摘要：
地铁作为缓解城市交通压力的有效手段，已成为首选的市内交通方式。首先论述了地铁建设的背景和地铁通信系统的重要性，介绍了地铁通信系统的结构，并对比地铁通信系统的隧道覆盖方案，分别给出了地铁通信系统中GSM系统和TD-SCDMA系统切换的计算方法，最后对地铁建设中应注意的问题进行了说明。
关键词：
地铁通信系统；隧道覆盖；切换
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1005-3824（2014）01-0046-03
0 引 言
随着我国城市化进程的不断发展，城市人口不断增长，城市交通出行总量剧增。而城市边缘和远郊地区的城市化发展，又出现了长距离出行的需求，传统的公共交通方式在满足市民出行需求方面就显得捉襟见肘。为解决上述问题，需要扩大城市公共交通系统的内容和能力，构筑城市立体交通体系，因此，地铁作为城市立体交通体系的重要组成部分，受到越来越多城市的青睐[1]。
在已建成地铁系统的城市中，地铁已逐渐成为市民出行首选的交通方式并成为城市交通的骨干，地铁区域已成为城市中重要的人员流动及活动场所。为保证公众的通信需求，在地铁建设过程中需合理设计地铁通信系统。地铁通信系统不但可以满足地铁用户日常的语音和数据通信需求，还能够作为地铁应急通信系统的重要补充，在紧急情况下分担地铁应急系统的通信需求。
1 地铁通信系统结构
地铁公用通信系统将各运营商的无线信号延伸和覆盖，其覆盖范围应包含地铁的公共区域即地下车站和地下区间隧道，如图1所示。
各运营商在地铁站的商用通信机房自建或共建通信基站，基站的下行信号由多系统合路平台（point of interface，POI）合路后分别传送至站台、站厅、隧道、出入口及商业区，完成无线信号的下行覆盖；反之来自站台、站厅、隧道、出入口及商业区的上行信号通过POI合路后，再分别传输至各运营商基站的上行信号接收端，完成无线信号的上行传输[2-3]。
与一般公共通信系统不同，地铁公共通信系统往往与地铁专用通信管理系统共存，而地铁专用通信管理系统与乘客的安全密切相关，因此地铁公共通信系统需要更好的屏蔽效果；同时，地铁公共通信系统中隧道部分占很大的比例，这就对设备的可靠性提出了更高的要求[4]。
2 地铁通信系统隧道覆盖方案
在地铁通信系统中，隧道区域无线信号覆盖对系统的通信质量具有重要的影响。目前在地铁通信系统建设中，有3种天馈系统常用于隧道覆盖，即同轴馈电无源分布式天线、光纤馈电有源分布式天线、泄漏电缆[5-6]。
1）同轴馈电无源分布式天线。
同轴馈电无源分布式天线用于室内覆盖具有设计灵活、价格相对低廉、安装方便的特点。同轴馈电无源分布式天线的馈管衰减较小，天线增益受限于安装条件。因此在安装环境允许的条件下，采用高增益天线可扩大覆盖范围。
2）光纤馈电有源分布式天线。
与同轴馈电无源分布式天线相比，光纤馈电有源分布式天线多用于某些复杂的隧道覆盖环境中。需要注意的是有源天线的单载频最大输出功率一般不大于150 mW，而无源天线却能够达到几十瓦。因此就覆盖范围而言，单个有源天线弱于无源天线。
3）泄漏电缆。
泄漏电缆是在同轴电缆上设计多个窗口，使信号通过窗口辐射进而达到覆盖的效果。泄漏电缆可减小信号阴影及遮挡，在复杂的隧道中信号波动范围减小，泄漏电缆比其它天馈系统的信号衰减程度小。泄漏电缆本质上是一宽带系统，多种无线制式可共用一条泄漏电缆，因此在多系统共建的隧道工程中铺设泄漏电缆，能够有效降低工程安装的复杂度。
同轴馈电无源分布式天线、光纤馈电有源分布式天线、泄漏电缆的适用场景和优缺点如表1所示。
3 地铁通信系统的切换
切换是指终端从一个小区移动到另一个小区时，无线信号自动转换的处理过程。CDMA、WCDMA、CDMA2000系统为软切换，GSM系统为硬切换，TD-SCDMA系统为接力切换[7]。本文主要对地铁通信系统中GSM系统和TD-SCDMA系统的切换进行介绍。
3.1 GSM系统的切换
列车在隧道内运行和行人在进出地铁站时都会发生切换。而列车进、出隧道时发生的切换可以采用站台和隧道共小区的覆盖方式予以避免。下面将分别予以阐述。
1）列车在隧道中运行时的切换。
列车由甲站向乙站运行时，甲站的信号逐渐减弱，乙站的信号逐渐增强。由于隧道内的电磁环境比较纯净且信号强度变化非常规律，切换测量的计算速度和准确性都很高，因此提高越区切换测量的场强门限就可以使越区切换测量提前进行。
这就使邻小区场强与本小区场强的差值减小，在邻小区信号质量C2略好于本小区信号质量C1时启动终端进行快速切换。减少C1和C2的测量计算时间，可以使终端尽快找到合适的邻区并尽早进行越区切换，避免掉话现象。
根据相关规定，切换区应满足12 s的最差要求，且隧道内切换点的场强应大于-90 dBm。考虑列车运行设计时速为80 km/h，则场强重叠区的最大值为266 m。
以泄漏电缆为例，在通常情况下，本小区与相邻小区的信号在泄漏电缆中的传输损耗是相同的，因此它们的场强衰减特性曲线相对于它们的交点是对称的，所以泄漏电缆的切换损耗余量可由本小区与相邻小区各负担一半，即266 m×1/2=133 m。
参考1-5/8泄漏电缆，在900 MHz频段的传输损耗为22.6 dB/km，越区切换损耗余量为22.6×133/1 000=3（dB），切换情况分析如图2所示。图2中Vmin是移动台最低允许接收电平，在a点终端开始计算越区切换测量，在b点终端快速进行越区切换，整个切换过程在a与b之间进行。
3.2 TD-SCDMA系统的切换
影响TD-SCDMA系统切换时延的主要因素有测量周期、迟滞时间和切换执行时间。根据规范3GPP TS25.123规定，TD-SCDMA异频测量周期是480 ms，迟滞时间范围是640～1 280 ms，切换执行时间为500～1 000 ms。因此TD-SCDMA总的切换时延为1.5～3 s。
与GSM系统类似，下面对TD-SCDMA系统主要发生的2种切换予以详细分析。
1）列车在隧道中运行时的切换。
由于TD-SCDMA的切换时延约为1.5～3 s，切换带一般处于隧道中间，而此时地铁列车的速度通常较高。按峰值车速80 km/h计算，切换时延将形成33～66 m的切换距离。泄漏电缆的损耗按照-5 dB/100 m计算，则形成-3 dB的场强差需要60 m。综合考虑切换时延和触发切换所需的切换带距离要求，隧道内理论上应至少设计126 m的切换带。
地铁隧道方案设计中，设计目标值为PCCPCH-RSCP>=-85 dBm；PCCPCH-C/I>=-3 dB。理论上为满足切换时2个小区的相邻重叠覆盖区长度应不小于126 m。实际上信号变化存在快衰落，导致接力切换容易发生，为了保证切换的成功率，需要为切换电平余量增加一定的重叠覆盖距离，这样就能保证PCCPCH-RSCD>=-85 dBm时完成切换。
2）行人出入地铁站及换乘站切换。
假设地铁站出入口附近内外场强相等后自动扶梯运行6 s，终端移动的速度为3 m/s，则乘客走过出入口的切换时间为5.7 s，切换区域长为5.7 s×3 m/s=17.1 m。设计时只要确保乘客出入地铁站时切换信号电平在-85 dBm以上，即可保证平稳切换。乘客在站厅换乘时的切换情况与此相似。
4 总 结
随着通信技术的发展和城市轨道交通的快速建设，地铁通信的业务需求变得日益强烈，采用更加可靠、经济的通信技术将是地铁通信系统未来的发展方向，而地铁隧道覆盖方案的选择和切换的设定将是保证地铁通信系统质量的重要因素，根据本文提出的方法设计隧道中GSM和TD-SCDMA系统的切换区域可以保证地铁乘客的通话质量。目前，在我国现有的地铁系统中，仍有部分线路无法实现公共通信系统的覆盖，其原因是在保障地铁系统正常运营的前提下，在已开通线路中进行通信网建设难度较大。这就要求在地铁线路建设初期，运营商主动与地铁公司沟通合作，以开放、合作的态度实现地铁通信系统的建设。
参考文献：
[1] 张自学.地铁通信系统组网方式的探讨[J].现代电信科技，2009，39（3）：68-71.
[2] 熊炜.上海地铁场景的通信覆盖系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.
[3] 周继博.哈尔滨地铁1号线一、二期工程专用无线通信系统频率规划及分析[J].通信管理与技术，2013（2）：22-25.
[4] YING Lu， LI Qiming. Safety risk analysis on subway operation based on socio-technical systems[C]// 2012 International Conference on Quality， Reliability， Risk， Maintenance， and Safety Engineering （ICQR2MSE）.Chengdu： ICQR2MSE，2012：189-193.
[5] 张怡.地铁通信的无线系统覆盖和网络优化[J].中国新通信，2013（11）：28-29.
[6] 张波.地铁通信传输系统的方案设计与研究[J].科技与企业，2012（11）：104.
[7] 熊飞，肖开宏.地铁环境下多种无线通信网络的实现[J].移动通信.2012（12）：77-81.
作者简介：
高 頔（1982-），男，河北石家庄人，硕士，主要研究方向为通信信号处理。
Construction of subway communication system
GAO Di， HAN Xiaoliang， LIU Peixin， YANG Zhihua
（Hebei Branch，China Mobile Group Design Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， P.R.China）
Abstract：Subway is the effective means of relieving urban traffic pressure and has become the first choice for intracity traffic. This paper first discusses the background of subway construction and the importance of subway communication systems. Then it introduces the construction of subway communication system and gives the comparison of subway tunnel coverage solutions in subway communication system. GSM and TD-SCDMA switch theory are described. Finally problems needing attention in subway construction are discussed.
Key words：subway communication system， tunnel coverage， switch
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