隧道通信解决方案

一、工程概况描述

本次所要设计覆盖的工程是一条双向长度为15公里的大型隧道，整个隧道的车流量大，为保障隧道内部运营管理工作的有序和安全，无线通信系统是必不可少的通信平台，系统为管理部门提供清晰的移动语音交流及覆盖整个内部和周边的通信范围，使得内部人员可即时有效的进行工作的安排和协调，同时也大大提高了隧道内部安全保障的能力。本次方案旨在根据隧道现场实际情况及管理单位使用上的特点，结合建筑的结构特性，遵循无线电管理局相关的规范，提供一套可靠有效的无线对讲机覆盖系统建设方案。

二、需求分析

根据业主的招标要求及对讲机覆盖系统建设的特点，我们认为系统应满足以下几点：

• 无线对讲系统主要覆盖区域为隧道内部整区域，以及地面表层的部分区域；

• 系统设计要求具备二个通信频道供二个部门使用，二个通信频道同时在线进行通信，互相可切换通信的工作频道，并不会互相产生干扰；

• 本系统设计采用的频率为无线电管理局获得许可，并可在建成后获得系统使用许可证；

• 整个对讲机覆盖系统采用室内吸顶天线和同轴泄露电缆组成的无源分布系统来实现信号的覆盖；

2.1系统设计依据

国家无线电管理局室内覆盖系统设计的标准和规范：

• 工信部无[2009]666号《工业和信息化部关于150MHz400MHz频段专用对讲机频率规划和使用管理有关事宜的通知》

• 市工程建筑规范《移动通信室内信号覆盖系统设计与验收规范》DG/TJ08-1105-2010

国家无线电管理委员会，国无管[1994]19号文《关于公众数字蜂窝移动通信系统使用频段的通知》；

• 中华人民共和国国家标准《电磁辐射防护规定》（国标GB8702-88）；

• GB/T 50311-2000建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范；

• YD/T 926.1-1997厂区通信综合布线系统第一部分总规范；

• YD/T 5082-99建筑与建筑群综合布线系统工程设计施工图集；

• 参考以往大量室内覆盖系统的案例基础上，并结合大宁广场的系统设计，尽力避免了以往设计中出现的问题，采用可靠的技术和材料以提高此次设计中系统地合理性和稳定性。

2.2设计原则

1.在保证系统覆盖信号的质量的前提下，尽可能降低工程造价成本，采用适宜的线缆及器件。

2.设计避免施工的难度：尽量在设计时考虑施工过程中，原器件安装牢固，馈线的铺设简便、易行，保证施工时最小程度破坏楼宇结构和美观，确定合理的走线方式。

3.场强与信号情况：设计中尽量作到隧道内部场强均匀，并有足够的边缘信号强度，合理选择天线的类型和规划，天线的输出功率及布放位置，使在满足设计要求达到良好的均匀覆盖同时，采用的天线数量最少。

4.控制信号泄漏：为建立较完美的无线覆盖网络，在设计时兼顾边缘场强的计算，保证不会产生明显的信号泄漏，同时覆盖网络必须对外界的干扰小,并且不易受到其他同类设备的干扰。

2.3无线对讲机覆盖系统指标要求

5.无线对讲呼损率＜2%；无线对讲的接通率＞98%；

6.无线对讲覆盖区域内可接通率：要求在无线对讲覆盖区域内的95%位置，99%时间移动手持对讲机可接入网络；

7.应使用方要求及实际使用范围，无线对讲机覆盖的边缘场强：≥-85dBm,地表及其他区域≥-95dBm；

8.外泄电平（建筑红线外50米外）＜-105dBm；

9.覆盖区域与周围各建筑内对讲机系统之间相互无干扰；

三、无线对讲机覆盖系统设计

3.1设计概述

无线对讲机覆盖系统作为日常运营调度及安全保障情况下的无线移动通信工具，已经成为管理部门不可或缺的一部分，随着企业的发展也不断改良和升级为更高效，更全面和更安全的通信平台。本次针对隧道设计的无线对讲机覆盖系统，是新一代数字模式下的通信平台，不仅具备模拟模式下的稳定可靠的优点，更采用数字化的结构特点，使得系统升级和扩容灵活可靠，系统话音清晰，对建筑内部的信号覆盖做到更均匀的分布，对外的信号泄露和防范干扰方面也更为全面，为企业的管理者提供了更多的语音及数据管理措施。

3.2系统架构

整个无线对讲机覆盖系统是包括信号源、天馈分布系统以及光纤远端放大系统三部分组成。信号源作为系统的核心部件将接收到的对讲机信号处理后，放大并回送到对讲机终端，从而实现隧道内外对讲机之间的桥接作用，天馈室内分布系统作为信号在建筑内传输的网络，遍布隧道内各个位置，通过天线来发射和接收天线附近对讲机终端的信息；光纤远端放大系统是通过光纤设备将通信信号转换成光纤信号进行远距离传输，通过光纤信号传输不仅可以提高信号的传输速度，还可以提高传输的语音质量，再连接同轴泄露电缆配合室内天线，使信号均匀稳定并持续的覆盖整个隧道内部，从而保证了隧道内的无线对讲通讯。

3.3系统设备布局

信号源-中继控制信道机设计安装在消防控制中心或监控室内，所有信号都将在这里作汇接处理，并发散到整个隧道内部。中继站将信号输出给天线分布系统，输出的主干线沿隧道的内部光纤系统将信号传输到隧道内各个地段的天线上，并通过室内天线将信号发送给移动中的对讲机终端。

具体天线分布如下：

3.4频道的规划和使用

可覆盖整个隧道内部的频道为一组，可同时满足二组语音通话，因此，需向市无线电管理局申请一组无线电频点。

四、天线及电缆的布放 

馈线分布系统的天线布放虽简单但重要，是设计的关键点。我们遵循“小功率，多天线”的原则，保证信号均匀覆盖整个目标建筑物。采用小功率的优点是信号易于控制，辐射小，对外干扰小；缺点是会提高整个信号覆盖系统的总造价，因此需要在布放原则和经济性之间寻找最佳平衡点。由于隧道内部传播环境的复杂性，所以进行天线布放前进行模拟测试。天线的布放与建筑物结构紧密相关，需要根据模拟测试效果选择天线布放位置，同时考虑不同楼层结构的差异性。

天馈分布系统是系统重要的传输部分，就好比人体的神经系统一样，传递着每一个来自建筑内部的无线信号，通过合理的预设计，现场勘测，深化设计后，可以使作为网络末梢的室内天线做覆盖的范围环环相扣，由多个小区组成一个大的通信网。 

1.天线安装位置：天线安装位置应符合设计文件（方案）的规定，并尽量安装在装修吊顶材料板的中央，以保持美观。

天线的固定：若为挂墙式天线，必须使用天线支架牢固地安装在墙上，保证天线垂直美观，并且不破坏室内整体环境。若为吸顶式天线，可以安装固定在装修吊顶或天花板上，保证天线水平美观，并且不破坏室内整体环境；如果装修吊顶为石膏板吊顶，可依照设计要求将天线安装于吊顶与天花板之间，但必须对天线做牢固固定，不能任意摆放。天线尽量安装在天花外面，注意避开风管、消防管。 

天线安装： 天线放置要平稳牢固，如果垂直放置，安放位置要合理美观。天线连接容易，上紧天线时必须用手拧紧，最后用扳手拧动的范围在1圈内即准确到位，要做到布局合理美观，做天线的过程中不能弄脏天花板或其他设施，摘装天花板使用干净的白手套，室外天线的接头必须先使用防水胶带缠紧，然后用塑料黑胶带缠好，胶带做到平整、少皱、美观，安装完天线后要擦干净天线。 安装天线时应戴干净手套操作，保证天线的清洁干净。 

2.馈线的布放必须按照设计文件（方案）的要求，且应整齐、美观，不得有交叉、扭曲、空中飞线等情况。

穿竖线时要首先认真看清图纸，对竖线在各层中的排列顺序要有合理的安排，以方便以后器件的制作，竖线要直，做到方便检查，布局美观，如果业主要求要穿PVC管，扎带或卡码每1米一个、剪齐、方向一致。

穿横线时，走线要水平、拉直，不可捆绑在线缆上，要做到单独捆绑，在天花板上每1.5米一个卡码，明线处1米一个卡码；扎带的头要剪齐，做到方向一致，注意走线的美观。

对于明线如不在机房、线井和天花吊顶中布放的馈线，应套用PVC管。 机房内未沿走线架布线的部分馈线要求套PVC管，转弯处要使用PVC软管连接。明线处1米一个卡码，扎带的头要剪齐，做到方向一致。要求所有走线管布放整齐、美观，经过白墙时要穿PVC管。在墙上固定时使用塑料管卡。没有用PVC管的地方要用黑色扎带，有白色PVC管的地方用白色扎带。两条以上的馈线要平行放置，每条线单独捆扎。垂直走线或必要的空中飞线若无法固定，则预先将馈线用扎带或电缆挂钩固定在钢丝绳上，钢丝绳两端用膨胀螺丝、地锚、紧绳卡和调节环拉紧。客户特别要求时必须安装专用走线架，馈线（两端都要有）贴有标签，注明此馈线的收、发情况、长度以及编号。馈线夹是用于固定馈线于墙壁，使馈线走线整齐美观；严禁馈线沿建筑物避雷网捆扎布放。

五、信号强度的推算

天线末端的信号推算

建筑内部结构复杂，在天线的不同方向隔断阻挡是不同的，所以相同发射功率的天线，面向不同角度传输信号时，在满足建筑内部平均场强-85dBm的情况下，相同场强值在不同传送方向上的传送的距离也是不同的。在计算信号强度时，我们采样了建筑内的模型，大部分情况均与此类似。

采样天线位置在地下室核心筒的公共走廊，计算核心筒方向没有阻挡情况下达到-85dBm场强时的传输距离。由于在建筑内空间小，信号大部分通过穿透建筑进行传递，绕射路径多有门和墙体隔断，所以计算忽略绕射和反射的因素。

根据无线电管理局的设计要求，天线末端的最大信号强度不能高于15dBm，根据自由空间损耗公式 1：

L = 32.45 + 20log (F) + 20Log(D)

可获得天线到达目标区域的最大空间损耗L的值； 

不同材料穿透损耗经验值:（400MHz）

5.1室内无线链路传播模型：

Lbs=32.4+n*10lgD+20lgf

f ：工作频率（GHz）；

n：距离损耗指数（取n=2.8）

D：移动台与天线的距离（m）；

5.2自由空间传播公式：

Lb=32.4+20lgD+20lgf

D：为路径(km)

f：为频率(MHz)

5.3下行链路边缘场强分析：

由于无线对讲覆盖系统含有多套信道主机，为馈送到单一套天线分布系统内发射，必须通过对信号进行合路处理。

合路设备采用定向耦合合路单元，双环通器保证合路信道之间高达70dB的隔离度，中继台25W（43dBm）在双工器合并合路器和分路器后衰减后发射至分布系统。

主机通过合路分路器和双工器损耗后下行输出功率P=中继台功率-双工器合并合路器和分路器损耗

系统设备一般接线图：

结合项目实际建筑情况，基本使用混凝土墙，建筑平均损耗取值15dB。

有效覆盖区域边缘场强计算公式：

P（dBm）=Pt +Gm- Lbs

P（dBm）：有效覆盖区域边缘场强强度。

Pt：为天线输入口功率

Gm：为天线增益2.1dBi

Lbs：室内无线链路传播损耗

设计天线覆盖半径为30m：则末端天线输出口功率为10dBm的有效覆盖区域边缘场强计算为：

室内无线路径损耗为：Lbs=32.4+2.8*10lg（30m）+20lgf=65.8dB

混凝土墙（100mm）穿透损耗：15dB

设计考虑人体损耗为：3dB

系统设计余量为：10dB

P（dBm）=Pt +Gm - Lbs=10+2.1-65.8-15-13=-81.7dBm≥-85dBm 

由此得出，设计末端天线端口功率为10dBm的情况下，通过建筑的墙体，到达30M处的信号可持在-85dBm以上，满足覆盖边缘场强≥-85dBm的要求。

5.4常用器件损耗表

（注: 耦合器耦合口输出功率=输入功率-耦合度-插入损耗

      耦合器输出口输出功率=输入功率-耦合损耗-插入损耗。）

（注：功分器每个输出口的输出功率=输入功率+分配比-插入损耗。）

常用馈线损耗表

上行链路场强分析：

对讲机发射功率设定为1W。

其中任意一条天线有线链路中损耗如下表：

无线链路中的损耗：

室内无线路径损耗为：Lbs=32.4+2.8*10lg（30m）+20lgf=65.8dB

混凝土墙（100mm）穿透损耗：15 dB

设计考虑人体损耗为：3dB

系统设计余量为：10dB

Pr（接收电平）=对讲机发射功率-无线链路损耗-有线链路损耗

Pr（接收电平）=34.8dbm-65.8dB-15dB-3dB-10dB-6dB-8.1dB-13.4dB-3.3dB+2.5dB=-86.9d Bm

中继台的选型得出海能达R-980数字中继台接收灵敏度为0.35uV，为-116dBm。为保证接收可靠性，接收信噪比为15dB。因此为保证可靠接收，接收机的接收功率需大于-116+15=-101dBm

根据计算结果得出，Pr（接收电平）=-86.9dbm大于中继台可靠接收功率-101dBm，所以在手持终端发射功率为1W的情况下，中继台的接收机能可靠地接收信号，满足系统的设计要求。

5.5信号外泄分析

由于信号泄露会给系统带来过多的干扰，因此，在设计时要尽量减小信号泄露，采用“多天线小功率”的方式，目前室内分布系统设计方案中，天线的出口功率一般都不会达到15dBm，无线对讲系统的天线通常设计在核心筒周围的走廊内，距离建筑边缘还有充足的衰减距离。

建筑物外红线内接收机输入端场强值: ≤-105dBm

输入功率为10dBm，到达室内边缘场强为-81.7dBm。

自由空间传播损耗为：Lb=32.4+20lgD+20lgf

D：为路径(km)

F：为频率(MHz)

Lb=32.4+20lgD+20lgf

计算得出下列不同距离处自由空间传播损耗：

P’（dBm）= P（dBm） - Lb

P（dBm）：有效覆盖区域边缘场强强度

P’（dBm）：建筑50米出场强

Lb：自由空间传播损耗

混凝土墙（100mm）穿透损耗：15 dB

P’（dBm）=-81.7-58.4-15=-155.1dBm

根据计算结果得出50米处场强P’（dBm）=-155.1dBm小于设计中距离建筑物50米处场强值 ≤-105dBm的要求。

方案设计时充分考虑了信号的泄露问题，通过控制天线口的辐射功率和天线的安装位置（采取暗藏或靠墙角安装）及数量，使信号辐射到建筑外50米处的信号电平低于-105dBm，保证此分布系统不会造成对其他系统的干扰。