近期笔者有幸参与深圳地铁四号线皇岗站的无线数字集群TETRA网络的场强覆盖设计和网络覆盖优化、调试、开通工作,取得了一些工程的实际数据与经验,希望通过本文与读者共同探讨并共享经验。
深圳地铁四号线皇岗站与香港地界隔河相邻，是连接香港的出入境口岸与轨道交通枢纽站。该车站共有四层：地下一层是站台层，地面一层、二层是站厅层，三层是口岸联检大厅。站台分布为二个侧式站台，一个岛式站台，站台区间内含一个停车线，集群无线专网射频信号场强覆盖区域为：1.隧道区间的覆盖  2.站台的覆盖  3.地面一层、二层站厅覆盖。
该站点隧道区间采用射频漏泄电缆来进行区间的场强覆盖，站台采用漏泄电缆+天线方式来进行站台的场强覆盖，站厅层采用吸顶天线来进行站厅的场强覆盖。
该站点属无线中继站，承接来自宿主基站的射频信号放大并延伸覆盖。该站的场强覆盖的能量来自设在通信机械室的射频中继器，经各射频耦合器和功率分配器的射频能量分配，及至泄漏电缆及各天线端子从而形成目标运营区域的无缝覆盖。
深圳地铁无线专网基站采用二载波，每一基站使用二对频点，并优选频率配置：频点间隔大于1MHZ，通过优选频率配置来避免在本网内产生互调干扰的影响。地铁皇岗站中继器的频点承接宿主基站的频点。
该站集群无线专网覆盖的区域内同时并存公众移动网，因此工程的设计须考虑到网间的相互干扰。经理论分析和实践经验证明:无线专网和公网在隧道内漏泄电缆安装间隔≥0.45米，其隔离度可达78dB，如公网POI和直放站设备相关指标符合国标的条件下如此可减轻或消除网间互调和带外杂散发射干扰的影响。站厅内无线专网天线和公网分布天线安装间隔≥4.5米，可以减轻或消除网间带外杂散干扰的影响。
地铁皇岗站的场强覆盖设计指标：在无线专网95%的地点及时间（概率），移动终端接收信号的场强电平应不小于-85dBm ；按瑞利衰落法进行计算，基站、移动终端接收端的比特误码率不超过4％（信噪比≥19dB）。
按照设计要求满足场强覆盖最小接收电平设计参数:
覆盖范围边缘场强的最小接收电平门限取决于:
a.接收机的动态灵敏度: 基站= -106dBm (上行)，
                      移动手机= -103dBm (下行)，
                       车载台= -103dBm (下行)
b. 场强覆盖瞬时瑞利衰落深度: 衰落储备取值=13dB
c.设计储备余量: 取值= 5dB
   因此，在满足信噪比≥19dB和可通率(时间、地点覆盖概率为95%)的要求下，最小接收电平设计取值:
 下行(基站至车台):  每载波≥-85 dBm(车台天线输入端)
 下行(基站至手机):  每载波≥-85dBm(手机天线输入端)
 下行(中继器至车台):每载波≥-85 dBm(车台天线输入端)
 下行(中继器至手机): 每载波≥-85dBm(手机天线输入端)
 上行(车台至基站)：  每载波≥-88dBm(基站接收端)
 上行(手机至基站)： 每载波≥-88dBm(基站接收端)
在隧道内由于车台天线安装列车顶部，天线位置较高且天线有一定的增益，天线距漏泄同轴电缆的直线距离较近，且不受车厢、车体屏蔽及人体屏蔽的影响。因此，在车台和移动手机均需覆盖的所有车站站台及隧道区间，车台场强覆盖余量在同一地点优于移动手机，故在进行场强设计预算时，主要考虑移动手机在列车内的边缘场强覆盖设计、预算。
场强覆盖设计余量预算：
隧道内移动手机在列车内边缘场强电平计算公式：
P（手机边缘场强电平）=基站输出电-L（电缆系统路径损耗）-L（耦合链路总衰耗）≥-85dBm；
以最长的一根158-50型泄漏电缆L02+L04（漏缆位号）漏缆长度1006米为例，移动手机在漏缆末端1006米处边缘场强信号电平设计余量预算见下表：

			数量	基站下行		移动手机上行
		指标		损耗	电平	损耗	电平
				(dB)	(dBm)	(dB)	(dBm)
输出功率					36.00		30.00
分布系统损耗
1	20dB耦合器插入损耗	0.05	1	0.05		0.05
2	10dB耦合器插入损耗	0.50	0	0.00		0.00
3	功率分配器1:2 损耗	3.50	0	0.00		0.00
4	功率分配器1:4 损耗	6.50	1	6.50		6.50
5	1/2超柔跳线及接头损耗	1.20	1	1.20		1.20
6	7/8同轴电缆长度(m)及损耗	0.04	45	1.80		1.80
	分布系统总损耗			9.55		9.55
漏缆系统损耗
1	158-50漏缆长度(m)及损耗	0.026	1006	26.16		26.16
2	114-50漏缆长度(m)及损耗	0.03	0.00	0.00		0.00
3	158-50 漏缆耦合损耗(95%)	68.00	1	68.00		68.00
4	114-50 漏缆耦合损耗(95%)	72.00	0	0.00		0.00
	漏缆系统总损耗			94.16		94.16
附加损耗
1	越区切换重迭区余量	3.33	0	0.00		0.00
2	大于2米漏缆附加耦合损耗	4.00	1	4.00		4.00
3	车体/车厢屏蔽损耗	6.00	1	6.00		6.00
4	人体损耗	3.00	1	3.00		3.00
5	安全门屏蔽损耗	5.00	0	0.00		0.00
6	墙体穿透损耗	15.00	0	0.00		0.00
7	隧道因子	5.00	1	5.00		5.00
	总附加损耗			18.00		18.00
95%覆盖可靠概率下的最小接收电平					-85.71		-91.71
95%覆盖可靠概率下的最小允许接收电平					-85.00		-88.00
场强余量					-0.71		-3.71

从以上表格可见上、下行的漏缆末端场强电平余量偏紧，上行为：-3.71dBm,下行为: -0.71dBm,考虑到皇岗站区间1006米的末端150是站台，因此在站台150米范围内安装一个天线可弥补列车进入站台的弱场区。同时因隧道内减少覆盖150米,而150米漏泄电缆传输损耗为3.9dB,因此在区间和站台的交界处覆盖的上、下行都将满足需求。改进设计后完工测试的实际结果如下：
隧道信号电平测试(测试在以正常运营车速开行的列车内进行)
a） 测试仪器：频谱仪（HP8591E）；
b） 测试仪器电源使用列车电源：AC220V；
c） 测试仪器参数设置：AT=10dB, RBW=30KHZ, VBW=30KHZ, SPAN=5MHZ,  SWEEP=750ms；
d） 天线为全向天线；
e） 测试全部区间信号覆盖电平，合格的测试电平≥-85dB。
隧道及站台场强测试记录表：

隧道区间名称	测试数据（dBm）	测试结果评判
福民到皇岗隧道左线	-69  -60  -62  -84  -75  -56	OK
皇岗到福民隧道右线	-56  -72  -73（端点）  -71（端点之间）  -63（端点）-77（防火门）  -59  -58  -58  -57  -56	OK

 

 

从上表可见在隧道和站台交界处信号电平已降到-84dBm,此后移动手机进入站台区，由于站台安装了吸顶天线，因此信号电平随之上升至最大值-56dBm，满足了站台覆盖要求。
    站厅层场强覆盖设计余量预算：
站厅层的场强覆盖设计采用吸顶天线，该站站厅层由上下两层组成各安装一个吸顶天线。站厅层长为100 米，宽为85 米。天线安装于站厅中心，天线覆盖半径为50米，天线增益为0dB。设计计算链路损耗时空间损耗采用自由空间模型公式。
根据无线信号传输模型，自由空间损耗计算公式为：
L=32.4+20㏒(F) +20㏒(D),其中F为频率,单位为MHz，D为距离，单位为km
以850M为例： L=32.4+20㏒(850) +20㏒(D)=32.4+58.59+20㏒(50/1000)=90.99-26=65dB
移动手机上行边缘场强电平公式：
P（基站上行接收电平）=移动手机输出功率-L（电缆系统总损耗）-L（耦合链路总衰耗）+G（中继器增益）≥-88dBm。
由于地面一层的站厅同时需覆盖站厅边缘车控室因此以该层分析为例设计预算结果见下表：

位于站厅中心1个吸顶天线
				数量	中继器下行		移动手机上行
		指标			损耗	电平	损耗	电平
					(dB)	(dBm)	(dB)	(dBm)
输出功率						33.00		30.00
分布系统损耗
1	20dB耦合器插入损耗	0.05		1	0.00		0.05
2	10dB耦合器插入损耗	0.50		1	0.50		0.50
3	功率分配器1:2 损耗	3.50		1	3.50		3.50
4	功率分配器1:4 损耗	6.50		1	0.00		6.5
5	1/2超柔跳线及接头损耗	1.20		1	1.20		1.2
6	1/2同轴电缆长度(m)及损耗	0.08		60	4.80		4.8
7	7/8同轴电缆长度(m)及损耗	0.04		90	0.00		3.6
	分布系统总损耗				10.00		20.15
漏缆系统损耗
1	158-50漏缆长度(m)及损耗	0.026		1006	0.00		26.15
2	158-50 漏缆耦合损耗(95%)	68.00		0	0.00		0.00
	漏缆系统总损耗				0.00		26.15
附加损耗
1	中继器增益	-48		1	0.00		-48
2	吸顶天线增益	0		1	0.00		0.00
3	空间损耗(半径50米)	65.00		1	65.00		65.00
4	人体损耗	3.00		1	3.00		3.00
5	车控室特殊玻璃窗屏蔽损耗	30.00		1	30.00		30.00
	总附加损耗				98.00		50.00
预算95%覆盖可靠概率下的最小接收电平						-75.00		-66.3
95%覆盖可靠概率下的最小允许接收电平						-85.00		-88
预算场强余量						10.00		21.7

从上表可预见设计满足要求，移动手机在覆盖最边缘处且处于屏蔽衰减30dB的车控室内,边缘场强覆盖电平上、下行均有余量。本案例同时关注到电磁环境的需求，各天线端口功率< 15dBm。
工程完工后实际现场测试结果如下：
站厅层信号电平测试(测试在站厅进行，特别选择层与层交界面、通道拐点、站厅四周边缘、站厅边缘车控室内等特殊点测试):
a) 测试仪器:频谱仪（FSH3）；
b) 测试仪器参数设置：RBW=30KHZ, VBW=30KHZ；
c) 测试信号覆盖电平:合格的测试电平≥-85dB。
站厅场强测试记录表：

站厅层	测试数据（dBm）	测试结果评判
车控室	-75	OK
站厅四周边缘	-69	OK
站厅与站台交界处	-69	OK

 

 

无线通信中继器
地铁皇岗站场强覆盖能量由无线通信中继器提供，因此中继器的工程现场单机开通与调试环节必不可少，在现场调试时主要关心的是中继器的输入、输出功率以及上、下行增益测试与调整。
中继器主要技术指标：
载频数量：2个
带宽：15 MHz
上行/下行射频测试耦合端口：－30dB±1dB
带内波动：±1.5dB
增益：50dB
增益调整范围：30dB，2dB步进
手动增益调节：2dB、4dB、8dB、16dB共四档可组合
下行输出电平：≥+36dBm/载频
上行输出电平：≥+27dBm/载频
下行三阶互调衰减（二载波测试，36dBm/载频）：
＜ －4dBm /100KHz （带内）
＜ －36dBm /1~100KHz （带外，9KHz－3GHz）
＜ －67dBm /100KHz（825－835 MHz，885－915 MHz）
＜ －47dBm /100KHz（870－880 MHz，930－960 MHz）
上行三阶互调衰减（二载波测试，27dBm/载频）：
＜ －13dBm /100KHz （带内）
＜ －36dBm /1~100KHz （带外，9KHz－3GHz）
＜ －67dBm /100KHz（825－835 MHz，885－915 MHz）
＜ －47dBm /100KHz（870－880 MHz，930－960 MHz）
杂散发射：＜ －36dBm /100KHz （带内）
         ＜ －90dBm/100KHz （带外，9KHz－3GHz）
＜ －54dBm /100KHz
＜ －63dBm /100KHz
噪声系数：＜5dB（增益>30dB时）
群时延：＜1μS
群时延失真：＜200nS/25 KHz
带外抑制：＞50dB（在带宽±5MHz外，9KHz－3GHz）
接口阻抗：50Ω，N座
驻波比：＜1.3
中继器上、下行额定输出功率及增益测试方法：
1． 按下图将仪表与中继器相连，信号源频率置成861.3625MHz，信号源输出到中继器的下行输入端电平：-30dBm开始并逐渐加大信号，这时中继器下行通道输出的信号幅度也随着线性增大，当信号源信号加大到一定幅度时，可测得中继器下行通道的额定输出电平（1dB压缩点处）。此时可计算下行增益=输出值-输入值。
2． 将信号源与频谱仪的接入位置互换，并将信号源频率置成816.3625MHz，用同样的方法可测得上行通道的额定输出电平（1dB压缩点处）。此时可计算上行增益=输出值-输入值。
测试框图如下所示：

上述中继器单机测试完成后进入中继器并入网络测试与调整其步骤如下：
1．用频谱仪测试来至宿主基站到中继器下行输入端信号电平，本案例为：-15dBm。
2．因本案例场强覆盖系统设计要求中继器下行输出为：33dBm，故用信号源替代来自宿主基站信号，将信号源调整到时-15dBm输出，观察频谱仪测得中继器下行输出结果，并通过手动调整增益（本案例通手动衰减器二档2dB+4dB=6dB），达至中继器下行输出33dBm，此时中继器下行输出增益48dB。
3．同理将中继器上行手动调整增益（本案例通手动衰减器二档6dB），测试上行输出功率与上行增益，经过调整达到与下行增益平衡的状态，本案例此时信号源的输入为：-24dB，中继器上行输出为：25 dB，上行增益49dB。
4．撤出信号源，将来自宿主基站至皇岗站通信设备间的电缆系统末端的超柔射频跳线接入中继器下行输入端，并在中继器输出端用频谱仪测试，结果应与（2）测试结果相同，说明调试已达到了预期目的。
5．最后将中继器上行输入（下行的输出端）通过超柔射频跳线接入射频分配端口，同时将各天线接入射频分配的各自的端口，然后即可进行场强覆盖测试。测试的结果表明本文理论设计、预算与实际测试结果基本接近，网络覆盖满足系统指标要求，在实际通信时语音清晰无杂音，话音质量良好。
关于网内干扰的讨论：
本文提到的案例涉及网络内部的干扰主要需要考虑的干扰为同频干扰。考察覆盖原理图不难发现，中继器的载频与宿主基站的频率相同。因此在隧道区间右线（下行）可能产生由于中继器的时延而产生同频干扰。本案例采用在区间中点将漏缆断开，并相隔8米的空间隔离，经现场连续通话考核无掉话现象，实践表明措施可行。经相关实验报道：只要中继器的群时延：＜1μS，如在采用光纤中继器的场合，光纤传输距离在2.5公里之内将无同频干扰产生。另据报导区间中点漏缆断点处只要两漏缆电平差值≥6dB即可消除同频干扰。
最后要探讨的是在使用中继器无线集群专网中，中继器上行噪声输出对基站接收灵敏度产生的影响。众所周知热噪声是任何通信系统都面临的噪声干扰。基站接收机灵敏度降低其原因之一是由于基站接收机噪声基底的增加而造成的。通信设备电路中热噪声本质是“电荷的布朗运动”。
热噪声公式：N=kTB。其中k是波尔兹曼常数，单位：焦耳/k；T是环境温度，单位：k；B是测量系统带宽，单位：Hz。
由于热噪声特性决定其噪声功率谱密度是一常数，并且在通信链路中噪声功率和所要求的信号功率一起线性增加，从而会降低接收系统的灵敏度。
 kTB = -174dBm/Hz，  PN(基站) = -174dBm+10lg(B)
本案例系统内基站与中继器的热噪声电平计算结果：
1．基站信道带宽为25KHz，因此信道带宽内总的热噪声功率：PN = -174dBm+10lg(25×103Hz)=-130dBm；
2．已知中继器信道带宽为15MHz，但因为宿主基站的带宽为25KHZ，因此在评价中继器产生噪声干扰时，计算中继器热噪声功率带宽可按25KHZ，因此有： PN (中继器)= -174dBm+10lg(25×103Hz)=-130dBm；
中继器底部噪声P= -130dBm+5（中继器噪声系数）= -125；基站底部噪声=-130+5（基站噪声系数）= -125；
由于工程中我们关心的是基站动态灵敏度及噪声电平：本案例基站接收机动态灵敏度为-106 dB，如C/N取19dB,则允许的噪声干扰电平为 -125dB，因此在动态条件下由中继器上行引入到基站的噪声功率电平控制在≤ -125 dB是合理的。
注:基站接收灵敏度〝Sb〞与系统噪声系数〝NFsys〞和基站接收端的最低载噪比〝C/N〞的关系为：Sb =Nt + NFsys + 10log(BW) + C/N； 其中Nt是白噪声电平（-174dBm/HZ）, NFsys是系统噪声系数（dB）,BW是带宽（HZ），而C/N是基站接收端的最小载噪比（dB）。
本案例Sb =-174+5+44+19=-106dB，符合上述技术指标要求。
3．如果在上行链路中增加上行中继器增益放大单元,则要考虑中继器上行噪声电平将随中继器增益而增加并由此产生的干扰问题，并有如下计算公式：
P（中继器对基站的噪声干扰电平）= -125（中继器热噪声功率）+N(中继器噪声系数)-L（上行电缆系统总损耗）+G1（中继器增益）≤ -125dBm；取P=-125 dBm；则得到平衡公式：L=G1+N。
本案例实测L=55，G=48，N=5，因此  L=55≥48+5  满足设计要求。
结论：在系统设计时应对中继器的噪声系数提出技术指标要求，选取较小的噪声系数。系统设计时应综合考虑中继器增益与路径衰耗关系，在满足覆盖面积需求前提下中继器的增益不宜大，尽量使中继器上行增益与路径衰耗相抵消，以减小中继器噪声对基站接收灵敏度的影响。在实施工程调试和网络覆盖优化时也应注意覆盖面积与中继器增益的关系,在满足覆盖面积的前提下尽可能选择较小的增益,并要求达到上、下行增益平衡。