时速350km中国标准动车组车载天线的隔离度及最小排布间距

窦垭锡，李 毅，李 辉，鲍峻松，蔺 伟

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.南京保时利信息科技有限公司，江苏 南京 210012）

在动车组顶部安装天线，可以实现车载移动通信，满足车载信息实时传输的需求。各车载业务设备的通信模块与动车组车顶天线相连，在列车运行时，通过与地面通信设备间的信息交互，为列车运行控制、运输调度指挥、行车安全监控等业务提供实时可靠的车地间信息传输。以时速350 km 中国标准动车组为例，中国标准动车组上用到车顶天线的车载业务设备共计5种，分别是：列控系统超速防护设备（ATP）、机车综合无线通信设备（CIR）、车载地震紧急处置装置（CRES）、列控设备动态监测系统（DMS）和车载远程数据传输设备（WTD）等。为满足上述设备的正常工作，中国标准动车组在其第1 节车厢顶部，共安装有天线8副。

近年来，我国智能铁路相关技术正在快速发展，信息控制、信息指挥以及信息监测等方面的传送需求随之不断增加，可以预见，未来还将有一批新的业务设备［1］投入使用，这势必催生新的车载天线数量需求。但受动车组车厢长度制约，车顶空间有限，继续加装天线会导致天线间距离过近，从而产生天线间的电磁耦合干扰和车载设备通信模块间的杂散干扰［2］，影响通信链路的可靠性和车载设备的正常信息传输。因此，有必要对中国标准动车组车载天线隔离度进行研究，提出车载天线布设间距的参考意见及车载天线发展建议。

本文聚焦900 MHz 频段GSM-R 系统、450 MHz 频段和2 100 MHz 频段LTE-R 系统，通过理论推导，计算2 个车载终端不产生杂散干扰所需的天线隔离度；利用电磁仿真软件，建立起动车组车厢平面和天线的三维模型，模拟天线隔离度随间距的变化；搭建实测试验平台，对理论计算和模拟仿真结果进行对比验证，得到满足天线隔离度要求的最小天线间距。调研时速350 km 中国标准动车组车载天线的当前安装现状及未来需求规划，据此提出我国未来动车组车载天线发展的相关建议。

1 时速350 km 中国标准动车组车载天线安装现状

如前所述，时速350 km 中国标准动车组上主要有5种车载业务设备，各业务设备主要通过铁路GSM-R 系统、运营商GSM/LTE 系统、800 MHz列尾和列车安全预警系统、450 MHz模拟无线列调系统以及无线局域网技术（WLAN）系统等5类无线通信方式传输数据，定位和时间信息则通过全球导航卫星系统（GNSS）获取。整理其车载业务设备所应用的通信系统类型、天线工作频段及数量需求见表1。

表1 时速350 km中国标准动车组车载业务设备及车载天线现状

当前，高速铁路智能化［3］已成为世界铁路科技发展的必然趋势，我国也提出“智能高铁”的发展目标，持续深化智能铁路核心技术攻关，加快构筑中国铁路智能化技术领先优势［4］。从对通信天线的需求角度来看，在智能装备方面，需考虑高速列车自动驾驶系统（ATO）业务［5］、车载宽带综合传输平台业务以及铁路下一代移动通信系统建设［6］；在智能运营方面，需考虑铁路安全实现智能防灾，包括风雨雪等自然环境、异物侵陷和地震预警［7］等。车顶空间有限，研发生产上述智能化设备，还需兼顾既有业务设备的升级改造，这就对车顶天线的数量及所处频段提出新的要求，需要我们超前谋划。为此，结合《奋勇担当交通强国铁路先行历史使命努力开创新时代中国铁路改革发展新局面——在中国铁路总公司工作会议上的报告》［8］，整理未来车载业务设备及车载天线需求，见表2。

表2 未来规划的车载业务设备及车载天线需求

2 干扰隔离度理论计算

对于铁路通信系统来说，只有当天线隔离度大于系统所需的干扰隔离度时，才能保证车载终端的正常可靠通信［9］。而干扰隔离度又与通信系统的频率和类型密切相关。当前，我国铁路广泛部署应用的GSM-R 系统，工作频率是900 MHz（上行885～889 MHz，下行930～934 MHz）；考虑到下一阶段智能化的发展方向，我国铁路正在规划部署下一代移动通信系统，其候选频率有2 种，分别是450 MHz（上行452.5～457.5 MHz，下行462.5～467.5 MHz）和2 100 MHz （上 行1 965～1 975 MHz，下行2 155～2 165 MHz）。为此，本文以900 MHz 频段的2 个GSM-R 车载终端，以及450 MHz 频段和2 100 MHz 频段的2 个LTE-R 车载终端为例，基于自由空间损耗理论模型，计算可实现通信终端互不干扰的天线隔离度。

2.1 干扰隔离度计算

考虑时速350 km 中国标准动车组的2 个车载终端采用相同通信系统进行信息传输，其中终端1接收基站发射的下行信号，终端2 向基站发送上行信号。一般情况下，终端的发射信号是非理想的，如图1 所示，信号的能量主要集中在信号带宽内，但在信号带宽之外存在杂散干扰。杂散干扰包括带内杂散和带外杂散，是由于调制过程和发射机中器件的非线性产生的无用发射功率。

终端2对终端1产生的干扰如图2所示。为保证终端1正常工作，所需干扰隔离度Piso的计算式为

式中：Pint为终端2的发射信号在终端1的接收频段内的杂散干扰功率，dBm；Ltx为终端2 与天线2 间的馈线损耗，dB；Lrx为终端1与天线1间的馈线损耗，dB；Pmax为终端1 在正常工作前提下能承受的最大干扰功率，dBm。

图2 LTE-R车载终端干扰场景

2.1.1 杂散干扰

1）900 MHz频段GSM-R系统

根据3GPP 技术规范TS 45.005［10］，在200 kHz 测量带宽下，终端2 的发射信号在终端1 接收频段（930～934 MHz）内的杂散干扰限制Pint900取值为

Pint900=-67 dBm。

2）450 MHz频段LTE-R系统

根据3GPP技术规范36.101［11］，终端2的发射频段（452.5～457.5 MHz）与终端1 的接收频段（462.5～467.5 MHz）间隔5～10 MHz，干扰处于图1 所示的带内杂散区域，功率限制见表3，其中频率范围是相对终端2 发射信号的带宽边缘频率457.5 MHz而言的。

根据表3，计算得到终端2 对终端1 的杂散干扰功率Pint450取值为

式中：P1和P2分别为落在终端1 的462.5～463.5 MHz 和463.5～467.5 MHz 频段内的杂散干扰功率，dBm；Pmargin为实际工程终端优于标准的余量，通常取5 dB。

表3 450 MHz带内杂散功率限制

3）2 100 MHz频段LTE-R系统

根据3GPP 技术规范36.101，终端2 的发射信号（1 965～1 975 MHz）与终端1 的接收频段（2 155 ～2 165 MHz）间隔180～190 MHz，干扰处于带外杂散区域，在1 MHz 测量带宽下，功率限制为-36 dBm。

计算得到终端2对终端1的杂散干扰功率Pint2100取值为

式中：P1为落在终端1的2 155～2 165 MHz频段内的杂散干扰功率，dBm；Pmargin为实际工程终端优于标准的余量，通常取5 dB。

2.1.2 馈线损耗

电磁能量经过射频馈线传播后会发生能量衰减，产生的馈线损耗，采用输入到馈线的电磁能量与经过馈线传输后输出电磁能量的比值进行衡量。

一般情况下，中国标准动车组敷设的射频馈线为同轴电缆，同轴电缆的损耗与电缆的介质、长度和传输信号的频率有关。在射频馈线长度和介质已经确定的情况下，按照实际工程应用的经验值，设900，450，2 100 MHz 频段馈线损耗Ltx和Lrx分别取值2，2，3 dB。

2.1.3 终端能承受的最大干扰功率

不同通信系统终端能承受的最大干扰Pmax与其在通信小区中的位置有关。当终端位于小区边缘时，信号功率最小，所需要的干扰隔离度最大。因此，以终端位于小区边缘为例，计算其能承受的最大干扰功率。

1）900 MHz频段GSM-R系统

900 MHz 频段GSM-R 系统终端1 所能承受最大干扰Pmax900的计算式为

式中：Ps为最小可用接收电平，dBm；为邻频道干扰保护比，dB。

根据铁路行业规范文件［12］，在承载语音和非列控业务时，最小可用接收电平Ps的取值为-98 dBm，邻频道干扰保护比不小于-6。由此，计算得到Pmax900取值为

Pmax900=-98-(-6)=-92 dBm

2）450 MHz频段LTE-R系统

450 MHz 频段LTE-R 系统终端1 所能承受的最大干扰Pmax450的计算式为

其中：ΔSINR是小区边缘信干噪比，dB。

根据国铁集团规范文件［10］，列车在铁路正线高速运行时，小区边缘的参考信号接收功率RSRP为-95 dBm，小区边缘信干噪比ΔSINR为-5 dB。450 MHz 频段系统带宽为5 MHz，资源块为25个，每个资源块有子载波12 个，共有资源粒子25×15=300个，由此，可计算得到Pmax450取值为

3）2 100 MHz频段LTE-R系统

同样采用式（3）计算2 100 MHz 频段LTE-R系统终端1所能承受的最大干扰Pmax2100。

与450 MHz频段LTE-R系统的分析类似，2 100 MHz 频段系统带宽为10 MHz，共有资源粒子600个。由此，计算得到Pmax2100的取值为

2.2 计算结果

分别将杂散干扰功率(Pint)、馈线损耗(Ltx和Lrx)和终端能承受的最大干扰功率(Pmax)等结果代入式（1），计算得到各系统所需的干扰隔离度。

1）900 MHz频段GSM-R系统

对于900 MHz 频段的2 个GSM-R 车载终端，所需的干扰隔离度Piso900取值为

对于450 MHz 频段的2 个LTE-R 车载终端，所需的干扰隔离度Piso450取值为

3）2 100 MHz频段LTE-R系统

对于2 100 MHz 频段的2 个LTE-R 车载终端，所需的干扰隔离度Piso2100取值为

以上仅为干扰隔离度的理论计算结果。在实际工程应用中，避免动车组车载终端之间的杂散干扰主要通过车载天线的空间隔离实现，因此研究天线的隔离度时，还需要考虑2 个天线间电磁波衰减与距离的关系。

3 天线隔离度及最小排布间距确定

3.1 天线隔离度的计算、仿真与实测

3.1.1 天线隔离度计算

电磁波在自由空间（无任何介质穿透损耗）传播时，会产生衰减，其路径损耗Lh的计算式为

式中：d为收发机之间的距离，m；f为系统工作频率，MHz。

教师通过点击“管理”菜单中的“学生”选项打开添加学生页面，通过浏览选择或搜索已注册到Moodle平台中的学生用户，手工添加学生到课程中，同时赋予学生进入学习网站时可以使用模块功能的权限.

选取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 的不同间距条件，分别取900 MHz 频段GSM-R 系统，以及450 MHz 频段和2 100 MHz 频段LTE-R 系统的上行中心频率887，455，1 970 MHz，利用式（4）计算天线隔离度，结果见表4。

表4 天线隔离度理论计算值

3.1.2 模拟仿真

电磁场仿真技术的发展，为天线设计、复杂电磁场环境评估提供了更方便、更准确的手段。利用电磁仿真软件，按照实际的动车组车顶平面尺寸和天线参数建立三维模型，如图3所示。仿真时，充分考虑车顶平面对天线辐射性能的影响，其中，天线模型的参数与实际工程应用一致，电性能指标见表5。

不同天线间距条件下，同前分别取3 个系统的上行中心频率887，455，1 970 MHz，仿真计算天线隔离度，结果如图4所示，数据整理见表6。

3.1.3 实际测试

图3 天线隔离度仿真三维模型

表5 仿真天线的电性能指标

图4 天线隔离度仿真测试结果示意图

表6 天线隔离度仿真值

按照时速350 km 中国标准动车组的实际车厢结构和尺寸，在空旷的场地搭建实测平台，使用与全波仿真模型一致的天线样品进行测试，试验方案如图5 所示。2 个天线安装在车顶平面上，通过馈线与网络分析仪的2 个端口连接。网络分析仪的端口1 输出所需频率的信号，并通过天线1 辐射；网络分析仪的端口2 测量天线2 的接收信号功率。对馈线的损耗进行调节和补偿后，改变天线1和天线2 之间的距离，将2 个天线间的功率差值作为天线隔离度进行记录。

图5 天线隔离度测试方案示意图

不同天线间距条件下，同前分别取3 个系统的上行中心频率887，455，1 970 MHz进行测试，得到3个频率的天线隔离度实测结果见表7。

表7 天线隔离度实测值

3.1.4 理论值、模拟值与实测值的对比验证

将表4 中的理论值和表7 中的实测值进行对比，结果如图6所示。可以看出，理论值跟实测值的误差在3 dB 以内，能够较好吻合。因此，在实际工程应用中，可以利用自由空间损耗的理论计算值，对天线的合适间距进行初步估算。

图6 天线空间隔离度理论值与实测值对比

将表6 中的仿真值和表7 中的实测值进行对比，得到的结果如图7所示。可以看出，仿真值与实测值吻合度较好，且在相同频率条件下，天线空间隔离度随天线间距的增加而增大；在相同天线间距条件下，天线空间隔离度随频率的增加而增大。因此，在实际工程应用中，可以通过仿真建模，对实际天线间的隔离度进行初步验证。

图7 天线空间隔离度的仿真值与实测值比较

3.2 最小排布间距的确定

为了保证杂散干扰不影响相邻设备间正常数据通信，应使天线隔离度大于系统所需的干扰隔离度。根据前文计算，900 MHz 频段GSM-R 系统，以及450 MHz 频段、2 100 MHz 频段LTE-R 系统所需的干扰隔离度分别为21.00，44.21，25.22 dB，结合表7 可知：理论上车载天线间距为0.5 m时，可满足900 MHz 频段GSM-R 系统和2 100 MHz 频段LTE-R 系统的干扰隔离度需求；而450 MHz频段LTE-R系统的车载天线间距离大于3.0 m。

4 结论及建议

为了实现动车组车载终端的互不干扰，对于900 MHz频段GSM-R系统和2 100 MHz频段LTE-R系统，车载天线间距需达到0.5 m；对于450 MHz频段LTE-R 系统，车载天线间距则需大于3.0 m。同时，后续还有必要在实际应用场景下，开展动态运用试验，验证在提出的车载天线间距要求下车载通信系统可正常工作。

基于本文开展的调研与研究工作，提出未来中国标准动车组的车载天线发展建议如下。

1）研发宽频段多业务组合天线

随着通信技术发展和动车组车载设备的升级，中国标准动车组对天线的需求数量已经达到24 根。而目前中国标准动车组车顶仅有8 个天线安装孔，远小于所需天线数量，同时，受通信系统天线最小间距的限制，在有限的车顶空间又难以增加新的天线位置。因此，为了满足动车组对天线的需求，除了采取多个车载设备共用1个通信模块的措施，还应考虑设计新型宽频段多业务组合天线［14-15］，使每副天线可以应用于多个不同频段的业务设备。

2）对车载天线布局进行标准化设计

不同车型的动车组装备的车载设备不同，对天线数量和种类的需求也不相同，导致车载天线的布局不同，增加了统筹管理和运营维护的难度。因此，在对车顶天线布局方案进行设计时，应对车载天线的种类进行统型，减少所用天线的种类；并对不同动车组车型所用车载天线的间隔距离和安装位置进行标准化设计，减少车载天线布局的差异性。

3）支持公网运营商5G频率

铁路移动通信专网频率有限，不能完全满足铁路经营开发、信息化应用和旅客服务等需求，铁路下一代移动通信将充分利用公网5G 资源［16］实现铁路应用。因此，天线研发过程中，应注重对中国移动5G 频率2 515～2 675 MHz、中国联通和电信5G 频率3 400～3 600 MHz 的支持，从而更好地服务于下一阶段我国铁路智能化发展的目标。