高速公路隧道警用無線通信覆蓋解決方案

葉杰

摘要：隨著我國過去十幾年來經(jīng)濟(jì)的高速增長，基礎(chǔ)設(shè)施特別是交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了全面發(fā)展。在公路隧道、地鐵等地下建筑中，移動通信傳播效果不佳。公路隧道封閉狹長，彎道多，無線覆蓋難度大，利用一般通信天線傳遞無線信號存在不同程度的難度。本文簡要講解了泄漏同軸電纜的基本原理及主要性能指標(biāo)，著重闡述了使用泄漏同軸電纜技術(shù)解決警用無線通信系統(tǒng)在公路隧道內(nèi)覆蓋的方法。

關(guān)鍵詞：隧道 無線通信覆蓋 泄漏同軸電纜

中圖分類號：TN929.533 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0031-02

1 引言

隨著我國過去十幾年來經(jīng)濟(jì)的高速增長，基礎(chǔ)設(shè)施特別是交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了全面發(fā)展。十二五期間，初步形成以“五縱五橫”為主要結(jié)構(gòu)的交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，國家高速公路交通網(wǎng)絡(luò)基本形成，高速公路總里程達(dá)到10.8萬公里。筆者所在的宜昌市轄區(qū)高速公路隧道有35個，其中長隧道9個，特長隧道10個，很多單體長隧道一般跨越多山，封閉狹長，彎道多，警用無線通信信號覆蓋問題相對滯后，隧道內(nèi)消防安全、搶險救援等問題日益凸顯。為此，研究分析泄漏同軸電纜在公路隧道中的應(yīng)用，加強(qiáng)和完善警用無線通信系統(tǒng)在公路隧道內(nèi)的信號覆蓋和傳遞，確保移動無線通信無盲點(diǎn)是當(dāng)前形勢下的迫切需求。

2 泄漏同軸電纜基本原理及主要性能指標(biāo)

泄漏同軸電纜（LCX）也叫漏泄同軸電纜，簡稱漏纜，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導(dǎo)體三部分組成，具有信號傳輸作用，又具有天線功能。電磁波不僅在漏纜中縱向傳遞信號，還通過周期性的槽孔向外界輻射電磁波；外界的電磁波也會通過槽孔感應(yīng)到漏纜內(nèi)部并傳送到接收端，從而實(shí)現(xiàn)對電磁場盲區(qū)的覆蓋，達(dá)到移動通信的目的。目前，泄漏同軸電纜的頻段覆蓋在150MHz～2GHz以上，適合應(yīng)用在公路隧道、鐵路隧道、地鐵和地下商場等區(qū)域。

2.1 泄漏同軸電纜的種類

根據(jù)信號與外界的耦合機(jī)制不同，具體的耦合機(jī)制取決于槽孔的排列形式。泄漏同軸電纜主要分為耦合和輻射兩種泄漏模式。

耦合型漏泄電纜（CMC）的外導(dǎo)體上開的槽孔的間距遠(yuǎn)小于工作波長。耦合型漏泄電纜適合于寬頻傳輸，漏泄的電磁波沒有方向性，信號強(qiáng)度會隨傳播距離的增大迅速減小。

輻射型漏泄電纜（RMC）外導(dǎo)體上開的槽孔間距與波長相當(dāng)，槽孔結(jié)構(gòu)使得在槽孔處的信號同相迭加。典型的輻射型漏泄電纜外導(dǎo)體上開有周期性排列的槽孔。漏泄的電磁波具有方向性，相同的漏泄能量在輻射方向上相對集中，同時信號強(qiáng)度不會隨傳播距離的增大而迅速減小。

2.2 泄漏同軸電纜主要性能指標(biāo)

泄漏同軸電纜主要電性能指標(biāo)有：頻率范圍、特性阻抗、耦合損耗、傳輸衰減、總損耗的動態(tài)范圍、駐波比、傳輸時延。主要物理性能指標(biāo)有：絕緣電阻、絕緣介質(zhì)強(qiáng)度（耐壓）、阻燃和煙毒性能、抗扭力和彎曲性能、密封性。

泄漏同軸電纜最重要的指標(biāo)是其總損耗，即傳輸衰減和耦合損耗的總和。

（1）傳輸衰減。泄漏同軸電纜的傳輸衰減是描述漏泄電纜內(nèi)所傳輸電磁能量損失幅度的重要系數(shù)，通常由導(dǎo)體衰減、介質(zhì)衰減和輻射衰減三部分組成，可定義如下：

α=α1·f+α2·f+α3

其中：α=給定頻率的衰減系數(shù)

α1=導(dǎo)體的衰減系數(shù)

α2=介紹的衰減系數(shù)

α3=泄漏的衰減系統(tǒng)

（2）耦合損耗。耦合損耗是泄漏電纜區(qū)別于一般的通信電纜的一個重要指標(biāo)，是代表泄漏電纜與外界間的相互耦合強(qiáng)度的特征參數(shù)，可定義如下：Lc=-10lg（Pr/Pt）

其中：Lc—耦合功耗，dB

Pr—與漏纜距離2m處標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線所接收的頻率，W

Pt—泄漏電纜的傳輸功率，W

由于某一處漏泄電纜內(nèi)的傳輸功率等于電纜輸入功率減去電纜輸入端到該處的功率衰減，因此，局部耦合損耗αc（z）計(jì)算公式如下：

αc（z）=Ne-（α×z）-Nr（z）

式中： αc（z）—局部耦合損耗，dB

Ne —電纜輸入端的電平，dBm

Nr（z） —天線處的接收電平，dBm

α—電纜的傳輸衰減系數(shù)，單位dB/Km

z—電纜輸入端到天線處的距離，Km

3 泄漏同軸電纜在公路隧道中的應(yīng)用案例

筆者以宜昌轄區(qū)內(nèi)G50滬渝高速漁泉溪隧道泄漏電纜覆蓋方案為例，進(jìn)行簡要說明。

3.1 滬渝高速漁泉溪隧道概述

G50滬渝高速公路漁泉溪隧道地處宜昌市長陽縣高家堰車溝村與賀家坪鎮(zhèn)白凡村交界地段，隧道全長5228m，洞寬6m，單洞雙車道，屬超長隧道，也是事故高發(fā)路段。為了加強(qiáng)該路段的安全管理和應(yīng)急救援工作，亟需建設(shè)一套完整的隧道通信系統(tǒng)。

3.2 設(shè)計(jì)方案分析

該覆蓋方案主要針對警用無線通信系統(tǒng)，以350MHz消防通信系統(tǒng)和800MHz公安數(shù)字集群系統(tǒng)為主對隧道內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，利用公路隧道控制交換中心（MSC）、基地站（BS）、移動臺（MS）、傳輸信號線（LC）和泄漏同軸電纜（LCX）就可以組成一個基本的公路隧道移動通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖中基站部署在公路隧道內(nèi)部，通過分配器連接2根泄漏同軸電纜分別向隧道兩端輻射，構(gòu)成復(fù)合基地臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)組網(wǎng)便捷，缺點(diǎn)是傳輸損耗大、基站數(shù)量多、建設(shè)成本高，在超長隧道中可以增加中繼器和變頻器，構(gòu)成中頻返回系統(tǒng)。

4 泄漏同軸電纜通信鏈路計(jì)算實(shí)例

經(jīng)初步估算，上述覆蓋方案擬選用焦作鐵路電纜廠生產(chǎn)的5/4〞漏纜（型號DWZR-SLYWY-50-32），以下是上行鏈路電平計(jì)算：

（1）頻率為350MHz，耦合損耗為65dB，泄漏同軸電纜的傳輸衰減系數(shù)α為18dB/Km，手持移動臺最大輸出按功率為4W（36dBm）計(jì)算，最低工作電平為-105dBm，耦合損耗的波動裕量為5dB，接頭及跳線損耗為2dB，分配器耦合總體損耗6dB，車體損耗約10dB，中繼器最小增益20dB：

最大允許損耗αmax=αs+M=36dBm-（-105dBm）=141dBm；

其他相關(guān)損耗M=5dB+2dB+6dB+10dB=23dB；

則泄漏電纜最大允許長度L=（αmax-Lc-M）/α=（141dB-65dB-23dB）/（18db/Km）=2.94Km。

（2）頻率為800MHz，耦合損耗為68dB，泄漏同軸電纜的傳輸衰減系數(shù)α為35dB/Km，手持移動臺最大輸出按功率為4W（36dBm）計(jì)算，最低工作電平為-105dBm，耦合損耗的波動裕量為5dB，接頭及跳線損耗為2dB，分配器耦合總體損耗6dB，車體損耗約10dB，中繼器最小增益20dB：

最大允許損耗αmax=αs+M=36dBm-（-105dBm）=141dBm；

其他相關(guān)損耗M=5dB+2dB+6dB+10dB=23dB；

則泄漏電纜最大允許長度L=（αmax-Lc-M）/α=（141dB-68dB-23dB）/（35db/Km）=1.43Km。

根據(jù)上述通信鏈路計(jì)算，該種規(guī)則泄漏電纜的最大覆蓋距離為1430m。當(dāng)泄漏電纜最長為1200m，依照上述計(jì)算方法可得到下列結(jié)果：

350M/4W時，系統(tǒng)接受的最弱信號為-73.6dBm，

800M/4W時，系統(tǒng)接受的最弱信號為-97dBm。

因?yàn)橄到y(tǒng)下行信號由無線基站發(fā)往用戶手持移動臺，輸出電平高出8dB，考慮到漏纜通信系統(tǒng)的耦合過程等因素，下行信號將高于上行信號3dB左右，則擬選用的漏纜規(guī)格能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路、鐵路隧道等復(fù)雜場所數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大?？茖W(xué)合理利用泄漏電纜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對高速公路隧道的無線覆蓋，確保警用移動無線通信暢通，對消防部隊(duì)滅火救援應(yīng)急處置工作有著十分深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

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