陳 虎

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司,210008,南京∥工程師)

國(guó)家工業(yè)和信息化部于2009年1月7日發(fā)放第三代移動(dòng)通信經(jīng)營(yíng)牌照,批準(zhǔn)中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司增加基于時(shí)分同步碼分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,簡(jiǎn)為T(mén)D-SCDMA)技術(shù)的第三代移動(dòng)通信(3G)業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)許可,我國(guó)的移動(dòng)通信全面進(jìn)入3G時(shí)代。TDSCDMA標(biāo)準(zhǔn)是第一個(gè)由中國(guó)提出的、以我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國(guó)際上廣泛接受和認(rèn)可的無(wú)線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將智能天線、同步碼分多址(CDMA)技術(shù)和軟件無(wú)線電(SDR)等技術(shù)融于其中。

1 TD-SCDMA信號(hào)引入地鐵背景

1.1 TD-SCDMA技術(shù)特點(diǎn)

TD-SCDMA是國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)正式發(fā)布的第三代移動(dòng)通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一,它得到了中國(guó)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)研究組(CWTS)及“第三代合作伙伴項(xiàng)目”(3GPP)的全面支持。TD-SCDMA集CDMA、時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體,是一種系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動(dòng)通信技術(shù)。它采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、同步CDMA、軟件無(wú)線電、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)。

TD-SCDMA為時(shí)分雙工(TDD)技術(shù)模式,在應(yīng)用范圍內(nèi)有其自身的特點(diǎn):一是終端的移動(dòng)速度受現(xiàn)有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算速度的限制,只能做到240 km/h;二是基站覆蓋半徑在15 km以內(nèi)時(shí),頻譜利用率和系統(tǒng)容量可達(dá)最佳,在用戶容量不是很大的區(qū)域,基站最大覆蓋半徑可達(dá)30～40 km。

1.2 TD-SCDMA在國(guó)內(nèi)地鐵的運(yùn)用

2007年,中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司在10個(gè)城市進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè),開(kāi)始TD一期網(wǎng)絡(luò)建設(shè),拉開(kāi)了TD-SCDMA商用的步伐;2009年6月底,實(shí)現(xiàn)了包括國(guó)內(nèi)所有省會(huì)城市、直轄市和計(jì)劃單列市在內(nèi)的總共38個(gè)城市的 TD網(wǎng)絡(luò)覆蓋;規(guī)劃到2011年覆蓋全國(guó)所有地市。

地鐵是城市公共交通的重要形式,其優(yōu)越性越來(lái)越得到政府和公眾的重視和認(rèn)同。目前,國(guó)內(nèi)提供地鐵運(yùn)營(yíng)服務(wù)的城市有9個(gè),正在建設(shè)的城市有18個(gè),共有25個(gè)城市地鐵項(xiàng)目獲得國(guó)家的批準(zhǔn),尚有數(shù)十個(gè)大中城市地鐵項(xiàng)目待批。地鐵已進(jìn)入全面發(fā)展的快車道,正成為城市居民重要的生活場(chǎng)所。

地鐵運(yùn)行在城市中心和城郊結(jié)合部。城市中心和城郊人口密度高,車速一般小于120 km/h。地鐵以地下車站和隧道為主,具有地下空間連續(xù)封閉、客流密度高、無(wú)線通信需求量大等特點(diǎn),因此地鐵內(nèi)的TD-SCDMA信號(hào)引入和覆蓋不同于室內(nèi)和一般地下空間。在地鐵地下車站(包括站臺(tái)、站廳、地下商業(yè)層和出入口通道等)、隧道區(qū)間和快速運(yùn)動(dòng)的地鐵列車這些特殊的物理環(huán)境中,要結(jié)合 TD-SCDMA技術(shù)特點(diǎn)和容量等因素,制定可行方案和采取有效措施,才能實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA在地鐵內(nèi)的信號(hào)引入。

2 TD-SCDMA系統(tǒng)指標(biāo)及方案設(shè)計(jì)原則

2.1 TD系統(tǒng)指標(biāo)要求

在頻率資源足夠、設(shè)備支持的情況下,TD系統(tǒng)室內(nèi)外采用異頻組網(wǎng)方式;在頻率資源緊張的情況下,也應(yīng)保證與室外有切換關(guān)系的室內(nèi)小區(qū)的主載頻與室外主載頻保持異頻。系統(tǒng)主要指標(biāo)要求如下。

(1)覆蓋區(qū)內(nèi)無(wú)限可通率:移動(dòng)臺(tái)在無(wú)線覆蓋區(qū)內(nèi)90%的位置及99%的時(shí)間可接入網(wǎng)絡(luò);

(2)語(yǔ)音業(yè)務(wù)無(wú)線信道呼損:不高于2%;

(3)塊差錯(cuò)率目標(biāo)值(BLER Target):語(yǔ)音1%,CS64K0.1%～1%,PS數(shù)據(jù)5%～10%;

(4)基本公共控制信道接收信號(hào)碼功率:PCCPCH RSCP≥-85 d B(m);

(5)基本公共控制信道載波干擾比:PCCPCH C/I≥-3 dB(m)。

2.2 方案設(shè)計(jì)原則

TD-SCDMA信號(hào)引入地鐵時(shí),設(shè)計(jì)方案應(yīng)遵循以下原則:

(1)場(chǎng)強(qiáng)與信號(hào)嚴(yán)格按照邊緣場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,保證滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求;

(2)區(qū)間設(shè)備配置在滿足信號(hào)邊緣覆蓋場(chǎng)強(qiáng)要求的前提下,盡可能利用漏纜開(kāi)斷處接入;

(3)避免使用干線放大器,減少噪聲引入;

(4)考慮將來(lái)的擴(kuò)容,采用寬頻腔體耦合器、功分器和合路器等無(wú)源器件。

3 鏈路預(yù)算及覆蓋模型分析

3.1 隧道區(qū)間鏈路預(yù)算

TD射頻拉遠(yuǎn)解決方案(TD NODE B)與遠(yuǎn)端射頻單元(RRU)的覆蓋距離見(jiàn)表1。

表1 鏈路預(yù)算表

通過(guò)上述預(yù)算可得出如下結(jié)論:

基站有效覆蓋區(qū)間(max)=465 m×2=930 m

射頻拉遠(yuǎn)模塊(RRU)有效覆蓋區(qū)間(max)=599 m×2=1 198 m

3.2 隧道區(qū)間覆蓋模型

地鐵隧道區(qū)間采用TD基站RRU設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)覆蓋,根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度分為不同覆蓋模型來(lái)考慮,分析如下。

3.2.1 小于930 m的區(qū)間

TD-SCDMA頻段信號(hào)系統(tǒng)無(wú)源覆蓋的最長(zhǎng)距離為930 m,當(dāng)隧道區(qū)間長(zhǎng)度小于930 m時(shí),可采用純無(wú)源覆蓋方式。區(qū)間覆蓋圖示見(jiàn)圖1。

圖1 小于930 m的隧道區(qū)間信號(hào)覆蓋模型

3.2.2 930～2 128 m的區(qū)間

TD-SCDMA頻段信號(hào)系統(tǒng)無(wú)源覆蓋的最長(zhǎng)距離為930 m,當(dāng)?shù)罔F隧道區(qū)間長(zhǎng)度大于930 m時(shí),須在隧道區(qū)間內(nèi)增設(shè)RRU,以延伸基站的覆蓋距離,滿足較長(zhǎng)隧道區(qū)間內(nèi)的無(wú)線信號(hào)覆蓋要求。

根據(jù)推算,TD-SCDMA頻段信號(hào)系統(tǒng)在區(qū)間內(nèi)設(shè)置1～2套R(shí)RU后,可滿足覆蓋Lmax=(465+599)×2=2 128 m的區(qū)間。因此,當(dāng)?shù)罔F隧道區(qū)間長(zhǎng)度介于930～2 128 m時(shí),區(qū)間覆蓋圖示見(jiàn)圖2。

圖2 930～2 128 m的隧道區(qū)間信號(hào)覆蓋模型

3.3 站廳層上、下行鏈路預(yù)算

地下車站站廳公共區(qū)及出入口通道采用泄漏電纜及天線陣進(jìn)行覆蓋。當(dāng)采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋時(shí),其分析過(guò)程與區(qū)間鏈路預(yù)算相同,可完全滿足站廳覆蓋需求。當(dāng)采用天線做站廳覆蓋時(shí),分析如下。

為確保天線輻射功率符合中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部頒布的《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,天線口輸入功率應(yīng)保證不超過(guò)15 dB(m)?，F(xiàn)以距離天線最遠(yuǎn)端距離為20 m作為基礎(chǔ),對(duì)站廳信號(hào)鏈路進(jìn)行分析。分析過(guò)程如下(見(jiàn)表2、表3)。

考慮到地鐵空間是受限自由空間,可選用的傳播模型為無(wú)線信號(hào)室內(nèi)路徑損耗附加因子模型。其遵循公式如下:

式中:

PL(d)——信號(hào)空間傳播損耗,dB;

d ——距離,m;

d0——近地參考距離(取 1),m;

f——頻率,MHz;

α——信道衰減常數(shù),(取 0.62,為模擬測(cè)試值),dB/m;

FAF——不同層路徑損耗附加值(取0),dB。

表2 無(wú)線信號(hào)室內(nèi)路徑損耗計(jì)算表

表3 3G-TDD信號(hào)鏈路預(yù)算表

通過(guò)表2、表3預(yù)算可以得出結(jié)論,距發(fā)射天線20 m處,只要天線入口功率大于-7.7 dB(m),即可保證接收?qǐng)鰪?qiáng)大于-85 dB(m),滿足3G-TDD覆蓋要求。

4 信號(hào)切換分析

4.1 出入站臺(tái)、站廳的信號(hào)切換

乘客乘坐自動(dòng)扶梯出入站臺(tái)站廳時(shí),由于自動(dòng)扶梯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生瑞利衰落,以及人群擁擠而產(chǎn)生的信號(hào)衰落,使手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度銳減,造成信號(hào)重疊區(qū)域(切換區(qū))不夠,易造成用戶通話中斷。

中國(guó)移動(dòng)用戶出入站臺(tái)的過(guò)程分析如下:

乘客進(jìn)入站臺(tái)時(shí),自動(dòng)扶梯運(yùn)行4 s,乘客前進(jìn)2 s后地鐵站廳與站臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)相等。自動(dòng)扶梯運(yùn)行的速度通常為1.5 m/s,則乘客走入地鐵口的距離為2 s×1.5 m/s=3 m。設(shè)計(jì)時(shí)只要確保乘客進(jìn)入站臺(tái)3 m、站臺(tái)信號(hào)電平在-75 d B(m)以上,即可保證乘客經(jīng)過(guò)地鐵出入口時(shí)信號(hào)平穩(wěn)切換。此外,在保證出入口信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí),確保各出入口10 m外泄漏電平值不高于-80 dB(m)。

乘客進(jìn)入站廳時(shí)信號(hào)切換情況可作類似分析。

因此,只要通過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì),完全可以保證乘客出入站臺(tái)站廳時(shí)信號(hào)的順暢切換。

4.2 列車在隧道內(nèi)行駛時(shí)通話信號(hào)的小區(qū)切換

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),在各站點(diǎn)間的隧道內(nèi)存在一段小區(qū)切換區(qū)域。即在隧道中運(yùn)行列車上的移動(dòng)臺(tái)通過(guò)來(lái)自不同基站信號(hào)的交會(huì)處時(shí)將會(huì)發(fā)生信號(hào)切換。隧道內(nèi)小區(qū)信號(hào)切換示意見(jiàn)圖3。

參考技術(shù)指標(biāo):按95%的位置概率且無(wú)身體接觸和非擁擠的情況下,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中區(qū)域最弱信號(hào)強(qiáng)度不低于-85 dB(m),確保了切換時(shí)不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)太弱而造成通話中斷。使兩站間整個(gè)區(qū)間的信號(hào)分布系統(tǒng)保持接通狀態(tài)。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)區(qū)間中段時(shí),原小區(qū)信號(hào)逐漸減弱,切入小區(qū)的信號(hào)逐漸增強(qiáng),沒(méi)有信號(hào)突然消失的情況,避免了移動(dòng)臺(tái)因?yàn)榍袚Q時(shí)間不足造成通話中斷。

圖3 隧道內(nèi)小區(qū)切換示意圖

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