泄漏电缆分布系统的设计和应用

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泄漏电缆分布系统的设计和应用

  
作　者：  罗勇 冀书琪  

    泄漏电缆集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受限的区域。链路预算是泄漏电缆分布系统设计中非常重要的一项工作，本文通过一个采用泄漏电缆进行地铁隧道覆盖的实例，介绍泄漏电缆分布系统链路预算的一般方法，并对泄漏电缆分布系统采用的放大器进行详细设计。



一、泄漏电缆简介

    泄漏同轴电缆（Leaky Coaxial Cable）通常又简称为泄漏电缆或漏泄电缆，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。

    目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHz-2GHz以上，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的地铁、铁路隧道和公路隧道等。在国外，泄漏电缆也用于室内覆盖。

    与传统的天馈系统相比，泄漏电缆天馈系统具有以下优点：

    ※  信号覆盖均匀，尤其适合隧道等狭小空间；

    ※  泄漏电缆本质上是宽频带系统，某些型号的泄漏电缆可同时用于CDMA800、GSM900、GSM1800、    WCDMA、WLAN等系统；

    ※  泄漏电缆价格虽然较贵，但当多系统同时引入隧道时可降低总体造价。



二、泄漏电缆链路的预算

    链路预算的主要目的是校核初步设计的泄露电缆分布系统能否满足正常的通信要求，包括上下行接收强度的预算。如果系统中有射频放大器或采用无线直放站作为信号源，还应该进行上行噪声预算和下行交调预算。

    下面以某地铁隧道覆盖为例，介绍链路预算的基本步骤和方法。

    图1为该地铁站泄漏电缆分布的示意图，A向隧道长度为1500m，B向长度为500m。信号源为宏基站，载频数为4，每载频发射功率为46dBm，采用功分器将信号分为A、B两个方向，同时在B向通过功分器连接天线以覆盖地铁站台。系统覆盖要求为：90%的车内覆盖电平达到-85dBm。采用耦合型泄漏电缆，该电缆标称衰减为5.1dB/100m，50%的耦合损耗为72dB，在保证90%的覆盖概率时耦合损耗增加9dB，即90%的耦合损耗为72+9＝81dB。

图1  某地铁站泄漏电缆分布系统示意图

    在进行链路预算时，常用的方法是找出链路最长、信号损耗最大的一条泄漏电缆路由进行上下行链路预算。考虑到泄漏电缆为宽带系统，可能需要对每种通信体制分别进行链路预算，一般选择发射功率小或频率较高的通信体制进行链路预算。在本例，我们选择A向链路进行链路预算，表1为A向链路上下行强度预算的结果。

表1  A向链路上下行强度预算结果



    不难看出，上下行链路指标均不满足设计要求，需要对该段分布系统进行重新规划。具体可考虑修改泄漏电缆路由设计、链路加装放大器、选用更大直径和更高性能的辐射型泄漏电缆、修改系统结构、运用光纤分布式系统等方法。

    下面采用添加放大器的方法来对该段泄漏电缆分布系统进行重新设计。



三、泄漏电缆分布系统放大器的设计

1、GSM信号源与第一个放大器之间的电缆长度的确定

    第一个放大器的位置应该在辐射信号刚好是-85dBm的地方。

    -85dBm＝46dBm-8-3-2-6-LossCoup-LossLong

    其中：LossCoup为泄漏电缆的耦合损耗，本例取值81dB；

    LossLong为泄漏电缆纵向衰减。

    信号源和第一个放大器之间允许的最大纵向衰减为：

    LossLong＝46+85-8-2-3-6-81＝31dB。

    泄漏电缆的纵向衰减为5.1dB/100m，第一放大器与GSM信号源之间的电缆长度为：

    31/5.1×100＝608m。

2、放大器增益的确定

    放大器的增益等于放大器的单载频最大允许输出功率与放大器输入功率之差。放大器单载频的最大允许输出功率与放大器输出功率1dB压缩点以及被放大的载频数量直接相关。图1为放大器1dB压缩点、放大的载频数和最大单载频输出功率之间的关系。本系统采用Andrew 1216GSM放大器，下行1dB压缩点为27dBm、放大载频数为4，查图2可知单载频最大输出功率为18dBm。

    放大器增益＝单载频最大允许输出功率-放大器输入功率

          ＝单载频最大允许输出功率-（最小可接受信号电平+耦合损耗+列车穿透损耗）

          ＝18-（-85+81+6）＝16dB。



图2  1dB压缩点、单载频最大输出功率与载频数之间关系

3、放大器之间泄漏电缆长度的确定

    两个放大器之间的泄漏电缆纵向衰减应该等于放大器增益才能保证两个放大器之间的隧道覆盖，故放大器之间的泄漏电缆长度为：

    ΔL=放大器增益/泄漏电缆纵向衰减＝16/5.1×100＝315m。

4、需要的放大器数量的确定

    放大器数量＝（（隧道长度-馈源到第一个放大器之间的距离）/放大器之间的距离）的天棚整数值。

    例如，隧道长度为1500m，放大器之间的泄缆长度为315m，馈源距第一个放大器之间的距离为608m，则需要（1500-608）/315=2.83的天棚整数值，即三个放大器，两放大器之间的实际距离为（1500-608）/3＝297m。



四、上行链路C/N的设计

    由于泄漏电缆耦合损耗较大，手机信号在经过泄漏电缆耦合损耗后，再经过放大器后，单载频输出功率较小，上行功率较小，因此必须考虑放大器噪声对系统性能的影响。放大器噪声对系统性能的影响可用噪声系数来衡量，级联放大器的噪声系数可用以下公式计算：

    SNFsys=10lg[F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+……]

其中：    Fn=lg-1(SNFn/10);

    SNFn为各级放大器噪声系数；

    Gn为前级链路的总增益，包括放大器增益和泄漏电缆纵向衰减。

    正如前面设计，在泄漏电缆分布式系统中，每个放大器的增益都近似等于前段泄漏电缆的纵向衰减损耗。因此Gn=0dB，如果放大器的噪声系数相等，则上面公式可简化为：

    SNFsys=10lg[nF1-(n-1)]

    其中：n是放大器的级联级数。

    Andrew 1216GSM放大器上行噪声系数为8、级联级数为3，系统的总上行噪声系数为：

    SNFsys=10lg[3F1-(n-1)]=12.3dB。

    噪声系数降低了基站的接收灵敏度，系统的灵敏度为：-104+12.3＝-91.7dBm。

    GSM900手机的发射功率2W（33dBm），经过列车穿透损耗、耦合损耗和泄漏电缆衰减后，到达放大器输入口的功率为：

    33-81-6-297/100×5.1＝-69.15dBm＞-91.7dBm，上行载噪比满足通信要求。



五、下行链路C/I的预算

    在放大器载频数较多或联级数过多的情况下，下行交调产物往往会严重恶化系统的C/I，进而影响到系统性能。在满足系统所需要的载频数和放大器级联级数的条件下，要达到系统C/I的要求，放大器的互调性能就必须达到一定的要求。

    放大器级联系统的C/I值可以用下式表示：

    C/Isys=C/I2-Tone-C/IDegr

    其中：C/Isys为放大器级联分布式系统的C/I；

                C/I2-Tone为单放大器放大两个载频时的C/I；

                C/IDegr为放大器级联和放大载频数增加对C/I的恶化量；

                C/I2-Tone为单个放大器产生的交调量，它主要取决于放大器的IP3，即放大器的三阶互调截点。

    图3是C/IDegr与放大器级联和放大载频数的关系，图4是C/I2-Tone和放大器的IP3之间的关系。

    前面设计的泄漏电缆分布系统有三个放大器，放大的载频数为4，根据图表可以得到由于载频数和放大器级联级数增加引起的C/I恶化值，即C/IDegr等于20dB。

    如果系统要求的C/I，即C/Isys=12dBm，则允许单个放大器引起的C/I 恶化量为：

    C/I2-Tone＝C/Isys+ C/IDegr＝12+20＝32dB。

    由C/I2-Tone和放大器IP3之间的关系图可以得到需要的单个放大器的最小的IP3为33dBm。Andrew 1216GSM放大器下行三阶截点为35dB，满足下行设计要求。



图3  放大器级联级数、载频数与C/I关系



图4  放大器IP3



参考文献

【1】Dennis J. Burt, In Building Tricks―How to Design an In-Building Radio System, June 1994 Communications

【2】Bob Swinney, Filling nulls in PCS systems, Apr 1, 2000 Mobile Radio Technology