基于TD-SCMDA网络的地下隧道覆盖方案
 时间:2009-09-15    点击次数: 1105 次 

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Abstract: This paper mainly discusses network coverage of the underground tunnel based on TD-SCDMA. This part mainly includes the choice of signal source, antenna, network framework, and the allocation of logical cell, implements the effective network coverage of the underground tunnel.
Keywords: TD-SCDMA, Tunnel, Antenna, Cell
摘要:本文主要讨论基于TD-SCDMA实现地下隧道的网络覆盖解决方案。该部分主要涉及信源、天线、组网方案的选择,以及逻辑小区的划分,实现对地下隧道的有效覆盖。
关键词:TD-SCDMA,隧道,天线,小区
1 概述
移动通信网络建设的目标是无缝覆盖,以保证随时随地通信,这就对无线网络规划提出了更高的要求,在实际的网络规划中通常的难点是对一些典型区域的覆盖,比如地下隧道等。地下隧道作为一种特殊场景,是城区覆盖方案的重要组成部分,其主要特点如下:
1. 地下隧道能做到很好的电磁波隔离,不用担心与地面宏基站之间的相互干扰;
2. 用户以车内用户为主,业务量不高;
3. 地下隧道具有中等的移动速度,平均设计时速在40~60km左右;
4. 地下隧道可用空间有限,设备安装及走线均需在规划时加以考虑;
针对隧道覆盖的上述特点,金沙真人投注公司采用BBU+RRU的组网方案,同时考虑到定向天线安装简便、造价低、覆盖距离远的特点,采用高增益的对数周期天线(11dBi)进行隧道覆盖。
金沙真人投注设计方案所针对的地下隧道工程总长3630米,为双孔4车道,设计车速每小时50公里,车道净高4.5米,隧道剖面图如下所示:

图1 隧道剖面图
隧道中段2550m采用盾构法施工,其余采用明挖法施工,局部下穿城市主干道处采用浅埋暗挖法施工;盾构内径10m,外径11m,为便于紧急情况下人员的逃生与救援,在盾构段利用顶部和车道下部富裕空间,分别设置了专用排烟道和人员紧急疏散通道,并在每条隧道的右侧每隔80m左右设置一处滑行道,可以直接进入路面下的安全通道;疏散口部(滑行道)设有电控自动盖,平时关闭,灾害时由设备监控系统控制自动打开,也可手动开启。
2 设计方案
2.1信源选择
传统的TD-SCDMA信源包括宏蜂窝、微蜂窝、直放站、BBU+RRU,其各自的特点及应用场景如下表1所示:
表1 TD信源特点及应用场景


特点

应用场景

宏蜂窝信源

话务容量大,扩容方便;输出端口多;需要传输资源;对机房及电源环境要求较高;建设周期长,建设成本高

主要应用在话务量高、覆盖区域大、具备机房条件的高档写字楼、大型商场、星级酒店、奥运体育场馆等重要建筑物

微蜂窝信源

能提供话务容量,但容量相对较小;一般只能提供单个端口;需要传输资源;对机房及电源要求不高

应用在中等话务量、中小型建筑物。如分布系统功率不够,可增加少量干放进行覆盖

无线直放站信源

不能新增话务容量;不需要光纤资源;对安装环境和电源要求低,建设周期短

主要应用在传输不易到达的小区,补盲覆盖的电梯、地下室等场所

光纤直放站信源

不能新增话务容量;需要光纤资源;对安装环境和电源要求低,建设周期短

主要应用在覆盖区域分散的小区,补盲覆盖的电梯、地下室等场所

BBU+RRU信源

话务容量大,组网灵活;能将富裕话务容量进行拉远,有效利用资源;需要传输光纤资源;对机房及电源要求不高

应用在话务量较高的写字楼、商场、酒店等重要建筑物,尤其适合建筑群的覆盖


由于不同型号的BBU和RRU已经兼顾了宏蜂窝大容量和微蜂窝安装简便的优势,同时考虑到直放站不增加话务容量的特点,目前TD室内分布系统一般选择BBU+RRU作为信源。
针对该隧道的TD网络覆盖,组网方案选择BBU1324A+RRU1301Ci作为信源,两种设备的主要参数如表2所示:


表2 BBU及RRU主要参数

参数

BBU1324A

RRU1301Ci

满配重量(kg)

17

尺寸(mm)

442×380×175

功耗(最大/平均)

280/230

供电方式

直流-48V

基站最大配置

54载扇

基带板最大支持载波数量

9载波

重量(kg)

8

尺寸(mm)

288×218×156

机顶发射功率(W/dbm)

20W

功耗(最大/平均)

84W/74W

最大支持载波数量

9

级联情况(级联级数/单级距离/总距离)

6级


2.2 天线选择
结合该隧道自身的特点,并考虑到定向天
线安装简便、造价低、覆盖距离远等诸多特点,设计方案选择高增益的对数周期天线(11dBi)进行隧道覆盖。
2.3 组网方案
经过链路预算和边缘覆盖场强要求的分析后,结合隧道长度计算,我们得出每个RRU负责覆盖的距离及所需RRU个数,整个隧道的组网方式如图2所示:

整个方案采用BBU+RRU+定向天线的组网方式,共采用1个BBU、10个RRU,分为两条支路,RRU五级级联,其中RRU1-5负责一孔双车道的覆盖,RRU6-10负责另一个孔的双车道覆盖。隧道内每个RRU通过功分器、耦合器及馈线连接4个定向天线,每副天线负责覆盖200-210米的距离,隧道出口处四个RRU(RRU1、5、6、10)各有一段支路馈线距离设计为135米,是为了满足隧道口多副天线所需功率余量。
2.4 逻辑小区划分
逻辑小区的划分规则如下:
首先,一个资源池的三个光口引出的RRU可以随意划分为一个逻辑小区,同时最多只能有8个通道设置为一个逻辑小区,也就是BBU串并联所带的RRU1301Ci(单通道)最多允许8个设为一个逻辑小区。
其次,还应综合考虑逻辑小区设置后所产生的切换问题,尽量简化切换关系,避免可能随之而来的乒乓切换、干扰、掉话等问题。
针对该项目,将RRU1、2、3、6、7设置为一个小区,RRU4、5、8、9、10设置为一个小区,这样的设置隧道小区间切换带只有两个,分别位于隧道两孔中部,而在两个隧道出入口处,各作为一个隧道小区与隧道外小区进行切换。
2.5安装及走线
如选择新增BBU,可以考虑安装在江南或江北隧道口附近的疏散通道中;RRU均安装在隧道的疏散通道中(双孔均安装)。
走线路由方面,如选择新增BBU,则电源引入点、接地点、电表箱安装点均选择在疏散通道内,GPS馈线沿墙布放到隧道洞口平台GPS天线;BBU至RRU、RRU间级联线缆均在疏散通道内。
2.6 容量计算
采用以下业务模型,估算TD-SCDMA系统可承载容量。假设业务模型按照话音业务渗透率60%,忙时单机话务量为0.02ERL,可视电话渗透率60%,忙时单机话务量为0.001ERL;PS数据业务渗透率40%,忙时每用户数据流量为1000bps,上下行数据量比例1:4,承载业务比例PS64:PS128:PS384=6:3:1。
假设支持的用户数为x,话音为0.6x, 可视电话为0.6x,PS64K用户数为0.4*0.6x,PS128K用户数为0.4*0.3x,PS384K用户数为0.4*0.1x。
(1)计算均值
mean = 0.02*x*0.6*1+0.001*x*0.6*4+(0.8/64)*x*0.24*4+(0.8/128)*x*0.12*8+(0.8/384)*x*0.04*24 =0.0344x
(2)计算方差
variance = 0.02*x*0.6*1+0.001*x*0.6*16+(0.8/64)*x*0.24*16+(0.8/128)*x*0.12*64+(0.8/384)*x*0.04*576 =0.1656x
(3)计算中间变量C
C = (varicance/mean)=4.81395
(4)计算提供的等效业务量
traffic = mean/C = 0.0071x
如果采用单小区3载波,TD-SCDMA系统可提供的等效语音用户数为71。根据坎贝尔公式由此计算能够提供的中继链路数Y为:
71=C*Y +1, Y=70/4.81395=14.54
通过查ERLANG-B表,可以知道,14.54条中继链路可以提供的(等效)业务量为8.2003ERL (2%阻塞)。
计算支持的用户数为:
x = 8.2003/0.0071 = 1154
用同样的方法可计算出单小区6载波支持用户数为2963。
2.7隧道内外切换
为了达成隧道内外小区的顺利切换,需在两个隧道口增加定向天线,以形成延伸覆盖区域,起到过渡的作用,隧道口定向天线大致分布如图3所示:
图3隧道口天线分布
如上图所示,左侧为江北隧道口,根据路线方向放置了6副定向天线;右侧为江南隧道口,根据路线方向放置了4副定向天线。
3 理论分析
3.1 链路计算
公共信道(PCCPCH)链路预算如下表所示:
表3 公共信道(PCCPCH)链路预算

 

分项

数值

A

PCCPCH单码道发射功率(dBm)

29

B

天线增益(dBi)

11

C

馈线及接头损耗(dB)

20

D

接收机灵敏度(dBm)

-108.93

E

人体损耗(dB)

3

F

快衰落余量(dB)

1

G

干扰余量(dB)

2

H

阴影衰落余量(dB)

2

I

车内穿透损耗(dB)

8

 

覆盖半径(m)

523.70


业务信道下行链路预算(按CS64K视频电话业务计算)如下表所示:
表4业务信道下行链路预算

 

分项

数值

A

单码道发射功率(dBm)

21

B

天线增益(dBi)

11

C

馈线及接头损耗(dB)

20

D

接收机灵敏度(dBm)

-105.57

E

人体损耗(dB)

0

F

快衰落余量(dB)

1

G

干扰余量(dB)

2

H

阴影衰落余量(dB)

2

I

车内穿透损耗(dB)

8

 

覆盖半径(m)

323.65


业务信道上行链路预算(按CS64K视频电话业务计算)如下表所示:
表5 业务信道上行链路预算

分项

数值

A

终端最大发射功率(dBm)

24

B

天线增益(dBi)

11

C

馈线及接头损耗(dB)

20

D

接收机灵敏度(dBm)

-100.53

E

人体损耗(dB)

0

F

快衰落余量(dB)

1

G

干扰余量(dB)

2

H

阴影衰落余量(dB)

2

I

车内穿透损耗(dB)

8

 

覆盖半径(m)

265.48


上述三表中馈线及接头损耗一项均设为20dB,该项是以RRU所连最远的定向天线为准得出。
由上下行链路预算可以得出一个最大覆盖半径265.48米,可见210米的设计覆盖距离满足链路预算要求。
3.2边缘覆盖场强
中移动室内分布系统边缘场强要求为:PCCPCH RSCP值≥-85dBm。
馈线及接头损耗为20dB,则天线馈入功率可设置在0-5dBm之间,这里以5dBm为例,对数周期天线增益为11dBi,车体穿透损耗为8dB,干扰余量2dB,快衰落余量1dB,阴影衰落余量2dB,设设计覆盖距离为x,则有下式:
5+11-(32.45+20lg2010+20lgx)-8dB-2dB-1dB-2dB ≥ -85
可以得出:x ≤ 300.26米
可见,210米的设计覆盖距离同样满足边缘覆盖场强要求,实际上,210米设计覆盖距离的边缘覆盖场强为:
5+11-(32.45+20lg2010+20lg0.21)-8-2-1-2 = -81.90dB
满足相关要求。
3.3 切换区域
设逻辑小区间切换时间为3秒,长江隧道设计时速为50千米/小时,即14米/秒,因此可考虑设置50米的切换区域。
由之前的链路预算可以得出,实际覆盖半径可以达到265.48米,结合210米的设计覆盖距离可以计算出,隧道中段逻辑小区交叠区域约有110米,完全满足50米切换区域的设置需求。而隧道出入口的切换区域设置则可综合考虑室外站点合理规划。
3.4 信号外泄
长江隧道位于江底,为盾构封闭性建筑,信号外泄不会对室外站点产生影响。
隧道口处的延伸覆盖区域是出于对切换成功率的考虑,可通过调整PCCPCH功率及定向天线的下倾角,合理规划切换区域,以避免对室外站点造成不良影响。
3.5 扩容分析
随着网络建设的不断深入,以及TD网络技术的不断发展,尤其考虑到HSPA+以及LTE的不断成熟,后期需要对该隧道覆盖进行有针对性的扩容。
3.6 电磁辐射
根据中华人民共和国国家标准《电磁辐射防护规定》,即国标GB8702-88,电磁辐射的限值为:
公众照射,在一天24小时内,环境电磁辐射的场量参数在任意连续6分钟内的平均值应满足功率密度<0.4 W/m2(频率为30~3000MHz)。
职业照射,在一天8小时工作时间内,电磁辐射功率密度的平均值(连续6分钟)应<2W/m2(频率为30~3000MHz)。
对电磁辐射源豁免的要求为:
输出功率等于或小于15W的移动无线通信设备,频率为3-300000MHz时,电磁辐射体的等效辐射功率小于100W。


主要设备清单
表 6 设备清单

序号

名称

型号

单位

数量

1

BBU

BBU1324A

1

2

RRU

RRU1301Ci

10

3

双频合路器

 

10

4

对数周期天线

11dBi增益

46

5

GPS天线

 

1


注:上表只列出了主要设备型号及数量,不包括其他材料(馈线、接头等)的具体信息。

5 结论与展望
本设计方案不仅实现了对隧道内双孔四车道的TD系统有效覆盖,各项指标均可以达到室内分布系统指标要求,同时考虑到隧道两个出入口附近均为宏站覆盖区域,隧道内外做好了切换方面的规划,实现了宏站和室内TD网络间较好的融合。
隧道覆盖只是TD-SCDMA网络规划的一个特殊场景,总的来说,3G比2G的布网要求要复杂得多,更富有挑战性,更需要时间和精力。金沙真人投注在大规模部署商用3G网络过程中积累了丰富的网络规划和优化经验,并有志于将这些经验充分地在施展出来,为通信事业的发展做出一份贡献。

参考文献:
[1] 《建筑与建筑群综合布线系统综合设计规范》(GB/T50311-2000).
[2] 《电磁辐射环境影响评估方法与标准》(HT/T10.3-1996)
[3] 中移动《TD-SCDMA室内分布系统设计建议》
[4] 金沙真人投注《室内分布系统详细设计与分析》
[5] 《移动通信基站防雷与接地设计规范》
[6] 《移动通信系统基站天线技术条件》
[7] 《电磁辐射防护规定》(GB 8702-88)
[8] Jiro Chiba. On Communication tn Tunnela, Institute of Electronics, Information and Communication Engineers. 1989,72(10):1185-1188.

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