地鐵覆蓋系統(tǒng)中小區(qū)場景切換的探討研究

葉 楠，湯紫雄

（福州海峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，福建 連江 350506）

地鐵覆蓋系統(tǒng)中小區(qū)場景切換的探討研究

葉 楠，湯紫雄

（福州海峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，福建 連江 350506）

為提升用戶感知度，使旅客充分的感受到軌道交通高品質(zhì)的服務(wù)，針對越區(qū)切換的幾個要點，提出地鐵覆蓋系統(tǒng)中存在的幾種小區(qū)場景切換方案并進行了分析研究。此研究結(jié)論不僅可以對地鐵覆蓋系統(tǒng)設(shè)計提供重要的參考，還對于后期面向特殊場景下的室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

地鐵；覆蓋系統(tǒng)；切換方案

在地鐵的民用通信設(shè)計過程中，我們要對地鐵內(nèi)部進行覆蓋，主要的手段是站臺站廳的分布系統(tǒng)和區(qū)間內(nèi)布置漏纜，并且配置相應(yīng)的信源。但是由于地鐵內(nèi)部區(qū)域比較大，地鐵隧道較長，就必須分配多個信源，用于補償各個覆蓋范圍的信號強度。這就必然導(dǎo)致地鐵內(nèi)存在著多種覆蓋小區(qū)[1]。因此，在地鐵通信系統(tǒng)覆蓋過程，如何實現(xiàn)這些覆蓋小區(qū)間的切換是地鐵內(nèi)部覆蓋減少掉話，提高小區(qū)切換成功率的重要手段。

1 越區(qū)切換的要點

為了保證通信的連續(xù)性，當正在通話的移動臺從一個小區(qū)進入相鄰的另一小區(qū)時，工作頻道從一個無線頻道上轉(zhuǎn)換到另一個無線頻道上，而通話不中斷的過程就稱為越區(qū)切換[2]。越區(qū)切換是實現(xiàn)移動通信的必要條件，也是移動交換系統(tǒng)的特殊要求之一。

一般來說，移動終端越區(qū)過程中，小區(qū)間信號的強弱也隨之變化。越區(qū)切換是否成功將與該小區(qū)間信號強弱變化的快慢有著極大的關(guān)系。當越區(qū)過程出現(xiàn)較強信號干擾或者信號強弱變化較快之時，小區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)與移動終端的切換很有可能就來不及完成。因此，當移動終端發(fā)生切換的整個過程中，保證原服務(wù)小區(qū)信號不突然衰弱變化，一直處于滿足電平要求范圍內(nèi)，是實現(xiàn)越區(qū)切換成功的關(guān)鍵要點[3]。

信號的越區(qū)切換應(yīng)根據(jù)不同移動終端的運動速率以及移動終端所處的不同環(huán)境分別討論，以便采取相對應(yīng)的切換方案[4]。

1.1 用戶速率

客人乘坐地鐵的過程大體可表現(xiàn)為三個流程，即步行過程、乘坐自動扶梯過程和地鐵內(nèi)搭乘過程。而對于這三種方式，步行速率相對較慢，只能達到每小時五公里；列車運行過程相對較快，最高可達每小時八十公里；乘坐自動扶梯則一般表現(xiàn)在每小時五到十公里的速率。

1.2 切換時延

切換時延是指用戶在兩個小區(qū)之間切換所需要的時間。這是保證用戶具有良好業(yè)務(wù)體驗的重要指標。針對不同的通信系統(tǒng)機制，越區(qū)切換時延也有所不同。切換方式有軟切換和硬切換之分。在GSM系統(tǒng)中，越區(qū)切換是頻道的切換，為硬切換，其切換時間很短，用戶基本無感覺，而認為通話沒有中斷。在CDMA系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)中既支持硬切換，也支持軟切換；TD-SCDMA系統(tǒng)為接力切換技術(shù)和硬切換，不僅具有軟切換的功能還能克服軟切換浪費信道資源的缺點，可用于不同載波頻率，不中斷通信的理想越區(qū)切換；TD-LTE可以采用快速硬切換方法，實現(xiàn)與現(xiàn)有3GPP和非3GPP的兼容。要完成越區(qū)切換，對于移動GSM、聯(lián)通WCDMA、電信CDMA，其值需保持在750 ms左右；3G類型的移動TD-SCDMA，時延值則保持在2.2s左右；當前4G網(wǎng)絡(luò)的崛起，則對時延時間有了更高要求，需要求保持在60~70 ms之間。從以上看出，目前的切換時延都已經(jīng)達到了較高的水準。

1.3 切換距離設(shè)置

根據(jù)用戶的速率和切換時延，可計算得出切換帶的距離值。無線網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間信號重疊區(qū)域的示意圖，可如圖1所示。現(xiàn)設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間的切換時延為T，用戶的速率為V，則兩小區(qū)間信號重疊區(qū)域的切換帶距離的理論值即為：

因此，要保證移動終端信號能完成越區(qū)切換，在地鐵通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計初期，就需將小區(qū)間信號重疊區(qū)域的切換帶的實際距離值L'大于理論的切換帶距離值L，即L'≥L。當L'

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間信號重疊區(qū)域的示意圖

2 地鐵覆蓋系統(tǒng)的切換方案

地下軌道交通設(shè)施一般由隧道、換乘通道、出入站口、站臺和站廳這五部分組成，根據(jù)各區(qū)域在空間上的分布特點，地鐵覆蓋系統(tǒng)中的切換發(fā)生的位置大致可以歸為5大場景：地鐵隧道內(nèi)和隧道外之間的切換；地鐵隧道區(qū)間內(nèi)部的切換；隧道區(qū)間和站臺之間的切換；站臺和站廳之間的切換；站廳和車站外之間的切換[5-6]。

2.1 隧道內(nèi)與隧道外的切換

在軌道交通建設(shè)中，部分地鐵線路需要變?yōu)楦呒芫€路或者地面線路運行，就有了地面和地下相結(jié)合的情況。這樣，由隧道內(nèi)小區(qū)切換到隧道外小區(qū)，或者是由隧道外小區(qū)切換到隧道內(nèi)小區(qū)時，對于列車上的移動用戶來說，將要產(chǎn)生一次切換，但往往信號在隧道口處迅速的衰弱，導(dǎo)致不足以確保完成越區(qū)切換。一般情況下，為保證列車在出入隧道口時能移動用戶能保持通信，當覆蓋隧道的漏纜到達隧道口處時常采用負載設(shè)備將漏纜堵住，創(chuàng)造切換區(qū)域。

但是采用這種方法的不足就在于，漏纜的無線信號無法在隧道外形成有效的覆蓋，且切換區(qū)只能設(shè)置在隧道即將出口處，而隧道外部的覆蓋信號在進隧道后將會形成比較長距離的覆蓋區(qū)域。這樣就導(dǎo)致了無線覆蓋信號重疊區(qū)域過短，使得手機信號的切換成功率不高出現(xiàn)掉話的現(xiàn)象。因此，本文將采取以下三種方法增加無線覆蓋信號重疊區(qū)域的切換間距，增加無線覆蓋信號重疊區(qū)域的切換間距是提高切換成功率的重要手段之一。

方法一：在漏纜終端，用小板狀天線定向朝隧道口發(fā)射信號。

這種情況下，漏纜的無線信號通過小板狀天線在隧道外形成一定距離的覆蓋，（初步估算提高近20m），切換區(qū)則由隧道口內(nèi)外兩部分組成，這樣無線覆蓋信號重疊區(qū)域適當增加，適當提高手了機信號的切換成功率，但是增加的距離實在有限（20m），切換成功率的提升也比較有限。

方法二：漏纜到隧道口不中斷，繼續(xù)向外延伸若干米，然后用負載設(shè)備堵塞。

這種情況下，漏纜的無線信號在隧道外形成比較長距離的覆蓋，切換區(qū)則由隧道口外形成，這樣無線覆蓋信號重疊區(qū)域大大增加，極大的提高了手機信號的切換成功率。

向外延伸的距離應(yīng)該根據(jù)隧道外信號的強弱來綜合考慮，同時為了保證漏纜內(nèi)的信號強度，則盡量將該漏纜的信源安裝在離隧道口近的地方。這種方法是解決這種場景的重要手段。

方法三：延伸到隧道外的漏纜終端不用負載堵塞，而是安裝漏纜終端天線。

這種情況下，隧道外部無線覆蓋信號重疊區(qū)域進一步增加，進一步的提高了手機信號的切換成功率。同時抗外部的弱覆蓋能力也得到了提高。這是建立在方法二的基礎(chǔ)上的一種錦上添花的手段。

2.2 隧道區(qū)間內(nèi)部的切換

地鐵的地下區(qū)間一般會比較長，在該區(qū)間內(nèi)移動通信會相應(yīng)設(shè)置若干個小區(qū)，列車再來回運行中，產(chǎn)生小區(qū)的切換。該場景下的切換間距則可以根據(jù)上述1.3小節(jié)所述，根據(jù)各類網(wǎng)絡(luò)制式和頻段的情況，計算其切換間距L，一般設(shè)置將信號重疊區(qū)域長度設(shè)置切換帶的實際距離值L'不小于理論的切換帶距離值L。

2.3 隧道區(qū)間和站臺之間的切換

地鐵車站候車的站臺一般情況下是島式的，站臺兩側(cè)是列車軌道，出站臺之后分別進入相應(yīng)的地下隧道。移動通信為了能夠覆蓋隧道區(qū)間及站臺的區(qū)域，通常將隧道區(qū)間和站臺分別設(shè)置為不同的小區(qū)，當列車進入站臺，則會產(chǎn)生小區(qū)的切換。本文建議將站臺兩側(cè)的隧道區(qū)間和站臺之間的小區(qū)都設(shè)置為同一個小區(qū)區(qū)域，以減少越區(qū)切換的次數(shù)。

2.4 站臺和站廳間的切換

站臺和站廳間的切換的位置主要發(fā)生在乘客步行樓梯或搭乘自動扶梯進入兩區(qū)域區(qū)間時。為了確保信號在自動扶梯或者樓梯的良好覆蓋，本文的方案為在自動扶梯或樓梯的上下兩方相應(yīng)的位置上安裝室內(nèi)分布系統(tǒng)天線。這將有兩種情況：

當站臺和站廳都為同一個小區(qū)時，只要保證自動扶梯或樓梯能進行良好的覆蓋即可。

當站臺和站廳不為同一個小區(qū)時，這時需要考慮由于建筑物遮擋、人群擁擠以及人體位移運動產(chǎn)生瑞利衰落等因素產(chǎn)生的信號衰落，使得越區(qū)切換重疊區(qū)域不夠引起掉話的現(xiàn)象。因此，只要保證站臺和站廳這兩個小區(qū)信號重疊區(qū)邊緣場強在-85 dBm以上即可信號良好無間斷的切換。

2.5 車站出入口間的切換

車站出入口發(fā)生切換的位置主要在地鐵站口附近，這時候地鐵出入口小區(qū)切換的能量將有極大的變化。該場景的切換模式與上節(jié)2.4站臺和站廳間的切換模式非常類似。因此，在自動扶梯或樓梯的下方相應(yīng)的位置安裝室內(nèi)分布系統(tǒng)天線，只要保證入口大廳和地鐵內(nèi)區(qū)域兩個信號重疊區(qū)邊緣場強在-85 dBm以上即可實現(xiàn)小區(qū)切換。

3 結(jié)束語

本文對地鐵通信覆蓋系統(tǒng)中小區(qū)越區(qū)切換方法進行了論述與分析，包括對覆蓋方式，小區(qū)切換的關(guān)鍵問題，同時創(chuàng)造性的指出在具體的不同小區(qū)場景下切換方案的設(shè)計思路，希望能為類似工程提供參考。地鐵通信覆蓋系統(tǒng)在設(shè)計階段，要進行理論計算，通過計算結(jié)合實際的經(jīng)驗，有依據(jù)的進行信源數(shù)量設(shè)計以及小區(qū)規(guī)劃，初步確定小區(qū)數(shù)量以及同小區(qū)情況，適當設(shè)置一定的預(yù)留量。在工程后期，需要進行信號測試，對測試結(jié)果進行分析，然后根據(jù)測試分析結(jié)果，對小區(qū)數(shù)量及設(shè)置進行修正，以期達到小區(qū)切換的最優(yōu)效果，這將是本文的后續(xù)研究內(nèi)容。

[1] 馬祺.地鐵民用通信分布系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.

[2] 魏紅.移動通信技術(shù)(第2版)[M].北京:人民郵電出版社, 2009.

[3] 王輝,吳闖龍.地鐵建設(shè)中民用通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)探討[J].城市軌道交通研究,2004(4):30-32.

[4] 周杭.地鐵民用無線通信系統(tǒng)切換分析和解決對策[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2008,2:18-20.

[5] 龔小聰.地鐵移動通信系統(tǒng)切換設(shè)計[J].城軌交通,2005, 41(12):49-50.

[6] 李棟,丁國鵬,趙明,等.隧道內(nèi)移動通信越區(qū)切換區(qū)域設(shè)置方案的比較研究[J].鐵道工程學(xué)報,2007(1):57-58.

（責任編輯、校對：田敬軍）

Research on Community Scene Switchover in the Subway Coverage System

YE Nan, TANG Zi-xiong

(Department of Information Engineering, Fuzhou Strait Vocation and Technological College, Lianjiang 350506, China)

In order to enhance the perception of the user, to make the passenger fully feel the rail traffic quality of service, several points of switchover were proposed. According to these points, scene of subway coverage system switch cover schemes were researched. The conclusion of the study not only can provide important reference for subway coverage system design, but also has important theoretical guidance significance for the construction of indoor distribution system which in special cases.

subway; coverage system; switchover scheme

TN925.5

A

1009-9115(2015)02-0058-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.018

福建省教育廳B類科技項目（JB14230），福建省教育廳B類科技項目（JB14229）

2014-12-12

葉楠（1990-），女，福建寧德人，碩士，助教，研究方向為移動通信、電子信息、圖形學(xué)。