数字集群通信系统越区切换方案范文

1概述

城市轨道交通数字集群通信系统对越区切换的可靠性和传输延时有很高的要求，通信可靠性和延时将直接影响行车效率，甚至危及乘客安全。本文以城市轨道交通数字集群通信系统的建设和维护为背景，通过对越区切换过程进行分析，结合城市轨道交通运营组织的最新需求对越区切换方案进行优化设计，对既有系统的维护提供技术支持，同时对新线系统建设具有指导性意义。针对无线信号覆盖不均、列车高速移动导致的信道质量恶化问题，本文提出了“漏缆+直放站”的无线信号覆盖方式；针对切换延时和信道资源分配问题，通过分析城市轨道交通移动通信系统用户群特征，本文提出了基于信道预测预留的信道分配方案；同时为弱化越区切换失败导致的影响，本文结合城市轨道交通运营组织需要，提出了基于网络结构规划和系统参数调整的切换点优化方案。

2越区切换的干扰因素

城市轨道交通数字集群通信系统越区切换方案设计应综合考虑其干扰因素，主要如下。

2.1用户需求城市轨道交通数字集群通信系统属于专用集群系统（PMR）的范畴，由企业负责投资、建设和运营维护，其服务群体为运营组织相关人员，用户数量比一般移动通信系统小且可控，移动线路可预测和运营组织方式稳定等特性，同时运营组织方式直接影响越区切换方案的设计。

2.2应用场景为了保证高速列车的安全，城市轨道交通设备必须在全封闭的线路上运行，不设与社会车辆交叉通行的平交道口，其典型传播场景主要有高架桥（Viaduct）、路堑（Cutting）、隧道（Tunnel）等，由于应用场景空间较小、干扰较多且系统安全性要求高等制约因素，同时移动通信电波在空气中传播时，受到不同的地形地貌、建筑物、气候、其它电磁干扰以及通信终端移动速度等情况影响，会呈现不同的衰落特性。

2.3列车速度目前，我国城市轨道交通列车的运营速度已经达到120km/h（上海磁悬浮列车专线可达430km/h）。列车提速后，由于受到快速衰落、多普勒效应、列车材质对无线信号衰减等多种因素的影响，移动终端往往容易发生切换混乱、连接中断、异常掉话等现象，同时，由于城市轨道交通呈线性分布，无线覆盖小区较多，列车的快速移动导致移动终端频繁进行越区切换，极大地增大了信令信道溢出的风险。

3越区切换方案设计

根据城市轨道交通数字集群通信系统特点，结合新线建设和运营系统维护经验，通过对越区切换过程的深入分析，下面将从无线信号覆盖、越区切换点设置、信道分配管理三个方面进行越区切换方案设计。

3.1无线信号覆盖方案设计城市轨道交通“漏缆+直放站”无线信号覆盖方式由漏缆、直放站、基站、传输系统和无线主站（MSO）等设备组成，网络拓扑如图1所示。为满足城市轨道交通行车组织、指挥调度和紧急事件处理等信息安全、有效的传输，本方案在控制中心（OCC）和车辆段（DCC）设置无线主站（MSO），实现异地冗余，同时在沿线各站点设置无线基站，其中无线主站与基站之间通过专用传输系统（如SDH/OTN等）建立连接；各站点天馈系统由无线天线、漏缆、衰减器和耦合器等设备组成，采用无线天线实现车站出入口、站厅和设备房等片状区域的无线信号覆盖，采用漏缆进行轨行区域的无线信号覆盖。由于受电磁波频率和传输介质损耗等因素的制约，工程实践表明，无线信号强度及其质量随着传输距离的增大而减少，当传输距离大于2km时，覆盖指标明显恶化，直接影响越区切换的执行，为了改善切换性能，使得移动台(MobileStation，MS)能够具备更长的时间完成越区切换操作，降低小区边缘的信号质量抖动，较好地达到覆盖效率和覆盖效果的平衡，当超出2km时，采用增设光线直放站的方式进行信号覆盖区域扩展。

3.2切换点优化方案设计根据4.1节无线信号覆盖方案设计，采用“漏缆+直放站”进行无线信号覆盖时，无线信号损耗主要为设备接入损耗、漏缆传输损耗及多径衰落损耗，其中设备接入损耗（约3dB/接头）及多径衰落损耗（约4dB）相对固定。同时，在具体工程实践中可根据漏缆规格型号计算传输损耗，为越区切换点优化设计提供良好的理论基础和实现条件。城市轨道交通数字集群通信系统移动用户需在以站点为单位的小区之间、车辆段与正线区域之间、大小交路运营交汇点完成越区切换，同时应避免在车站物理区域、站台端头及车辆段内执行越区切换。切换点优化方案采用虚拟小区的方式进行网络规划，将相邻两个或多个小区虚拟成为一个管理小区，网络规划如图2所示。上图所示，系统将无线基站A和无线基站B划分为虚拟Zone1，无线基站C为虚拟Zone2，同一虚拟小区（Zone1）内各无线小区（无线基站A、B）资源动态分配或异地冗余，当且仅当无线用户从虚拟Zone2移动到虚拟Zone1时执行越区切换。

3.3信道预测预留方案设计城市轨道交通数字集群通信系统在设计时与信号列车自动监控系统（ATS）预留接口，ATS系统是列车自动控制系统的子系统，可监控列车运行状态、车次号、运行速度、加速度及位置等信息，为信道预测预留方案提供了接口条件。同时，由于城市轨道交通沿线车站及车辆段值班人员工作区域相对固定，且移动终端实行属地管理，在越区切换点合理设置情况下，只有极少一部分移动用户需进行越区切换，以广州市轨道交通新线建设规划为例，七号线无线用户规划数为292户，九号线无线用户规划数为257户，均远少于系统容量（10000户），为信道预测预留方案提供了系统条件。信道预测预留方案通过考察移动台的位置、运动状态来增加预测的准确性，从而改善越区切换掉话率。本方案将移动台当前服务小区和目标小区交界处设定为预测区域（PRA），其余区域则为非预测区域（None-PRA，NPRA）。为降低越区切换呼叫掉话率，移动台一旦进入预测区，就向目标小区发送越区切换请求，目标小区收到越区切换呼叫请求后优先分配信道资源，移动台将使用预留信道完成越区切换。根据城市轨道行业特点，无线小区沿线路车站带状分布，且所有小区大小相当、信道容量相同，同时列车运行具有方向性。下面将以Ck为例来进行解释说明，其中表示第k个无线小区（k为大于零的自然数）。为不失一般性，本文只考虑移动台向左运动的情况。当Ck中存在空闲信道时，Ck中产生的新呼叫以及Ck+1中的越区切换呼叫都可以使用Ck中的信道；而当Ck中的信道全部被占用时，就直接拒绝Ck中产生的新呼叫请求，而把Ck+1中的越区切换呼叫请求放入队列中等待信道分配。当满足以下三种情况时，越区切换呼叫请求将离开队列：第一，越区切换呼叫请求获得一个Ck中的信道；第二，越区切换呼叫在移动台进入Ck前已经结束；第三，当移动台进入Ck时，越区切换呼叫请求因没有获得信道而掉线。当越区切换呼叫请求在移动台进入Ck前已经结束或者移动台改变方向进入另一个小区时，就把Ck为Ck+1中越区切换呼叫请求所预留的信道释放掉。

4越区切换方案的实现

广州市轨道交通三号线是我国最早使用数字集群通信系统的地铁线路之一，同时是我国当时列车的运行速度最快的线路（磁悬浮列车除外），运营速度达120km/h。三号线使用TETRA数字集群通信系统，首通段（天客至番广段）完成系统主站及基础网络建设并于2005年开通运营，北延段（体西至机场南段）进行系统升级及网络扩容并于2010年开通运营，同时全线在2013年实现跨区域（ZONE）跨系统间的互联互通功能。本文以广州市轨道交通三号线TETRA系统为例，进行越区切换方案实现与测试。

4.1三号线数字集群通信系统概述三号线数字集群通信系统采用单区多基站结构，即在线路指挥中心设置MSO（异地冗余）并在各站点设置基站，以“漏缆+直放站”的方式进行无线信号覆盖，系统架构如图4所示。

4.2无线信号覆盖方案的实现根据设计要求，信号交叉点的信号强度须大于–99dBm。例如嘉禾至龙归区间无线覆盖设计，区间为地下隧道，站间距离为6236m。根据设备选型计算，无线覆盖设计。根据城市轨道交通地下隧道限界要求，区间无线信号覆盖设备的分布如图6所示。漏缆在隧道区间沿隧道壁挂设，其挂设高度距轨面不低于3.6m，每隔1m安装一个固定卡具或吊夹（包含防火卡具、防火吊夹）；在地面线路区间（高架区段），漏缆依照轨道限界要求沿疏散平台下挂设，每隔约1.3m（疏散平台下水泥墩台设计间隔）安装一个固定卡具。

4.3切换点优化方案的实现根据三号线运营组织方式，移动用户需在以站点为单位的小区之间、车辆段与正线区域之间、大小交路运营交汇点完成越区切换，同时应避免在车站物理区域、站台端头及车辆段内执行越区切换。综合考虑系统建设和维护特点，可从网络结构及参数设置两方面对越区切换点进行优化设置，越区切换参数设置如图7。△SRH（SlowReselectThreshold）是基站定义的触发切换的电平差值，一般设为8dB。根据工程实践经验，通过在区间中点的漏缆上加装一个不小于8dB的衰减器实现，场强测试效果如图8所示。

4.4信道预测预留方案的实现广州市轨道交通三号线数字集群通信系统MSO与信号系统（ATS子系统）通过一个独立的不带控制信号的RS422串行接口（DB9）相连，如图9所示：ATS向无线列调系统实时传送正线列车配置信息及位置信息，使得无线列调系统能实时跟踪具体列车的具体位置，以选择正确的无线基站与列车建立通信通道，实现控制中心与列车的无线通信。移动终端通过ATS提供的位置信息进行实时修正，以提高预测精度及切换成功率。

5结语

本文以城市轨道交通数字集群通信系统的建设和维护为背景，通过对越区切换过程进行分析，结合城市轨道交通运营组织的最新需求对越区切换方案进行探讨，对既有系统的维护提供技术支持，同时对新线系统建设具有指导性意义。但由于时间和水平有限，仍存在诸多不足之处，例如各专业接口及各厂家系统兼容性不一样，难以对越区切换信道预测进行定量分析，还望各位专家批评指正。

作者：何海升 单位：广州地铁集团有限公司