浅谈区域内数字常规系统覆盖研究
1. 概述
随着现代科技的不断发展，无线通信系统已成为社会安保力量的重要组成部分。TETRA数字集群系统的建立，增强了无线对讲系统性能，但其系统建设费用较高，不适合小范围区域内使用。
数字常规系统，可以实现额定区域内无线通信，弥补了模拟常规系统数据传输能力差、保密性不强、频率利用率低下等问题，同时无需庞大的建设费用，适用于额定区域内使用。
目前数字常规系统，遵从DMR（Digital Mobile Radio）标准或者PDT（Police Digital Trunking）标准。DMR是欧洲电信标准协会2004提出的数字集群通信标准[1]，PDT是中国科技信息化局在2010年提出的新一代警用数字集群标准[2]。这两种标准都采用双时隙TDMA技术，信道带宽为12.5kHz，将信道分为两个交替时隙，从而在12.5kHz的物理信道内建立两个逻辑信道[3]。每个呼叫使用一个逻辑信道，发射电台在自己的时隙内发送信息，另一时隙内处于空闲状态。接收电台可实现对两个时隙都进行监听，并依据每个时隙所包含的信令信息接收呼叫，比传统模拟常规系统提高了频率使用率，如下图(1)-(2)所示。
图（1） 模拟常规信道 图（2） 数字常规信道
2. 数字常规系统覆盖规划
数字常规系统适合在区域内规划使用，可以按照所需覆盖范围大小，采用单
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站模式或多基站IP互联模式，使信号覆盖区域符合实际需求。本文从理论分析与实际测试两方面对数字常规系统覆盖范围进行研究。
2.1理论覆盖分析
数字常规系统可应用于额定区域内无线通信，从而加强区域内安保措施，为研究系统覆盖情况，以上海市区作为试验范围，从Okumura－Hata模型预测数字常规系统覆盖范围。
Okumura-Hata 模型是基于大量实验数据拟合得出的经验模型，广泛应用于大区制和蜂窝小区的无线覆盖设计。在150～1500兆频率范围内，Okumura－Hata模型市区传播路径损耗基准公式为[4][5]:
Lm (市区) (dB) = 69.55 + 26.16log(fc) – 13.82log(ht) – a ( hr ) + [ 44.9 – 6.55log(ht) ]log(d) （1） fc 是工作频率, ht 为基站天线高度, hr 为电台天线高度, d是通信传输距离, a ( hr ) 是有效移动天线修正因子, 是覆盖区大小的函数。对于上海市区, 移动天线修正因子a ( hr )为：
a(hr) = 8.29[log(1.54hr)] 2– 1.1 fc≤300M Hz (2) a(hr) = 3.2[log(11.75hr)] 2– 4.97 fc >300M Hz (3) 收发天线的空间路径损耗中值Lmˊ为：
Lmˊ=（ Pt+Gt+Gr-Pmin）–SM–（K+Lt+Lr） (4)
当路径损耗和系统增益匹配，收发天线的空间路径损耗中值Lmˊ与传播路径损耗值Lm（市区）相等，即：
Lm (市区)= Lmˊ=（ Pt+Gt+Gr-Pmin）–SM–（K+Lt+Lr） (5) Pt 为发信机输出功率，Gt 为发信天线增益，Gr 为接收天线增益，Pmin 为最低接收功率，SM 为系统余量，K 为天线绕射损耗，Lt 为发信端附加损耗，Lr 为接收端附加损耗。针对上海市区环境，以电台上行为例，设定基站天线增益为6dB，基站天馈损耗1.5dB，天线绕射损耗10dB，电台发射功率36dBm，电台天线增益0dB，电台天线高度1.5米，电台天馈损耗0dB，基站最低接收灵敏度-110dBm，系统余量12dB，常规试验网使用频段为150M Hz，若基站天线高度为120米，将参数代入(1)-(5)式可得电台信息上行距离为：
d≈9.6 (km) (6)
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若基站天线高度为60米，则电台信息上行距离为：
d≈6.3(km) (7) 下行传输模式与上行类似，只是基站作为发信端，传输范围比上行传输更大。
2.2实际覆盖测试
为了实际测试数字常规系统效果，在上海真如、曹家渡、桃浦地区分别建立了三个试验基站，用以对数字常规系统进行评估与测试。现以三基站测试数据来验证数字常规系统实际覆盖效果。
真如基站天线高度为125米，基站发射功率为40W，对基站三个方向路测数据如下表所示：
表1 真如基站路测场强表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 说明 测试地点 车辆路线方位 离基站距离(公里) 上行场强 手台 通话质量 下行场强 通话质量 真南路李子园 真南路武威路 桃浦七村 沪宜公路11号线 沈海高速沪宜公路 内环高架中谭路 内环高架南北高架 虹口体育场 共青森林公园 中环高架浦东北路 内环高架长宁路 内环高架虹桥路 虹许路吴中路 中环高架钦州南路 西北 西北 西北 西北 西北 东 东 东 东 东 南 南 南 南 3km 5km 7km 12km 23km 3km 5km 8km 15km 18km 3km 5km 7km 10km -87 -90 -96 -107 / -79 -95 -97 / / -97 / -85 / 5 5 5 4 / 5 5 4 / / 5 / 5 / -70 -75 -80 -90 -100 -62 -75 -82 -96 -98 -73 -80 -85 -83 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 语音评分标准：5：清晰，无噪声 4：清晰，略有杂声 3：能听清，有噪声2：无法听清需对方重复 /：无法收到
曹家渡基站天线高度为122米，基站发射功率为40W，对基站三个方向路测数据如下表所示：
表2 曹家渡基站路测场强表
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序号 测试地点 车辆路线方位 距基站距离(公里) 上行场强 通话质量 手台 下行场强 通话质量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 说明 长寿路常德路 玉佛寺 芷江路沪太路 新村路沪太路 中山公园 大渡河路云岭东路 农工商118店 真如新村 大渡河路桃浦路 清涧新村 无法收到 东北 东北 东北 东北 西 西 西 西北 西北 西北 1.5km 2.1km 3.7km 4.4km 1.6km 3.1km 4.6km 3km 4.4km 5.2km -72 -84 -86 -101 -66 -85 -90 -99 -91 -97 5 5 3 5 5 5 5 5 5 5 -62 -65 -76 -81 -51 -74 -76 -84 -87 -87 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 语音评分标准：5：清晰，无噪声 4：清晰，略有杂声 3：能听清，有噪声2：无法听清需对方重复 1：桃浦基站天线高度为57米，基站发射功率为40W，对基站三个方向路测数据如下表所示：
表3 桃浦基站路测场强表 序号 测试地点 车辆路线方位 距基站距离(公里) 上行场强 手台 通话质量 下行场强 通话质量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 说明 阳光威尼斯 祁连山路梅川路 丰庄 农工商118店 南大路 园光路 真南路沪宜公路 中环祥和星语 真华路新村路 甘泉新村 无法收到 南 南 南 南 西 西 西 东 东 东 1.2km 2.6km 3km 4.4km 2.6km 4.5km 5.8km 2.3km 3.2km 5.0km -62 -88 -100 -96 -91 -98 -110 -96 -93 -99 5 5 5 5 5 3 1 5 5 4 -44 -71 -85 -76 -76 -77 -86 -68 -69 -86 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 语音评分标准：5：清晰，无噪声 4：清晰，略有杂声 3：能听清，有噪声2：无法听清需对方重复 1：从测试数据可看出，基站覆盖范围与Okumura－Hata模型基本相符，但鉴于实际地形与楼面密集程度不同，信号覆盖呈不规则分布，楼宇密集处信号较弱。具体理论覆盖图与测试信号图如下所示。
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图(3) 理论上行信号覆盖图
注：黑色边线为普陀行政区域。红色圈代表桃浦基站理论上行覆盖区域，黄色圈代表真如基站理论上行覆盖区域，绿色圈代表曹家渡基站理论上行覆盖区域
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图(4) 实测上行信号覆盖图
3 数字常规系统覆盖应用
数字常规系统在实际使用上可分为单站和多基站IP互联两种使用模式。两种模式都具有组呼、全呼、个呼、紧急呼叫等语音业务和GPS服务、短信服务等数据业务，通过不同的组网方式，实现覆盖范围内的无线通信功能。
3.1 单站模式覆盖应用
在单站模式下，基站使用一对频率实现单基站覆盖范围内的无线覆盖。在单基站区域内，电台可以互相通信，但无法实现跨基站漫游，无法登陆到注册基站外的其他基站中，如图(5)所示。该使用方式适用于区域范围较小的场所，如小型工业园区、社区等，单一基站即可覆盖使用的区域。
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图（5） 单站网络图
3.2 多基站IP互联覆盖应用
多基站IP网络互联模式下，基站通过基于IP互联网实现分散地点之间的语音、数据和控制包交换，如图(6)所示。
图（6）多基站IP互联网络图
通过IP互联方式，把不同基站通过IP网络进行连接，扩大信号覆盖范围，实现跨区域互联和电台的跨基站漫游，适合于大型工业园区、社区之中。当信号
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达到所设阈值以下，电台自动搜索所在地区的其他基站信号，若有较强的信号，则自动漫游到该基站上。这种连接多个分散基站的使用方式，可以构建一个大而有效的射频覆盖范围，将不同射频波段的基站连接起来，可以解决地形（距离或地形干扰问题）或跨建筑物射频穿透等问题。
无论单站模式还是IP互联模式，都可实现语音和数据业务功能。单站模式覆盖范围较小，根据地形与基站功率，上行覆盖一般为6—9公里。IP互联模式，电台可以实现基站之间漫游，扩大了信号覆盖范围。在本次测试试验中，采用IP互联方式，将三个基站通过网络连接，基本实现了普陀地区信号覆盖，如实测上行信号覆盖图(4)所示。
4. 基站覆盖分析
数字常规系统可以满足覆盖区域内的无线通信需求，从测试数据看出，基站覆盖范围与Okumura－Hata模型基本相符，但鉴于实际地形与楼面密集程度不同，信号覆盖呈不规则分布，楼宇密集处覆盖较弱。为了能在实际应用中有更好的覆盖范围，在不加大基站功率前提下，可对基站地址进一步规划，尽量使基站天线架设于高楼上，扩大覆盖范围。
对于单个基站无法覆盖的地区，可以采用多基站IP互联模式，扩大信号覆盖范围。
5 结论
数字常规系统可实现区域内无线通信，常用于工业园区、大型社区、楼宇内部等地方，提高了区域内安保力量，同时也能作为警用TETRA系统的备用，在出现大面积停电导致数字集群系统无法正常使用情况下，能够在第一时间启用并投入实战。
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