CMMB超理論間距SFN設(shè)計(jì)的研究——CMMB下一階段建網(wǎng)策略探討

李遠(yuǎn)東

（浙江傳媒學(xué)院 中廣分院，浙江 杭州 310018）

責(zé)任編輯:孫 卓

1 引言

目前，中廣傳播已完成大多數(shù)地級(jí)城市的CMMB覆蓋，即將進(jìn)行縣級(jí)城市與農(nóng)村地區(qū)的CMMB網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，但市區(qū)到縣城城區(qū)的直線距離一般都大于CMMB常規(guī)單頻網(wǎng)組網(wǎng)所要求的相鄰基站的最大間距值15.36 km。同時(shí)，CMMB常規(guī)單頻網(wǎng)的頻率利用率雖然較高，但“15.36 km準(zhǔn)則”卻限制了其頻率利用率的進(jìn)一步提高。另外，進(jìn)行深度覆蓋、優(yōu)化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)亦是下一階段的重點(diǎn)工作，若采用常規(guī)單頻網(wǎng)的方式，無(wú)疑要新建較多的CMMB基站，從而增大網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)的難度，是否有可減少新建基站規(guī)劃數(shù)量的其他建網(wǎng)策略可循？筆者認(rèn)為，下一階段，CMMB的建網(wǎng)策略應(yīng)由常規(guī)單頻網(wǎng)轉(zhuǎn)向常規(guī)單頻網(wǎng)與超理論間距單頻網(wǎng)[1]（相鄰CMMB基站的間距大于15.36 km）相結(jié)合的混合式單頻網(wǎng)，后者對(duì)于CMMB U波段頻率資源利用率的進(jìn)一步提高、頻率規(guī)劃難度的降低、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)復(fù)雜度的降低、用戶收視體驗(yàn)的提升等都具有非常重要的意義。下文將結(jié)合工程實(shí)際的理論推導(dǎo)與仿真等方法就相關(guān)工程實(shí)例、可行性、工程設(shè)計(jì)方法、混合式單頻網(wǎng)組網(wǎng)的可行性等對(duì)CMMB超理論間距單頻網(wǎng)進(jìn)行探討。

2 超理論間距SFN組網(wǎng)的可行性

2.1 工程實(shí)例

湖南省長(zhǎng)沙、株洲與湘潭3市均以DS－29作為CMMB頻道，雖然連接3市的6條CMMB網(wǎng)絡(luò)鏈路的長(zhǎng)度值（CMMB相鄰基站的兩兩間距）均超過(guò)理論值15.36 km（最大間距甚至達(dá)到25 km），但路測(cè)結(jié)果表明，這一超理論間距的單頻網(wǎng)覆蓋質(zhì)量良好。

2.2 理論分析

2.2.1 常規(guī)單頻網(wǎng)組網(wǎng)基本策略及相關(guān)結(jié)論

2）相關(guān)結(jié)論。在常規(guī)單頻網(wǎng)的交叉覆蓋區(qū)域，由人工多徑造成的時(shí)延均在51.2μs之內(nèi)，自然多徑的長(zhǎng)度則是時(shí)變、地變的，由于CMMB采用了OFDM這種MCM傳輸體制[2]，人工多徑及51.2μs之內(nèi)的自然多徑將會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)增益。而長(zhǎng)度大于51.2μs的自然多徑在到達(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度一般已非常微弱，則當(dāng)主信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí)，即使其與主信號(hào)不同相，其破壞作用也是可以忽略不計(jì)的（因?yàn)榇藭r(shí)的同頻干擾保護(hù)率的值較大）。由此可以聯(lián)想到，若人工多徑大于51.2μs，且主信號(hào)相對(duì)于這種人工多徑的同頻干擾保護(hù)率超過(guò)了臨界值8 dB，則主信號(hào)幾乎不會(huì)受到影響，即超理論間距SFN的組網(wǎng)是可行的。

綜上，可以總結(jié)出設(shè)計(jì)CMMB超理論間距單頻網(wǎng)的理論基礎(chǔ):自然多徑對(duì)主信號(hào)的同頻干擾可以忽略；人工多徑的長(zhǎng)度大于51.2μs，其對(duì)主信號(hào)的同頻干擾是否可忽略同時(shí)取決于同頻干擾保護(hù)率及兩者間的相位差:若相位差為0，或相位差不為0但CIR超過(guò)臨界值8 dB時(shí)，可忽略；當(dāng)相位差不為0且CIR低于某個(gè)臨界值時(shí)，不可忽略?？梢?jiàn)，延時(shí)與CIR是設(shè)計(jì)超理論間距單頻網(wǎng)時(shí)需重點(diǎn)考慮的兩個(gè)因素。

2.2.2 CMMB終端解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

51.2μs之外的延時(shí)信號(hào)對(duì)主信號(hào)的同頻干擾影響還取決于接收機(jī)的設(shè)計(jì)，該影響會(huì)隨著解調(diào)模塊信道估計(jì)與均衡算法的改進(jìn)優(yōu)化而減小。

2.2.3 超理論間距SFN中的同頻干擾區(qū)域

由于延時(shí)與CIR是兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，故在設(shè)計(jì)前首先應(yīng)清楚這種單頻網(wǎng)中同頻干擾的分布規(guī)律。又由于只需考慮最大時(shí)延，故只需考慮相距最遠(yuǎn)的2個(gè)發(fā)射臺(tái)的相關(guān)情況。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有基站均采用全向輻射天線[3-4]。

1）只考慮相距最遠(yuǎn)兩發(fā)射臺(tái)直連線二維空間區(qū)域的情況

以上這四點(diǎn)都屬于經(jīng)營(yíng)要素，如果做不到，企業(yè)還是經(jīng)營(yíng)不好。管理的核心就是把這些經(jīng)營(yíng)要素管住，使這些要素不斷地積累放大，并且圍繞著環(huán)境的變化而變化。例如，做業(yè)務(wù)要配置人，人是核心資源，通過(guò)管理把人的價(jià)值越大，業(yè)務(wù)就會(huì)得到更大的擴(kuò)張。招聘來(lái)的人一開始可能是不達(dá)標(biāo)的，他的能力如何在做業(yè)務(wù)的過(guò)程里得到提升和成長(zhǎng)，并且變得更好，這離不開管理。再如，技術(shù)是關(guān)鍵資源，如何通過(guò)管理把技術(shù)積累得更強(qiáng)，更能滿足業(yè)務(wù)的需要；還有業(yè)務(wù)過(guò)程，隨著業(yè)務(wù)環(huán)境的變化，規(guī)模的增長(zhǎng)，人員結(jié)構(gòu)的調(diào)整，業(yè)務(wù)過(guò)程如何更新和積累更多的經(jīng)驗(yàn)，如何調(diào)整適應(yīng)環(huán)境的變化，是需要管理的。

（1）模型構(gòu)建。由于發(fā)射塔的有效高度、接收天線的有效高度相對(duì)于兩基站的間距（大于15.36 km）均可忽略不計(jì)，故可簡(jiǎn)化為如圖1所示的分析模型。

（2）同頻干擾區(qū)域分析。由于在上述分析模型中，a基站信號(hào)同頻干擾b基站信號(hào)與b基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)具有某種對(duì)稱性，故以下只分析b基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)的情況（c為電磁波速度）。

聯(lián)立（1）式與（2）式可得b基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)的區(qū)域?yàn)?/p>

于是可得分析模型I的同頻干擾區(qū)域如圖2所示。a基站左方及其到d點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閎基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)的區(qū)域，其中d點(diǎn)的同頻干擾最嚴(yán)重（源于同頻干擾保護(hù)率的概念）；b基站右方及其到e點(diǎn)的區(qū)域?yàn)閍基站信號(hào)同頻干擾b基站信號(hào)的區(qū)域，其中e點(diǎn)的同頻干擾最嚴(yán)重；d點(diǎn)到e點(diǎn)的區(qū)域則無(wú)CMMB同頻干擾。

2）考慮兩基站間三維空間區(qū)域時(shí)的情況

（1）模型構(gòu)建。由于發(fā)射塔的有效高度、接收天線的有效高度相對(duì)于兩發(fā)射基站的間距（大于15.36 km）均可忽略不計(jì)，故可將三維空間區(qū)域簡(jiǎn)化為以下的二維平面模型來(lái)進(jìn)行分析，在如圖3的分析模型II中，兩基站的間距為2d，且滿足2d>15.36 km，是超理論間距CMMB單頻網(wǎng)中間距最大的兩個(gè)基站。

（2）同頻干擾區(qū)域分析[4]。若不存在同頻干擾，則滿足

由此可知，當(dāng)a基站與b基站的間距分別為16 km，20 km與30 km時(shí)的同頻干擾仿真曲線如圖4所示，其中的陰影區(qū)域即為同頻干擾區(qū)域，左邊的陰影區(qū)域?yàn)閎基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)的區(qū)域，右邊的陰影區(qū)域?yàn)閍基站信號(hào)同頻干擾b基站信號(hào)的區(qū)域?？梢?jiàn)，CMMB SFN中基站的間距越大，同頻干擾的區(qū)域也就越大，且該區(qū)域的大小與兩基站CMMB信號(hào)的等效輻射功率（Equivalent Radiated Power，ERP）無(wú)關(guān)。

從圖5可見(jiàn)，相距最遠(yuǎn)的兩發(fā)射臺(tái)直連線二維空間區(qū)域的同頻干擾情況是兩基站間三維空間區(qū)域時(shí)的同頻干擾情況的特殊情況:圖中d點(diǎn)正左方的橫軸與e點(diǎn)正右方的橫軸即為相距最遠(yuǎn)兩發(fā)射臺(tái)直連線二維空間區(qū)域的同頻干擾區(qū)域，而雙曲線之內(nèi)的區(qū)域（包括d點(diǎn)正左方的橫軸與e點(diǎn)正右方的橫軸）即為兩基站間三維空間區(qū)域時(shí)的同頻干擾區(qū)域。

3）基站發(fā)射延時(shí)對(duì)同頻干擾區(qū)域的影響

在b基站設(shè)置發(fā)射延時(shí)td，則滿足

以a基站與b基站的間距為16 km為例，分別在b基站不設(shè)置發(fā)射延時(shí)、2μs發(fā)射延時(shí)、2.1333μs發(fā)射延時(shí)之后的CMMB同頻干擾仿真圖如圖6所示?？梢?jiàn)，在b基站設(shè)置發(fā)射延時(shí)后，從a基站看去，相當(dāng)于a基站與b 基站的間距減小了 0.3｛td｝ km，即滿足式（5）。

因此，a基站信號(hào)同頻干擾b基站信號(hào)的區(qū)域減小（在一定范圍內(nèi)，b基站信號(hào)的發(fā)射延時(shí)越大，減小的值就越大）。又可見(jiàn)，b基站信號(hào)同頻干擾a基站信號(hào)的區(qū)域增大 （在一定范圍內(nèi)，b基站信號(hào)的發(fā)射延時(shí)越大，增加的值就越大），這是因?yàn)閺腷基站看去，相當(dāng)于b基站與a基站的間距增加了0.3｛td｝km，即滿足

由此可以得出的結(jié)論是，當(dāng)某個(gè)同頻干擾區(qū)域內(nèi)存在CIR不滿足要求的接收點(diǎn)時(shí)，在CMMB基站恰當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)發(fā)射延時(shí)的設(shè)置可以減小這個(gè)同頻干擾區(qū)域的面積甚至完全將其消除。

2.2.4 CIR對(duì)同頻干擾的影響

上節(jié)建立的超理論間距的CMMB SFN模型中，在圖2，4與5所示的同頻干擾區(qū)中的任一接收點(diǎn)，同頻干擾信號(hào)與主信號(hào)之間的到達(dá)時(shí)延均超過(guò)了51.2μs，則人工多徑對(duì)正常接收可能有建設(shè)性作用，也可能有破壞性作用，但是由于CIR這一參數(shù)的存在，就可能使得兩種信號(hào)即使不同相時(shí)，破壞性作用也可以忽略不計(jì)，仍然能夠正常接收主信號(hào)，這已經(jīng)得到了工程實(shí)踐的證明，如覆蓋湖南省的長(zhǎng)沙、株洲與湘潭3市的CMMB單頻（DS29）網(wǎng)。對(duì)CIR的仿真表明，在跨越長(zhǎng)株潭單頻網(wǎng)的6條鏈路中，同頻干擾最嚴(yán)重的為間距最大（25 km）的廣電中心基站——跳馬山基站鏈路，該鏈路最低CIR的仿真圖如圖7所示，圖中2個(gè)基站的輻射天線有效高度分別為154 m與270 m，均全向，ERP值相等?？梢?jiàn)，同頻干擾是可以忽略的（最低CIR的值大于臨界值）。

3 超理論間距SFN組網(wǎng)的設(shè)計(jì)探討

與CMMB常規(guī)單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)的相同點(diǎn)是，設(shè)計(jì)超理論間距單頻網(wǎng)時(shí)也要考慮電波傳播的大、小尺度效應(yīng)，也要進(jìn)行頻率規(guī)劃，進(jìn)行業(yè)務(wù)形式與節(jié)目數(shù)量、編碼與調(diào)制方式、基站選址、發(fā)射功率、覆蓋區(qū)域及補(bǔ)點(diǎn)優(yōu)化等規(guī)劃，并要最大程度地規(guī)避網(wǎng)絡(luò)自干擾甚至0 dB回波。兩者的不同點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)超理論間距單頻網(wǎng)時(shí)可能需要作新建CMMB基站的規(guī)劃，并且需按上節(jié)總結(jié)的用于設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還要重點(diǎn)考慮時(shí)延與CIR這兩項(xiàng)參數(shù)。

在圖5中d點(diǎn)左方的曲線內(nèi)部區(qū)域（b同頻干擾a的區(qū)域）內(nèi)，由于b基站的CMMB信號(hào)在d點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，故只需考慮在此點(diǎn)處a基站信號(hào)對(duì)b基站信號(hào)的壓制情況，在此點(diǎn)處，可求得a基站信號(hào)壓制b基站信號(hào)的同頻干擾比的最小值CIRmin，只要這個(gè)最小值滿足CMMB RF同頻干擾保護(hù)率的要求，則在b同頻干擾a的區(qū)域內(nèi)，接收機(jī)仍能正常的接收CMMB信號(hào)。這里運(yùn)用OM模型，以a，b基站均使用全向輻射天線為例。

3.1 2基站輻射天線的ERP值相等

設(shè)b基站輻射天線的有效高度hb為200 m，d點(diǎn)處a基站信號(hào)壓制b基站信號(hào)的CIRmin仿真如圖8所示。從中可看出CIRmin既與基站間距有關(guān)，亦與a基站輻射天線的有效高度有關(guān):其中當(dāng)基站間距為15.36 km時(shí)，CIRmin的值最優(yōu)（88 dB左右）；當(dāng)基站間距大于15.36 km且間距一定時(shí)，輻射天線的有效高度值越大，則CIRmin的值越優(yōu)（基站間距30 km、a基站輻射天線300 m有效高度時(shí)的CIRmin約為18.5 dB）。則根據(jù)同頻干擾可以忽略時(shí)的CIR臨界值，即可確定此種情況下a基站所在的發(fā)射臺(tái)址是否需要新建發(fā)射臺(tái)，進(jìn)而可確定a基站輻射天線的有效高度。

3.2 兩基站輻射天線的ERP值不相等

設(shè)a基站發(fā)射機(jī)輸出功率1 kW，輻射天線有效高度待定；b基站發(fā)射機(jī)輸出功率0.5 kW，輻射天線有效高度200 m，天饋損耗與天線增益均相同，兩基站間距為30 km。此時(shí)的ERP曲線如圖9所示。此時(shí)，若考慮一定的功率裕量，將CIR值定為13 dB，則由圖9知，無(wú)論a基站輻射天線的有效高度選為多少米，都不能同時(shí)滿足a，b基站對(duì)對(duì)方的CIRmin大于13 dB的要求，這時(shí)就需要對(duì)原CMMB SFN的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。下面以在b基站設(shè)置發(fā)射延時(shí)為例進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。

若設(shè)計(jì)a基站輻射天線的有效高度為150 m，則

故可在a基站設(shè)置發(fā)射延時(shí)，當(dāng)a基站的發(fā)射延時(shí)為48.8μs時(shí)，b基站對(duì)a基站的同頻干擾區(qū)域剛好完全消失，即b基站對(duì)a基站不存在同頻干擾。相關(guān)仿真情況如圖10所示?？梢?jiàn)，b基站對(duì)a基站的同頻干擾區(qū)域剛好完全消失，而a基站對(duì)b基站的同頻干擾區(qū)域卻擴(kuò)大了很多，但仍滿足a基站對(duì)b基站的最小同頻干擾比，所以在同頻干擾區(qū)域仍然能正常的接收CMMB信號(hào)。為了減小a基站對(duì)b基站的同頻干擾區(qū)域，可以對(duì)a基站的全向輻射天線設(shè)置下傾角（包括機(jī)械下傾與電氣下傾），或者改變a基站輻射天線的方向圖，將全向輻射天線換為定向天線此時(shí)a基站對(duì)b基站的同頻干擾區(qū)域也能完全消失。

4 CMMB HSFN組網(wǎng)

通過(guò)以上對(duì)CMMB超理論間距單頻網(wǎng)的探討可知，混合式單頻網(wǎng)（Hybrid SFN，HSFN），即常規(guī)單頻網(wǎng)與超理論間距單頻網(wǎng)的組合是可行的?？梢栽谥行统鞘袃?nèi)通過(guò)常規(guī)單頻網(wǎng)實(shí)現(xiàn)CMMB覆蓋，而在相鄰的城市之間則可采用同一頻道通過(guò)超理論間距單頻網(wǎng)進(jìn)行覆蓋。從某種程度上說(shuō)，目前正常運(yùn)行的長(zhǎng)株潭CMMB單頻網(wǎng)即為HSFN。

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