地铁移动通信系统切换设计思考

摘　要　结合广州地铁1、2号线工程经验,对地铁移动通信系统的各种条件下的切换方案设计进行探讨,包括隧道间小区切换、换乘站的上下层切换、站内和站外切换、隧道和地面切换等。

关键词　地铁　移动通信　切换　基站

为了实现地铁移动通信信号的覆盖,必须在地铁内部建立专门的无线信号覆盖系统,由于存在多个基站来实现对地铁的信号覆盖,同时,移动用户经常是在移动的列车中或地铁出入口通信,因此,必然存在切换 问题 ,下面结合广州地铁1、2号线的工程经验,对地铁移动通信系统切换方案设计进行探讨。
1 切换的概念
切换是指在蜂窝系统中,移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程。这种切换操作过程不仅要识别新基站,还要将话音和信令信号分派到新基站的信道上。在小区内分配空闲信道时,用户的切换请求优于用户初始呼叫请求。切换是在不被用户察觉的情况下实现这个过程的,且一旦切换完成,移动台不应立即再切换。切换发生的门限值是在系统安装时进行初调的,且初始参数设置取决于系统性能要求,不能随意改变。切换的目的就是维持高质量的信号质量、平衡小区之间的业务量及恢复出现故障的控制信道,切换主要有以下三种形式。
1)信号质量切换
当基站接收到的移动台信号电平低于预分配门限值时就开始进行切换过程,服务基站通知移动业务交换中心(msc),请求邻近所有其他小区,以便确定可最佳接收移动台信号的某小区,然后就把新的信道号通知给服务基站,以便移动台进行切换。
2)业务量平衡切换
本切换方式主要是为了平衡不同小区之间的负荷,以使每个小区不会出现过载现象。当相邻小区间重叠范围很大时,负载平衡是最有效的,这种平衡的实现可用“引导切换”技术来完成。
3)控制信道出现故障切换
在控制信道出现故障,此时可用一个话音信道作为备份控制信道。该特性设计的系统在控制信道出现故障时,如果移动台正在使用原指定的备份控制信道通话,则此时要求移动台切换到另一个话音信道工作,由故障引起切换的主要目的就是将此信道释放话音业务而准备控制信道。
切换的种类主要有小区内切换、基站控制器(bsc)内切换、移动交换中心(msc)内切换、移动交换中心(msc)间切换、 网络 间切换等。
在数字蜂窝系统中,是否切换是由移动台来辅助完成的。在移动台辅助切换中,每个移动台监测根据周围基站发出的信号进行无线测量,包括测量功率、距离和话音质量,这三个指标决定切换的门限。无线测量结果通过信令信道报告给基站子系统中的基站收发信台,经过预处理后传送给基站控制器,基站控制器对综合功率、距离和话音质量进行 计算 且与切换门限值进行比较,然后再决定是否进行切换。
数字蜂窝系统中的切换有时也称为硬切换。但在cdma蜂窝系统中,由于不用按信道化的无线系统那样在切换期间分配一个不同的无线信道,扩频通信用户在每个小区里都共享相同的信道。因此,切换并不意味着所分配信道上的物理改变,而是由不同的基站来处理无线通信任务。通过同时估算多个相邻基站接收到的同一个用户的信号,msc能够及时判断出任何时刻用户信号的最佳情况。
从不同基站接收到的瞬时信号中进行选择的处理称为软处理。软切换与硬切换的差别在于:硬切换需要先中断与原基站的联系,再在一指定时间内与新基站取得联系;而软切换就是当移动台需要与一个新基站通信时,并不需要先中断与原基站的联系。软切换只能在相同频率的cdma信道间进行。
2 地铁移动通信切换方案考虑
地铁站内的切换形式一般是信号质量切换,多数为msc内切换,其类型主要有隧道间小区切换、换乘站上下层切换、站内和站外切换、隧道和地面切换等。
2·1 隧道间小区切换
地铁内移动通信系统与地面移动通信系统之间的最大区别是全部在地下,而且大部分在隧道里面。这样一来,在隧道里面,在运行的车辆上保证越区切换的顺利进行就成了一个重要问题。
由于地铁隧道区间是链状覆盖网,一般基站(bts)频率复用都采用隔站复用,因此列车行进方向的切换(本小区与邻小区)位于区间中部,而此时列车的车速也达到最高,同时列车又是金属外壳,这些都给切换带来了困难。由于隧道是地下一个封闭的圆柱形空间,隧道效应使高频信号衰减很快,为了保证隧道内的信号均匀分布,隧道内都使用漏泄同轴电缆(lcx)。
为了保证移动通信可通率大于等于98%,保证切换顺利进行的一个有效手段就是正确设计场强的覆盖,或者说,在系统场强覆盖设计时着重从以下两个方面考虑选用系统及设备的参数。
(1)在漏泄电缆场强覆盖区段,为满足无线通信覆盖可通率大于等于98%的系统要求,首先应正确选用漏泄电缆的95%接收概率的耦合损耗值(因为厂家提供的产品指标只有95%接收概率的耦合损耗值),该值与漏泄电缆lcx型号及频段有关(50%接收概率耦合损耗值与95%接收概率耦合损耗值相差3~14db),然后再加一定的余量(对应于可通率98%,系统场强余量应再增加1.4db)。具体计算如下[1]:

式中,p{x≥pmin}为接收信号大于接收机输入端要求的最低保护功率电平pmin的通信概率,md为通信概率为98%时接收机输入端要求的中值信号电平,σ为位置分布和时间分布的标准偏差[2]。由式(1)可得

　pmin+2.05×7.5=pmin+15.4db
其中,σ为7.5db(900mhz城市、混合路径标准偏差)。

由此可见,为满足98%的时间、地点通信概率,系统余量,应在50%的概率上增加15.4db;与为满足95%的时间、地点通信概率,系统余量应增加14db,相差1.4db。故在漏泄电缆覆盖区段,为达到98%的时间、地点概率,系统余量应在95%概率值下再增加1.4db。此 理论 数据值与在深圳地铁竹子林隧道实测的漏泄电缆95%与98%接收概率耦合损耗差值(0.8~2.3db)非常接近。
还有一个工程措施,即让区间中点的漏泄电缆lcx联通,使两边基站来的信号尽量形成较多的重叠区,保证在列车高速运行下的切换顺利进行。
由于在设计中保证了98%以上区域各信号的最弱电平为-80db(m),保证了切换时不会因为信号变化太快造成掉话。还有一个工程措施,即让区间中点的漏泄电缆lcx联通,使两边基站来的信号尽量形成较多的重叠区,当列车高速运行经过隧道中段时,原小区信号逐渐减弱,切入小区的信号逐渐增强,没有信号突然消失的情况,避免了移动台因为切换时间不足造成掉话。通过在 网络 中设置相应参数,将各隧道的覆盖场强调整到合适的水平,可以使切换更加平滑。
一般情况下小区间进行正常切换需要6~10s时间,对于切换区应满足12s切换的最低要求,而列车在隧道中段最高速度为80km/h,12s内行进的距离为

在理想情况下,本小区与相邻小区的信号在lcx中传输损耗是相同的,因此它们的场强衰减特性曲线相对于它们的交点是对称的,所以lcx的越区切换损耗余量可由本小区与相邻小区各负担一半,即1/2×267m=133m。对应于lcx传输损耗24db/km,越区切换损耗余量为24×(1/1000)×133=3.1db,参见图1。

所以,要保证隧道中的切换区长度超过266.7m。根据漏缆指标 计算 得知:900mhz信号在133m的漏缆中共衰减3.1db,所以在最坏情况下原小区的900mhz信号将衰减到-80-3.1=-83.1db(m),将驶入小区的900mhz信号强度增强到-80+3.1=-76.9db(m),所以信号强度相差超过6db,可保证通过场强比较的方式进行切换。
2·2 换乘站切换
对于天线的配置,换乘站应统一规划信号切换区域,如换乘站是一次建成的,则尽量考虑用一个基站的信号来完成覆盖;如因工期或其他各种原因无法在一个基站范围内来完成信号覆盖的,则需在可能情况下,做出优化方案:①尽量减少重叠区域;②尽量减少短时间切换区域;③重叠区效应 影响 下的乒乓切换尽量安排在相对宽敞的区域,以尽量避免多径影响下的乒乓切换。
在广州地铁公园前地铁站,是1、2号线的换乘站,1号线站厅部分在1999年就投入使用,2号线站厅部分在2003年才投入使用,因此在站厅就需要1号线和2号线基站的信号才能完成覆盖。在工程设计中,考虑了以上的重点,如尽量减少重叠区域等,实现了各个区域的平滑切换。
2·3 车站出入口切换
(1)交叠区保证:车站出入口附近一定要设置天线,使站厅信号与站外信号的交叠区尽量在出入口通道附近。
(2)梯度/平滑性的保证:出入口附近站内信号的梯度及平滑性容易保证;站外信号的梯度及平滑性受多径效应及地面多个基站天线的覆盖规划因素的影响较大,如有 问题 应与运营商共同协调解决。
在广州地铁2号线的个别车站,虽然在出入口附近布置了天线,但在出站时仍然无法实现与站外基站的正常切换,后经与运营商协调,通过其网络优化解决了切换问题。
2·4 隧道与地面切换
隧道与地面切换情况如图2所示,要保证有足够的信号交叠区,可采用以下措施:
(1)延长lcx方式或洞口设置定向天线(延长洞内信号,使交叠区向外);
(2)设置直放站方式(延长洞内信号,使交叠区向外);
(3)隧道引入地面信号,使交叠区向内,由于各运营商地面基站设置的不同、向隧道引入地面信号实现起来相对复杂。
延长lcx、设置隧道口直放站方式均要注意,延长区域应足够长,使地面到隧道切换交叠区选择在一个稳定区域内。如果相邻地面车站需要覆盖,就可使其信号向隧道方向延伸,取得切换信号的“优势锁定”。实施中应兼顾上、下行行车方向,并与运营商做好切换规划的配合。在广州地铁1号线坑口地面站与花地湾站隧道入口处,场强覆盖就是采用了这种方式,将覆盖区域向外增加100m左右,避免了初期进出隧道时经常出现的掉线现象。

3 结语
为保证在隧道内无线信号的顺利切换,应保证98%以上区域各信号的最弱电平为-80dbm,同时让区间中点的漏泄电缆lcx联通,使两边基站来的信号尽量形成较多的重叠区。换乘站应尽量减少重叠区域及短时间切换区域,重叠区效应影响下的乒乓切换应尽量安排在相对宽敞的区域,以尽量避免多径影响下的乒乓切换。车站出入口应保证交叠区及信号的梯度/平滑性,隧道与地面应保证有足够的信号交叠区。
通过以上切换方案考虑,就能保证在地铁站内移动通信的顺利切换,保证通信的可靠性及连续性。

参考 文献
[1]杨留清,张闽申,徐菊英.数字移动通信系统[m].北京:人民邮电出版社,1995.
[2]郭梯云,邬国扬,张厥盛.移动通信[m].西安:西安 电子 科技 大学出版社,1995.
[3]竺南直,肖辉,刘景波.码分多址(cdma)移动通信系统[m].北京:电子 工业 出版社,1999.
[4]龚小聪.地铁移动电话引入系统设计探讨[j].地铁与轻轨,2002(1).
[5]徐华林,马建萍.地铁中漏泄同轴电缆的选择和配置[j].都市快轨 交通 ,2005,18(1).

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