時(shí)速350km中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車載天線的隔離度及最小排布間距

竇埡錫，李 毅，李 輝，鮑峻松，藺 偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.南京保時(shí)利信息科技有限公司，江蘇 南京 210012）

在動(dòng)車組頂部安裝天線，可以實(shí)現(xiàn)車載移動(dòng)通信，滿足車載信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆８鬈囕d業(yè)務(wù)設(shè)備的通信模塊與動(dòng)車組車頂天線相連，在列車運(yùn)行時(shí)，通過與地面通信設(shè)備間的信息交互，為列車運(yùn)行控制、運(yùn)輸調(diào)度指揮、行車安全監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供實(shí)時(shí)可靠的車地間信息傳輸。以時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為例，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上用到車頂天線的車載業(yè)務(wù)設(shè)備共計(jì)5種，分別是：列控系統(tǒng)超速防護(hù)設(shè)備（ATP）、機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）、車載地震緊急處置裝置（CRES）、列控設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）和車載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（WTD）等。為滿足上述設(shè)備的正常工作，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組在其第1 節(jié)車廂頂部，共安裝有天線8副。

近年來，我國智能鐵路相關(guān)技術(shù)正在快速發(fā)展，信息控制、信息指揮以及信息監(jiān)測(cè)等方面的傳送需求隨之不斷增加，可以預(yù)見，未來還將有一批新的業(yè)務(wù)設(shè)備［1］投入使用，這勢(shì)必催生新的車載天線數(shù)量需求。但受動(dòng)車組車廂長度制約，車頂空間有限，繼續(xù)加裝天線會(huì)導(dǎo)致天線間距離過近，從而產(chǎn)生天線間的電磁耦合干擾和車載設(shè)備通信模塊間的雜散干擾［2］，影響通信鏈路的可靠性和車載設(shè)備的正常信息傳輸。因此，有必要對(duì)中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車載天線隔離度進(jìn)行研究，提出車載天線布設(shè)間距的參考意見及車載天線發(fā)展建議。

本文聚焦900 MHz 頻段GSM-R 系統(tǒng)、450 MHz 頻段和2 100 MHz 頻段LTE-R 系統(tǒng)，通過理論推導(dǎo)，計(jì)算2 個(gè)車載終端不產(chǎn)生雜散干擾所需的天線隔離度；利用電磁仿真軟件，建立起動(dòng)車組車廂平面和天線的三維模型，模擬天線隔離度隨間距的變化；搭建實(shí)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)理論計(jì)算和模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得到滿足天線隔離度要求的最小天線間距。調(diào)研時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車載天線的當(dāng)前安裝現(xiàn)狀及未來需求規(guī)劃，據(jù)此提出我國未來動(dòng)車組車載天線發(fā)展的相關(guān)建議。

1 時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車載天線安裝現(xiàn)狀

如前所述，時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組上主要有5種車載業(yè)務(wù)設(shè)備，各業(yè)務(wù)設(shè)備主要通過鐵路GSM-R 系統(tǒng)、運(yùn)營商GSM/LTE 系統(tǒng)、800 MHz列尾和列車安全預(yù)警系統(tǒng)、450 MHz模擬無線列調(diào)系統(tǒng)以及無線局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN）系統(tǒng)等5類無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)，定位和時(shí)間信息則通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）獲取。整理其車載業(yè)務(wù)設(shè)備所應(yīng)用的通信系統(tǒng)類型、天線工作頻段及數(shù)量需求見表1。

表1 時(shí)速350 km中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車載業(yè)務(wù)設(shè)備及車載天線現(xiàn)狀

當(dāng)前，高速鐵路智能化［3］已成為世界鐵路科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，我國也提出“智能高鐵”的發(fā)展目標(biāo)，持續(xù)深化智能鐵路核心技術(shù)攻關(guān)，加快構(gòu)筑中國鐵路智能化技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)［4］。從對(duì)通信天線的需求角度來看，在智能裝備方面，需考慮高速列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）業(yè)務(wù)［5］、車載寬帶綜合傳輸平臺(tái)業(yè)務(wù)以及鐵路下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)［6］；在智能運(yùn)營方面，需考慮鐵路安全實(shí)現(xiàn)智能防災(zāi)，包括風(fēng)雨雪等自然環(huán)境、異物侵陷和地震預(yù)警［7］等。車頂空間有限，研發(fā)生產(chǎn)上述智能化設(shè)備，還需兼顧既有業(yè)務(wù)設(shè)備的升級(jí)改造，這就對(duì)車頂天線的數(shù)量及所處頻段提出新的要求，需要我們超前謀劃。為此，結(jié)合《奮勇?lián)?dāng)交通強(qiáng)國鐵路先行歷史使命努力開創(chuàng)新時(shí)代中國鐵路改革發(fā)展新局面——在中國鐵路總公司工作會(huì)議上的報(bào)告》［8］，整理未來車載業(yè)務(wù)設(shè)備及車載天線需求，見表2。

表2 未來規(guī)劃的車載業(yè)務(wù)設(shè)備及車載天線需求

2 干擾隔離度理論計(jì)算

對(duì)于鐵路通信系統(tǒng)來說，只有當(dāng)天線隔離度大于系統(tǒng)所需的干擾隔離度時(shí)，才能保證車載終端的正?？煽客ㄐ牛?］。而干擾隔離度又與通信系統(tǒng)的頻率和類型密切相關(guān)。當(dāng)前，我國鐵路廣泛部署應(yīng)用的GSM-R 系統(tǒng)，工作頻率是900 MHz（上行885～889 MHz，下行930～934 MHz）；考慮到下一階段智能化的發(fā)展方向，我國鐵路正在規(guī)劃部署下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其候選頻率有2 種，分別是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）。為此，本文以900 MHz 頻段的2 個(gè)GSM-R 車載終端，以及450 MHz 頻段和2 100 MHz 頻段的2 個(gè)LTE-R 車載終端為例，基于自由空間損耗理論模型，計(jì)算可實(shí)現(xiàn)通信終端互不干擾的天線隔離度。

2.1 干擾隔離度計(jì)算

考慮時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的2 個(gè)車載終端采用相同通信系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸，其中終端1接收基站發(fā)射的下行信號(hào)，終端2 向基站發(fā)送上行信號(hào)。一般情況下，終端的發(fā)射信號(hào)是非理想的，如圖1 所示，信號(hào)的能量主要集中在信號(hào)帶寬內(nèi)，但在信號(hào)帶寬之外存在雜散干擾。雜散干擾包括帶內(nèi)雜散和帶外雜散，是由于調(diào)制過程和發(fā)射機(jī)中器件的非線性產(chǎn)生的無用發(fā)射功率。

終端2對(duì)終端1產(chǎn)生的干擾如圖2所示。為保證終端1正常工作，所需干擾隔離度Piso的計(jì)算式為

式中：Pint為終端2的發(fā)射信號(hào)在終端1的接收頻段內(nèi)的雜散干擾功率，dBm；Ltx為終端2 與天線2 間的饋線損耗，dB；Lrx為終端1與天線1間的饋線損耗，dB；Pmax為終端1 在正常工作前提下能承受的最大干擾功率，dBm。

圖2 LTE-R車載終端干擾場(chǎng)景

2.1.1 雜散干擾

1）900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)

根據(jù)3GPP 技術(shù)規(guī)范TS 45.005［10］，在200 kHz 測(cè)量帶寬下，終端2 的發(fā)射信號(hào)在終端1 接收頻段（930～934 MHz）內(nèi)的雜散干擾限制Pint900取值為

Pint900=-67 dBm。

2）450 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)

根據(jù)3GPP技術(shù)規(guī)范36.101［11］，終端2的發(fā)射頻段（452.5～457.5 MHz）與終端1 的接收頻段（462.5～467.5 MHz）間隔5～10 MHz，干擾處于圖1 所示的帶內(nèi)雜散區(qū)域，功率限制見表3，其中頻率范圍是相對(duì)終端2 發(fā)射信號(hào)的帶寬邊緣頻率457.5 MHz而言的。

根據(jù)表3，計(jì)算得到終端2 對(duì)終端1 的雜散干擾功率Pint450取值為

式中：P1和P2分別為落在終端1 的462.5～463.5 MHz 和463.5～467.5 MHz 頻段內(nèi)的雜散干擾功率，dBm；Pmargin為實(shí)際工程終端優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的余量，通常取5 dB。

表3 450 MHz帶內(nèi)雜散功率限制

3）2 100 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)

根據(jù)3GPP 技術(shù)規(guī)范36.101，終端2 的發(fā)射信號(hào)（1 965～1 975 MHz）與終端1 的接收頻段（2 155 ～2 165 MHz）間隔180～190 MHz，干擾處于帶外雜散區(qū)域，在1 MHz 測(cè)量帶寬下，功率限制為-36 dBm。

計(jì)算得到終端2對(duì)終端1的雜散干擾功率Pint2100取值為

式中：P1為落在終端1的2 155～2 165 MHz頻段內(nèi)的雜散干擾功率，dBm；Pmargin為實(shí)際工程終端優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的余量，通常取5 dB。

2.1.2 饋線損耗

電磁能量經(jīng)過射頻饋線傳播后會(huì)發(fā)生能量衰減，產(chǎn)生的饋線損耗，采用輸入到饋線的電磁能量與經(jīng)過饋線傳輸后輸出電磁能量的比值進(jìn)行衡量。

一般情況下，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組敷設(shè)的射頻饋線為同軸電纜，同軸電纜的損耗與電纜的介質(zhì)、長度和傳輸信號(hào)的頻率有關(guān)。在射頻饋線長度和介質(zhì)已經(jīng)確定的情況下，按照實(shí)際工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)900，450，2 100 MHz 頻段饋線損耗Ltx和Lrx分別取值2，2，3 dB。

2.1.3 終端能承受的最大干擾功率

不同通信系統(tǒng)終端能承受的最大干擾Pmax與其在通信小區(qū)中的位置有關(guān)。當(dāng)終端位于小區(qū)邊緣時(shí)，信號(hào)功率最小，所需要的干擾隔離度最大。因此，以終端位于小區(qū)邊緣為例，計(jì)算其能承受的最大干擾功率。

1）900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)

900 MHz 頻段GSM-R 系統(tǒng)終端1 所能承受最大干擾Pmax900的計(jì)算式為

式中：Ps為最小可用接收電平，dBm；為鄰頻道干擾保護(hù)比，dB。

根據(jù)鐵路行業(yè)規(guī)范文件［12］，在承載語音和非列控業(yè)務(wù)時(shí)，最小可用接收電平Ps的取值為-98 dBm，鄰頻道干擾保護(hù)比不小于-6。由此，計(jì)算得到Pmax900取值為

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

2）450 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)

450 MHz 頻段LTE-R 系統(tǒng)終端1 所能承受的最大干擾Pmax450的計(jì)算式為

其中：ΔSINR是小區(qū)邊緣信干噪比，dB。

根據(jù)國鐵集團(tuán)規(guī)范文件［10］，列車在鐵路正線高速運(yùn)行時(shí)，小區(qū)邊緣的參考信號(hào)接收功率RSRP為-95 dBm，小區(qū)邊緣信干噪比ΔSINR為-5 dB。450 MHz 頻段系統(tǒng)帶寬為5 MHz，資源塊為25個(gè)，每個(gè)資源塊有子載波12 個(gè)，共有資源粒子25×15=300個(gè)，由此，可計(jì)算得到Pmax450取值為

3）2 100 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)

同樣采用式（3）計(jì)算2 100 MHz 頻段LTE-R系統(tǒng)終端1所能承受的最大干擾Pmax2100。

與450 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)的分析類似，2 100 MHz 頻段系統(tǒng)帶寬為10 MHz，共有資源粒子600個(gè)。由此，計(jì)算得到Pmax2100的取值為

2.2 計(jì)算結(jié)果

分別將雜散干擾功率(Pint)、饋線損耗(Ltx和Lrx)和終端能承受的最大干擾功率(Pmax)等結(jié)果代入式（1），計(jì)算得到各系統(tǒng)所需的干擾隔離度。

1）900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)

對(duì)于900 MHz 頻段的2 個(gè)GSM-R 車載終端，所需的干擾隔離度Piso900取值為

對(duì)于450 MHz 頻段的2 個(gè)LTE-R 車載終端，所需的干擾隔離度Piso450取值為

3）2 100 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)

對(duì)于2 100 MHz 頻段的2 個(gè)LTE-R 車載終端，所需的干擾隔離度Piso2100取值為

以上僅為干擾隔離度的理論計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，避免動(dòng)車組車載終端之間的雜散干擾主要通過車載天線的空間隔離實(shí)現(xiàn)，因此研究天線的隔離度時(shí)，還需要考慮2 個(gè)天線間電磁波衰減與距離的關(guān)系。

3 天線隔離度及最小排布間距確定

3.1 天線隔離度的計(jì)算、仿真與實(shí)測(cè)

3.1.1 天線隔離度計(jì)算

電磁波在自由空間（無任何介質(zhì)穿透損耗）傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減，其路徑損耗Lh的計(jì)算式為

式中：d為收發(fā)機(jī)之間的距離，m；f為系統(tǒng)工作頻率，MHz。

教師通過點(diǎn)擊“管理”菜單中的“學(xué)生”選項(xiàng)打開添加學(xué)生頁面，通過瀏覽選擇或搜索已注冊(cè)到Moodle平臺(tái)中的學(xué)生用戶，手工添加學(xué)生到課程中，同時(shí)賦予學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)網(wǎng)站時(shí)可以使用模塊功能的權(quán)限.

選取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 的不同間距條件，分別取900 MHz 頻段GSM-R 系統(tǒng)，以及450 MHz 頻段和2 100 MHz 頻段LTE-R 系統(tǒng)的上行中心頻率887，455，1 970 MHz，利用式（4）計(jì)算天線隔離度，結(jié)果見表4。

表4 天線隔離度理論計(jì)算值

3.1.2 模擬仿真

電磁場(chǎng)仿真技術(shù)的發(fā)展，為天線設(shè)計(jì)、復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境評(píng)估提供了更方便、更準(zhǔn)確的手段。利用電磁仿真軟件，按照實(shí)際的動(dòng)車組車頂平面尺寸和天線參數(shù)建立三維模型，如圖3所示。仿真時(shí)，充分考慮車頂平面對(duì)天線輻射性能的影響，其中，天線模型的參數(shù)與實(shí)際工程應(yīng)用一致，電性能指標(biāo)見表5。

不同天線間距條件下，同前分別取3 個(gè)系統(tǒng)的上行中心頻率887，455，1 970 MHz，仿真計(jì)算天線隔離度，結(jié)果如圖4所示，數(shù)據(jù)整理見表6。

3.1.3 實(shí)際測(cè)試

圖3 天線隔離度仿真三維模型

表5 仿真天線的電性能指標(biāo)

圖4 天線隔離度仿真測(cè)試結(jié)果示意圖

表6 天線隔離度仿真值

按照時(shí)速350 km 中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的實(shí)際車廂結(jié)構(gòu)和尺寸，在空曠的場(chǎng)地搭建實(shí)測(cè)平臺(tái)，使用與全波仿真模型一致的天線樣品進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)方案如圖5 所示。2 個(gè)天線安裝在車頂平面上，通過饋線與網(wǎng)絡(luò)分析儀的2 個(gè)端口連接。網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1 輸出所需頻率的信號(hào)，并通過天線1 輻射；網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口2 測(cè)量天線2 的接收信號(hào)功率。對(duì)饋線的損耗進(jìn)行調(diào)節(jié)和補(bǔ)償后，改變天線1和天線2 之間的距離，將2 個(gè)天線間的功率差值作為天線隔離度進(jìn)行記錄。

圖5 天線隔離度測(cè)試方案示意圖

不同天線間距條件下，同前分別取3 個(gè)系統(tǒng)的上行中心頻率887，455，1 970 MHz進(jìn)行測(cè)試，得到3個(gè)頻率的天線隔離度實(shí)測(cè)結(jié)果見表7。

表7 天線隔離度實(shí)測(cè)值

3.1.4 理論值、模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比驗(yàn)證

將表4 中的理論值和表7 中的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯碚撝蹈鷮?shí)測(cè)值的誤差在3 dB 以內(nèi)，能夠較好吻合。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以利用自由空間損耗的理論計(jì)算值，對(duì)天線的合適間距進(jìn)行初步估算。

圖6 天線空間隔離度理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

將表6 中的仿真值和表7 中的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，得到的結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，仿真值與實(shí)測(cè)值吻合度較好，且在相同頻率條件下，天線空間隔離度隨天線間距的增加而增大；在相同天線間距條件下，天線空間隔離度隨頻率的增加而增大。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過仿真建模，對(duì)實(shí)際天線間的隔離度進(jìn)行初步驗(yàn)證。

圖7 天線空間隔離度的仿真值與實(shí)測(cè)值比較

3.2 最小排布間距的確定

為了保證雜散干擾不影響相鄰設(shè)備間正常數(shù)據(jù)通信，應(yīng)使天線隔離度大于系統(tǒng)所需的干擾隔離度。根據(jù)前文計(jì)算，900 MHz 頻段GSM-R 系統(tǒng)，以及450 MHz 頻段、2 100 MHz 頻段LTE-R 系統(tǒng)所需的干擾隔離度分別為21.00，44.21，25.22 dB，結(jié)合表7 可知：理論上車載天線間距為0.5 m時(shí)，可滿足900 MHz 頻段GSM-R 系統(tǒng)和2 100 MHz 頻段LTE-R 系統(tǒng)的干擾隔離度需求；而450 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)的車載天線間距離大于3.0 m。

4 結(jié)論及建議

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車載終端的互不干擾，對(duì)于900 MHz頻段GSM-R系統(tǒng)和2 100 MHz頻段LTE-R系統(tǒng)，車載天線間距需達(dá)到0.5 m；對(duì)于450 MHz頻段LTE-R 系統(tǒng)，車載天線間距則需大于3.0 m。同時(shí)，后續(xù)還有必要在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，開展動(dòng)態(tài)運(yùn)用試驗(yàn)，驗(yàn)證在提出的車載天線間距要求下車載通信系統(tǒng)可正常工作。

基于本文開展的調(diào)研與研究工作，提出未來中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的車載天線發(fā)展建議如下。

1）研發(fā)寬頻段多業(yè)務(wù)組合天線

隨著通信技術(shù)發(fā)展和動(dòng)車組車載設(shè)備的升級(jí)，中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組對(duì)天線的需求數(shù)量已經(jīng)達(dá)到24 根。而目前中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組車頂僅有8 個(gè)天線安裝孔，遠(yuǎn)小于所需天線數(shù)量，同時(shí)，受通信系統(tǒng)天線最小間距的限制，在有限的車頂空間又難以增加新的天線位置。因此，為了滿足動(dòng)車組對(duì)天線的需求，除了采取多個(gè)車載設(shè)備共用1個(gè)通信模塊的措施，還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)新型寬頻段多業(yè)務(wù)組合天線［14-15］，使每副天線可以應(yīng)用于多個(gè)不同頻段的業(yè)務(wù)設(shè)備。

2）對(duì)車載天線布局進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

不同車型的動(dòng)車組裝備的車載設(shè)備不同，對(duì)天線數(shù)量和種類的需求也不相同，導(dǎo)致車載天線的布局不同，增加了統(tǒng)籌管理和運(yùn)營維護(hù)的難度。因此，在對(duì)車頂天線布局方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)車載天線的種類進(jìn)行統(tǒng)型，減少所用天線的種類；并對(duì)不同動(dòng)車組車型所用車載天線的間隔距離和安裝位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少車載天線布局的差異性。

3）支持公網(wǎng)運(yùn)營商5G頻率

鐵路移動(dòng)通信專網(wǎng)頻率有限，不能完全滿足鐵路經(jīng)營開發(fā)、信息化應(yīng)用和旅客服務(wù)等需求，鐵路下一代移動(dòng)通信將充分利用公網(wǎng)5G 資源［16］實(shí)現(xiàn)鐵路應(yīng)用。因此，天線研發(fā)過程中，應(yīng)注重對(duì)中國移動(dòng)5G 頻率2 515～2 675 MHz、中國聯(lián)通和電信5G 頻率3 400～3 600 MHz 的支持，從而更好地服務(wù)于下一階段我國鐵路智能化發(fā)展的目標(biāo)。