時分同步碼分多址技術信號引入地鐵方案探討

陳 虎

(南京地下鐵道有限責任公司,210008,南京∥工程師)

國家工業和信息化部于2009年1月7日發放第三代移動通信經營牌照,批準中國移動通信集團公司增加基于時分同步碼分多址(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,簡為TD-SCDMA)技術的第三代移動通信(3G)業務經營許可,我國的移動通信全面進入3G時代。TDSCDMA標準是第一個由中國提出的、以我國知識產權為主的、被國際上廣泛接受和認可的無線通信國際標準。該標準將智能天線、同步碼分多址(CDMA)技術和軟件無線電(SDR)等技術融于其中。

1 TD-SCDMA信號引入地鐵背景

1.1 TD-SCDMA技術特點

TD-SCDMA是國際電信聯盟(ITU)正式發布的第三代移動通信空間接口技術規范之一,它得到了中國無線通信標準研究組(CWTS)及“第三代合作伙伴項目”(3GPP)的全面支持。TD-SCDMA集CDMA、時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)等技術優勢于一體,是一種系統容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術。它采用了智能天線、聯合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴頻系統、自適應功率調整等技術。

TD-SCDMA為時分雙工(TDD)技術模式,在應用范圍內有其自身的特點:一是終端的移動速度受現有數字信號處理器(DSP)運算速度的限制,只能做到240 km/h;二是基站覆蓋半徑在15 km以內時,頻譜利用率和系統容量可達最佳,在用戶容量不是很大的區域,基站最大覆蓋半徑可達30～40 km。

1.2 TD-SCDMA在國內地鐵的運用

2007年,中國移動通信集團公司在10個城市進行大規模網絡建設,開始TD一期網絡建設,拉開了TD-SCDMA商用的步伐;2009年6月底,實現了包括國內所有省會城市、直轄市和計劃單列市在內的總共38個城市的 TD網絡覆蓋;規劃到2011年覆蓋全國所有地市。

地鐵是城市公共交通的重要形式,其優越性越來越得到政府和公眾的重視和認同。目前,國內提供地鐵運營服務的城市有9個,正在建設的城市有18個,共有25個城市地鐵項目獲得國家的批準,尚有數十個大中城市地鐵項目待批。地鐵已進入全面發展的快車道,正成為城市居民重要的生活場所。

地鐵運行在城市中心和城郊結合部。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,具有地下空間連續封閉、客流密度高、無線通信需求量大等特點,因此地鐵內的TD-SCDMA信號引入和覆蓋不同于室內和一般地下空間。在地鐵地下車站(包括站臺、站廳、地下商業層和出入口通道等)、隧道區間和快速運動的地鐵列車這些特殊的物理環境中,要結合 TD-SCDMA技術特點和容量等因素,制定可行方案和采取有效措施,才能實現TD-SCDMA在地鐵內的信號引入。

2 TD-SCDMA系統指標及方案設計原則

2.1 TD系統指標要求

在頻率資源足夠、設備支持的情況下,TD系統室內外采用異頻組網方式;在頻率資源緊張的情況下,也應保證與室外有切換關系的室內小區的主載頻與室外主載頻保持異頻。系統主要指標要求如下。

(1)覆蓋區內無限可通率:移動臺在無線覆蓋區內90%的位置及99%的時間可接入網絡;

(2)語音業務無線信道呼損:不高于2%;

(3)塊差錯率目標值(BLER Target):語音1%,CS64K0.1%～1%,PS數據5%～10%;

(4)基本公共控制信道接收信號碼功率: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 方案設計原則

TD-SCDMA信號引入地鐵時,設計方案應遵循以下原則:

(1)場強與信號嚴格按照邊緣場強標準計算,保證滿足系統指標要求;

(2)區間設備配置在滿足信號邊緣覆蓋場強要求的前提下,盡可能利用漏纜開斷處接入;

(3)避免使用干線放大器,減少噪聲引入;

(4)考慮將來的擴容,采用寬頻腔體耦合器、功分器和合路器等無源器件。

3 鏈路預算及覆蓋模型分析

3.1 隧道區間鏈路預算

TD射頻拉遠解決方案(TD NODE B)與遠端射頻單元(RRU)的覆蓋距離見表1。

表1 鏈路預算表

通過上述預算可得出如下結論:

基站有效覆蓋區間(max)=465 m×2=930 m

射頻拉遠模塊(RRU)有效覆蓋區間(max)=599 m×2=1 198 m

3.2 隧道區間覆蓋模型

地鐵隧道區間采用TD基站RRU設備進行組網覆蓋,根據區間長度分為不同覆蓋模型來考慮,分析如下。

3.2.1 小于930 m的區間

TD-SCDMA頻段信號系統無源覆蓋的最長距離為930 m,當隧道區間長度小于930 m時,可采用純無源覆蓋方式。區間覆蓋圖示見圖1。

圖1 小于930 m的隧道區間信號覆蓋模型

3.2.2 930～2 128 m的區間

TD-SCDMA頻段信號系統無源覆蓋的最長距離為930 m,當地鐵隧道區間長度大于930 m時,須在隧道區間內增設RRU,以延伸基站的覆蓋距離,滿足較長隧道區間內的無線信號覆蓋要求。

根據推算,TD-SCDMA頻段信號系統在區間內設置1～2套RRU后,可滿足覆蓋Lmax=(465+599)×2=2 128 m的區間。因此,當地鐵隧道區間長度介于930～2 128 m時,區間覆蓋圖示見圖2。

圖2 930～2 128 m的隧道區間信號覆蓋模型

3.3 站廳層上、下行鏈路預算

地下車站站廳公共區及出入口通道采用泄漏電纜及天線陣進行覆蓋。當采用泄漏電纜進行覆蓋時,其分析過程與區間鏈路預算相同,可完全滿足站廳覆蓋需求。當采用天線做站廳覆蓋時,分析如下。

為確保天線輻射功率符合中華人民共和國衛生部頒布的《環境電磁波衛生標準》的規定,天線口輸入功率應保證不超過15 dB(m)。現以距離天線最遠端距離為20 m作為基礎,對站廳信號鏈路進行分析。分析過程如下(見表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線信號室內路徑損耗附加因子模型。其遵循公式如下:

式中:

PL(d)——信號空間傳播損耗,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,(取 0.62,為模擬測試值),dB/m;

FAF——不同層路徑損耗附加值(取0),dB。

表2 無線信號室內路徑損耗計算表

表3 3G-TDD信號鏈路預算表

通過表2、表3預算可以得出結論,距發射天線20 m處,只要天線入口功率大于-7.7 dB(m),即可保證接收場強大于-85 dB(m),滿足3G-TDD覆蓋要求。

4 信號切換分析

4.1 出入站臺、站廳的信號切換

乘客乘坐自動扶梯出入站臺站廳時,由于自動扶梯運動產生瑞利衰落,以及人群擁擠而產生的信號衰落,使手機信號強度銳減,造成信號重疊區域(切換區)不夠,易造成用戶通話中斷。

中國移動用戶出入站臺的過程分析如下:

乘客進入站臺時,自動扶梯運行4 s,乘客前進2 s后地鐵站廳與站臺場強相等。自動扶梯運行的速度通常為1.5 m/s,則乘客走入地鐵口的距離為2 s×1.5 m/s=3 m。設計時只要確保乘客進入站臺3 m、站臺信號電平在-75 d B(m)以上,即可保證乘客經過地鐵出入口時信號平穩切換。此外,在保證出入口信號強度的同時,確保各出入口10 m外泄漏電平值不高于-80 dB(m)。

乘客進入站廳時信號切換情況可作類似分析。

因此,只要通過合理的系統設計,完全可以保證乘客出入站臺站廳時信號的順暢切換。

4.2 列車在隧道內行駛時通話信號的小區切換

根據系統設計,在各站點間的隧道內存在一段小區切換區域。即在隧道中運行列車上的移動臺通過來自不同基站信號的交會處時將會發生信號切換。隧道內小區信號切換示意見圖3。

參考技術指標:按95%的位置概率且無身體接觸和非擁擠的情況下,在系統設計中區域最弱信號強度不低于-85 dB(m),確保了切換時不會因為信號太弱而造成通話中斷。使兩站間整個區間的信號分布系統保持接通狀態。當列車經過區間中段時,原小區信號逐漸減弱,切入小區的信號逐漸增強,沒有信號突然消失的情況,避免了移動臺因為切換時間不足造成通話中斷。

圖3 隧道內小區切換示意圖

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