牡丹江市CMMB單頻網(wǎng)覆蓋優(yōu)化探討

姜法林

（黑龍江人民廣播電臺804臺，黑龍江 牡丹江 157001）

1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析

1.1 單頻網(wǎng)系統(tǒng)路測圖

牡丹江市CMMB單頻網(wǎng)系統(tǒng)在2010年1月開通，3月中廣傳播有限公司技術(shù)人員和省龍廣傳播有限公司技術(shù)人員攜帶專業(yè)電子測試儀器，與牡丹江市CMMB項目組工程技術(shù)人員一起，共同對市區(qū)主要干道進(jìn)行了細(xì)致的信號覆蓋測試，測試市區(qū)主要街道橫向、縱向共計19條，測試路徑里程165 km，測試結(jié)果如圖1所示。

測試電平的統(tǒng)計分析結(jié)果，市內(nèi)地區(qū)能夠滿足（QPSK，1/2）的信道參數(shù)條件接收，不穩(wěn)定接收信號的區(qū)域所占測試區(qū)域的百分比如下：

1）室外路測（45 dBμV/-73 dBm）＞95.6%；

2）車內(nèi)（42 dBμV/-65 dBm）＞80.05%；

3）淺室（47 dBμV/-60 dBm）＞65.2%。

由圖1可見，市區(qū)內(nèi)主要干道信號場強(qiáng)可以滿足使用要求，而市區(qū)主要商業(yè)區(qū)受地形及周圍建筑物遮擋使CMMB信號受阻，太平路主要商業(yè)區(qū)內(nèi)的百貨大樓、電腦商城、新瑪特商城、宏博購物商城等商城的一層與二層樓，火車站、金頂大廈、第二人民醫(yī)院、移動旗艦店賣場等公共場所的一樓信號較弱，導(dǎo)致CMMB信號終端用戶無法正常收視。

因此，牡丹江市區(qū)內(nèi)在信道參數(shù)（QPSK，1/2）條件下的信號覆蓋還有較大優(yōu)化空間，特別是室內(nèi)接收環(huán)境。

1.2 市區(qū)補(bǔ)點的區(qū)域

根據(jù)前期路測的結(jié)果和參考（QPSK，1/2）模式下淺室接收電平經(jīng)驗值，目前牡丹江市需補(bǔ)點的較大的幾個區(qū)域見圖2。黑線表示地下太平路、金街、曼哈頓、東一條路商業(yè)街補(bǔ)點區(qū)域，深灰色點表示公共場所樓宇的一、二層樓優(yōu)化補(bǔ)點位置。

1.3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化深度覆蓋需求分析

手機(jī)用戶終端接收CMMB信號的環(huán)境基本分為室外、慢速移動、車內(nèi)快速移動、淺室和深室固定接收幾種，反映信道模型為惡劣的瑞利模型，終端U波段天線增益-3 dBi，接收高度為1.5 m。

牡丹江市區(qū)30%主要高層建筑物室內(nèi)一層、二層等用戶接收終端電平在-29 dBm及以下，市區(qū)高層建筑物密集，信號遮擋、峭壁效應(yīng)嚴(yán)重。針對掌握的第一手預(yù)測信號的場強(qiáng)覆蓋資料，2010年10月對市區(qū)太平路主要商業(yè)街、商場共計17個補(bǔ)點區(qū)域進(jìn)行了接收環(huán)境電平評估。以太平路商業(yè)街百貨大樓為例，1 kW單頻網(wǎng)基站覆蓋、發(fā)射41頻道、中心頻率738 MHz，距離百貨大樓接收端一層接收電平為-23 dBm；二層-29 dBm，三層-40 dBm，四層以上室內(nèi)空間電平變化不大，CMMB信號在QPSK 2 bit調(diào)制方式下接收。經(jīng)調(diào)查，3 000個CMMB用戶移動接收用戶狀態(tài)要大于固定接收狀態(tài)，移動接收門限電平要比固定接收高6～7 dB，因此，牡丹江市CMMB網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以移動（QPSK，1/2）接收為參考值。項目組工程技術(shù)人員通過多方位、多角度測量并最后匯總數(shù)據(jù)，經(jīng)技術(shù)論證，對市區(qū)主要建筑物密集區(qū)遮擋樓房一層、二層做深層補(bǔ)點優(yōu)化，三樓以上能夠滿足終端接收要求，補(bǔ)點優(yōu)化暫不考慮。

對牡丹江市移動手機(jī)賣場旗艦店12個品牌CMMB手機(jī)終端進(jìn)行統(tǒng)計，手機(jī)的分米波段拉桿天線增益設(shè)計大都在-5 dBi左右，因此CMMB終端在室外、室內(nèi)不同地點、不同空間的接收，會對信號帶來不同程度的衰減，例如車內(nèi)接收時車體的屏蔽、室內(nèi)接收時樓群遮擋與鋼筋混凝土墻體的屏蔽等。根據(jù)市區(qū)復(fù)雜情況和實際測試數(shù)據(jù)參考值，結(jié)合《移動多媒體廣播技術(shù)白皮書》[2]的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出表1的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

表1 市區(qū)測試經(jīng)驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中不同接收環(huán)境下空間電平衰減經(jīng)驗值，計算出CMMB信號在（QPSK，1/2）、（16QAM，1/2）信道參數(shù)條件下穩(wěn)定接收所要求（室外/淺室）的無線空間電平的經(jīng)驗門限值，如表2所示。

表2 兩種信道條件下穩(wěn)定接收要求的空間電平經(jīng)驗門限值

CMMB使用環(huán)境可分為兩類：第一類使用環(huán)境是室外/車載、車內(nèi)、淺室內(nèi)等；第二類使用環(huán)境主要是商街、公共場所、車站、醫(yī)院等深室內(nèi)場所。網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)優(yōu)化主要針對這兩種環(huán)境，解決辦法主要采取室外補(bǔ)點和室內(nèi)補(bǔ)點。

2 牡丹江市網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路

根據(jù)省公司對各地市第三階段CMMB網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)要求和成本投入要求，牡丹江市CMMB網(wǎng)絡(luò)布點優(yōu)化首先從愛民區(qū)、西安區(qū)、東安區(qū)、陽明區(qū)CMMB信號強(qiáng)度小于-75 dBm的區(qū)域入手，如大型商場、地下商業(yè)街、人群密集區(qū)高校等收看需求高的綜合性場所，先簡后繁，先粗后細(xì)，力求少走彎路，提高效率。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案如下：

1）進(jìn)行室外用戶覆蓋。將市區(qū)南北長12.5 km、東西長13.8 km、面積172.5 km2的人口密集區(qū)設(shè)為主覆蓋區(qū)，用2個1 kW單頻網(wǎng)基站覆蓋；將遠(yuǎn)郊的溫春鎮(zhèn)（距市區(qū)19 km）、樺林鎮(zhèn)（距市區(qū)15 km）、磨刀石鎮(zhèn)（距市區(qū)17 km）設(shè)為副覆蓋區(qū)，將溫春鎮(zhèn)人口密集區(qū)內(nèi)的黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院確定設(shè)為重點CMMB優(yōu)化補(bǔ)點移頻區(qū)域，遠(yuǎn)郊補(bǔ)點網(wǎng)絡(luò)采用移頻傳輸覆蓋方案，在溫春鎮(zhèn)（黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院）、樺林鎮(zhèn)、磨刀石鎮(zhèn)分別建50 W直放站進(jìn)行補(bǔ)點。

2）在距牡丹江市105 km的鏡泊湖國家旅游開發(fā)區(qū)建設(shè)1 kW單頻網(wǎng)基站進(jìn)行湖區(qū)全方位覆蓋。CMMB信號采用微波6 GHz接力移頻傳輸解決方案，鏡泊湖廣電無線廣播電視發(fā)射臺采用1 kW 41CH數(shù)字電視發(fā)射機(jī)同頻轉(zhuǎn)發(fā)。

3）先用2個1 kW單頻網(wǎng)基站對市區(qū)進(jìn)行了粗覆蓋，覆蓋率達(dá)到80%，后對火車站、飛機(jī)場航站樓、電腦商城、金鼎大廈、家樂福、醫(yī)院等場所一樓、二樓、三樓等進(jìn)行補(bǔ)點，功率等級選用100 mW或200 mW，曼哈頓、金街、東一條路地下商業(yè)街選用1 W，10 W或20 W進(jìn)行多點優(yōu)化。

4）在實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步大面積推廣。

3 覆蓋實驗

3.1 室外補(bǔ)點

3.1.1 原理框圖

老黑山和溫春鎮(zhèn)三面環(huán)山，CMMB信號在黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院校區(qū)信號接收電平為-26 dBm，用戶終端無法收看。為進(jìn)行該地區(qū)的場強(qiáng)覆蓋，開展了CMMB網(wǎng)絡(luò)移頻傳輸同頻發(fā)射補(bǔ)點覆蓋實驗[3-5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 移頻轉(zhuǎn)發(fā)站

在牡丹江市廣播電視傳輸中心主站，前端ASI信號經(jīng)DS3/ASI編碼復(fù)用，信號頻譜搬移到一個空閑的8 MHz微波6 GHz波段上，然后通過微波發(fā)信機(jī)將此信號傳輸?shù)骄嚯x主站19 km的遠(yuǎn)端溫春黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院教學(xué)樓，收信后經(jīng)下變頻傳送到數(shù)字微波中頻解調(diào)機(jī)輸出，再經(jīng)ASI流送入50 W CMMB數(shù)字發(fā)射機(jī)，同頻全向發(fā)射，由此實現(xiàn)溫春城區(qū)半徑1.8 km較大范圍內(nèi)的補(bǔ)點優(yōu)化。傳輸原理如圖4所示。

圖4 移頻傳輸原理框圖

此類型補(bǔ)點站的特點是信號移頻傳輸同頻信號發(fā)射，通過數(shù)字微波的信號移頻傳輸，實現(xiàn)了將收發(fā)天線有效地拉遠(yuǎn)，解決了傳統(tǒng)同頻直放站隔離度難以做大的問題。

考慮到補(bǔ)點站引入的時延（≤5 μs），在控制補(bǔ)點站覆蓋范圍的條件下，（覆蓋半徑控制在1.8 km），補(bǔ)點站的發(fā)射信號和主站發(fā)射信號不會在覆蓋區(qū)產(chǎn)生同頻干擾，非常適用于城區(qū)、市郊區(qū)較大范圍的補(bǔ)點優(yōu)化覆蓋。

3.1.2 覆蓋場強(qiáng)預(yù)測

溫春（黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院）直放站適合采用一體化垂直天線，天線增益：14 dB，帶寬8 MHz，發(fā)射天線安裝高度為35 m，CMMB數(shù)字電視發(fā)射機(jī)單頻網(wǎng)為41CH，直放站發(fā)射功率輸出50 W，根據(jù)Okumura/Hata模型[6]進(jìn)行計算。

Okumura/Hata模型是應(yīng)用較為廣泛的覆蓋預(yù)測模型，它是以準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)作基準(zhǔn)，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)的基本傳輸損耗經(jīng)驗公式[2，6-7]為

式中：Lb為市區(qū)準(zhǔn)平滑地形電波傳播損耗中值（dB）；f為工作頻率（MHz）；hb為基站天線有效高度（m）；hm為移動臺天線有效高度（m）；d為移動臺與基站之間的距離（km）；α（hm）為移動臺天線高度因子；s（a）為建筑物密度因子，a為建筑物密度。

一般移動接收終端天線有效高度可取1.5 m，在CMMB系統(tǒng)中，α（hm）約為0。因此，市區(qū)基本傳輸損耗計算的經(jīng)驗公式（式（1））可表示為

對于郊區(qū)，經(jīng)驗公式可修正為

對于鄉(xiāng)村，經(jīng)驗公式可修正為

對于開闊地，經(jīng)驗公式可修正為

利用上述公式，可計算出，市區(qū)的自由空間路徑損耗Lb=136.72 dB，淺室覆蓋半徑為2 km。

對于溫春鎮(zhèn)補(bǔ)點區(qū)域因高層建筑物較稀少，s（a）可取0 dB。

考慮溫春對于（QPSK，1/2）淺室接收電平指標(biāo)，接收信號電平路徑衰減后不低于其門限電平47 dBμV/-60 dBm，由此可以計算出允許的最大衰減值為

L溫春=14 dB+10lg（50 000）dB-（-60 dBm）=121 dB

針對（QPSK，1/2）的各種使用環(huán)境所需的最小空間電平門限值，可以計算出該補(bǔ)點站在不同使用環(huán)境下的覆蓋半徑預(yù)測，見表3。

表3 補(bǔ)點站在不同使用環(huán)境下的覆蓋半徑預(yù)測值

3.2 室內(nèi)補(bǔ)點

3.2.1 原理框圖

市區(qū)室內(nèi)采用無線增補(bǔ)星型分配系統(tǒng)，100或200 mW同頻直放站，補(bǔ)點區(qū)域為樓字一層、二層，發(fā)射天線為東一條路地下商業(yè)街，深層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化補(bǔ)點采用無線接收增補(bǔ)星型分配系統(tǒng)全向吸頂天線，如圖5所示。

圖5 室內(nèi)分配原理框圖

室內(nèi)選用2 W，10 W，20 W直放站，太平路地下商業(yè)街去往平安街曼哈頓商城，對地下1.2 kW商業(yè)街分布補(bǔ)點實驗。信號接收采用U段定向高增益接收天線，通過2 W干線放大放器經(jīng)耦合分配系統(tǒng)傳輸?shù)礁采w區(qū)域，吸頂發(fā)射天線安裝在天棚下方，在室內(nèi)能夠達(dá)到良好覆蓋效果。

3.2.2 覆蓋場強(qiáng)預(yù)測

按設(shè)計的初步分析，全向吸頂天線的覆蓋半徑最遠(yuǎn)為15 m，初步設(shè)計天線口最弱功率為8.0 dBm，該天線覆蓋區(qū)域場強(qiáng)具體分析如下

式中：PL（d0）為距天線1 m處的自由空間損耗，工作頻率取738 MHz，n取3（見表4），F(xiàn)AF取10 dB（見表5）。

表4 不同環(huán)境下的n取值

表5 不同條件下的FAF取值

本方案中，天線口功率在8.7～18 dBm之間，故

理論上邊緣場強(qiáng)的范圍為-57.2～-66.5 dBm，對比表2接收門限值，確定本設(shè)計可以保證良好的覆蓋效果。

3.3 測試結(jié)果

溫春鎮(zhèn)（黑龍江農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)學(xué)院）移頻傳輸同頻覆蓋補(bǔ)點站建設(shè)于2011年2月完工后，CMMB工程項目組技術(shù)人員對補(bǔ)點覆蓋區(qū)域進(jìn)行了測試，測試儀器為Annitsu-MS2711頻譜儀，GPS和CMMB接收終端。

補(bǔ)點完成后，室外場強(qiáng)可達(dá)-40～-60 dBm，可滿足（QPSK，1/2）信道參數(shù)條件下的覆蓋要求：淺室接收的補(bǔ)點站覆蓋半徑為1.5～2 km，移動接收的補(bǔ)點站覆蓋半徑為3 km，車載/室外接收的補(bǔ)點覆蓋半徑為2.9 km。實際測試數(shù)據(jù)表明，溫春鎮(zhèn)高層建筑少，信號遮擋影響小，采用6 GHz微波移頻傳輸同頻發(fā)射補(bǔ)點實驗覆蓋面積較大，效果良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求；同遠(yuǎn)距離光纖信號傳輸相比，造價低，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和實用性，對郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)CMMB網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)點優(yōu)化建設(shè)有著較強(qiáng)的可操作性。

牡丹江市區(qū)淺室內(nèi)和地下深室內(nèi)補(bǔ)點優(yōu)化完工后，經(jīng)實際測量結(jié)果為：百貨大樓、電腦商城、商業(yè)大廈、火車站等13個場所建筑物一層、二層補(bǔ)點優(yōu)化后室內(nèi)分布場強(qiáng)均在-46～-65 dBm，曼哈頓、金街、東一條路地下商業(yè)街共計2.4 km地下深室內(nèi)補(bǔ)點優(yōu)化后各區(qū)域接收場強(qiáng)在-47～-69 dBm之間，終端用戶實際使用效果良好，達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)論

移頻傳輸同頻發(fā)射補(bǔ)點站克服了傳統(tǒng)同頻直放站隔離度低、發(fā)射功率小、不能全向覆蓋的弊端，可以與主站組成單頻網(wǎng)進(jìn)行較大區(qū)域的較大功率補(bǔ)點優(yōu)化覆蓋，特別適合于CMMB室外補(bǔ)點。

室內(nèi)同頻轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)成熟，系統(tǒng)簡單，覆蓋效果良好，適合于“深室內(nèi)”覆蓋。

通過上述實驗，為牡丹江市CMMB下一步覆蓋優(yōu)化設(shè)計積累了第一手?jǐn)?shù)據(jù)，同時，該實驗對全省CMMB補(bǔ)點站建設(shè)具有參考價值。

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