU設備，功率設置為60?W全開。

3.4 鏈路預算

3.4.1 空間損耗計算

高速隧道覆蓋損耗主要分為自由空間損耗及穿透高速隧道覆蓋損耗主要分為自由空間損耗及穿透損耗，而行駛在高速隧道內的車輛多為玻璃窗和金屬材料構成，平均穿透損耗為15?dB。

（1）隧道傳播模型特殊，鏈路預算采用的具體計算方式：

終端接收功率=天線口功率+天線增益-自由空間損耗-穿透損耗-多徑損耗/快衰落余量

隧道天線增益16dB（天線型號不同，其增益不相同，此增益來自某廠天線參數）。

空間損耗均具體計算公式如下：

自由空間損耗=32.45+20log（d）+20log（f）

其中：單位d為km；f為MHz。

本次取平均穿透損耗為15 dB（穿透損耗根據信號所穿過的介質不同，其損耗也不相同）

多徑損耗/快衰落余量（dB）均取值為8?dB。

3.4.2 邊緣場強

根據上述鏈路預算相關公式，隧道天線口功率為5?dB，天線增益為16?dB，距離天線口1.5?km處車輛內終端的接收功率為-103?dB，滿足安徽電信隧道內覆蓋的邊緣要求。

3.5 開通后測試結果

由于隧道內無法使用GPS打點，采用手動打點方式記錄測試數據。

隧道內，由位于隧道北出口布放的高增益天線正對隧道覆蓋。由于東側隧道彎度較小，西側隧道彎度較大，導致隧道兩側覆蓋差距較大。東側隧道覆蓋率為98.22%，西側隧道覆蓋率80.09%，西側隧道拐彎后洞體阻擋嚴重，無法有效覆蓋隧道南半段，建議西側隧道南出口方向新增一臺設備加強覆蓋。

測試結論：對于較直的高速隧道，隧道天線加普通RRU的單邊覆蓋，覆蓋距離約為2.5?km；對于存在一定弧度的高速隧道，隧道天線加普通RRU的單邊覆蓋距離約為2?km。

3.6 成本對比分析

對于高速隧道內弱覆蓋區域，常規手段在隧道內建室內分布，采用定向天線（對數周期天線）進行覆蓋。對于采用隧道天線與定向天線，表1 以本次試點為例對比了兩種方式的建設及運營成本。

表1 ??

4 總結

隧道天線（高增益窄波束天線）在隧道內的應用理論研究結合實地測試，從網絡建設、維護、優化、造價等方向進行了綜合的評估。隧道天線覆蓋更有優勢，在達到同等覆蓋效果的基礎上能夠減少投資和維護成本，為后續覆蓋高速隧道提供參考。

[1]京信通信天線參數說明書[Z].

High Gain and Barrow Beam Antenna High Speed Tunnel Application

Fei Chengtu

Mobile Communication Advisory Planning and Design Institute of Anhui Telecom Planning and Design Co., Ltd., Anhui Hefei 230031

About 70% China area of mountainous terrain, the eastern coastal mountainous area, hilly area of central and Western to more complex basin and plateau area.At present, China has become the world's largest underground space on the ground and the tunnel area and the urban and rural markets.Uneven development restricts the reasonable and coordinated development of China economy.China highway and railway tunnels, city rail transportation, large-scale construction of submarine tunnel has become an inevitable trend.High speed traffic has become the main way for people to travel, to achieve full coverage of Expressway operators is an important part to improve the network brand, and highlights the importance of the tunnel coverage Through theoretical research combined with field application, optimization of tunnel tunnel napkin antenna （high gain antenna with narrow beam） way to solve the coverage problem of signal in the tunnel.

room separation coverage; tunnel; tunnel antenna（high gain narrow beam antenna）

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費成圖（1985—），男，漢族，現任職于安徽電信規劃設計有限責任公司移動通信咨詢規劃設計院，主要從事移動通信咨詢及規劃設計工作。