時分同步碼分多址技術(shù)信號引入地鐵方案探討

陳 虎

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司,210008,南京∥工程師)

國家工業(yè)和信息化部于2009年1月7日發(fā)放第三代移動通信經(jīng)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(shù)的第三代移動通信(3G)業(yè)務(wù)經(jīng)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(chǎn)權(quán)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(shù)和軟件無線電(SDR)等技術(shù)融于其中。

1 TD-SCDMA信號引入地鐵背景

1.1 TD-SCDMA技術(shù)特點

TD-SCDMA是國際電信聯(lián)盟(ITU)正式發(fā)布的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)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(shù)優(yōu)勢于一體,是一種系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術(shù)。它采用了智能天線、聯(lián)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(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)。

TD-SCDMA為時分雙工(TDD)技術(shù)模式,在應(yīng)用范圍內(nèi)有其自身的特點:一是終端的移動速度受現(xiàn)有數(shù)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(nèi)時,頻譜利用率和系統(tǒng)容量可達最佳,在用戶容量不是很大的區(qū)域,基站最大覆蓋半徑可達30～40 km。

1.2 TD-SCDMA在國內(nèi)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(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè),開始TD一期網(wǎng)絡(luò)建設(shè),拉開了TD-SCDMA商用的步伐;2009年6月底,實現(xiàn)了包括國內(nèi)所有省會城市、直轄市和計劃單列市在內(nèi)的總共38個城市的 TD網(wǎng)絡(luò)覆蓋;規(guī)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(yōu)越性越來越得到政府和公眾的重視和認同。目前,國內(nèi)提供地鐵運營服務(wù)的城市有9個,正在建設(shè)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(shù)十個大中城市地鐵項目待批。地鐵已進入全面發(fā)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(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、無線通信需求量大等特點,因此地鐵內(nèi)的TD-SCDMA信號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、站廳、地下商業(yè)層和出入口通道等)、隧道區(qū)間和快速運動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)特點和容量等因素,制定可行方案和采取有效措施,才能實現(xiàn)TD-SCDMA在地鐵內(nèi)的信號引入。

2 TD-SCDMA系統(tǒng)指標及方案設(shè)計原則

2.1 TD系統(tǒng)指標要求

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)主要指標要求如下。

(1)覆蓋區(qū)內(nèi)無限可通率:移動臺在無線覆蓋區(qū)內(nèi)90%的位置及99%的時間可接入網(wǎng)絡(luò);

(2)語音業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)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(shè)計原則

TD-SCDMA信號引入地鐵時,設(shè)計方案應(yīng)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(tǒng)指標要求;

(2)區(qū)間設(shè)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(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(yù)算表

通過上述預(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)備進行組網(wǎng)覆蓋,根據(jù)區(qū)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(qū)間

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

圖1 小于930 m的隧道區(qū)間信號覆蓋模型

3.2.2 930～2 128 m的區(qū)間

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

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

圖2 930～2 128 m的隧道區(qū)間信號覆蓋模型

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行覆蓋。當采用泄漏電纜進行覆蓋時,其分析過程與區(qū)間鏈路預(yù)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(wèi)生部頒布的《環(huán)境電磁波衛(wèi)生標準》的規(guī)定,天線口輸入功率應(yīng)保證不超過15 dB(m)。現(xiàn)以距離天線最遠端距離為20 m作為基礎(chǔ),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(nèi)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(shù),(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(nèi)路徑損耗計算表

表3 3G-TDD信號鏈路預(yù)算表

通過表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(chǎn)生瑞利衰落,以及人群擁擠而產(chǎn)生的信號衰落,使手機信號強度銳減,造成信號重疊區(qū)域(切換區(qū))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(shè)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(jīng)過地鐵出入口時信號平穩(wěn)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(tǒng)設(shè)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(nèi)行駛時通話信號的小區(qū)切換

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計,在各站點間的隧道內(nèi)存在一段小區(qū)切換區(qū)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(fā)生信號切換。隧道內(nèi)小區(qū)信號切換示意見圖3。

參考技術(shù)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(tǒng)設(shè)計中區(qū)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(qū)間的信號分布系統(tǒng)保持接通狀態(tài)。當列車經(jīng)過區(qū)間中段時,原小區(qū)信號逐漸減弱,切入小區(qū)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(nèi)小區(qū)切換示意圖

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