徐 璟

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

鐵路GSM-R 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“鐵路GSM-R 系統(tǒng)”)是集語(yǔ)音、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄻I(yè)務(wù)無(wú)線通信平臺(tái)。鐵路沿線基站及中繼設(shè)備作為無(wú)線電發(fā)射信源，存在電磁輻射。鐵路GSM-R 系統(tǒng)的電磁輻射應(yīng)保證滿足國(guó)家規(guī)定的電磁輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。電磁輻射來(lái)源基站，大型車(chē)站站房及動(dòng)車(chē)所邊跨室內(nèi)分布系統(tǒng)、漏纜等。在工程設(shè)計(jì)及建設(shè)時(shí)要進(jìn)行基站選址、鐵塔高度選擇、天線發(fā)射功率及角度設(shè)置等，這些因素均會(huì)影響電磁輻射的程度，需要綜合相關(guān)因素，使電磁輻射滿足防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

本文通過(guò)介紹公眾輻射控制極值要求計(jì)算方法，得出在不同場(chǎng)景下的滿足電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)極值距離，從而提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)建議。

2 電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)[1]

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部及國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014），為控制電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)所致公眾曝露，環(huán)境中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)場(chǎng)量參數(shù)的均方根值應(yīng)滿足：

30 ～3 000 MHz 范圍，電場(chǎng)強(qiáng)度12 V/m；磁場(chǎng)強(qiáng)度0.032 A/m；磁感應(yīng)強(qiáng)度0.04 μT；等效平面波功率密度0.4 W/m2。在大氣介質(zhì)中，在相應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，以上4 個(gè)參數(shù)是等效的。0.1 ～300 GHz的頻率，場(chǎng)量參數(shù)是任意連續(xù)6 min 內(nèi)的均方根值。

鐵路GSM-R 系統(tǒng)使用頻段[2]為885 ～889 MHz/930 ～934 MHz，公眾曝露控制限值應(yīng)遵從以上要求。為了方便計(jì)算，計(jì)算過(guò)程以等效平面波功率密度場(chǎng)量限值為標(biāo)準(zhǔn)。

3 鐵路GSM-R系統(tǒng)適用天線[3]

根據(jù)中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《移動(dòng)通信系統(tǒng)天線技術(shù)條件》（YD/T 1059-2000），鐵路GSM-R系統(tǒng)可使用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(shè)備（BTS）及基站遠(yuǎn)端射頻單元設(shè)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(chǎng)景。此外，還有各種運(yùn)用于室內(nèi)分布系統(tǒng)的天線，此類天線對(duì)增益要求不高。

室外天線類型如表1 所示 。

4 GSM-R系統(tǒng)室外天線電磁輻射計(jì)算

1）室外天線方向性

GSM-R 系統(tǒng)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(shí)測(cè)的天線方向性圖 如圖1 所示。

表1 GSM-R系統(tǒng)各類室外天線在不同射頻發(fā)射功率時(shí)電磁輻射控制限值距離計(jì)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(jì)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(shè)備到發(fā)射天線需使用饋線連接，一般采用7/8″饋線；鐵路GSM-R 系統(tǒng)基站，一般采用全向小區(qū)，區(qū)間基站采用兩副或以上的天線對(duì)不同方向的鐵路區(qū)段進(jìn)行無(wú)線覆蓋，本次分析假設(shè)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(zhǎng)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(tǒng)的實(shí)際增益

4）基站、直放站等效輻射功率計(jì)算

當(dāng)基站、直放站或射頻拉遠(yuǎn)單元等信源的射頻發(fā)射功率Pt（單位：W）經(jīng)饋線輸入至天線，對(duì)于60 m 饋線，其經(jīng)過(guò)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(dòng)通信系統(tǒng)具有多種天線應(yīng)用形式，可根據(jù)不同應(yīng)用形式計(jì)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(qiáng)度達(dá)到電磁輻射規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)Pd（單位： W/m2）時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)天線法線輻射方向（最大增益方向）的距離d0(單位：m)，當(dāng)距離近于d0時(shí)，輻射功率密度強(qiáng)度高于輻射指標(biāo)，該區(qū)域不能滿足國(guó)家電磁輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)距離遠(yuǎn)于d0時(shí)，輻射功率密度強(qiáng)度低于輻射指標(biāo)，滿足國(guó)家電磁衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，視為安全區(qū)域，d0為安全輻射臨界距離。如前述，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在一天24 h 內(nèi)，環(huán)境電磁輻射的場(chǎng)量參數(shù)在任意連續(xù)6 min 內(nèi)的平均值應(yīng)滿足功率密度小于0.4 W/m2， Pd按0.4 W/m2取值。

根據(jù)發(fā)射功率、天饋線有效增益及輻射功率密度Pd的關(guān)系：

當(dāng)有效發(fā)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(shí)：

結(jié)合天線方向性圖，可計(jì)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(tǒng)信號(hào)源采用不同功率及不同種類室外天線時(shí)，電磁輻射控制限值距離詳見(jiàn)表1：“GSM-R 系統(tǒng)各類室外天線在不同射頻發(fā)射功率時(shí)電磁輻射控制限值距離計(jì)算匯總表[5-7]”。

從匯總表中可看出，不同發(fā)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(yùn)用較多的增益為16.5 dB 的天線，當(dāng)信源的發(fā)射功率為60 W（實(shí)際應(yīng)用中一般不會(huì)超過(guò)此值）時(shí)，法線方向的輻射限值距離為11.31 m。

5 GSM-R系統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)電磁輻射計(jì)算

對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng)，一般采用單極化全向吸頂天線進(jìn)行室內(nèi)無(wú)線信號(hào)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(dāng)天線掛在房頂時(shí)，垂直面平均增益（大于30°輻射角范圍）在室內(nèi)空間是無(wú)意義的，天線垂直面平均增益（水平面與85°輻射角之間）指標(biāo)為不小于1.2 dBi，與水平方向相近，因此，計(jì)算室內(nèi)分布系統(tǒng)時(shí)，天線增益可直接取1.5 dBi 計(jì)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(huì)影響對(duì)通信系統(tǒng)質(zhì)量及電磁輻射要求的判斷。

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

假設(shè)天線口的輸入功率為Pi（單位：W），通過(guò)對(duì)線路上不同指標(biāo)的耦合器、衰減器等無(wú)源原件的選擇，控制天線口的輸入功率，以滿足對(duì)公眾電磁輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，因此在計(jì)算時(shí)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(guān)系可以用下式表示：

對(duì)典型值計(jì)算的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 室內(nèi)分布系統(tǒng)天線功率與臨界安全距離對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 The correspondence between antenna power and extreme distance of indoor distribution system

根據(jù)房屋建筑規(guī)定，計(jì)算建筑面積的最低層高為2.2 m,如果以此來(lái)進(jìn)行室內(nèi)信號(hào)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(shí)，都能滿足電磁輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，根據(jù)室內(nèi)覆蓋信號(hào)質(zhì)量的需求，在不高于輻射標(biāo)準(zhǔn)的前提下，天線輸入端電平可以根據(jù)具體情況調(diào)低輻射標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，由于建筑室內(nèi)空間有限，對(duì)于GSM-R 頻段，可參照公網(wǎng)移動(dòng)、聯(lián)通、電信公司室內(nèi)引入的做法，天線輸入端電平控制在15 dBm 以內(nèi)，既能滿足約50 m 遠(yuǎn)的室內(nèi)開(kāi)闊空間覆蓋，又能滿足國(guó)家對(duì)公眾暴露輻射控制限值要求。

6 漏纜區(qū)段電磁輻射計(jì)算

漏纜輻射強(qiáng)度與設(shè)備發(fā)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(tǒng)采用輻射型漏纜）等因素相關(guān)。

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

根據(jù)《鐵路通信漏泄同軸電纜》（TB/T3201-2015）技術(shù)指標(biāo)要求，在距離電纜2 m 遠(yuǎn)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(duì)于即使高達(dá)50 W（47 dB）的信號(hào)源，通過(guò)漏纜進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，在距離漏纜2 m以外，其輻射場(chǎng)量已非常弱，在輻射控制限值之內(nèi)。

由于漏纜一般設(shè)置在隧道及山區(qū)復(fù)雜地段，人煙稀少，根據(jù)漏纜的電氣特性，在漏纜區(qū)段實(shí)際輻射場(chǎng)量也是很小的，因此在這里不再詳細(xì)計(jì)算。

7 電磁輻射數(shù)據(jù)分析及相關(guān)設(shè)置建議

電磁輻射受多個(gè)參數(shù)的影響，如天饋系統(tǒng)參數(shù)（包括饋線與跳線的損耗、無(wú)源器件的損耗、天線的特性及增益、施工工程質(zhì)量等）、設(shè)備發(fā)射功率等，在漏泄同軸電纜區(qū)段，受到漏纜傳輸、耦合衰耗、輻射點(diǎn)與信號(hào)源及漏纜的相對(duì)位置影響，當(dāng)一個(gè)基站或中繼設(shè)備建成、各種參數(shù)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(guān)性。上面計(jì)算的是最大增益方向及半功率角方向的情況，事實(shí)上，根據(jù)前面介紹的計(jì)算方法和各種天線的方向性圖，可以計(jì)算出任何角度、任何距離的電磁輻射場(chǎng)量指標(biāo)。

根據(jù)以上對(duì)電磁輻射控制距離限值計(jì)算，在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)中提出幾點(diǎn)建議。

1）區(qū)間無(wú)線中繼設(shè)備無(wú)人站建站時(shí)，除了滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范以外，還應(yīng)盡量遠(yuǎn)離村莊、居民區(qū)、人群聚集區(qū)域及場(chǎng)所，除保證滿足輻射標(biāo)準(zhǔn)（12 m 以上可滿足）外，還應(yīng)考慮其他安全、環(huán)境整體協(xié)調(diào)、民俗等因素。建議盡量保證大于100 m。

2）對(duì)于車(chē)站基站室外天線架設(shè)高度至少應(yīng)保證大于12 m,以滿足和減小對(duì)車(chē)站公眾人員輻射場(chǎng)量標(biāo)準(zhǔn)。

3）對(duì)通信距離要求較低的CIR 庫(kù)檢工區(qū)，不提倡將CIR 庫(kù)檢設(shè)備的室外天線當(dāng)室內(nèi)天線使用，以免對(duì)工作人員造成超標(biāo)的電磁輻射。

4）雖然室內(nèi)分布系統(tǒng)天線功率在0.1 W（20 dBm）時(shí)，基本滿足輻射指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)時(shí)，建議依然采用通信運(yùn)營(yíng)商的常規(guī)做法，即室內(nèi)天線口功率不大于15 dBm。

5）在漏纜區(qū)段，按現(xiàn)在工程實(shí)施情況，可以滿足電磁輻射衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，維持既有做法不變。