中 国 科 学 技 术 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文 地 铁 内 移 动 通 信 室 内 覆 盖 分 析 及 应 用 作 者 姓 名 : 学 科 专 业 : 盛 海 亮 电 子 与 通 信 导 师 姓 名 : 李 辉 副 教 授 赵 红 媛 高 工 完 成 时 间 : 二 八 年 三 月 十 日 University of Science and Technology of Ch
A dissertation for Master s degree Metro Indoor Coverage Systems Analysis And Design Author s Name: Sheng Hailiang speciality: Supervisor:Prof.Li Hui, Sr.Engineer Zhao Hongyuan Finished time: May 10 th, 2008
书 脊 地 铁 内 移 动 通 信 室 覆 盖 分 析 及 应 用 二 十 三 系 盛 海 亮 中 国 科 学 技 术 大 学
中 国 科 学 技 术 大 学 位 论 文 原 创 性 和 授 权 使 用 声 明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文, 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的 成 果 除 已 特 别 加 以 标 注 和 致 谢 的 地 方 外, 论 文 中 不 包 含 任 何 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 本 研 究 所 做 的 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 了 明 确 的 说 明 本 人 授 权 中 国 科 学 技 术 大 学 拥 有 学 位 论 文 的 部 分 使 用 权, 即 : 学 校 有 权 按 有 关 规 定 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版, 允 许 论 文 被 查 阅 和 借 阅, 可 以 将 学 位 论 文 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索, 可 以 采 用 影 印 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 汇 编 学 位 论 文 保 密 的 学 位 论 文 在 解 密 后 也 遵 守 此 规 定 作 者 签 名 : 年 月 日
摘 要 摘 要 随 着 现 代 技 术 的 发 展, 现 代 生 活 越 来 越 离 不 开 通 信 和 交 通 工 具 目 前, 通 信 技 术 发 展 使 得 人 们 对 移 动 通 信 的 要 求 提 出 更 高 的 要 求 人 们 希 望 能 在 随 时 随 地 都 能 得 到 移 动 通 信 的 服 务 与 此 同 时 随 着 城 市 的 发 展, 更 多 的 城 市 开 始 兴 建 地 下 轨 道 交 通, 即 通 常 所 说 的 地 铁 从 而 进 一 步 提 从 了 在 地 铁 中 使 用 移 动 通 信 的 要 求 随 之 而 来 的 就 是 在 地 铁 进 行 移 动 通 信 覆 盖 的 课 题 本 研 究 探 讨 了 目 前 目 前 世 界 上 先 进 的 多 路 移 动 通 信 系 统 接 入 单 一 泄 漏 电 缆 进 行 地 铁 覆 盖 的 技 术 方 法, 论 文 主 要 在 以 下 几 个 方 面 做 出 了 有 成 效 的 工 作 : 1. 对 于 目 前 常 规 使 用 的 CDMA800,GSM900,WCDMA2100 等 多 种 移 动 通 信 系 统 进 行 链 路 预 算 的 定 量 分 析, 得 出 单 一 电 缆 无 中 继 最 长 使 用 距 离 2. 对 于 超 长 隧 道 区 间, 提 出 采 用 补 偿 馈 缆 加 泄 漏 电 缆 的 特 殊 使 用 方 式, 解 决 了 长 隧 道 无 源 覆 盖 的 问 题 3. 以 上 海 地 铁 二 号 线 西 延 伸 工 程 为 项 目 背 景 对 于 移 动 覆 盖 系 统 设 计 中 的 各 个 设 计 参 数, 如 场 强 切 换 等 参 数 进 行 了 具 体 的 计 算 和 分 析 由 于 本 设 计 紧 紧 围 绕 上 海 地 铁 二 号 线 西 延 伸 工 程 实 例, 系 统 的 提 出 了 目 前 国 内 地 铁 覆 盖 设 计 的 设 计 思 路 和 方 法, 很 好 的 完 成 了 该 项 目 的 设 计, 并 在 随 后 的 工 程 安 装 和 实 际 使 用 中 得 到 了 良 好 的 印 证 关 键 字 : 地 铁 泄 漏 电 缆 通 信 覆 盖 I
Abstract ABSTRACT With the development of modern technology, peoples cannot live without the modern communication and transportation systems. Now, the developments of the communication technology raise the service requirement to mobile communication systems. People want to have the mobile service in any time and any place. Also the developments of the metropolis, more and more city decide to set up their metro systems. It takes a new requirement, to have mobile service in the metro tunnel. With this requirement, a new topic need to be studied, how make mobile coverage system in metro systems. This paper studies the newest metro coverage technology, using a single radiating cable with a multi system access point. This study included the following content: 1. Give a linke budget method for the most popular mobile systems, CDMA800, GSM900, WCDMA2100, etc. Got the miximun length for each system. 2. Give a new proposal when the tunnel length exceeded the maximum lengthe, the new idea is to use leak cable with a compensated feed cable to save the system loss. 3. By taking the indeed project, Shanghai Metro Line 2 west extend project, as a sample, to study these important parameter for a mobile coverage system, such as acceptance level, hand-over For this study have a strong project background, it gave a systemized design method for the metro mobile coverage system, this method completed the project design excellently, and got good feedback during the installation and operation. Key Words: metro, radiating cable, mobile coverage system II
目 录 目 录 第 1 章 绪 论... 1 1.1 引 言... 1 1.2 室 内 覆 盖 系 统 概 述... 1 第 2 章 泄 漏 电 缆 简 介... 6 2.1 概 述... 6 2.2 泄 漏 电 缆 的 结 构 和 制 造... 7 2.3 泄 漏 电 缆 的 系 统 损 耗... 8 第 3 章 POI 系 统 简 介... 11 第 4 章 泄 漏 电 缆 系 统 设 计... 13 4.1 射 频 设 计 方 法... 13 4.2 链 路 预 算... 16 第 5 章 项 目 实 例 分 析 与 设 计... 24 5.1 项 目 概 况... 24 5.1.1 通 信 无 线 系 统 的 组 成... 25 5.1.2 设 计 原 则... 25 5.2 系 统 方 案... 26 5.2.1 设 计 方 案 思 路 分 析... 26 5.2.2 无 源 + 有 源 综 合 分 布... 26 5.2.3 无 线 覆 盖 系 统 发 射 天 馈 与 接 收 天 馈 独 立... 27 5.3 设 计 分 析... 28 5.3.1 场 强 覆 盖 分 析... 29 5.3.2 隧 道 泄 漏 电 缆 布 放 策 略 分 析... 40 5.3.3 切 换 分 析... 43 5.3.4 上 / 下 行 链 路 分 析... 49 III
目 录 5.3.5 多 运 营 商 多 系 统 合 路 POI 隔 离 度 理 论 分 析... 52 5.3.6 分 布 式 天 线 ( 包 括 泄 漏 电 缆 ) 收 发 距 离 的 确 定... 66 第 6 章 结 论... 68 参 考 资 料... 69 致 谢... 70 IV
第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1 引 言 自 1978 年 底, 美 国 贝 尔 试 验 室 研 制 成 功 先 进 移 动 电 话 系 统 (AMPS), 建 成 了 蜂 窝 状 移 动 通 信 网, 大 大 提 高 了 系 统 容 量 1983 年, 该 系 统 首 次 在 芝 加 哥 投 入 商 用, 移 动 通 信 逐 渐 走 入 人 们 生 活 的 每 一 个 部 分, 我 国 的 移 动 通 信 也 跟 随 着 这 一 步 伐 而 逐 渐 发 展 从 开 始 的 TACS 模 拟 网, 到 GSM, 后 来 的 联 通 CDMA 和 PHS 小 灵 通, 再 加 上 目 前 在 实 施 的 第 三 代 移 动 通 信 系 统 一 路 发 展 而 来 随 着 移 动 通 信 设 备 的 普 及, 用 户 使 用 移 动 电 话 的 时 间 地 点 和 方 式 都 在 发 生 着 重 大 的 变 化 在 移 动 通 信 引 入 的 初 期, 移 动 电 话 是 作 为 室 内 固 定 电 话 的 补 充 而 使 用, 用 户 的 通 常 的 使 用 模 式 是 在 室 内 办 公 等 环 境 下, 由 于 使 用 习 惯 及 话 费 等 各 类 因 素, 大 部 分 用 户 第 一 选 择 尽 量 使 用 固 定 电 话 联 络, 移 动 电 话 基 本 上 不 开 机, 或 者 只 开 机 而 不 接 听 电 话, 这 个 时 候 移 动 通 信 的 业 务 量 基 本 上 都 是 在 室 外 产 生, 用 户 对 于 在 室 内 移 动 通 信 的 需 求 要 求 不 高 随 着 时 间 的 推 移, 资 费 的 降 低, 用 户 数 的 增 加 等 各 方 面 因 素, 同 时 由 于 移 动 通 信 很 多 用 户 逐 渐 把 移 动 电 话 作 为 了 通 信 的 第 一 选 择, 不 管 其 在 室 内 或 者 室 外, 从 而 对 移 动 通 信 的 的 覆 盖 要 求 提 从 了 更 高 的 要 求 运 营 商 也 提 出 Any Place,Any Time 的 口 号 1.2 室 内 覆 盖 系 统 概 述 由 于 目 前 通 常 使 用 的 移 动 通 信 系 统 (GSM CDMA PHS 等 ), 他 们 的 工 作 频 率 通 常 都 在 900MHz 或 者 1800MHz 附 近, 由 于 该 频 率 的 原 因, 其 信 号 对 于 楼 宇 的 穿 透 性 不 佳, 所 以, 运 营 商 必 须 在 室 内 专 门 设 立 一 套 用 于 室 内 的 通 信 覆 盖 系 统 来 解 决 室 内 使 用 移 动 通 信 的 问 题 移 动 通 信 的 室 内 覆 盖 的 理 念 和 系 统 设 计 也 随 着 时 间 的 发 展 而 经 历 了 不 同 的 发 展 历 程 在 最 初 期, 用 户 只 要 求 在 室 内 有 信 号, 可 以 开 机, 可 以 看 到 来 电 显 示 这 时 很 多 采 用 把 室 外 基 站 的 天 线 改 变 方 向 对 准 该 建 筑 就 能 解 决 随 着 城 市 里 移 动 用 户 的 飞 速 增 加 以 及 高 层 建 筑 越 来 越 多, 话 务 密 度 和 覆 盖 要 求 也 不 断 上 升 这 些 建 筑 物 规 模 大 质 量 好, 对 移 动 电 话 信 号 有 很 强 的 屏 蔽 作 用 1
第 1 章 绪 论 在 大 型 建 筑 物 的 低 层 地 下 商 场 地 下 停 车 场 等 环 境 下, 移 动 通 信 信 号 弱, 手 机 无 法 正 常 使 用, 形 成 了 移 动 通 信 的 盲 区 和 阴 影 区 ; 在 中 间 楼 层, 由 于 来 自 周 围 不 同 基 站 信 号 的 重 叠, 产 生 乒 乓 效 应, 手 机 频 繁 切 换, 甚 至 掉 话, 严 重 影 响 了 手 机 的 正 常 使 用 ; 在 建 筑 物 的 高 层, 由 于 受 基 站 天 线 的 高 度 限 制, 无 法 正 常 覆 盖, 也 是 移 动 通 信 的 盲 区 另 外, 在 有 些 建 筑 物 内, 虽 然 手 机 能 够 正 常 通 话, 但 是 用 户 密 度 大, 基 站 信 道 拥 挤, 手 机 上 线 困 难 人 们 对 室 内 覆 盖 的 要 求 也 越 来 越 高, 从 而 产 生 了 在 移 动 通 信 领 域 的 一 个 专 业 : 室 内 移 动 通 信 覆 盖 设 计 室 内 覆 盖 系 统 主 要 由 信 号 源 和 信 号 分 布 系 统 两 部 分 组 成 目 前 室 内 覆 盖 设 计 通 常 在 采 用 在 室 内 放 置 直 放 站 或 者 基 站 作 为 信 号 源, 虽 然 前 者 具 有 价 格 上 的 优 势, 但 由 于 不 能 提 供 话 务 容 量 同 时 也 会 对 室 内 外 的 同 频 信 号 产 生 干 扰, 所 以 越 来 越 多 采 用 基 站 的 方 法 分 布 系 统 主 要 有 两 种 思 路, 第 一 种 为 电 缆 功 分 器 和 室 内 天 线 的 办 法, 如 下 图 : 图 1.1 室 内 天 线 分 布 系 统 示 意 图 一 2
第 1 章 绪 论 图 1.2 室 内 天 线 分 布 系 统 示 意 图 二 这 种 方 式 的 优 点 的 优 点 在 于 成 本 低 无 源 器 件, 故 障 率 低 无 需 供 电, 安 装 方 便 无 噪 声 累 积 宽 频 带, 缺 点 在 于, 对 于 非 直 线 辐 射 环 境 系 统 设 计 复 杂 信 号 分 布 不 均 匀 另 外 一 种 常 用 的 办 法 就 是 采 用 泄 漏 电 缆 作 为 分 布 系 统, 系 统 框 图 如 下 所 示 其 优 点 在 于 设 计 容 易, 信 号 均 匀, 缺 点 是 造 价 较 高, 但 由 于 其 在 隧 道 中 良 好 适 应 性 特 别 是 第 二 种 采 用 泄 漏 电 缆 加 光 放 大 器 的 方 式 非 常 合 适 长 隧 道 等 特 殊 环 境 的 使 用 3
第 1 章 绪 论 图 1.3 泄 漏 电 缆 分 布 系 统 示 意 图 一 图 1.4 泄 漏 电 缆 分 布 系 统 示 意 图 二 其 优 点 在 于 设 计 容 易, 信 号 均 匀, 缺 点 是 造 价 较 高 但 由 于 其 在 隧 道 中 良 好 适 应 性 特 别 是 第 二 种 采 用 泄 漏 电 缆 加 光 放 大 器 的 方 式 非 常 合 适 长 隧 道 等 特 殊 环 境 的 使 用 目 前 随 着 城 市 的 发 展, 越 来 越 多 的 城 市 开 始 兴 建 地 铁 等 城 市 轨 道 交 通 系 统 4
第 1 章 绪 论 由 于 地 铁 系 统 的 特 殊 性, 存 在 有 长 隧 道, 多 路 信 号 覆 盖 场 地 受 限 维 护 困 难 等 多 个 要 求, 使 地 铁 特 别 是 地 铁 隧 道 区 间 的 覆 盖 不 同 普 通 的 室 内 覆 盖 要 求 针 对 这 一 特 殊 的 需 求, 国 内 外 的 地 铁 及 通 信 运 营 商 在 经 过 长 时 间 的 选 择 后, 都 不 约 而 同 的 选 择 了 采 用 泄 漏 电 缆 作 为 地 铁 隧 道 覆 盖 的 第 一 选 择 以 国 内 为 例, 我 国 第 一 条 地 铁 北 京 地 铁 一 号 线 于 1969 年 10 月 1 日 开 通, 由 于 当 时 的 历 史 条 件 和 技 术 发 展 水 平, 设 计 者 在 当 时 没 有 预 料 到 现 在 的 无 线 通 信 事 业 的 发 展 速 度, 所 以 没 有 考 虑 在 地 铁 内 预 留 通 信 设 备 的 空 间, 所 以 直 到 今 天 北 京 地 铁 一 号 线 的 隧 道 区 间 仍 没 有 完 成 移 动 通 信 的 覆 盖 上 海 地 铁 于 1994 年 12 月 12 日 一 号 线 开 始 试 运 行, 该 地 铁 在 开 始 设 计 时 就 考 虑 给 通 信 系 统 预 留 设 备 空 间 等, 所 以 在 2001 年 在 国 内 率 先 采 用 全 泄 漏 电 缆 覆 盖, 多 通 信 运 营 商 无 线 通 信 系 统 合 路, 由 地 铁 运 营 商 统 一 管 理 模 式 完 成 了 地 铁 的 覆 盖 5
第 2 章 泄 漏 电 缆 简 介 第 2 章 泄 漏 电 缆 简 介 2.1 概 述 泄 漏 电 缆 可 以 实 现 任 何 地 方 的 无 线 通 信, 甚 至 在 有 电 磁 波 干 扰 或 没 有 电 磁 波 的 地 方 都 可 以, 例 如 : 隧 道 矿 山 地 铁 大 楼 和 大 型 复 杂 的 像 展 览 馆 或 机 场 选 择 适 当 的 电 缆 要 看 其 应 用 的 需 要, 各 泄 漏 电 缆 厂 商 提 供 多 种 不 同 的 泄 漏 电 缆 以 应 付 不 同 的 需 要, 选 择 最 合 适 的 泄 漏 电 缆 类 型 由 系 统 的 设 计 和 所 有 相 关 参 数 如 : 运 行 频 率 长 度 等 决 定 普 通 同 轴 电 缆 的 目 的 是 将 射 频 能 量 从 一 端 传 输 到 另 一 端, 并 且 希 望 有 最 大 的 横 向 屏 蔽, 使 信 号 不 能 穿 透 电 缆 以 避 免 传 输 过 程 中 的 射 频 能 量 的 损 耗 但 是, 漏 泄 电 缆 的 设 计 目 的 恰 恰 是 特 意 减 小 横 向 屏 蔽, 使 得 电 磁 能 量 可 以 部 分 地 从 电 缆 内 穿 透 到 电 缆 外, 当 然, 电 缆 外 的 电 磁 能 量 也 将 感 应 到 电 缆 内 单 芯 线 或 双 绞 线 同 样 也 可 以 是 漏 泄 馈 体, 同 时 允 许 外 导 体 漏 泄 的 同 轴 电 缆 或 波 导 也 可 以 是 漏 泄 馈 体 但 是 单 芯 线 或 双 绞 线 对 高 频 而 言 其 传 输 衰 减 太 大, 而 波 导 尺 寸 很 大 (<3GHz 时 ) 并 且 造 价 相 当 昂 贵, 因 此, 得 到 广 泛 应 用 的 漏 泄 馈 体 是 同 轴 漏 泄 电 缆 其 传 输 衰 减 成 本 和 安 装 都 和 普 通 电 缆 接 近 漏 泄 电 缆 一 般 是 用 簿 铜 皮 作 为 外 导 体, 在 外 导 体 上 开 切 出 不 同 形 式 的 槽 孔 按 漏 泄 机 理 的 不 同, 漏 泄 电 缆 可 以 分 为 两 类 : 耦 合 型 和 辐 射 型 图 2.1 泄 漏 电 缆 外 形 示 意 图 6
第 2 章 泄 漏 电 缆 简 介 耦 合 型 泄 漏 电 缆 的 外 导 体 上 开 的 槽 孔 的 间 距 远 小 于 工 作 波 长 电 磁 场 通 过 小 孔 衍 射, 激 发 电 缆 外 导 体 外 部 电 磁 场, 因 而 外 导 体 的 外 表 有 电 流, 于 是 存 在 电 磁 辐 射 电 磁 能 量 以 同 心 圆 的 方 式 扩 散 在 电 缆 周 围 外 导 体 扎 纹 纹 上 铣 孔 的 电 缆 是 典 型 的 耦 合 型 泄 漏 电 缆 辐 射 型 泄 漏 电 缆 的 外 导 体 上 开 的 槽 孔 的 间 距 与 波 长 ( 或 半 波 长 ) 相 当, 其 槽 孔 结 构 使 得 在 槽 孔 处 信 号 产 生 同 相 迭 加 唯 有 非 常 精 确 的 槽 孔 结 构 和 对 于 特 定 的 窄 频 段 才 会 产 生 同 相 迭 加 外 导 体 上 开 着 周 期 性 变 化 的 槽 孔 是 典 型 的 辐 射 型 泄 漏 电 缆 耦 合 型 漏 泄 是 泄 漏 电 缆 外 导 体 上 的 表 面 波 的 二 次 效 应, 而 辐 射 型 漏 泄 是 由 外 导 体 上 的 槽 孔 直 接 辐 射 产 生 耦 合 型 电 缆 适 合 于 宽 频 谱 传 输, 漏 泄 的 电 磁 能 量 无 方 向 性, 并 随 距 离 的 增 加 迅 速 减 小 辐 射 型 泄 漏 电 缆 与 工 作 频 率 密 切 相 关, 漏 泄 的 电 磁 能 量 有 方 向 性, 相 同 的 漏 泄 能 量 可 在 辐 射 方 向 上 相 对 集 中, 并 且 不 会 随 距 离 的 增 加 而 迅 速 减 小 ( 对 特 定 频 率 和 指 定 方 向, 耦 合 损 耗 比 较 小 ) 因 此, 根 据 不 同 的 应 用 场 合 可 选 择 不 同 类 型 的 漏 泄 电 缆, 如 专 网 之 隧 道 覆 盖 可 选 辐 射 型, 而 公 网 之 室 内 分 布 系 统 可 选 择 耦 合 型 一 般 而 言, 漏 泄 电 缆 存 在 耦 合 和 辐 射 两 种 漏 泄 模 式, 所 谓 耦 合 型 和 辐 射 型 指 的 是 漏 泄 以 耦 合 为 主 或 以 辐 射 为 主 2.2 泄 漏 电 缆 的 结 构 和 制 造 所 有 的 泄 漏 电 缆 的 构 造 都 差 不 多 一 样, 都 包 括 内 导 体 外 导 体 和 环 绕 粘 贴 着 内 导 体 的 低 损 耗 绝 缘 泡 沫 材 料 绝 缘 材 料 是 由 物 理 发 泡 聚 乙 烯 ( 防 火 ) 构 成, 内 导 体 是 铜 线 还 是 光 滑 铜 管 就 要 看 泄 漏 电 缆 的 大 小 而 定, 外 导 体 是 由 开 槽 或 打 了 孔 径 的 薄 铜 片 构 成, 结 构 是 孔 径 或 是 开 槽 决 定 了 泄 漏 电 缆 的 辐 射 特 性, 外 导 体 都 是 用 黑 色 聚 乙 烯 外 层 套 住 图 2.2 泄 漏 电 缆 结 构 示 意 图 7
第 2 章 泄 漏 电 缆 简 介 2.3 泄 漏 电 缆 的 系 统 损 耗 选 择 最 佳 的 泄 漏 电 缆 时 需 考 虑 它 的 系 统 损 耗, 泄 漏 电 缆 系 统 损 耗 是 指 其 纵 向 损 耗 和 耦 合 损 耗 的 总 和, 纵 向 损 耗 是 电 缆 本 身 的 线 损, 耦 合 损 耗 是 指 通 过 孔 径 或 开 槽 从 电 缆 散 发 出 的 电 磁 波 的 损 耗 因 此 系 统 损 耗 可 以 说 是 整 个 电 缆 的 损 耗 在 指 定 的 频 率 的 系 统 损 耗 是 测 试 点 的 电 缆 衰 减 加 上 95% 耦 合 损 耗, 所 有 的 电 缆 的 特 性 阻 抗 都 为 50Ohm 图 2.3 一 种 可 变 耦 合 损 耗 的 泄 漏 电 缆 的 系 统 损 耗 示 意 图 传 输 损 耗 泄 漏 电 缆 挂 在 隧 道 内 的 墙 壁 上 2 米 处, 而 后 做 好 电 缆 的 接 头 将 测 试 接 收 仪 与 信 号 发 生 器 直 接 相 连, 调 整 信 号 发 生 器 的 输 出 为 -50dBm, 频 率 为 被 测 频 率, 将 两 表 进 行 校 准 而 后 将 信 号 发 生 器 与 被 测 电 缆 的 一 端 相 连, 另 一 端 与 测 试 接 收 仪 相 连, 频 率 调 为 被 测 频 率, 将 信 号 发 生 器 的 输 出 功 率 调 为 -50dBm, 此 时 将 场 强 仪 的 读 数 记 下 数 值 将 得 到 的 数 值 再 加 上 两 端 跳 线 的 损 耗, 并 计 算 每 百 米 衰 减 此 时 的 数 值 即 为 传 输 损 耗 测 试 方 法 如 图 : 8