摘要結合廣州地鐵1、2號線工程經(jīng)驗，對地鐵移動通信系統(tǒng)的各種條件下的切換方案設計進行探討，包括隧道間小區(qū)切換、換乘站的上下層切換、站內和站外切換、隧道和地面切換等。

關鍵詞地鐵移動通信切換基站 為了實現(xiàn)地鐵移動通信信號的覆蓋，必須在地鐵內部建立專門的無線信號覆蓋系統(tǒng)，由于存在多個基站來實現(xiàn)對地鐵的信號覆蓋，同時，移動用戶經(jīng)常是在移動的列車中或地鐵出入口通信，因此，必然存在切換問題，下面結合廣州地鐵1、2號線的工程經(jīng)驗，對地鐵移動通信系統(tǒng)切換方案設計進行探討。 1 切換的概念 切換是指在蜂窩系統(tǒng)中，移動臺從一個信道或基站切換到另一個信道或基站的過程。這種切換操作過程不僅要識別新基站，還要將話音和信令信號分派到新基站的信道上。在小區(qū)內分配空閑信道時，用戶的切換請求優(yōu)于用戶初始呼叫請求。切換是在不被用戶察覺的情況下實現(xiàn)這個過程的，且一旦切換完成，移動臺不應立即再切換。切換發(fā)生的門限值是在系統(tǒng)安裝時進行初調的，且初始參數(shù)設置取決于系統(tǒng)性能要求，不能隨意改變。切換的目的就是維持高質量的信號質量、平衡小區(qū)之間的業(yè)務量及恢復出現(xiàn)故障的控制信道，切換主要有以下三種形式。 1)信號質量切換 當基站接收到的移動臺信號電平低于預分配門限值時就開始進行切換過程，服務基站通知移動業(yè)務交換中心(MSC)，請求鄰近所有其他小區(qū)，以便確定可最佳接收移動臺信號的某小區(qū)，然后就把新的信道號通知給服務基站，以便移動臺進行切換。 2)業(yè)務量平衡切換 本切換方式主要是為了平衡不同小區(qū)之間的負荷，以使每個小區(qū)不會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。當相鄰小區(qū)間重疊范圍很大時，負載平衡是最有效的，這種平衡的實現(xiàn)可用“引導切換”技術來完成。 3)控制信道出現(xiàn)故障切換 在控制信道出現(xiàn)故障，此時可用一個話音信道作為備份控制信道。該特性設計的系統(tǒng)在控制信道出現(xiàn)故障時，如果移動臺正在使用原指定的備份控制信道通話，則此時要求移動臺切換到另一個話音信道工作，由故障引起切換的主要目的就是將此信道釋放話音業(yè)務而準備控制信道。 切換的種類主要有小區(qū)內切換、基站控制器(BSC)內切換、移動交換中心(MSC)內切換、移動交換中心(MSC)間切換、網(wǎng)絡間切換等。 在數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中，是否切換是由移動臺來輔助完成的。在移動臺輔助切換中，每個移動臺監(jiān)測根據(jù)周圍基站發(fā)出的信號進行無線測量，包括測量功率、距離和話音質量，這三個指標決定切換的門限。無線測量結果通過信令信道報告給基站子系統(tǒng)中的基站收發(fā)信臺，經(jīng)過預處理后傳送給基站控制器，基站控制器對綜合功率、距離和話音質量進行計算且與切換門限值進行比較，然后再決定是否進行切換。 數(shù)字蜂窩系統(tǒng)中的切換有時也稱為硬切換。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不同的無線信道，擴頻通信用戶在每個小區(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。通過同時估算多個相鄰基站接收到的同一個用戶的信號，MSC能夠及時判斷出任何時刻用戶信號的最佳情況。 從不同基站接收到的瞬時信號中進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，再在一指定時間內與新基站取得聯(lián)系;而軟切換就是當移動臺需要與一個新基站通信時，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信道間進行。 2 地鐵移動通信切換方案考慮 地鐵站內的切換形式一般是信號質量切換，多數(shù)為MSC內切換，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 地鐵內移動通信系統(tǒng)與地面移動通信系統(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，在運行的車輛上保證越區(qū)切換的順利進行就成了一個重要問題。 由于地鐵隧道區(qū)間是鏈狀覆蓋網(wǎng)，一般基站(BTS)頻率復用都采用隔站復用，因此列車行進方向的切換(本小區(qū)與鄰小區(qū))位于區(qū)間中部，而此時列車的車速也達到最高，同時列車又是金屬外殼，這些都給切換帶來了困難。由于隧道是地下一個封閉的圓柱形空間，隧道效應使高頻信號衰減很快，為了保證隧道內的信號均勻分布，隧道內都使用漏泄同軸電纜(LCX)。 為了保證移動通信可通率大于等于98%，保證切換順利進行的一個有效手段就是正確設計場強的覆蓋，或者說，在系統(tǒng)場強覆蓋設計時著重從以下兩個方面考慮選用系統(tǒng)及設備的參數(shù)。 (1)在漏泄電纜場強覆蓋區(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，首先應正確選用漏泄電纜的95%接收概率的耦合損耗值(因為廠家提供的產(chǎn)品指標只有95%接收概率的耦合損耗值)，該值與漏泄電纜LCX型號及頻段有關(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(對應于可通率98%，系統(tǒng)場強余量應再增加1.4dB)。具體計算如下[1]:

式中，P{x≥Pmin}為接收信號大于接收機輸入端要求的最低保護功率電平Pmin的通信概率，Md為通信概率為98%時接收機輸入端要求的中值信號電平，σ為位置分布和時間分布的標準偏差[2]。由式(1)可得

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

在理想情況下，本小區(qū)與相鄰小區(qū)的信號在LCX中傳輸損耗是相同的，因此它們的場強衰減特性曲線相對于它們的交點是對稱的，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)各負擔一半，即1/2×267m=133m。對應于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)漏纜指標計算得知:900MHz信號在133m的漏纜中共衰減3.1dB，所以在最壞情況下原小區(qū)的900MHz信號將衰減到-80-3.1=-83.1dB(m)，將駛入小區(qū)的900MHz信號強度增強到-80+3.1=-76.9dB(m)，所以信號強度相差超過6dB，可保證通過場強比較的方式進行切換。 2·2 換乘站切換 對于天線的配置，換乘站應統(tǒng)一規(guī)劃信號切換區(qū)域，如換乘站是一次建成的，則盡量考慮用一個基站的信號來完成覆蓋;如因工期或其他各種原因無法在一個基站范圍內來完成信號覆蓋的，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盡量減少短時間切換區(qū)域;③重疊區(qū)效應影響下的乒乓切換盡量安排在相對寬敞的區(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號線的換乘站，1號線站廳部分在1999年就投入使用，2號線站廳部分在2003年才投入使用，因此在站廳就需要1號線和2號線基站的信號才能完成覆蓋。在工程設計中，考慮了以上的重點，如盡量減少重疊區(qū)域等，實現(xiàn)了各個區(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置天線，使站廳信號與站外信號的交疊區(qū)盡量在出入口通道附近。 (2)梯度/平滑性的保證:出入口附近站內信號的梯度及平滑性容易保證;站外信號的梯度及平滑性受多徑效應及地面多個基站天線的覆蓋規(guī)劃因素的影響較大，如有問題應與運營商共同協(xié)調解決。 在廣州地鐵2號線的個別車站，雖然在出入口附近布置了天線，但在出站時仍然無法實現(xiàn)與站外基站的正常切換，后經(jīng)與運營商協(xié)調，通過其網(wǎng)絡優(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交疊區(qū)，可采用以下措施: (1)延長LCX方式或洞口設置定向天線(延長洞內信號，使交疊區(qū)向外); (2)設置直放站方式(延長洞內信號，使交疊區(qū)向外); (3)隧道引入地面信號，使交疊區(qū)向內，由于各運營商地面基站設置的不同、向隧道引入地面信號實現(xiàn)起來相對復雜。 延長LCX、設置隧道口直放站方式均要注意，延長區(qū)域應足夠長，使地面到隧道切換交疊區(qū)選擇在一個穩(wěn)定區(qū)域內。如果相鄰地面車站需要覆蓋，就可使其信號向隧道方向延伸，取得切換信號的“優(yōu)勢鎖定”。實施中應兼顧上、下行行車方向，并與運營商做好切換規(guī)劃的配合。在廣州地鐵1號線坑口地面站與花地灣站隧道入口處，場強覆蓋就是采用了這種方式，將覆蓋區(qū)域向外增加100m左右，避免了初期進出隧道時經(jīng)常出現(xiàn)的掉線現(xiàn)象。

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