摘要結(jié)合廣州地鐵1、2號(hào)線工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的各種條件下的切換方案設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，包括隧道間小區(qū)切換、換乘站的上下層切換、站內(nèi)和站外切換、隧道和地面切換等。

關(guān)鍵詞地鐵移動(dòng)通信切換基站 為了實(shí)現(xiàn)地鐵移動(dòng)通信信號(hào)的覆蓋，必須在地鐵內(nèi)部建立專門的無線信號(hào)覆蓋系統(tǒng)，由于存在多個(gè)基站來實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵的信號(hào)覆蓋，同時(shí)，移動(dòng)用戶經(jīng)常是在移動(dòng)的列車中或地鐵出入口通信，因此，必然存在切換問題，下面結(jié)合廣州地鐵1、2號(hào)線的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)切換方案設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。 1 切換的概念 切換是指在蜂窩系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)信道或基站切換到另一個(gè)信道或基站的過程。這種切換操作過程不僅要識(shí)別新基站，還要將話音和信令信號(hào)分派到新基站的信道上。在小區(qū)內(nèi)分配空閑信道時(shí)，用戶的切換請(qǐng)求優(yōu)于用戶初始呼叫請(qǐng)求。切換是在不被用戶察覺的情況下實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的，且一旦切換完成，移動(dòng)臺(tái)不應(yīng)立即再切換。切換發(fā)生的門限值是在系統(tǒng)安裝時(shí)進(jìn)行初調(diào)的，且初始參數(shù)設(shè)置取決于系統(tǒng)性能要求，不能隨意改變。切換的目的就是維持高質(zhì)量的信號(hào)質(zhì)量、平衡小區(qū)之間的業(yè)務(wù)量及恢復(fù)出現(xiàn)故障的控制信道，切換主要有以下三種形式。 1)信號(hào)質(zhì)量切換 當(dāng)基站接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)電平低于預(yù)分配門限值時(shí)就開始進(jìn)行切換過程，服務(wù)基站通知移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)，請(qǐng)求鄰近所有其他小區(qū)，以便確定可最佳接收移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的某小區(qū)，然后就把新的信道號(hào)通知給服務(wù)基站，以便移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行切換。 2)業(yè)務(wù)量平衡切換 本切換方式主要是為了平衡不同小區(qū)之間的負(fù)荷，以使每個(gè)小區(qū)不會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象。當(dāng)相鄰小區(qū)間重疊范圍很大時(shí)，負(fù)載平衡是最有效的，這種平衡的實(shí)現(xiàn)可用“引導(dǎo)切換”技術(shù)來完成。 3)控制信道出現(xiàn)故障切換 在控制信道出現(xiàn)故障，此時(shí)可用一個(gè)話音信道作為備份控制信道。該特性設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在控制信道出現(xiàn)故障時(shí)，如果移動(dòng)臺(tái)正在使用原指定的備份控制信道通話，則此時(shí)要求移動(dòng)臺(tái)切換到另一個(gè)話音信道工作，由故障引起切換的主要目的就是將此信道釋放話音業(yè)務(wù)而準(zhǔn)備控制信道。 切換的種類主要有小區(qū)內(nèi)切換、基站控制器(BSC)內(nèi)切換、移動(dòng)交換中心(MSC)內(nèi)切換、移動(dòng)交換中心(MSC)間切換、網(wǎng)絡(luò)間切換等。 在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，是否切換是由移動(dòng)臺(tái)來輔助完成的。在移動(dòng)臺(tái)輔助切換中，每個(gè)移動(dòng)臺(tái)監(jiān)測(cè)根據(jù)周圍基站發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行無線測(cè)量，包括測(cè)量功率、距離和話音質(zhì)量，這三個(gè)指標(biāo)決定切換的門限。無線測(cè)量結(jié)果通過信令信道報(bào)告給基站子系統(tǒng)中的基站收發(fā)信臺(tái)，經(jīng)過預(yù)處理后傳送給基站控制器，基站控制器對(duì)綜合功率、距離和話音質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算且與切換門限值進(jìn)行比較，然后再?zèng)Q定是否進(jìn)行切換。 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中的切換有時(shí)也稱為硬切換。但在CDMA蜂窩系統(tǒng)中，由于不用按信道化的無線系統(tǒng)那樣在切換期間分配一個(gè)不同的無線信道，擴(kuò)頻通信用戶在每個(gè)小區(qū)里都共享相同的信道。因此，切換并不意味著所分配信道上的物理改變，而是由不同的基站來處理無線通信任務(wù)。通過同時(shí)估算多個(gè)相鄰基站接收到的同一個(gè)用戶的信號(hào)，MSC能夠及時(shí)判斷出任何時(shí)刻用戶信號(hào)的最佳情況。 從不同基站接收到的瞬時(shí)信號(hào)中進(jìn)行選擇的處理稱為軟處理。軟切換與硬切換的差別在于:硬切換需要先中斷與原基站的聯(lián)系，再在一指定時(shí)間內(nèi)與新基站取得聯(lián)系;而軟切換就是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要與一個(gè)新基站通信時(shí)，并不需要先中斷與原基站的聯(lián)系。軟切換只能在相同頻率的CDMA信道間進(jìn)行。 2 地鐵移動(dòng)通信切換方案考慮 地鐵站內(nèi)的切換形式一般是信號(hào)質(zhì)量切換，多數(shù)為MSC內(nèi)切換，其類型主要有隧道間小區(qū)切換、換乘站上下層切換、站內(nèi)和站外切換、隧道和地面切換等。 2·1 隧道間小區(qū)切換 地鐵內(nèi)移動(dòng)通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的最大區(qū)別是全部在地下，而且大部分在隧道里面。這樣一來，在隧道里面，在運(yùn)行的車輛上保證越區(qū)切換的順利進(jìn)行就成了一個(gè)重要問題。 由于地鐵隧道區(qū)間是鏈狀覆蓋網(wǎng)，一般基站(BTS)頻率復(fù)用都采用隔站復(fù)用，因此列車行進(jìn)方向的切換(本小區(qū)與鄰小區(qū))位于區(qū)間中部，而此時(shí)列車的車速也達(dá)到最高，同時(shí)列車又是金屬外殼，這些都給切換帶來了困難。由于隧道是地下一個(gè)封閉的圓柱形空間，隧道效應(yīng)使高頻信號(hào)衰減很快，為了保證隧道內(nèi)的信號(hào)均勻分布，隧道內(nèi)都使用漏泄同軸電纜(LCX)。 為了保證移動(dòng)通信可通率大于等于98%，保證切換順利進(jìn)行的一個(gè)有效手段就是正確設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)的覆蓋，或者說，在系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)著重從以下兩個(gè)方面考慮選用系統(tǒng)及設(shè)備的參數(shù)。 (1)在漏泄電纜場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)段，為滿足無線通信覆蓋可通率大于等于98%的系統(tǒng)要求，首先應(yīng)正確選用漏泄電纜的95%接收概率的耦合損耗值(因?yàn)閺S家提供的產(chǎn)品指標(biāo)只有95%接收概率的耦合損耗值)，該值與漏泄電纜LCX型號(hào)及頻段有關(guān)(50%接收概率耦合損耗值與95%接收概率耦合損耗值相差3~14dB)，然后再加一定的余量(對(duì)應(yīng)于可通率98%，系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)余量應(yīng)再增加1.4dB)。具體計(jì)算如下[1]:

式中，P{x≥Pmin}為接收信號(hào)大于接收機(jī)輸入端要求的最低保護(hù)功率電平Pmin的通信概率，Md為通信概率為98%時(shí)接收機(jī)輸入端要求的中值信號(hào)電平，σ為位置分布和時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差[2]。由式(1)可得

Pmin+2.05×7.5=Pmin+15.4dB 其中，σ為7.5dB(900MHz城市、混合路徑標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

在理想情況下，本小區(qū)與相鄰小區(qū)的信號(hào)在LCX中傳輸損耗是相同的，因此它們的場(chǎng)強(qiáng)衰減特性曲線相對(duì)于它們的交點(diǎn)是對(duì)稱的，所以LCX的越區(qū)切換損耗余量可由本小區(qū)與相鄰小區(qū)各負(fù)擔(dān)一半，即1/2×267m=133m。對(duì)應(yīng)于LCX傳輸損耗24dB/km，越區(qū)切換損耗余量為24×(1/1000)×133=3.1dB，參見圖1。

所以，要保證隧道中的切換區(qū)長度超過266.7m。根據(jù)漏纜指標(biāo)計(jì)算得知:900MHz信號(hào)在133m的漏纜中共衰減3.1dB，所以在最壞情況下原小區(qū)的900MHz信號(hào)將衰減到-80-3.1=-83.1dB(m)，將駛?cè)胄^(qū)的900MHz信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)到-80+3.1=-76.9dB(m)，所以信號(hào)強(qiáng)度相差超過6dB，可保證通過場(chǎng)強(qiáng)比較的方式進(jìn)行切換。 2·2 換乘站切換 對(duì)于天線的配置，換乘站應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃信號(hào)切換區(qū)域，如換乘站是一次建成的，則盡量考慮用一個(gè)基站的信號(hào)來完成覆蓋;如因工期或其他各種原因無法在一個(gè)基站范圍內(nèi)來完成信號(hào)覆蓋的，則需在可能情況下，做出優(yōu)化方案:①盡量減少重疊區(qū)域;②盡量減少短時(shí)間切換區(qū)域;③重疊區(qū)效應(yīng)影響下的乒乓切換盡量安排在相對(duì)寬敞的區(qū)域，以盡量避免多徑影響下的乒乓切換。 在廣州地鐵公園前地鐵站，是1、2號(hào)線的換乘站，1號(hào)線站廳部分在1999年就投入使用，2號(hào)線站廳部分在2003年才投入使用，因此在站廳就需要1號(hào)線和2號(hào)線基站的信號(hào)才能完成覆蓋。在工程設(shè)計(jì)中，考慮了以上的重點(diǎn)，如盡量減少重疊區(qū)域等，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)區(qū)域的平滑切換。 2·3 車站出入口切換 (1)交疊區(qū)保證:車站出入口附近一定要設(shè)置天線，使站廳信號(hào)與站外信號(hào)的交疊區(qū)盡量在出入口通道附近。 (2)梯度/平滑性的保證:出入口附近站內(nèi)信號(hào)的梯度及平滑性容易保證;站外信號(hào)的梯度及平滑性受多徑效應(yīng)及地面多個(gè)基站天線的覆蓋規(guī)劃因素的影響較大，如有問題應(yīng)與運(yùn)營商共同協(xié)調(diào)解決。 在廣州地鐵2號(hào)線的個(gè)別車站，雖然在出入口附近布置了天線，但在出站時(shí)仍然無法實(shí)現(xiàn)與站外基站的正常切換，后經(jīng)與運(yùn)營商協(xié)調(diào)，通過其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決了切換問題。 2·4 隧道與地面切換 隧道與地面切換情況如圖2所示，要保證有足夠的信號(hào)交疊區(qū)，可采用以下措施: (1)延長LCX方式或洞口設(shè)置定向天線(延長洞內(nèi)信號(hào)，使交疊區(qū)向外); (2)設(shè)置直放站方式(延長洞內(nèi)信號(hào)，使交疊區(qū)向外); (3)隧道引入地面信號(hào)，使交疊區(qū)向內(nèi)，由于各運(yùn)營商地面基站設(shè)置的不同、向隧道引入地面信號(hào)實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)復(fù)雜。 延長LCX、設(shè)置隧道口直放站方式均要注意，延長區(qū)域應(yīng)足夠長，使地面到隧道切換交疊區(qū)選擇在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。如果相鄰地面車站需要覆蓋，就可使其信號(hào)向隧道方向延伸，取得切換信號(hào)的“優(yōu)勢(shì)鎖定”。實(shí)施中應(yīng)兼顧上、下行行車方向，并與運(yùn)營商做好切換規(guī)劃的配合。在廣州地鐵1號(hào)線坑口地面站與花地灣站隧道入口處，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋就是采用了這種方式，將覆蓋區(qū)域向外增加100m左右，避免了初期進(jìn)出隧道時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的掉線現(xiàn)象。

3 結(jié)語 為保證在隧道內(nèi)無線信號(hào)的順利切換，應(yīng)保證98%以上區(qū)域各信號(hào)的最弱電平為-80dBm，同時(shí)讓區(qū)間中點(diǎn)的漏泄電纜LCX聯(lián)通，使兩邊基站來的信號(hào)盡量形成較多的重疊區(qū)。換乘站應(yīng)盡量減少重疊區(qū)域及短時(shí)間切換區(qū)域，重疊區(qū)效應(yīng)影響下的乒乓切換應(yīng)盡量安排在相對(duì)寬敞的區(qū)域，以盡量避免多徑影響下的乒乓切換。車站出入口應(yīng)保證交疊區(qū)及信號(hào)的梯度/平滑性，隧道與地面應(yīng)保證有足夠的信號(hào)交疊區(qū)。 通過以上切換方案考慮，就能保證在地鐵站內(nèi)移動(dòng)通信的順利切換，保證通信的可靠性及連續(xù)性。