鐵路GSM-R系統電磁輻射計算分析及工程建議

徐 璟

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

鐵路GSM-R 數字移動通信系統(以下簡稱“鐵路GSM-R 系統”)是集語音、低速數據傳輸的多業務無線通信平臺。鐵路沿線基站及中繼設備作為無線電發射信源，存在電磁輻射。鐵路GSM-R 系統的電磁輻射應保證滿足國家規定的電磁輻射防護標準要求。電磁輻射來源基站，大型車站站房及動車所邊跨室內分布系統、漏纜等。在工程設計及建設時要進行基站選址、鐵塔高度選擇、天線發射功率及角度設置等，這些因素均會影響電磁輻射的程度，需要綜合相關因素，使電磁輻射滿足防護標準。

本文通過介紹公眾輻射控制極值要求計算方法，得出在不同場景下的滿足電磁輻射標準極值距離，從而提出系統設計相關建議。

2 電磁輻射標準[1]

根據環境保護部及國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的中華人民共和國國家標準《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014），為控制電場、磁場、電磁場所致公眾曝露，環境中電場、磁場、電磁場場量參數的均方根值應滿足：

30 ～3 000 MHz 范圍，電場強度12 V/m；磁場強度0.032 A/m；磁感應強度0.04 μT；等效平面波功率密度0.4 W/m2。在大氣介質中，在相應的頻率范圍內，以上4 個參數是等效的。0.1 ～300 GHz的頻率，場量參數是任意連續6 min 內的均方根值。

鐵路GSM-R 系統使用頻段[2]為885 ～889 MHz/930 ～934 MHz，公眾曝露控制限值應遵從以上要求。為了方便計算，計算過程以等效平面波功率密度場量限值為標準。

3 鐵路GSM-R系統適用天線[3]

根據中華人民共和國通信行業標準《移動通信系統天線技術條件》（YD/T 1059-2000），鐵路GSM-R系統可使用標準中規定的頻段為870 ～960 MHz的各種天線，分全向天線（2 種）、定向單極化天線（12 種）、定向±45°雙極化天線（6 種），其中全向天線，雙極化天線一般用于基站設備（BTS）及基站遠端射頻單元設備（RRU），定向單極化天線用于光纖直放站、漏泄同軸電纜終端天線等場景。此外，還有各種運用于室內分布系統的天線，此類天線對增益要求不高。

室外天線類型如表1 所示 。

4 GSM-R系統室外天線電磁輻射計算

1）室外天線方向性

GSM-R 系統室外天線使用較多的是增益為16.5 dB，半功率角65°和增益為16.5 dB，半功率角90°單（雙）極化天線。某廠家實測的天線方向性圖 如圖1 所示。

表1 GSM-R系統各類室外天線在不同射頻發射功率時電磁輻射控制限值距離計算匯總表Tab.1 Summary table of electromagnetic radiation control limit distance calculation of all kinds of outdoor antennas in GSM-R system under different RF emission power

圖1 兩種常用室外定向天線方向性圖Fig.1 Directional diagram of two common outdoor directional antennas

為直觀計算方便，可將天線方向性特性形象如圖2 所示[4]。

圖2 室外定向天線方向性示意圖Fig.2 Directional diagram of outdoor directional antenna

2）天線饋線的損耗

從基站、直放站或RRU 設備到發射天線需使用饋線連接，一般采用7/8″饋線；鐵路GSM-R 系統基站，一般采用全向小區，區間基站采用兩副或以上的天線對不同方向的鐵路區段進行無線覆蓋，本次分析假設采用兩副天線，需要采用功率分配器（或3 dB電橋）、避雷器、跳線等。各材料與器件引起的損耗如下：

功率分配器損耗（或3 dB 電橋）： 3.2 dB；

天線饋線損耗：按照60 m 長7/8″饋線，每100 m 傳輸損耗4 dB，饋線損耗為60×4/100=2.4(dB)

避雷器的插入損耗:0.1 dB;

跳線及接頭損耗：0.3 dB;

工程施工損耗：0.2 dB;

饋線損耗為:LK=3.2+2.4+0.1+0.3+0.2=6.2 (dB)

3）天饋線系統的實際增益

4）基站、直放站等效輻射功率計算

當基站、直放站或射頻拉遠單元等信源的射頻發射功率Pt（單位：W）經饋線輸入至天線，對于60 m 饋線，其經過天饋線后最大方向（該方向天線增益為G dB）的等效輻射功率為：

鐵路GSM-R 移動通信系統具有多種天線應用形式，可根據不同應用形式計算出等效輻射功率。

5）天線法線方向安全輻射限值距離

電磁輻射的強度達到電磁輻射規定標準指標Pd（單位： W/m2）時對應一個天線法線輻射方向（最大增益方向）的距離d0(單位：m)，當距離近于d0時，輻射功率密度強度高于輻射指標，該區域不能滿足國家電磁輻射衛生標準；當距離遠于d0時，輻射功率密度強度低于輻射指標，滿足國家電磁衛生標準，視為安全區域，d0為安全輻射臨界距離。如前述，標準規定，在一天24 h 內，環境電磁輻射的場量參數在任意連續6 min 內的平均值應滿足功率密度小于0.4 W/m2， Pd按0.4 W/m2取值。

根據發射功率、天饋線有效增益及輻射功率密度Pd的關系：

當有效發射功率為Pt（單位：W）、有效增益為(G-6.2)dB、輻射控制限值按功率密度0.4 W/m2時：

結合天線方向性圖，可計算出不同角度方向的公眾曝露控制距離限值（或臨界值），GSM-R 系統信號源采用不同功率及不同種類室外天線時，電磁輻射控制限值距離詳見表1：“GSM-R 系統各類室外天線在不同射頻發射功率時電磁輻射控制限值距離計算匯總表[5-7]”。

從匯總表中可看出，不同發射功率、天線、方向，其限值距離也不一樣，法線方向的限值距離最大。運用較多的增益為16.5 dB 的天線，當信源的發射功率為60 W（實際應用中一般不會超過此值）時，法線方向的輻射限值距離為11.31 m。

5 GSM-R系統室內分布系統電磁輻射計算

對于室內分布系統，一般采用單極化全向吸頂天線進行室內無線信號覆蓋，頻段為806 ～960 MHz，天線平均增益為1.5 dBi，其方向性如圖3 所示。當天線掛在房頂時，垂直面平均增益（大于30°輻射角范圍）在室內空間是無意義的，天線垂直面平均增益（水平面與85°輻射角之間）指標為不小于1.2 dBi，與水平方向相近，因此，計算室內分布系統時，天線增益可直接取1.5 dBi 計算，由于天線增益不高，雖然在不同輻射角度存在一定誤差，但不會影響對通信系統質量及電磁輻射要求的判斷。

圖3 室內吸頂天線方向性圖Fig.3 Directional diagram of indoor celling antenna

假設天線口的輸入功率為Pi（單位：W），通過對線路上不同指標的耦合器、衰減器等無源原件的選擇，控制天線口的輸入功率，以滿足對公眾電磁輻射衛生標準，因此在計算時可不考慮線路衰耗。那么，天線口輸入功率Pi與電磁輻射臨界安全距離d0（單位：m）之間的關系可以用下式表示：

對典型值計算的對應關系如表2 所示。

表2 室內分布系統天線功率與臨界安全距離對應關系Tab.2 The correspondence between antenna power and extreme distance of indoor distribution system

根據房屋建筑規定，計算建筑面積的最低層高為2.2 m,如果以此來進行室內信號覆蓋，考慮到人的高度大都低于2 m，因此，天線輸入口功率不大于0.1 W（20 dBm）時，都能滿足電磁輻射衛生標準。當然，根據室內覆蓋信號質量的需求，在不高于輻射標準的前提下，天線輸入端電平可以根據具體情況調低輻射標準。一般情況下，由于建筑室內空間有限，對于GSM-R 頻段，可參照公網移動、聯通、電信公司室內引入的做法，天線輸入端電平控制在15 dBm 以內，既能滿足約50 m 遠的室內開闊空間覆蓋，又能滿足國家對公眾暴露輻射控制限值要求。

6 漏纜區段電磁輻射計算

漏纜輻射強度與設備發射功率、漏纜電氣特性（主要是傳輸衰耗、耦合衰耗）、傳輸距離、橫向距離、輻射方向（GSM-R 系統采用輻射型漏纜）等因素相關。

鐵路GSM-R 系統，一般采用輻射型漏纜，輻射型漏纜相對于耦合型漏纜，頻帶較窄，對特定的頻帶，傳輸效果較好，同時方向性更明顯一些。但是，其漏纜方向性圖與漏纜開槽槽型、開槽距離相關，不同的開槽情況會得到不同信號覆蓋效果的方向性[8-9]。

根據《鐵路通信漏泄同軸電纜》（TB/T3201-2015）技術指標要求，在距離電纜2 m 遠處最佳覆蓋方向的耦合損耗，Ⅱ型漏纜為68 dB，Ⅲ型漏纜69 dB，因此，對于即使高達50 W（47 dB）的信號源，通過漏纜進行無線信號覆蓋，在距離漏纜2 m以外，其輻射場量已非常弱，在輻射控制限值之內。

由于漏纜一般設置在隧道及山區復雜地段，人煙稀少，根據漏纜的電氣特性，在漏纜區段實際輻射場量也是很小的，因此在這里不再詳細計算。

7 電磁輻射數據分析及相關設置建議

電磁輻射受多個參數的影響，如天饋系統參數（包括饋線與跳線的損耗、無源器件的損耗、天線的特性及增益、施工工程質量等）、設備發射功率等，在漏泄同軸電纜區段，受到漏纜傳輸、耦合衰耗、輻射點與信號源及漏纜的相對位置影響，當一個基站或中繼設備建成、各種參數選定后，電磁輻射影響的臨界距離與天線（輻射性漏纜）的方向圖有較大的相關性。上面計算的是最大增益方向及半功率角方向的情況，事實上，根據前面介紹的計算方法和各種天線的方向性圖，可以計算出任何角度、任何距離的電磁輻射場量指標。

根據以上對電磁輻射控制距離限值計算，在GSM-R 網絡規劃與建設中提出幾點建議。

1）區間無線中繼設備無人站建站時，除了滿足相關技術規范以外，還應盡量遠離村莊、居民區、人群聚集區域及場所，除保證滿足輻射標準（12 m 以上可滿足）外，還應考慮其他安全、環境整體協調、民俗等因素。建議盡量保證大于100 m。

2）對于車站基站室外天線架設高度至少應保證大于12 m,以滿足和減小對車站公眾人員輻射場量標準。

3）對通信距離要求較低的CIR 庫檢工區，不提倡將CIR 庫檢設備的室外天線當室內天線使用，以免對工作人員造成超標的電磁輻射。

4）雖然室內分布系統天線功率在0.1 W（20 dBm）時，基本滿足輻射指標要求，設計時，建議依然采用通信運營商的常規做法，即室內天線口功率不大于15 dBm。

5）在漏纜區段，按現在工程實施情況，可以滿足電磁輻射衛生標準，維持既有做法不變。