隧道工程隧道覆盖解决（共4篇）
隧道工程隧道覆盖解决 篇1
水下隧道合理覆盖层厚度确定是修建水下隧道的关键问题之一。覆盖层厚度过小,水下隧道就有可能面临严重的稳定问题和海水涌入的危险;覆盖层厚度越大,在水下岩层和隧道之间的渗流通道就越长,流向隧道的渗水量会降低,但隧道造价会随之上升[1,2]。水下隧道工程因其复杂性、不确定性决定了工程类比经验法仍然是工程中常用的方法[3,4]。本文借鉴各国在修建水下隧道时确定最小岩石覆盖层厚度的经验,采用工程类比经验法对拟建的重庆朝天门长江隧道最小岩石覆盖层厚度进行研究。
1 国内外确定水下隧道最小岩石覆盖层厚度的经验方法
1.1 挪威海底隧道建设经验
在挪威,海底隧道最小岩石覆盖层厚度通常用工程类比法,凭经验确定[5]。经过对挪威已建海底隧道的大量分析研究,统计得出如图1所示经验曲线,可供参考[6]。
1.2 国内顶水采煤经验公式
水下隧道最小岩石覆盖层厚度的确定与水下采煤留设煤岩柱有相似之处,可借鉴采煤中的安全防水煤岩柱的经验[7]。
当基岩直接裸露,水底没有沉积层时:H=a+s+h。其中,H为开采上限高度,m;a为表面裂隙深度,m,基岩经验值取10 m～15 m;s为保护层厚度,m;h为爆破引起的扰动高度,m。当基岩顶部有沉积层且厚度大于5 m时,a=0;当沉积岩层为相对隔水层时,其厚度可考虑在s值之内,即H=s+h,保护层厚度s之内包括隔水层厚度。
1.3 隔水岩柱经验法
隧道工程经爆破开挖扰动后,产生导水裂隙,为保证施工运营安全,留设隔水岩柱将上部水域与隧道“隔离”是必须的。根据国内相关经验及大量水下隧道实践总结,提出了如下的经验公式[8]:
1.4 日本经验方法
日本第一条钻爆法海底铁路隧道修建距今已有60余年历史,并于1985年竣工了世界瞩目的青函海底隧道,在此方面积累了较多经验。日本经验公式[9]:
2 工程概况
重庆两江隧道隧址区位于长江、嘉陵江汇合处。上部为全新统洪冲积层(Q
3 基于工程类比确定长江隧道最小岩石覆盖层厚度
前述几种方法是目前世界上较常用的经验方法,具体应用应结合实际情况进行一定的修正。挪威的海底隧道最小岩石覆盖层厚度的确定与水下开采煤矿有许多相似之处,但是根据不同的情况,国内目前也总结了各种不同的计算方法。隔水岩柱法是隧道工作者在实际的水下隧道工程中总结提出的,更贴近工程实际,该方法是值得重视的。日本经验法在水深较大时,取值范围过宽,还需要根据其他方法加以验证。根据江底地形图和工程地质纵断面图,针对隧道位于不同水位状况下,分别用前述四种方法确定长江隧道最小岩石覆盖层厚度,其类比结果如表1所示。
从表1可以看出,相同情况下隔水岩柱法相对于其他方法岩石覆盖层厚度偏小;顶水采煤法得到的最小岩石覆盖层厚度则处于中间位置;日本经验法平均值相对是最小的,但在历史最高洪水位时仍大于隔水岩柱法;挪威经验法是最安全最保守的。
综合以上分析,在历史最高水位状况下长江隧道钻爆法施工的最小岩石覆盖层厚度取值21 m～32 m。
4 结语
1)挪威经验法适用性广,对不同完整性质的岩石都给出了经验的取值临界限制,但其取值偏保守。顶水采煤经验法应用防水煤岩柱来降低突水事故的发生,应用于水下隧道有一定的适用性。隔水岩柱法与顶水采煤法有相似之处,其中导水裂隙带高度的确定是关键。日本经验公式对不同的水深差异较大。
2)重庆朝天门长江隧道钻爆法施工的最小岩石覆盖层厚度取值为21 m～32 m,该范围是工程类比经验分析所得,为进一步的理论分析,数值计算提供了参考。
参考文献
[1]王梦恕,皇甫明.海底隧道修建中的关键问题[J].建筑科学与工程学报,2005,22(4):1-4.
[2]B.Nilsen.Analysis of Potential Cave-in from Fault Zones in HardRock Subsea Tunnels[J].Rock Mechanics and Rock Engineer-ing,1994(2):63-75.
[3]王刚.裂隙岩体海底隧道最小岩石覆盖厚度研究[D].济南:山东科技大学,2005.
[4]王燕.复杂地质条件海底隧道顶板厚度研究[D].济南:山东大学硕士学位论文,2005.
[5]吕明,Grov E,Nilsen B,et al.挪威海底隧道经验[J].岩石力学与工程学报,2005(24):4219-4225.
[6]Arild palmstrom.The Challenge of Subsea Tunneling and Under-ground Technology,1994(2):145-150.
[7]武雄,于青春,汪小刚.地表水体下煤炭资源开采研究[J].岩石力学与工程学报,2006,5(25):1029-1036.
[8]陈学选.钻爆法施工过江隧道防治水综合措施[J].矿业安全与环保,2004(6):112-113.
[9]刘松.矿山法修建海底隧道最小埋深的探讨[J].隧道建设,2003,23(3):4-6.
[10]重庆交通科研设计院.重庆两江隧道工程预可行性研究报告[R].重庆:重庆交通科研设计院,2005.
隧道工程隧道覆盖解决 篇2
随着国家经济发展的增速, 人民生活水平不断提高, 城市地面交通和地下隧道建设不断壮大, 这为广播电视信号的覆盖带来了新任务和新挑战。无锡市现有7条隧道, 其中惠山、青祁、金城和太湖大道四条隧道由于距离较长, 车流量较多, 是无锡城市内的重要交通枢纽, 迫切需要覆盖无线广播电视信号。实现隧道中广播电视信号的覆盖, 是隧道建设配套设施中的重要组成部分, 也是一个城市现代化建设的象征。
无锡惠山、青祈和金城三条隧道在2009年前已覆盖了调频信号, 但由于其采用的方法是:空收FM信号→解调成音频信号→重新调制→功率放大, 然后通过漏缆辐射的方式, 实现调频广播的覆盖。这种方式导致车辆在进、出隧道口的一段距离上, 由于同时接收到漏缆辐射和二茅峰发射的两路FM信号。因两路信号没有同步, 产生干扰, 导致FM广播接收效果较差。再加原广播电视覆盖系统未进行优化, 所选漏缆在FM频段的耦合损耗较大, 最终导致隧道内FM信号覆盖不佳, 从而决定了车辆在隧道行驶过程中FM节目接收效果较差。
本次实施太湖大道隧道FM、CTTB和CMMB广播电视信号覆盖工程, 同时对惠山、青祈和金城三条隧道内原有FM信号覆盖系统进行改造, 并增加CTTB和CMMB信号覆盖。
1 系统方案
1.1 信号覆盖方式
隧道内FM (88MHz~108MHz) 信号的覆盖可采用定向天线覆盖和泄漏电缆覆盖[1]两种方式。采用定向天线覆盖的隧道距离通常应小于500m, 在信号传输路径上不应存在遮挡和衰落;采用泄漏电缆方式, 能较好地减小阴影和遮挡, 且传输频带宽, 有利于地面数字电视 (CTTB) 、中国移动多媒体广播 (CMMB) 等业务的开展。太湖隧道中为确保FM、CTTB和CMMB覆盖信号的共缆传输, 我们选用了安德鲁RCT7-LTC-4A-RNA (1-5/8”) 泄漏电缆进行隧道覆盖。
1.2 信号传输方式
隧道中覆盖信号传输方式是借鉴光纤和同轴电缆混合网络 (HFC) 结构, 将地面空收的FM、CTTB和CMMB信号经过接收处理后混合输入至光发射机, 通过光纤传输到隧道中不同位置的远端直放站机房, 再由光接收机接收后分配给FM、CTTB和CMMB直放站。这种方式与单台FM、CTTB和CMMB光纤近端机各自带对应的光纤远端直放站相比, 简化了网络结构, 大大减少了光纤芯数和设备的使用数量;同时采用主、备路光纤传输网络结构, 进一步提高了系统可靠性。
1.3 系统结构
隧道内信号覆盖包括近端信号源的接收、传输和远端直放站机房信号的覆盖, 如图1所示。远端机房内信号传输和覆盖如图2所示。
覆盖的信号源是在隧道机房外的开阔区, 分别采用高增益定向天线接收FM、CTTB和CMMB信号, 接收到的信号分别送入FM选频接收单元[2]、CTTB和CMMB小信号接收单元, 三个单元输出信号混合后输出至光发射机, 再通过光纤传输至隧道内的各个远端机房, 由光接收机把光信号转换成射频信号, 经过分配后输入至FM、CTTB和CMMB三个直放站远端机, 经直放站功率放大器后输入到POI合路器, 合路器输出给泄漏电缆, 并进行隧道内信号的覆盖。
2 覆盖计算
2.1 信号场强要求
隧道中FM广播接收以车载收音机为主, CTTB、CMMB的接收终端以手持终端、GPS导航设备和CMMB手机为主, 为保证在隧道内广播电视节目的良好接收, FM、CTTB和CMMB覆盖场强分别为46d BμV/m[3]、40d BμV/0d Bd和38d BμV/0d Bd。
2.2 覆盖距离计算[4]
隧道中广播电视信号无线覆盖的传输损耗主要为分布系统损耗、漏缆损耗和附加损耗等。其中:1) 分布系统损耗, 包括POI合路器插损、功分器损耗以及连接跳线损耗等;2) 漏缆系统损耗, 包括传输损耗和耦合损耗;3) 附加损耗, 包括隧道因子、车体损耗、人体损耗等。
隧道覆盖中需要的直放站功率与覆盖场强和泄漏电缆的特性有很大的关系, 太湖隧道中选用的安德鲁RCT7-LTC-4A-RNA (1-5/8”) 泄漏电缆的耦合损耗和传输损耗参数见表1。
太湖大道隧道泄漏电缆铺设简图, 如图3所示。
根据广播电视信号覆盖场强、泄漏电缆传输损耗、耦合损耗以及隧道长度等技术参数, 即可计算得到每台直放站可覆盖的最大距离, 见表2。由于太湖大道隧道中共有4个机房, 安装有4套直放站, 每台直放站覆盖的最大距离为相邻机房距离的一半距离。从表2的计算结果可知, 当每台直放站均按照额定功率工作时, 太湖隧道内广播电视信号应能实现良好覆盖。
3 覆盖测试
为掌握惠山、青祈、金城和太湖大道四条隧道内的无线广播电视信号覆盖情况, 我们采用车载调频天线、车载电视天线和PRK-4C场强仪等设备, 利用自主研发的“隧道覆盖测试”软件, 并结合相应终端的实际接收效果, 完成这四条隧道的覆盖测试工作。
以下我们选取太湖隧道的北侧的测试情况, 分析广播电视节目的覆盖状况。在太湖隧道北侧, 调频广播 (98.7MHz) 、移动电视 (CTTB) 以及移动多媒体广播 (CMMB) 的场强分布曲线图分别如图4、图5和图6所示, 其中红色表示节目正常接收需要的门限值;蓝色表示测试信号的场强实际分布情况。在整个测试过程中, 分别利用车载收音机、地面数字电视手持终端和CMMB手机终端连续收听收看节目, 除FM广播在隧道中部分区域接收不佳外, 移动电视和CMMB在整个隧道中接收均良好。从图5、6可以看出, 整条隧道出现四个峰值, 而这四个点正是隧道内直放站输出信号的馈入点。
4 实施中遇到的问题及解决办法
在项目实施中, 主要遇到以下问题:
1.在覆盖测试中发现, FM广播在太湖隧道1500m至2500m覆盖较差区域对相应位置的直放站进行了检查, 故障排除后, 整个隧道内FM广播覆盖良好。
2.工程实施过程中, 发现太湖隧道南侧调频广播无法接收, 底噪电平均在40d BμV~50d BμV以上, 后经排查发现是隧道内LED照明灯引起的缘故。LED灯在断电与通电后, 隧道内FM信号覆盖情况如图7所示, 可以看出在LED通电后, 有用信号电平全被噪声淹没, 对广播VHF频段的信号产生了严重干扰, 导致调频收音机也无法正常收听节目。因此在未来的项目设计和实施过程中, 应预先对隧道进行EMC测试, 并建议实施方选用绿色照明设备。
3.在金城隧道中, CMMB覆盖场强较大, 但是CMMB终端无法正常接收。经查是由于采用方向性较差的接收天线, 同时接收了雪浪、二茅峰发射的信号, 且两处信号存在较大的延时, 从而形成干扰。因此应选择有反射网的定向天线, 提高信号源的选择性能。
4.隧道覆盖中空收信号源的接收点应选择尽量远离隧道入口或出口, 避免隧道中的信号泄露到信号引入端, 从而引起信号的回串, 导致自激。
5 总结与展望
本文针对无锡现有的四条主干隧道, 提出了隧道内广播电视信号覆盖方案。整个方案利用调频信号选频接收的原理, 结合现有HFC信号传输的优势, 并采用双路由光纤备份传输的方式, 最终通过直放站和漏缆, 实现了整个隧道内的信号覆盖。
另外, 本次工程中应急广播部分未加以实施, 但在技术方案中已考虑了隧道应急广播功能, 如图1左下角框图所示;方案中应急广播采用了具有IP网络控制的射频切换器, 这样可实现应急广播在各条隧道中的同播、选播;应急广播信号调制到相应隧道的各个FM频点上, 这样无论驾驶员收听那个频率的节目, 均可及时收听到隧道应急广播信息。
参考文献
[1]陈文宜, 彭永平, 刘成.调频广播信号公路隧道补点覆盖技术探讨[J].传输与覆盖, 2009, 23 (9) :82-84.
[2]谢立进.利用公安模拟350M直放站技术平台实现广播隧道覆盖[J].广播与电视技术, 2010 (4) :115-117.
[3]GB/T14431-1993, 无线电业务要求的信号干扰保护比和最小可用场强[S].1993.
浅谈RRU对隧道的全覆盖 篇3
以隧道功能为依据, 可以将隧道通信覆盖划分为公路隧道通信信号覆盖、地铁隧道通信信号覆盖以及铁路隧道通信信号覆盖;以隧道结构为依据, 可以将隧道通信覆盖划分为直隧道、弯道隧道、长隧道、短隧道、单线隧道以及复线隧道通信信号覆盖。由于不同的环境的特点也各不相同, 所以需要立足于实际环境特点, 提出相应的信号覆盖解决方案。
1 隧道及无线电波传播特点
1.1 隧道特点
公路隧道相对比较宽, 隧道中的覆盖状况不会因为车辆的通行而出现较大的差别;此外, 公路隧道的弯曲度相对较小, 高度比较高;铁路隧道相对于公路隧道而言, 要窄一些, 当有火车通行时, 隧道四周所剩下的空间就变得十分有限, 并且, 当有火车通过时会对信号传播造成较大的影响, 除此之外, 铁路隧道还具有弯曲度较小以及高度较低的特点;地铁隧道与铁路隧道情况大体一致, 唯一的区别就是在隧道的长度上。
1.2 无线电波在隧道内的传播特点
路径衰耗以及阴影衰落对室内的无线链路的衰耗起着决定性的作用。隧道属于相对封闭的环境, 外部的信号进入其中比较困难, 在实行内部覆盖方案时, 给外界的电磁环境所造成的影响也十分有限。我们可以将隧道看作是一个管道, 在这样的环境中的信号传播就是直射和墙壁反射的结果。
通常在做铁路隧道内的覆盖的时候, 会使用泄露电缆, 对于一些长隧道, 我们需要在隧道内进行切换, 而通过泄露电缆做的切换, 为节省漏缆成本和安装的便利性, 通常, 我们直接把漏缆的两端接上规划了不同PN的RRU, 以便通过软切换的方式完成切换。这样, 出现了这样的问题, 一端的RRU是否会对对端的RRU产生影响, 如辐射杂散对接收灵敏度的影响, 阻塞干扰对接收机的影响, 或者是否导致两端的RRU出现高的驻波比。如果真的存在高驻波的话, 那也是假的驻波比, 因为所谓的回波信号是来自于另一个RRU的, 估计对语音、数据业务应该不会有什么影响, 但是长期以往, 如此高的驻波是否会对设备的硬件, 如功放管不正常。所以, 我想找RRU发射机对回波强度是否有一个门限要求, 但是, 找了很多规范, 一直也没有提到过这样的指标。
2 RRU隧道覆盖考虑因素
第一, 信源的选择, 公路隧道以及铁路隧道中的信号覆盖所针对的主要是车内用户, 相比较而言, 业务量有限, 主要任务是要解决信号盲区的覆盖问题。在地铁隧道当中, 用户高峰主要是集中在上下班时段, 所以应当将系统的容量问题作为考虑的重点。除此之外, 隧道覆盖的安装空间以及相关的配套设施还要受到多种因素的限制和制约, 因此, 一般情况下, 不会将宏蜂窝基站选作隧道覆盖, 而是选用微蜂窝或者是直放站。宏蜂窝基站主要适用范围是地铁隧道, 在地铁隧道当中, 除了要覆盖站台, 还要将地铁系统较大的出口纳入到覆盖范围之内, 其需要较大的容量;微蜂窝基站, 主要适用于超长的公路隧道以及地铁隧道, 除此之外, 隧道口附近原本的我拿过来信号强度较弱, 难以满足直放站对施主信号电平要求的情况下, 也要选择微蜂窝基站;光纤直放站, 主要适用于距离周围的宏蜂窝基站的距离比较近的长公路隧道或者是铁路隧道;无限直放站, 主要的适用范围是相对比较偏远的、在隧道口处没有信号电平, 无法满足开通无线电直放站所需要的基本的要求, 并且长度属于中等的隧道。
在铁路隧道的信号覆盖中还会使用到泄漏电缆, 尤其是在铁路隧道内, 这是非常常见的一种方式。这也是现实中比较常见的一种方法, 其优势主要体现在:可以有效的控制信号遮挡和阴影, 在相对比较复杂的隧道当中使用分布式天线, 可能在手机与天线之间进行信号传输时遇到一定的遮挡, 进而影响到信号覆盖效果;减少信号的波动范围;对多种服务同时提供覆盖。在使用泄露电缆覆盖时, 主要需要考虑到如下几个方面的因素;1) 覆盖因子;2) 信源与第一个干放之间的距离;3) 干放的增益、间距以及数量。除此之外, 在对铁路隧道进行信号覆盖建设的时候, 还需要考虑到直放站的选型。直放站是一种中继产品, 衡量直放站好坏的指标主要有, 智能化程度、低IP3、低噪声系数、整机可靠性、良好的技术服务等。
3 RRU隧道全覆盖实施方案
首先, 短隧道覆盖解决方案。笔者在此处所谈及的短隧道, 指的是长度在二百米以下的隧道。要实现这类短隧道的RRU隧道全覆盖, 比较有效可行的方案就是在隧道口设置单个天线, 以直放站作为信号源。
其次, 中等长度四道全覆盖解决方案。长度在两百米以上、五百米以下的隧道属于是中等长度的隧道。结合隧道所具有的特点, 既可以采用设置单个高增益天线的方式实现隧道的全覆盖, 还可以采取在隧道的中间地段设置两个天线的方式来实现隧道的全覆盖。特别是在隧道内的弯道地段, 最好是在弯道处设置两个天线, 来实现对隧道的全覆盖。出于施工难度的考虑, 要尽可能选择光线直放站作为信号源, 在进行光线直放站的选择时, 为了有效的控制系统成本, 空中耦合式光线直放站是最佳选择。
最后, 多弯道的长隧道的全覆盖解决方案。一般而言, 长度在五百米以上的隧道就可以称为长隧道, 对于这类隧道的全覆盖解决途径主要有两种, 一种是选择泄漏电缆, 另外一种就是一点对多点的光纤直放站, 这两种途径都可以实现长隧道的全覆盖。
在隧道的弯道处, 电波会由于受到隧道壁的影响, 会发生折射、反射以及吸收等, 在隧道壁的土质结构以及导电率等因素的影响下, 会导致对电波的吸收较为严重, 特备是在弯道较多的隧道中, 会出现十分明显的衰减, 所以, 可以在隧道的转弯地段的表面喷涂金属粉, 以达到较好反射效果。
摘要：移动通信网络建设就是要实现无缝覆盖, 确保随时随地通信的顺畅, 但是当前许多隧道仍属于是信号覆盖盲区, 所以要制定专门的隧道信号覆盖实施方案。本文在阐述隧道及无线电波特点的基础上, 阐述RRU隧道全覆盖实施方案。
关键词：RRU,隧道,全覆盖
参考文献
[1]穆海权.地铁公共移动通信引入系统的工程设计.北京邮电大学, 2008.
[2]皮立儒.铁路隧道覆盖解决方案研究.北京邮电大学, 2010.
[3]刘毓江, 柴跃林.公路隧道无线通信信号覆盖的新探索.科技创新导报, 2007.
隧道工程隧道覆盖解决 篇4
随着我国经济的飞速发展, 国民生活水平的不断提高, 公民的拥车辆也在大幅的提高, 特别是杭州地区, 在2015年已经突破200万量。在行车中收听调频广播已经成为了有车族的行车习惯之一, 通过调频广播可以了解当前的新闻和实时路况等, 然而在隧道中, 由于隧道的封闭性, 隧道内往往无法接收到外部的无线信号, 隧道成为了调频广播的一个盲区, 特别是车流量较大的隧道, 一旦发生应急事故, 可能会造成重大的损失, 因此对隧道内调频广播的覆盖需求越来越迫切, 基于隧道调频广播覆盖的研究也逐渐增多, 然而大部分的研究主要集中于工程实施方案及解决手段方面, 缺乏理论及覆盖特性上的研究, 无法提供对工程建设进行理论和数据的支持;而且隧道调频广播覆盖工程远滞后于隧道的竣工, 这就要求隧道广播调频覆盖工程必须符合隧道管理方的要求, 充分利用隧道的资源, 尽可能不改变隧道的表面和内在的结构和布局。近些年来, 全国已有很多电台尝试在已建造的隧道中铺设漏缆进行调频广播信号的覆盖, 然而工程造价比较高昂, 主办方难以承受;因此越来越多的主办方采用投入成本较低的分布式小天线覆盖方式。为此, 本文对隧道调频广播分布式小天线的方式进行了理论分析和实验结果研究, 建立了隧道调频广播传播损耗的模型, 并结合新岭隧道的实际情况, 全面介绍利用分布式小天线实现新岭隧道广播信号隧道调频覆盖的技术方案及工作原理。
1 隧道调频广播覆盖CW测试
调频信号在隧道中的覆盖情况与隧道的长度、类型等因素有关, 长度在200米以下的隧道称为短隧道, 长度在200以上的隧道称为中长隧道。调频广播的频率 (88MHz~108MHz) , 对应的波长约为2.8m~3.4m。传统的四分之一波长单偶极子天线长度尺寸约为1.5m, 如果将此类天线应用于隧道中, 为了保持其在隧道内的电波极化方式, 需要将天线垂直或水平隧道壁放置, 这样会严重影响隧道内车辆的正常通行。基于上述原因, 需要对现有技术的调频广播天线进行改良设计, 减小其几何尺寸, 实现体积和长度小型化, 成为安装方便的全向型小天线, 用小天线同步接力组成的覆盖方式, 实现隧道中调频广播的覆盖, 这就是通过分布式小天线的方式实现调频信号在中长隧道中的覆盖。
隧道调频广播覆盖目前有分布式小天线覆盖和漏缆覆盖两种方式。漏缆覆盖的方式在理论上可以实现长度超过1000m的有效覆盖, 信号强度较为均匀, 但是建设成本高;分布式天线覆盖的方式建设成本低, 性价比高, 较为经济, 但覆盖信号强度不够均匀。综合建设成本等因素, 对城市周边隧道的广播覆盖可考虑漏缆方式;对农村周边地区高速公路隧道的广播覆盖, 可考虑采用分布式小天线的方式实现各种长度隧道的广播覆盖。
为了验证分布式小天线系统的覆盖效果, 我们在隧道中进行了CW (Continuous Wave) 模拟测试, 使用连续波作为信号源, 测试其传播损耗, 用来建立隧道内调频广播覆盖传输模型。
CW测试是利用正在建设尚未通车的一条三车道的隧道中段, 在隧道壁一侧, 安装天线, 架设调频广播设备, 发射设备采用调频广播直放站和标准单偶极子调频广播发射天线作信号源, 测试数据采集系统为车载复合型广播电视无线检测系统, 主要测试仪器由美国的广播电视无线综合测试仪和英国的鞭状无源调频接收天线组成。
其中调频广播直放站是在隧道广播调频覆盖传输过程中起到对射频信号功率增强的一种调频广播宽频功放, 在链路中将调频频段所需的多个频率的调频广播射频信号进行放大, 再由发射天线将宽频放大的调频广播信号发射到隧道中去。在本次CW测试中, 选择了调频频段89MHz和107MHz的高端和低端的2个频率, 10W和30W的单频发射功率, 在隧道中每隔发射天线50m~100m的距离作为测试点向外延伸, 测量至距离发射点600m处共10个测试点。具体测试结果如图1所示。
2 隧道调频广播传输模型
根据菲涅尔区域理论, 隧道可以看成是超大尺寸的非理想波导, 电磁波在隧道传输时, 分为近区和远区两个传输区域, 电磁波在近区主要表现为多模传播, 而在远区则表现为稳定的引导传播, 此时可将隧道看成是超大尺寸的非理想波导, 仅对于频率高于其截止频率的波才能够在其中传播。一般公路隧道为双洞结构, 同向有两车道或者三车道, 二车道单洞宽度约为9m, 三车道宽度约为13m, 隧道圆弧顶部高度约为7m, 隧道截面积最小约为50m2。因此一般对于二车道高速公路而言, 其截至频率为16MHz, 而对于三车道高速公路而言, 截至频率大约在11MHz, 而调频广播覆盖的频率范围为87MHz到108MHz。对于近区和远区, 两个传播区域的转折点可以通过如下公式确认:
在传播距离小于dNP的近区, 电磁波主要由多模传播, 此时, 与波在自由空间中的传播类似, 隧道内的调频无线信号主要经直射、反射、散射, 隧道墙壁对无线电波有一点的屏蔽、吸收和散射的作用, 可以用自由空间的传播模型累计算传输损耗:
而在大于dNP的远区, 电磁波主要由主模的形式传播, 此时可以采用波导传输模型来计算。
但考虑到隧道内车流占据了隧道截面有相当大的比例, 行进中的车流和隧道壁对无线电波有屏蔽、吸收和散射的作用等, 情况比较复杂, 因此, 电波在远区的传播衰落很快, 在实际中可以忽略不计, 不以考虑。根据ITU-R的建议, 传播模型可以等价成:
其中, 场强和功率的转换关系为:
为了建立理论模型, 我们分别对调频信号发射功率在10W和30W的条件下进行了测试, 并对测试获取的数据进行算数平均, 减少快衰落对数据点的影响, 进而对数据进行分析, 滤出异常点, 获得有效的与距离相关的采样点接受电平测试数据代入公式 (3) , 分别对n和A的值进行迭代计算, 直至最终获得满足要求的n和A。
经过校正后获得的10W的传输模型可以表示成:
从图2 (a) 可以看出, 测试值与校正后模型预测值的相关系数为0.982, 标准差为2.07 d B, 标准偏差符合校正的要求, 校正后模型预测值与测试值的吻合度较高, 因此该模型符合预测的要求。
经过校正后获得的30W的传输模型可以表示成:
从图2 (b) 可以看出, 测试值与校正后模型预测值的相关系数为0.991, 标准差为1.41 d B, 标准偏差符合校正的要求, 校正后模型预测值与测试值的吻合度较高, 因此该模型符合预测的要求。
3 隧道调频信号覆盖实例
本方案拟对杭金衢新岭隧道进行全程广播覆盖, 一期工程选择对浙江新闻、交通、旅游、音乐 (101.9MHz、93 MHz、104.5MHz和96.8 MHz) 等4个广播频道进行示范性工程试点。覆盖工程采用分布式小天线覆盖方案。
杭金衢新岭隧道位于诸暨次坞镇和直埠镇交界处, 在次坞出口以南3.6km, 是杭金衢高速隧道组成之一, 全长1413m, 属于双向双车道中长隧道, 新岭新隧道目前正在扩建, 在旧隧道两侧各建一条三车道的新隧道, 建成后组成双向十车道的隧道, 正在新建的隧道为我们建模计算和实验测试提供了不可多得的便利条件。对新岭隧道口覆盖测试可得, 隧道外调频信号已经较弱, 其场强在隧道的北口和南口均不到40d Bu V/m, 在隧道口向洞内20m处信号呈快速衰减, 已经不适合收听。
根据中华人民共和国广播电影电视行业标准《GY/T 196-2003调频广播覆盖网技术规定》, 调频广播在农村和城市的最低可用场强分别为54d BμV/m和66d BμV/m, 这里的场强指的是覆盖的空中场强, 即边缘场强, 隧道中的空中场强也应满足该标准要求, 而目前关于这个标准在很多研究中都出现了误读。实际上, 考虑到隧道通车后车流的影响, 即隧道内车辆高速移动过程中的多普勒频移、多径效应引起的快慢衰落 (一般设置为3d B) , 以及功率预留的设计余量 (一般设置为3d B) , 对边缘接收最低场强的要求更高;本方案拟用专门研制的调频小天线来替代天线仿真模型, 该小天线直径约为35cm, 天线高约为30cm, 安装便利, 符合隧道管理方要求, 经总局广播电视规划院计量检测中心检测, 相比于单极子天线有-5d B的增益, 因此, 我们对边缘场强的值设置为:
54 (农村最低可用场强) +3 (车辆通行衰落) +3 (设计余量) +5 (小天线增益余量) =65 (d BμV/m) 。
将其最低边缘场强的值代入传输模型公式 (5) 和 (6) 中可以获得10W和30W情况下小天线的最大有效覆盖半径分别约为330m和600m。
新岭隧道直放站发射功率共50W, 分配到4个频率, 每个频率约10W~12W。结合新岭隧道的实际情况和长度, 我们在隧道设置3段小天线, 设计小天线的有效覆盖半径250m, 天线间距约为500m, 以保证整个隧道能够覆盖调频广播信号。在隧道内, 调频信号的场强如同调频同步广播一样, 只要处理好同频、同相、同调制度, 保证交叠区最低可用场强, 就能解决调频信号交叠区的良好收听。新岭隧道调频信号覆盖方案框图如3所示, 利用左右隧道之间互通的维护安全通道, 设置了3个调频广播直放站, 每条隧道安装了3副小天线组成分布式天线;信号源取自架设在山顶的调频接收天线由光纤传输以保证信号质量。
经隧道广播工程验收测试, 隧道内信号分布基本均匀, 隧道内广播信号声音清晰饱满且连续, 可听度分值达4分, 且场强达到农村的调频广播的标准, 即54d BμV/m以上, 可听度和场强值均符合设计要求。
4 结束语
新岭隧道为中长型隧道, 考虑到其本身的特点和环境, 在隧道调频广播信号的覆盖方案中, 采用了分布式小天线的方式, 取得了较好的覆盖效果, 方案具有安装施工简便灵活, 成本较低, 易于实现等优点。目前, 浙江境内已完工或正在建设的杭金衢、甬台温、诸永等高速公路共58条隧道中, 采用分布式小天线的覆盖方案的达到了47条。因此本课题的研究也为分布式小天线的方式在中长型隧道中的使用积累了经验, 有效指导其他中长型隧道调频广播覆盖工程的建设;同时, 我们通过CW测试建立的隧道调频广播传播损耗的模型, 和实际结果吻合度较高。中长型隧道调频广播分布式小天线的覆盖方案也是浙江广电集团对隧道调频广播覆盖的一次探索, 对调频广播技术的发展有一定的参考价值。
参考文献
[1]董睿韬, 陈小波.高速公路隧道无线覆盖规划设计[J].移动通信2013, 第22期44-4.
[2]沈毅.调频同步广播系统设计及建设[J].广播与电视技术, 2011, 38 (5) :116-119.
[3]余晨辉.高速铁路隧道无线传播损耗模型校正[J].移动通信, 2007, 31 (12) :73-76.