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民航乌鲁木齐机场800MHz数字集群网第二基站规划分析

2017-03-24    刘进武

引言


新疆民航800MHz数字集群通信系统主要用于乌鲁木齐机场各驻场单位地面调度指挥,用户分布于新疆机场集团、南航新疆公司、新疆空管局、海航新疆公司、新疆民航航食公司、航油公司、天津航新疆公司、机场海关、检验检疫、国航和东航新疆办事处等单位,用户数约为1390。数字集群是上述单位进行飞行运输生产和日常工作不可或缺的通信手段,直接关系到乌鲁木齐机场的正常运转。随着乌鲁木齐机场旅客吞吐量由2008年底的581.7万人攀升至2016年底2000余万人,机场地面保障岗位和人员成倍增加,场区面积不断扩大,场内建筑不断增多。单基站的数字集群系统容量已不能满足话务量增长的需求,场内集群覆盖盲点逐渐增多,严峻的维稳形势对机场的专业移动通信提出了更高的要求,规划建设乌鲁木齐机场800MHz 数字集群网第二基站成为必然选择。本文从容量、覆盖等方面对第二基站规划进行分析,希望能对同行在基站规划、申请频点时提供些许参考。


一、集群网现状


(一)TETRA和室分系统


1、网络构成

乌鲁木齐机场场区东西长约4.5公里,南北宽约3公里多,场区面积不大但海拔高差30多米,机场东西远距导航台位于跑道延长线约5公里处。2009年9月启用的乌鲁木齐机场800MHz数字集群网由TETRA系统和室内分布系统两大部分构成。TETRA系统包括一部交换机及一个6载频的基站,频点间隔25kHz,基站BR(收发信机)额定发射功率25W,提供23个话音信道。室分系统自2008年9月开始建设,后不断完善直至2014年,形成了T3(3个远端机加1个干放)、T2(1个远端机)、海航基地(1个远端机)、东货运区(1个远端机)、新疆航食冷库(无源覆盖)共5个室分覆盖区域,如图1和图2所示。


图1   乌鲁木齐机场800MHz数字集群网络图



图2  乌鲁木齐机场800MHz数字集群网第一基站和室分远端机实际分布图


2、覆盖现状分析


图3  乌鲁木齐机场通信铁塔顶端数字集群天线实图


依据移动通信特高频电磁波传播理论,天线高度增加一倍,发射功率可降低一半,国内北上广等大型机场数字集群第一基站均设在百米高的塔台顶端,而乌鲁木齐机场上世纪90年代建成的塔台只有30米高,因此,数字集群第一基站天线安装于通信枢纽楼旁35米高铁塔顶层平台,尽管该平台是场区最高点,但与场区海拔高差相等,如图2、图3所示。虽经几年努力,场区内室内盲区基本消除,但随着场内建筑物不断增多,电磁环境持续恶化。近年来,跑道西除冰坪、T3北指廊14号廊桥下出现盲点,用户不断反映800M用户机在上述盲点内有脱网现象,影响到了机场保障车辆驾驶员与塔台管制员间的联络。


(二)通话组


新疆民航800MHz数字集群网63个通话组如下:


(1)公共(通播)--- 3组

应急、警戒、联检


(2)空管(通播 )---8组

空管、区调、站调、气象、塔台、网络1-2、技保、集群


(3)南航新疆公司(通播 )---15组

机务(通播)、机务1-4、地服(通播)、地服1-4

其它: 货运1-2、飞行、客舱、运行指挥、信息工程、营运


(4)机场集团(通播)---21组

机场地服1-4 、机场货运1-4、机场贵宾1-2、机场现场、机场机务、机场机保、机场网信、机场候管、机场安检、机场消防、机场公安、机场急救


(5)海航新疆公司(通播 )、东航、国航、天津航---7组

海航1-3 、东航、国航、天津航1-2


(6) 航油公司(通播)---3组

航油1-3


(7) 航食公司(通播)---4组

航食1-4


(8) 海关、检验检疫 ---2组


第二基站建成运行后为实现扩容目的,计划根据用户工作场所分布,将用户分别设置为根据场强自选基站、倾向基站二种方式进行通信。由图6可见,由于T3航站楼为南航新疆分公司专用,南航新疆分公司地服和海航新疆分公司大部分用户和通话组、机场集团小部分用户和通话组将在第二基站下通信,由第一基站分流出约1/3用户。


二、扩容与备份


(一)扩容


1、话务量理论值计算

民航数字集群通信具有明显的行业特点,一是在机场飞行运输正常情况下,峰值话务量出现在进出港航班集中时段;二是淡旺季话务量差别较大;三是出现异常情况,如大雾、大雪后,随着机场开放,起降航班量激增导致话务量急剧上升。四是出现紧急救援状况后话务量暴增,历史上乌鲁木齐机场出现过两次,分别为1993年和2004年。


A=X * a;X为用户数量, a:单个用户话务量


因民航集群通信呼损率直接关系旅客生命安全,以呼损率3%,a取0.012Erl,根据爱尔兰B表,可得:


X=A/a=16.7/0.012=1392个


由此可见,即使按理论值计算,乌鲁木齐机场数字集群网用户已处于饱和状况。目前,由于系统饱和,各生产单位根据业务变动情况申请继续细分通话组均无法批准。


2、话务量实际值计算


图4  乌鲁木齐机场800MHz数字集群系统在平常一天网管终端上间隔一小时话务量统计数据截屏


图4是从系统网管终端上下载的实际话务量,乌鲁木齐机场平常的日组呼为40000次左右,私密呼为1200次,电话呼受限后用户基本不用。一小时峰值组呼2500次,私密呼100次。系统设定私密呼30秒,故呼叫时长取平均值20秒。


即实际单用户话务量:a= λ * s= 3 *20/3600=0.017Erl


则用户仅能容纳:X=A/a=16.7/0.017=982.4个


λ:为乌鲁木齐机场800MHz数字集群系统用户一日平均呼叫次数


S:呼叫时长。取20S也符合从网管终端观察到的实情。


当机场遇大雪、大雾、大风天气,或突发事件发生,则话务量将出现爆发式增长,集群站曾观察到非正常一日50000次组呼,小时峰值4000次。


图5更为直观的显示出航班较为集中时段系统信道的繁忙程度。


图5   乌鲁木齐机场800MHz数字集群系统在进出港

航班集中放行时网管终端信道活动情况截屏


(二)备份


民航局空管局严格规定,通信导航监视设备均应该按“一主二备三应急”配置。乌鲁木齐机场800M数字集群系统自2009年运行至今存在的最大风险是单基站运行。尽管基站设备具备关键部件冗余,但天馈系统及基站双工器无冗余,当这两部分故障,系统即无法正常工作。2006年12月模拟集群系统就曾发生过因接收天线馈头受潮导致基站接收灵敏度下降,机场运行受到严重影响。


民航数字集群通信中直接关系到每位旅客生命安全的通话是空管局塔台管制员指挥机场除冰雪车、跑道巡视车、场道维护车在飞机起降间隙进出跑道。


双基站可实现互为备份,当第一基站和交换机都瘫痪时,依靠单站集群模式,第二基站配置4对频点即可在重要区域优先保证重要的业务通话组呼连续进行。


三、站址选择及频点


(一)站址选择


如图6所示,第二基站将建在空管业务楼5楼机房,天线设计高度为25米,两站相距1.5公里。第二基站可增强西北面覆盖,包括T3机坪、西除冰坪、海航基地场强,东南面可大幅度提高机场住宅区场强。


图6  乌鲁木齐机场800MHz数字集群系统第一、第二基站地理位置示意图


(二)频点


第二基站规划为4载频,根据2014年第一基站改频的经验,频点间隔要求为:4载频基站内部,最小频率间隔为250kHz,频率间隔不够可增加双工器,以避免射频在输出端互相干扰导致的输出功率偏低问题。相邻基站频率间隔为50kHz。


四、第二基站覆盖预测模型


(一)无线覆盖预测公式


在无线覆盖计算方法中,有两种不同类型的算法:“精确的”和“统计的”。“精确”方法采用实际传播途径的几何形状和理论计算方法,这种方法需要极度详细的地形信息(高度测量等)数据库,以及大量的计算。“统计”方法则基于实际的测量,而非理论计算,其中的一些算法包含一些半理论化的校正因子,用来体现实际路径的几何形状。在实际应用中需要两者结合起来使用才能得到较为精确的结果。


针对空间波(150~1500MHz范围)覆盖的计算中,采用的是Okumura-Hata模型算法。Okumura模型属于“统计”类计算方法,Okumura-Hata模型是根据Okumura曲线图所作的经验公式,它以市区传播损耗为标准,在其它地区以此基础进行修正,其空间路径损耗中值标准公式为:


Lm (市区) (dB) = 69.55 + 26.16log fc –13.82log ht – a ( hr ) + ( 44.9 – 6.55log ht )log d


Lm:收发天线之间的空间路径损耗中值


ht:基站发射天线高度,有效高度30~300m


hr:移动台接收天线高度,有效高度1~10m


d:收发天线距离,即基站覆盖半径


a( hr ):移动台天线修正因子


对中小城市,修正因子为:a( hr ) = ( 1.1log fc-0.7 ) hr – ( 1.56log fc – 0.8 ) dB


对于郊区的覆盖损耗,标准的Okumura-Hata模型公式修正为:

Lm(郊区) (dB) =Lm (市区) - 2 [ log( fc / 28 ) ]2 - 5.4


对于平原开阔地区的覆盖损耗,标准的Okumura-Hata模型公式修正为:

Lm (平原) (dB) = Lm (市区) - 4.78 log (fc)2 + 18.33log fc- 40.98


由实际应用可知,在d(基站覆盖半径)超过1km的情况下,Okumura-Hata模型的预测计算结果与原始Okumura模型统计结果非常接近,适用于大区制移动通信系统覆盖预测。


(二)基站无线覆盖小区设计方程


基站的无线覆盖设计就是在一定通信质量要求下,使系统增益与系统损耗之间保持平衡。因此,覆盖设计方程可表示如下:


SM=SG-SL


式中:SM为系统余量(dB),为了保证在设计的覆盖范围内达到一定的覆盖比例(如95%覆盖率),需要预留一定的系统余量作为保护储备冗余值;


SG为系统增益(dB);


SL为系统损耗(dB)。


系统增益为系统总增益,计算式如下:

SG=Pt+Gt+Gr-Pmin


式中:Pt为发信机输出功率(dBm);


Gt为发信天线增益(dB);


Gr为接收天线增益(dB);


Pmin为最低接收保护功率,即设备接收灵敏度(dBm)。


系统损耗为系统总损耗,计算式如下:


SL=Lm+K+Lt+Lr


式中:  Lm为空间中值路径损耗(dB)(具体情况前面已述);


K为各种校正因子总和(dB)(如人体损耗、环境衰落余量等);


Lt为发信端附加损耗(dB)(包括馈线、外接合路器及匹配损耗等);


Lr为接收端附加损耗(dB)(包括馈线、外接分路器及匹配损耗等)。


在计算基站小区覆盖半径(即收发天线距离)时,需要考虑覆盖链路平衡情况,即要求基站上行覆盖(移动台至基站)和下行覆盖(基站至移动台)相互一致(这样才能达到覆盖的实际有效性),在计算中需要考虑基站和移动台实际的参数,诸如:天线高度和增益,人体、室内和天馈损耗、发射功率、接收灵敏度等。


(三)TETRA基站小区覆盖链路平衡估算


1、链路预算条件

a)基站:

● TETRA基站发射功率(经合路器):25 W/44dBm


● TETRA基站(MTS)静态/动态接收灵敏度:-120/-113.5dBm


● 基站接收分集增益:3 dB(二分集) 或5dB(三分集)


● 基站天线增益:9 dBd(全向)


● 基站天馈损耗:3 dB(包括馈线、跳线、避雷器等)


b) 移动台终端:


● 手持台终端发射功率:1 W


● 车载台终端发射功率:3 W


● 终端静态/动态接收灵敏度:-112/-103dBm


● 终端天线增益:0 dBd(手持台)、3 dBd(车载台)


● 车载台终端天馈损耗:1 dB


● 手持台终端人体损耗:6 dB


● 终端室外覆盖衰落余量(中型城市环境因素):3dB


c) 系统余量:9 dB(满足室外95%覆盖率的衰落储备冗余值)


2、乌鲁木齐机场无线覆盖链路估算及空间路径损耗

因为所需估算的覆盖区域为平原开阔地区(town),故采用前述Okumura-Hata模型的平原开阔地区公式进行估算。


在具体估算前,先假定以下条件:


● 基站天线高度25米


● 发射功率:基站25 W、手持台1 W、车载台3 W


● 手持台天线高度:1.5米


● 车载台天线高度:3米


● 中心频率800 MHz


● 话音质量3级


● 户外条件


计算结果如下:


表2:乌鲁木齐机场第二基站覆盖距离预测



车台半径(公里)

手台半径(公里)

下行

17

10

上行

16

9.5


根据以上理论预测可见,在开阔地形条件下达到通信概率95%,话音质量三级时,手台户外覆盖半径可达10公里,车台户外覆盖半径可达17公里,符合机场覆盖达到跑道延长线8公里的要求。由于无线信号传播是个比较复杂的问题,影响无线信号覆盖效果的因素很多,比如地形条件、天线高度、天线选型、周围电磁环境等等。因此实际覆盖效果可能会与理论预测有偏差。如果存在盲区,投标方将积极配合客户对实际覆盖效果进行分析,并提供进一步优化解决方案。


图7为理论预测的场强分布分级覆盖面积说明:


图7    乌鲁木齐机场800MHz数字集群通信系统第二基站覆盖场强分布等级及覆盖面积示意图


五、结语


以上从必要性、站址、覆盖等方面对民航乌鲁木齐机场800MHz数字集群通信网第二基站进行了规划分析,这些材料也是向自治区无委申请频点时必须提供的,缺一不可。随着此项目的实施,TETRA数字集群网必将为乌鲁木齐机场的飞行运输生产和北扩工程提供更加优异的通信保障。


作者:刘进武

作者单位:民航新疆空管局通信网络中心

作者地址:新疆乌鲁木齐市新市区迎宾路1341号


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