數(shù)字集群通信系統(tǒng)越區(qū)切換方案范文

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1概述

城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)對越區(qū)切換的可靠性和傳輸延時有很高的要求，通信可靠性和延時將直接影響行車效率，甚至危及乘客安全。本文以城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)的建設(shè)和維護為背景，通過對越區(qū)切換過程進行分析，結(jié)合城市軌道交通運營組織的最新需求對越區(qū)切換方案進行優(yōu)化設(shè)計，對既有系統(tǒng)的維護提供技術(shù)支持，同時對新線系統(tǒng)建設(shè)具有指導(dǎo)性意義。針對無線信號覆蓋不均、列車高速移動導(dǎo)致的信道質(zhì)量惡化問題，本文提出了“漏纜+直放站”的無線信號覆蓋方式；針對切換延時和信道資源分配問題，通過分析城市軌道交通移動通信系統(tǒng)用戶群特征，本文提出了基于信道預(yù)測預(yù)留的信道分配方案；同時為弱化越區(qū)切換失敗導(dǎo)致的影響，本文結(jié)合城市軌道交通運營組織需要，提出了基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的切換點優(yōu)化方案。

2越區(qū)切換的干擾因素

城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)越區(qū)切換方案設(shè)計應(yīng)綜合考慮其干擾因素，主要如下。

2.1用戶需求城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)屬于專用集群系統(tǒng)（PMR）的范疇，由企業(yè)負責投資、建設(shè)和運營維護，其服務(wù)群體為運營組織相關(guān)人員，用戶數(shù)量比一般移動通信系統(tǒng)小且可控，移動線路可預(yù)測和運營組織方式穩(wěn)定等特性，同時運營組織方式直接影響越區(qū)切換方案的設(shè)計。

2.2應(yīng)用場景為了保證高速列車的安全，城市軌道交通設(shè)備必須在全封閉的線路上運行，不設(shè)與社會車輛交叉通行的平交道口，其典型傳播場景主要有高架橋（Viaduct）、路塹（Cutting）、隧道（Tunnel）等，由于應(yīng)用場景空間較小、干擾較多且系統(tǒng)安全性要求高等制約因素，同時移動通信電波在空氣中傳播時，受到不同的地形地貌、建筑物、氣候、其它電磁干擾以及通信終端移動速度等情況影響，會呈現(xiàn)不同的衰落特性。

2.3列車速度目前，我國城市軌道交通列車的運營速度已經(jīng)達到120km/h（上海磁懸浮列車專線可達430km/h）。列車提速后，由于受到快速衰落、多普勒效應(yīng)、列車材質(zhì)對無線信號衰減等多種因素的影響，移動終端往往容易發(fā)生切換混亂、連接中斷、異常掉話等現(xiàn)象，同時，由于城市軌道交通呈線性分布，無線覆蓋小區(qū)較多，列車的快速移動導(dǎo)致移動終端頻繁進行越區(qū)切換，極大地增大了信令信道溢出的風(fēng)險。

3越區(qū)切換方案設(shè)計

根據(jù)城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)特點，結(jié)合新線建設(shè)和運營系統(tǒng)維護經(jīng)驗，通過對越區(qū)切換過程的深入分析，下面將從無線信號覆蓋、越區(qū)切換點設(shè)置、信道分配管理三個方面進行越區(qū)切換方案設(shè)計。

3.1無線信號覆蓋方案設(shè)計城市軌道交通“漏纜+直放站”無線信號覆蓋方式由漏纜、直放站、基站、傳輸系統(tǒng)和無線主站（MSO）等設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。為滿足城市軌道交通行車組織、指揮調(diào)度和緊急事件處理等信息安全、有效的傳輸，本方案在控制中心（OCC）和車輛段（DCC）設(shè)置無線主站（MSO），實現(xiàn)異地冗余，同時在沿線各站點設(shè)置無線基站，其中無線主站與基站之間通過專用傳輸系統(tǒng)（如SDH/OTN等）建立連接；各站點天饋系統(tǒng)由無線天線、漏纜、衰減器和耦合器等設(shè)備組成，采用無線天線實現(xiàn)車站出入口、站廳和設(shè)備房等片狀區(qū)域的無線信號覆蓋，采用漏纜進行軌行區(qū)域的無線信號覆蓋。由于受電磁波頻率和傳輸介質(zhì)損耗等因素的制約，工程實踐表明，無線信號強度及其質(zhì)量隨著傳輸距離的增大而減少，當傳輸距離大于2km時，覆蓋指標明顯惡化，直接影響越區(qū)切換的執(zhí)行，為了改善切換性能，使得移動臺(MobileStation，MS)能夠具備更長的時間完成越區(qū)切換操作，降低小區(qū)邊緣的信號質(zhì)量抖動，較好地達到覆蓋效率和覆蓋效果的平衡，當超出2km時，采用增設(shè)光線直放站的方式進行信號覆蓋區(qū)域擴展。

3.2切換點優(yōu)化方案設(shè)計根據(jù)4.1節(jié)無線信號覆蓋方案設(shè)計，采用“漏纜+直放站”進行無線信號覆蓋時，無線信號損耗主要為設(shè)備接入損耗、漏纜傳輸損耗及多徑衰落損耗，其中設(shè)備接入損耗（約3dB/接頭）及多徑衰落損耗（約4dB）相對固定。同時，在具體工程實踐中可根據(jù)漏纜規(guī)格型號計算傳輸損耗，為越區(qū)切換點優(yōu)化設(shè)計提供良好的理論基礎(chǔ)和實現(xiàn)條件。城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)移動用戶需在以站點為單位的小區(qū)之間、車輛段與正線區(qū)域之間、大小交路運營交匯點完成越區(qū)切換，同時應(yīng)避免在車站物理區(qū)域、站臺端頭及車輛段內(nèi)執(zhí)行越區(qū)切換。切換點優(yōu)化方案采用虛擬小區(qū)的方式進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，將相鄰兩個或多個小區(qū)虛擬成為一個管理小區(qū)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖2所示。上圖所示，系統(tǒng)將無線基站A和無線基站B劃分為虛擬Zone1，無線基站C為虛擬Zone2，同一虛擬小區(qū)（Zone1）內(nèi)各無線小區(qū)（無線基站A、B）資源動態(tài)分配或異地冗余，當且僅當無線用戶從虛擬Zone2移動到虛擬Zone1時執(zhí)行越區(qū)切換。

3.3信道預(yù)測預(yù)留方案設(shè)計城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)在設(shè)計時與信號列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）預(yù)留接口，ATS系統(tǒng)是列車自動控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可監(jiān)控列車運行狀態(tài)、車次號、運行速度、加速度及位置等信息，為信道預(yù)測預(yù)留方案提供了接口條件。同時，由于城市軌道交通沿線車站及車輛段值班人員工作區(qū)域相對固定，且移動終端實行屬地管理，在越區(qū)切換點合理設(shè)置情況下，只有極少一部分移動用戶需進行越區(qū)切換，以廣州市軌道交通新線建設(shè)規(guī)劃為例，七號線無線用戶規(guī)劃數(shù)為292戶，九號線無線用戶規(guī)劃數(shù)為257戶，均遠少于系統(tǒng)容量（10000戶），為信道預(yù)測預(yù)留方案提供了系統(tǒng)條件。信道預(yù)測預(yù)留方案通過考察移動臺的位置、運動狀態(tài)來增加預(yù)測的準確性，從而改善越區(qū)切換掉話率。本方案將移動臺當前服務(wù)小區(qū)和目標小區(qū)交界處設(shè)定為預(yù)測區(qū)域（PRA），其余區(qū)域則為非預(yù)測區(qū)域（None-PRA，NPRA）。為降低越區(qū)切換呼叫掉話率，移動臺一旦進入預(yù)測區(qū)，就向目標小區(qū)發(fā)送越區(qū)切換請求，目標小區(qū)收到越區(qū)切換呼叫請求后優(yōu)先分配信道資源，移動臺將使用預(yù)留信道完成越區(qū)切換。根據(jù)城市軌道行業(yè)特點，無線小區(qū)沿線路車站帶狀分布，且所有小區(qū)大小相當、信道容量相同，同時列車運行具有方向性。下面將以Ck為例來進行解釋說明，其中表示第k個無線小區(qū)（k為大于零的自然數(shù)）。為不失一般性，本文只考慮移動臺向左運動的情況。當Ck中存在空閑信道時，Ck中產(chǎn)生的新呼叫以及Ck+1中的越區(qū)切換呼叫都可以使用Ck中的信道；而當Ck中的信道全部被占用時，就直接拒絕Ck中產(chǎn)生的新呼叫請求，而把Ck+1中的越區(qū)切換呼叫請求放入隊列中等待信道分配。當滿足以下三種情況時，越區(qū)切換呼叫請求將離開隊列：第一，越區(qū)切換呼叫請求獲得一個Ck中的信道；第二，越區(qū)切換呼叫在移動臺進入Ck前已經(jīng)結(jié)束；第三，當移動臺進入Ck時，越區(qū)切換呼叫請求因沒有獲得信道而掉線。當越區(qū)切換呼叫請求在移動臺進入Ck前已經(jīng)結(jié)束或者移動臺改變方向進入另一個小區(qū)時，就把Ck為Ck+1中越區(qū)切換呼叫請求所預(yù)留的信道釋放掉。

4越區(qū)切換方案的實現(xiàn)

廣州市軌道交通三號線是我國最早使用數(shù)字集群通信系統(tǒng)的地鐵線路之一，同時是我國當時列車的運行速度最快的線路（磁懸浮列車除外），運營速度達120km/h。三號線使用TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)，首通段（天客至番廣段）完成系統(tǒng)主站及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并于2005年開通運營，北延段（體西至機場南段）進行系統(tǒng)升級及網(wǎng)絡(luò)擴容并于2010年開通運營，同時全線在2013年實現(xiàn)跨區(qū)域（ZONE）跨系統(tǒng)間的互聯(lián)互通功能。本文以廣州市軌道交通三號線TETRA系統(tǒng)為例，進行越區(qū)切換方案實現(xiàn)與測試。

4.1三號線數(shù)字集群通信系統(tǒng)概述三號線數(shù)字集群通信系統(tǒng)采用單區(qū)多基站結(jié)構(gòu)，即在線路指揮中心設(shè)置MSO（異地冗余）并在各站點設(shè)置基站，以“漏纜+直放站”的方式進行無線信號覆蓋，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

4.2無線信號覆蓋方案的實現(xiàn)根據(jù)設(shè)計要求，信號交叉點的信號強度須大于–99dBm。例如嘉禾至龍歸區(qū)間無線覆蓋設(shè)計，區(qū)間為地下隧道，站間距離為6236m。根據(jù)設(shè)備選型計算，無線覆蓋設(shè)計。根據(jù)城市軌道交通地下隧道限界要求，區(qū)間無線信號覆蓋設(shè)備的分布如圖6所示。漏纜在隧道區(qū)間沿隧道壁掛設(shè)，其掛設(shè)高度距軌面不低于3.6m，每隔1m安裝一個固定卡具或吊夾（包含防火卡具、防火吊夾）；在地面線路區(qū)間（高架區(qū)段），漏纜依照軌道限界要求沿疏散平臺下掛設(shè)，每隔約1.3m（疏散平臺下水泥墩臺設(shè)計間隔）安裝一個固定卡具。

4.3切換點優(yōu)化方案的實現(xiàn)根據(jù)三號線運營組織方式，移動用戶需在以站點為單位的小區(qū)之間、車輛段與正線區(qū)域之間、大小交路運營交匯點完成越區(qū)切換，同時應(yīng)避免在車站物理區(qū)域、站臺端頭及車輛段內(nèi)執(zhí)行越區(qū)切換。綜合考慮系統(tǒng)建設(shè)和維護特點，可從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置兩方面對越區(qū)切換點進行優(yōu)化設(shè)置，越區(qū)切換參數(shù)設(shè)置如圖7。△SRH（SlowReselectThreshold）是基站定義的觸發(fā)切換的電平差值，一般設(shè)為8dB。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，通過在區(qū)間中點的漏纜上加裝一個不小于8dB的衰減器實現(xiàn)，場強測試效果如圖8所示。

4.4信道預(yù)測預(yù)留方案的實現(xiàn)廣州市軌道交通三號線數(shù)字集群通信系統(tǒng)MSO與信號系統(tǒng)（ATS子系統(tǒng)）通過一個獨立的不帶控制信號的RS422串行接口（DB9）相連，如圖9所示：ATS向無線列調(diào)系統(tǒng)實時傳送正線列車配置信息及位置信息，使得無線列調(diào)系統(tǒng)能實時跟蹤具體列車的具體位置，以選擇正確的無線基站與列車建立通信通道，實現(xiàn)控制中心與列車的無線通信。移動終端通過ATS提供的位置信息進行實時修正，以提高預(yù)測精度及切換成功率。

5結(jié)語

本文以城市軌道交通數(shù)字集群通信系統(tǒng)的建設(shè)和維護為背景，通過對越區(qū)切換過程進行分析，結(jié)合城市軌道交通運營組織的最新需求對越區(qū)切換方案進行探討，對既有系統(tǒng)的維護提供技術(shù)支持，同時對新線系統(tǒng)建設(shè)具有指導(dǎo)性意義。但由于時間和水平有限，仍存在諸多不足之處，例如各專業(yè)接口及各廠家系統(tǒng)兼容性不一樣，難以對越區(qū)切換信道預(yù)測進行定量分析，還望各位專家批評指正。

作者：何海升 單位：廣州地鐵集團有限公司