铁路GSM-R系统电磁辐射计算分析及工程建议

徐 璟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

铁路GSM-R 数字移动通信系统(以下简称“铁路GSM-R 系统”)是集语音、低速数据传输的多业务无线通信平台。铁路沿线基站及中继设备作为无线电发射信源，存在电磁辐射。铁路GSM-R 系统的电磁辐射应保证满足国家规定的电磁辐射防护标准要求。电磁辐射来源基站，大型车站站房及动车所边跨室内分布系统、漏缆等。在工程设计及建设时要进行基站选址、铁塔高度选择、天线发射功率及角度设置等，这些因素均会影响电磁辐射的程度，需要综合相关因素，使电磁辐射满足防护标准。

本文通过介绍公众辐射控制极值要求计算方法，得出在不同场景下的满足电磁辐射标准极值距离，从而提出系统设计相关建议。

2 电磁辐射标准[1]

根据环境保护部及国家质量监督检验检疫总局颁布的中华人民共和国国家标准《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014），为控制电场、磁场、电磁场所致公众曝露，环境中电场、磁场、电磁场场量参数的均方根值应满足：

30 ～3 000 MHz 范围，电场强度12 V/m；磁场强度0.032 A/m；磁感应强度0.04 μT；等效平面波功率密度0.4 W/m2。在大气介质中，在相应的频率范围内，以上4 个参数是等效的。0.1 ～300 GHz的频率，场量参数是任意连续6 min 内的均方根值。

铁路GSM-R 系统使用频段[2]为885 ～889 MHz/930 ～934 MHz，公众曝露控制限值应遵从以上要求。为了方便计算，计算过程以等效平面波功率密度场量限值为标准。

3 铁路GSM-R系统适用天线[3]

根据中华人民共和国通信行业标准《移动通信系统天线技术条件》（YD/T 1059-2000），铁路GSM-R系统可使用标准中规定的频段为870 ～960 MHz的各种天线，分全向天线（2 种）、定向单极化天线（12 种）、定向±45°双极化天线（6 种），其中全向天线，双极化天线一般用于基站设备（BTS）及基站远端射频单元设备（RRU），定向单极化天线用于光纤直放站、漏泄同轴电缆终端天线等场景。此外，还有各种运用于室内分布系统的天线，此类天线对增益要求不高。

室外天线类型如表1 所示 。

4 GSM-R系统室外天线电磁辐射计算

1）室外天线方向性

GSM-R 系统室外天线使用较多的是增益为16.5 dB，半功率角65°和增益为16.5 dB，半功率角90°单（双）极化天线。某厂家实测的天线方向性图 如图1 所示。

表1 GSM-R系统各类室外天线在不同射频发射功率时电磁辐射控制限值距离计算汇总表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

图1 两种常用室外定向天线方向性图Fig.1 Directional diagram of two common outdoor directional antennas

为直观计算方便，可将天线方向性特性形象如图2 所示[4]。

图2 室外定向天线方向性示意图Fig.2 Directional diagram of outdoor directional antenna

2）天线馈线的损耗

从基站、直放站或RRU 设备到发射天线需使用馈线连接，一般采用7/8″馈线；铁路GSM-R 系统基站，一般采用全向小区，区间基站采用两副或以上的天线对不同方向的铁路区段进行无线覆盖，本次分析假设采用两副天线，需要采用功率分配器（或3 dB电桥）、避雷器、跳线等。各材料与器件引起的损耗如下：

功率分配器损耗（或3 dB 电桥）： 3.2 dB；

天线馈线损耗：按照60 m 长7/8″馈线，每100 m 传输损耗4 dB，馈线损耗为60×4/100=2.4(dB)

避雷器的插入损耗:0.1 dB;

跳线及接头损耗：0.3 dB;

工程施工损耗：0.2 dB;

馈线损耗为:LK=3.2+2.4+0.1+0.3+0.2=6.2 (dB)

3）天馈线系统的实际增益

4）基站、直放站等效辐射功率计算

当基站、直放站或射频拉远单元等信源的射频发射功率Pt（单位：W）经馈线输入至天线，对于60 m 馈线，其经过天馈线后最大方向（该方向天线增益为G dB）的等效辐射功率为：

铁路GSM-R 移动通信系统具有多种天线应用形式，可根据不同应用形式计算出等效辐射功率。

5）天线法线方向安全辐射限值距离

电磁辐射的强度达到电磁辐射规定标准指标Pd（单位： W/m2）时对应一个天线法线辐射方向（最大增益方向）的距离d0(单位：m)，当距离近于d0时，辐射功率密度强度高于辐射指标，该区域不能满足国家电磁辐射卫生标准；当距离远于d0时，辐射功率密度强度低于辐射指标，满足国家电磁卫生标准，视为安全区域，d0为安全辐射临界距离。如前述，标准规定，在一天24 h 内，环境电磁辐射的场量参数在任意连续6 min 内的平均值应满足功率密度小于0.4 W/m2， Pd按0.4 W/m2取值。

根据发射功率、天馈线有效增益及辐射功率密度Pd的关系：

当有效发射功率为Pt（单位：W）、有效增益为(G-6.2)dB、辐射控制限值按功率密度0.4 W/m2时：

结合天线方向性图，可计算出不同角度方向的公众曝露控制距离限值（或临界值），GSM-R 系统信号源采用不同功率及不同种类室外天线时，电磁辐射控制限值距离详见表1：“GSM-R 系统各类室外天线在不同射频发射功率时电磁辐射控制限值距离计算汇总表[5-7]”。

从汇总表中可看出，不同发射功率、天线、方向，其限值距离也不一样，法线方向的限值距离最大。运用较多的增益为16.5 dB 的天线，当信源的发射功率为60 W（实际应用中一般不会超过此值）时，法线方向的辐射限值距离为11.31 m。

5 GSM-R系统室内分布系统电磁辐射计算

对于室内分布系统，一般采用单极化全向吸顶天线进行室内无线信号覆盖，频段为806 ～960 MHz，天线平均增益为1.5 dBi，其方向性如图3 所示。当天线挂在房顶时，垂直面平均增益（大于30°辐射角范围）在室内空间是无意义的，天线垂直面平均增益（水平面与85°辐射角之间）指标为不小于1.2 dBi，与水平方向相近，因此，计算室内分布系统时，天线增益可直接取1.5 dBi 计算，由于天线增益不高，虽然在不同辐射角度存在一定误差，但不会影响对通信系统质量及电磁辐射要求的判断。

图3 室内吸顶天线方向性图Fig.3 Directional diagram of indoor celling antenna

假设天线口的输入功率为Pi（单位：W），通过对线路上不同指标的耦合器、衰减器等无源原件的选择，控制天线口的输入功率，以满足对公众电磁辐射卫生标准，因此在计算时可不考虑线路衰耗。那么，天线口输入功率Pi与电磁辐射临界安全距离d0（单位：m）之间的关系可以用下式表示：

对典型值计算的对应关系如表2 所示。

表2 室内分布系统天线功率与临界安全距离对应关系Tab.2 The correspondence between antenna power and extreme distance of indoor distribution system

根据房屋建筑规定，计算建筑面积的最低层高为2.2 m,如果以此来进行室内信号覆盖，考虑到人的高度大都低于2 m，因此，天线输入口功率不大于0.1 W（20 dBm）时，都能满足电磁辐射卫生标准。当然，根据室内覆盖信号质量的需求，在不高于辐射标准的前提下，天线输入端电平可以根据具体情况调低辐射标准。一般情况下，由于建筑室内空间有限，对于GSM-R 频段，可参照公网移动、联通、电信公司室内引入的做法，天线输入端电平控制在15 dBm 以内，既能满足约50 m 远的室内开阔空间覆盖，又能满足国家对公众暴露辐射控制限值要求。

6 漏缆区段电磁辐射计算

漏缆辐射强度与设备发射功率、漏缆电气特性（主要是传输衰耗、耦合衰耗）、传输距离、横向距离、辐射方向（GSM-R 系统采用辐射型漏缆）等因素相关。

铁路GSM-R 系统，一般采用辐射型漏缆，辐射型漏缆相对于耦合型漏缆，频带较窄，对特定的频带，传输效果较好，同时方向性更明显一些。但是，其漏缆方向性图与漏缆开槽槽型、开槽距离相关，不同的开槽情况会得到不同信号覆盖效果的方向性[8-9]。

根据《铁路通信漏泄同轴电缆》（TB/T3201-2015）技术指标要求，在距离电缆2 m 远处最佳覆盖方向的耦合损耗，Ⅱ型漏缆为68 dB，Ⅲ型漏缆69 dB，因此，对于即使高达50 W（47 dB）的信号源，通过漏缆进行无线信号覆盖，在距离漏缆2 m以外，其辐射场量已非常弱，在辐射控制限值之内。

由于漏缆一般设置在隧道及山区复杂地段，人烟稀少，根据漏缆的电气特性，在漏缆区段实际辐射场量也是很小的，因此在这里不再详细计算。

7 电磁辐射数据分析及相关设置建议

电磁辐射受多个参数的影响，如天馈系统参数（包括馈线与跳线的损耗、无源器件的损耗、天线的特性及增益、施工工程质量等）、设备发射功率等，在漏泄同轴电缆区段，受到漏缆传输、耦合衰耗、辐射点与信号源及漏缆的相对位置影响，当一个基站或中继设备建成、各种参数选定后，电磁辐射影响的临界距离与天线（辐射性漏缆）的方向图有较大的相关性。上面计算的是最大增益方向及半功率角方向的情况，事实上，根据前面介绍的计算方法和各种天线的方向性图，可以计算出任何角度、任何距离的电磁辐射场量指标。

根据以上对电磁辐射控制距离限值计算，在GSM-R 网络规划与建设中提出几点建议。

1）区间无线中继设备无人站建站时，除了满足相关技术规范以外，还应尽量远离村庄、居民区、人群聚集区域及场所，除保证满足辐射标准（12 m 以上可满足）外，还应考虑其他安全、环境整体协调、民俗等因素。建议尽量保证大于100 m。

2）对于车站基站室外天线架设高度至少应保证大于12 m,以满足和减小对车站公众人员辐射场量标准。

3）对通信距离要求较低的CIR 库检工区，不提倡将CIR 库检设备的室外天线当室内天线使用，以免对工作人员造成超标的电磁辐射。

4）虽然室内分布系统天线功率在0.1 W（20 dBm）时，基本满足辐射指标要求，设计时，建议依然采用通信运营商的常规做法，即室内天线口功率不大于15 dBm。

5）在漏缆区段，按现在工程实施情况，可以满足电磁辐射卫生标准，维持既有做法不变。