高增益窄波束天线高速隧道内应用

费成图



高增益窄波束天线高速隧道内应用

费成图

安徽电信规划设计有限责任公司移动通信咨询规划设计院，安徽 合肥 230031

中国约70%的面积为山地地形，东部沿海多山地区、中部丘陵地区和西部属于更复杂的盆地与高原地区。目前，中国已经成为世界最大的地上地下空间和隧道市场国家。区域以及城乡发展不平衡严重制约着中国经济的合理与协调发展，大规模建设公路铁路隧道、城市轨道交通、海底隧道已成必然趋势。高速公路成为人们出行的主要方式，对高速公路实现全线覆盖是运营商提高网络品牌形象的一个重要环节，而隧道内信号覆盖重要性更加凸显。通过理论研究结合实地应用，优选隧道口布放隧道天线（高增益窄波束天线）的方式，解决隧道内信号覆盖问题。

室分覆盖；隧道；隧道天线（高增益窄波束天线）

1 项目背景

随着安徽经济的快速增长，境内交通设施建设实现了历史性的跨越，尤其是高速公路的建设更是进入了快速增长时期。安徽境内皖南地区多为山区，沿途隧道较多。当前时期下，三家运营商在安徽境内高速隧道沿线基本采用传统的室内分布覆盖方式，在隧道内布放馈线及对数周期天线进行覆盖。然而高速隧道的管理单位多，建设协调困难、施工维护难度大、运营成本高，使得高速隧道的4G覆盖成为工作难点。

本次以合铜黄高速石头岭隧道（黄山境内最长隧道）为例，该隧道全长2900 m，南北往返分为两条隧道，由于建设协调困难，未建设隧道分布，隧道内无LTE覆盖。

2 隧道天线简介

隧道天线又叫高增益窄波束天线，它的特点是水平波瓣宽度小，增益高，覆盖面积集中且容易控制。以某厂家天线为例，其参数信息如图1所示：水平波瓣角为17°（水平面方向图见图2），垂直波瓣角为20°（垂直面方向图见图3），增益为16 dBi，比普通定向天线高6 dB。高速隧道场景需求覆盖的区域集中，采用隧道天线符合场景需求，可以利用6 dB增益改善覆盖效果。

3 隧道天线石头岭隧道内应用

3.1 隧道场景介绍

石头岭隧道：南北方向两条隧道，北隧道口位于汤口境内，南隧道口位于屯溪境内，全长该隧道全长2900 m。

图2 隧道天线水平面方向图

图3 隧道天线垂直面方向图

3.2 隧道覆盖思路

（1）尽可能使得隧道天线水平主瓣及垂直主瓣覆盖到隧道内，最大能量集中于隧道沿线，达到最好效果；（2）主设备选择1.8 G LTE-RRU；（3）在隧道口附近新建水泥杆，将天线固定于水泥杆上；（4）RRU+隧道天线安装在同一水泥杆上；（5）考虑引电难易程度，优先北隧道两个口位置放置天线，先实现单边覆盖；（6）待北隧道口达到理想效果后，南隧道口再进行隧道天线覆盖。

3.3 隧道覆盖方案

为达到隧道天线水平主瓣及垂直主瓣覆盖到隧道内的目的，天线选址以距离隧道口处20～30 m左右最佳。选址过近会导致天线对于隧道的掠射角过大，无法远距离覆盖，过远会导致能量扩散无法达到覆盖要求[1]。

（1）新建水泥杆安装在道路外侧。

（2）隧道天线塔桅不宜过高，天线挂高与应予隧道高度中心点齐平，天线角度正对隧道口方向。本案选取了9 m的水泥杆加抱杆的安装方式（由于安装在隧道入口水泥杆直径40～50 cm，需定制抱箍确保安装水平方位与隧道方向平行）。

图4天线设备安装示意图

（3）选取某厂家60 W的RRU设备，功率设置为60 W全开。

3.4 链路预算

3.4.1 空间损耗计算

高速隧道覆盖损耗主要分为自由空间损耗及穿透高速隧道覆盖损耗主要分为自由空间损耗及穿透损耗，而行驶在高速隧道内的车辆多为玻璃窗和金属材料构成，平均穿透损耗为15 dB。

（1）隧道传播模型特殊，链路预算采用的具体计算方式：

终端接收功率=天线口功率+天线增益-自由空间损耗-穿透损耗-多径损耗/快衰落余量

隧道天线增益16dB（天线型号不同，其增益不相同，此增益来自某厂天线参数）。

空间损耗均具体计算公式如下：

自由空间损耗=32.45+20log（d）+20log（f）

其中：单位d为km；f为MHz。

本次取平均穿透损耗为15 dB（穿透损耗根据信号所穿过的介质不同，其损耗也不相同）

多径损耗/快衰落余量（dB）均取值为8 dB。

3.4.2 边缘场强

根据上述链路预算相关公式，隧道天线口功率为5 dB，天线增益为16 dB，距离天线口1.5 km处车辆内终端的接收功率为-103 dB，满足安徽电信隧道内覆盖的边缘要求。

3.5 开通后测试结果

由于隧道内无法使用GPS打点，采用手动打点方式记录测试数据。

隧道内，由位于隧道北出口布放的高增益天线正对隧道覆盖。由于东侧隧道弯度较小，西侧隧道弯度较大，导致隧道两侧覆盖差距较大。东侧隧道覆盖率为98.22%，西侧隧道覆盖率80.09%，西侧隧道拐弯后洞体阻挡严重，无法有效覆盖隧道南半段，建议西侧隧道南出口方向新增一台设备加强覆盖。

测试结论：对于较直的高速隧道，隧道天线加普通RRU的单边覆盖，覆盖距离约为2.5 km；对于存在一定弧度的高速隧道，隧道天线加普通RRU的单边覆盖距离约为2 km。

3.6 成本对比分析

对于高速隧道内弱覆盖区域，常规手段在隧道内建室内分布，采用定向天线（对数周期天线）进行覆盖。对于采用隧道天线与定向天线，表1 以本次试点为例对比了两种方式的建设及运营成本。

表1   

4 总结

隧道天线（高增益窄波束天线）在隧道内的应用理论研究结合实地测试，从网络建设、维护、优化、造价等方向进行了综合的评估。隧道天线覆盖更有优势，在达到同等覆盖效果的基础上能够减少投资和维护成本，为后续覆盖高速隧道提供参考。

[1]京信通信天线参数说明书[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）

TN822+.3

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费成图（1985—），男，汉族，现任职于安徽电信规划设计有限责任公司移动通信咨询规划设计院，主要从事移动通信咨询及规划设计工作。