移動(dòng)多媒體廣播業(yè)務(wù)S波段電波傳播模型比較

夏治平 董 雷 胡 軍 鄒 峰

(1.國(guó)家廣電總局廣播科學(xué)研究院，北京 100866； 2.北京華信利德信息技術(shù)有限公司，北京 100097)

1. 引 言

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播)[1]是國(guó)家廣電總局推出的新媒體業(yè)務(wù)，用戶(hù)可以通過(guò)手持終端接收實(shí)時(shí)音視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前，全國(guó)320個(gè)大中城市已經(jīng)開(kāi)通了CMMB業(yè)務(wù)。已開(kāi)通的CMMB業(yè)務(wù)都是在UHF(Ultra High Frequency,特高頻)頻段470～798 MHz播出的。

在CMMB總體技術(shù)架構(gòu)中，還預(yù)留了S波段大功率衛(wèi)星與地面補(bǔ)點(diǎn)相結(jié)合覆蓋全國(guó)的方式[2]。相對(duì)于UHF頻段，S波段的CMMB系統(tǒng)具有覆蓋面廣、覆蓋成本低、城市間漫游無(wú)需頻道切換等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)國(guó)際衛(wèi)星頻率協(xié)調(diào)的結(jié)果，S波段CMMB將在2635～2660 MHz開(kāi)展業(yè)務(wù)。隨著CMMB S波段網(wǎng)絡(luò)的即將部署，廣電技術(shù)部門(mén)啟動(dòng)了關(guān)于S波段電波傳播模型的理論研究，并進(jìn)行了一系列的S波段信號(hào)傳播試驗(yàn)。

目前，可應(yīng)用于S波段或準(zhǔn)S波段的主流電波傳播模型包括：國(guó)際電信聯(lián)盟建議書(shū)P.1546(下稱(chēng)1546)模型[3]、國(guó)際電信聯(lián)盟建議書(shū)P.526(下稱(chēng)526)模型[4]、SUI(Stanford University Interim， 斯

坦福大學(xué)過(guò)渡)模型[5]和COST-231(European Cooperation in Science and Technology-231歐盟科技合作第231工作組) Hata模型[6]。1546模型是經(jīng)公式修正的基于實(shí)測(cè)傳播曲線的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚7]；526模型是經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正的基于刃峰繞射理論的半確定性模型[8]；SUI模型最初是斯坦福大學(xué)為美國(guó)2.5～2.7 GHz頻段MMDS(Multichannel Microwave Distribution System，多路微波分配系統(tǒng))設(shè)計(jì)的傳播模型；COST-231 Hata模型是COST-231在Hata模型[9]基礎(chǔ)上進(jìn)行頻率適用范圍擴(kuò)展修正得到的模型。盡管上述模型理論均已發(fā)展成熟，但是關(guān)于如何將它們應(yīng)用于CMMB信號(hào)傳播的研討尚未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

在為傳統(tǒng)無(wú)線廣播電視系統(tǒng)選擇電波傳播模型的研究成果[10-11]基礎(chǔ)上，本文提出了一種用于S波段CMMB信號(hào)覆蓋測(cè)試和數(shù)據(jù)分析的方法，用于比較確定上述四種傳播模型中，哪些模型更適用于CMMB信號(hào)的覆蓋預(yù)測(cè)。通過(guò)這種方法，在各種地形條件和傳播場(chǎng)景中都可以選出預(yù)測(cè)精度相對(duì)最高的電波傳播模型，從而為CMMB系統(tǒng)的S波段組網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。

2.試驗(yàn)介紹

2008年4月，國(guó)家廣電總局廣播科學(xué)研究院的項(xiàng)目組在福州市東南郊馬尾區(qū)104國(guó)道沿線進(jìn)行了CMMB S波段組網(wǎng)覆蓋的試驗(yàn)。福州試驗(yàn)搭建了CMMB系統(tǒng)的首個(gè)S波段試驗(yàn)網(wǎng)。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于當(dāng)?shù)毓纳胶烷}江間的狹長(zhǎng)區(qū)域，既屬丘陵平原結(jié)合部，又屬城鄉(xiāng)結(jié)合部，國(guó)道兩側(cè)的建筑物以民居和工業(yè)用房為主，高度一般不超過(guò)15 m。經(jīng)實(shí)地勘察和施工，在104國(guó)道沿線直線相距3 km的龍門(mén)和胐頭兩地分別建立發(fā)射站點(diǎn)，組成了一個(gè)有部分交疊覆蓋區(qū)的小型同頻覆蓋網(wǎng)。發(fā)射頻率為2647.5 MHz，極化方式為垂直極化。發(fā)射端參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 發(fā)射端參數(shù)

接收和測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試車(chē)、接收天線、路測(cè)儀和頻譜儀。測(cè)試路線為104國(guó)道龍門(mén)和朏頭沿線路段，全程長(zhǎng)約6 km。測(cè)試車(chē)為別克商務(wù)車(chē)，車(chē)上配備有不間斷電源。行車(chē)速度保持在50 km/h左右。接收天線安裝在車(chē)頂，增益為2 dBi，距地面高度約為2 m。路測(cè)儀選用了日本芝測(cè)公司的TX701型，每秒鐘采集一次測(cè)試點(diǎn)經(jīng)緯度信息以及信號(hào)的電平、信噪比、RS(Reed-Solomon,里德—所羅門(mén)編碼)誤塊率等指標(biāo)，并自動(dòng)生成數(shù)據(jù)文件。后續(xù)工作中所需要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)即取自于路測(cè)儀數(shù)據(jù)文件中的電平測(cè)量值。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，路測(cè)儀的電平測(cè)量值經(jīng)過(guò)了頻譜儀的校準(zhǔn)。

3.數(shù)據(jù)分析過(guò)程

3.1 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算

預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程在法國(guó)ATDI 公司的頻率規(guī)劃軟件ICS Telecom平臺(tái)上完成。地理信息數(shù)據(jù)使用了20 m采樣精度的福州地區(qū)三維電子地圖，包括地形高度、地表覆蓋物和矢量線條共三個(gè)圖層。

在作預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)，按照實(shí)際試驗(yàn)的發(fā)射和接收鏈路參數(shù)在軟件中進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)CMMB終端標(biāo)準(zhǔn)[12]建議的方法推導(dǎo)出信號(hào)覆蓋的閾值為54 dBμV/m(折合-91 dBm)。

由于ICS Telecom軟件中已經(jīng)集成了參與性能比較的全部四種電波傳播模型模塊，只需依次選擇模型及相應(yīng)參數(shù)，就可以預(yù)測(cè)出各模型的覆蓋效果。限于篇幅，只給出以526模型計(jì)算的預(yù)測(cè)覆蓋效果圖，如圖1(看202頁(yè))所示，兩個(gè)綠色小方塊代表發(fā)射點(diǎn)，彩色區(qū)域?yàn)轭A(yù)測(cè)覆蓋區(qū)。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的篩選

路測(cè)儀自動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)文件不能直接用于數(shù)據(jù)比對(duì)。需按照一定的原則，刪除欠準(zhǔn)確的、冗余的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

本次試驗(yàn)中，不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)一般來(lái)自于對(duì)弱信號(hào)的測(cè)量。如果測(cè)試電平值低于路測(cè)儀設(shè)備的底噪，該數(shù)據(jù)將不予采信。數(shù)據(jù)篩選時(shí)只選取了 -91 dBm以上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

冗余數(shù)據(jù)一般來(lái)源于測(cè)試時(shí)的停車(chē)，停車(chē)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)記錄。數(shù)據(jù)篩選時(shí)只選取了測(cè)試車(chē)時(shí)速超過(guò)10 km/h的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，去掉了測(cè)試車(chē)停車(chē)、起步時(shí)的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)兩步的篩選，為了保證測(cè)試點(diǎn)在地圖軟件上的演示效果，需按照3選1的比率繼續(xù)過(guò)濾掉部分?jǐn)?shù)據(jù)。最終保留的有效測(cè)試點(diǎn)數(shù)量為160個(gè)。

上述數(shù)據(jù)篩選工作可用Excel軟件或編程實(shí)現(xiàn)。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

把篩選所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照ICS Telecom軟件要求的格式導(dǎo)入，軟件會(huì)把同一測(cè)試點(diǎn)的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值自動(dòng)對(duì)應(yīng)起來(lái)，生成預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較曲線，如圖2，黃色曲線為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，綠色曲線為526模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，通過(guò)兩條曲線的吻合程度可以直觀地比較兩組數(shù)據(jù)的異同。

圖2 預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)比較曲線

3.4 預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較

得到實(shí)測(cè)值Emi和預(yù)測(cè)值Epi之后，用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)各傳播模型的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)選取預(yù)測(cè)誤差i為樣本，分析樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中，i定義為實(shí)測(cè)值Emi與預(yù)測(cè)值Epi之差，i=Emi-Epi，單位dB.

樣本平均值：樣本中各數(shù)據(jù)的平均數(shù)。計(jì)算公式如下

(1)

式中，n為采樣數(shù)。

樣本標(biāo)準(zhǔn)差：樣本中各數(shù)據(jù)與樣本平均數(shù)的差的平方的平均數(shù)叫做樣本方差，樣本方差的算術(shù)平方根叫做樣本標(biāo)準(zhǔn)差。樣本標(biāo)準(zhǔn)差反映的是數(shù)據(jù)集的離散程度。計(jì)算公式如下

(2)

式中，n為采樣數(shù)。

數(shù)據(jù)樣本分析結(jié)果參見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)樣本分析結(jié)果

顯然，526模型的樣本平均值的絕對(duì)值明顯小于另外三種傳播模型，可見(jiàn)其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)最接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度最高。為了更清楚地說(shuō)明問(wèn)題，圖3(看202頁(yè))～圖6(看202頁(yè))以不同顏色測(cè)試點(diǎn)的形式，把四種傳播模型的誤差值在MapInfo地圖軟件平臺(tái)上分別表示出來(lái)。

由圖3可以看出，526模型的誤差值集中分布在(-6，6]區(qū)間范圍內(nèi)；1546模型的誤差值大量分布在(-6，6]、(6，12]兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，少量分布在(18，23]區(qū)間，如圖4所示；而在圖5和圖6中，Cost-231 Hata模型、SUI模型的誤差值主要分布在(12，18]、(18，33]兩個(gè)區(qū)間內(nèi)。

3.5 結(jié)果分析

根據(jù)各模型誤差樣本值分布的對(duì)比結(jié)果，526模型的預(yù)測(cè)誤差在±1 dB以?xún)?nèi)，獲得了令人滿(mǎn)意的預(yù)測(cè)精度。由于頻率規(guī)劃軟件和電子地圖技術(shù)的發(fā)展，地形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入變得很容易。高精度的地圖數(shù)據(jù)，加上復(fù)雜的地形較大限度地發(fā)揮了以526模型為代表的繞射模型的優(yōu)勢(shì)。

1546模型存在一定的預(yù)測(cè)誤差。原因在于，雖然該模型有針對(duì)近距離障礙物衰減影響的地形凈空角等修正選項(xiàng)，但是障礙物較多時(shí)其修正能力不足。另外，1546模型的適用范圍下限為1 km，1 km以?xún)?nèi)的預(yù)測(cè)值只能依靠線性外推，而福州試驗(yàn)跨度僅數(shù)公里，1 km以?xún)?nèi)的測(cè)試點(diǎn)占有相當(dāng)比重，影響了該模型的整體表現(xiàn)。

Cost-231 Hata模型和SUI模型的預(yù)測(cè)誤差在本次模型比較工作中相對(duì)較大。Cost-231 Hata模型的頻率適用上限僅為2 GHz，雖然DVB(Digital Video Broadcasting，數(shù)字視頻廣播)組織將該模型應(yīng)用于2.2 GHz頻段系統(tǒng)獲得了較好的效果[13]，但是福州試驗(yàn)結(jié)果表明，2.6 GHz超出了該模型頻率適用范圍向上延伸的合理限度。

SUI模型的特點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，將全部地形地貌簡(jiǎn)單地分為城市、郊區(qū)、農(nóng)村三類(lèi)。而福州試驗(yàn)所處地形界線模糊，地貌分類(lèi)復(fù)雜。試驗(yàn)結(jié)果表明：在此類(lèi)復(fù)合地形地貌中，該模型預(yù)測(cè)效果不佳。

4.結(jié) 論

在參與比較的四種S波段電波傳播模型當(dāng)中，以福州試驗(yàn)采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作基準(zhǔn)，526模型的預(yù)測(cè)精度是最高的。

通過(guò)這種將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到頻率規(guī)劃軟件平臺(tái)進(jìn)行傳播模型比較的方法，可以得出類(lèi)似地形和傳播場(chǎng)景下預(yù)測(cè)精度最高的一種模型，從而為CMMB系統(tǒng)的S波段組網(wǎng)規(guī)劃提供依據(jù)。

電波傳播試驗(yàn)受主客觀因素的影響比較大，地形、傳播場(chǎng)景、測(cè)試方法的變化都有可能引起模型比較結(jié)論的差異。后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)S波段電波傳播理論的研究，繼續(xù)完善這一電波傳播模型比較方法。

[1] 國(guó)家廣播電影電視總局. GY/T 220.1-2006 移動(dòng)多媒體廣播 第1部分: 廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S]. 北京: 國(guó)家廣播電影電視總局廣播電視規(guī)劃院, 2006.

[2] 國(guó)家廣播電影電視總局科技司. 移動(dòng)多媒體廣播技術(shù)白皮書(shū)[R/OL]. 2008[2010-03-03].http://www.sarft.gov.cn/articles/2008/08/27/20080827091514610242.html.

[3] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.1546-4 Method for Point-To-Area Predictions for Terrestrial Services in the Frequency Range 30 MHz to 3000 MHz[S]. Geneva: ITU, 2009.

[4] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.526-11 Propagation by Diffraction[S]. Geneva: ITU, 2009.

[5] ERCEG V, GREENSTEIN L J, TJANDRA S Y, et al. An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1999, 17(7): 1205-1211.

[6] European Cooperation in the Field of Scientific and Technical Research. Digital Mobile Radio towards Future Generation Systems: Final Report[R/OL]. 1999[2010-03-03]. http://www.lx.it.pt/cost231/final_report.htm.

[7] 史虹湘, 逯貴禎, 程瑞廷, 等. DTTV電波傳播模型的選擇[J]. 廣播與電視技術(shù), 2004, 31(11): 38-40.

[8] 王仲園, 金榮洪, 耿軍平, 等. 移動(dòng)數(shù)字電視覆蓋預(yù)測(cè)的射線跟蹤模型[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 24(2): 341-348.

WANG Zhongyuan, JIN Ronghong, GENG Junping, et al. Ray-tracing propagation prediction model for mobile digital television[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(2): 341-348. (in Chinese)

[9] HATA M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1980, 29(3): 317-325.

[10] GAO Peng, YANG Ming, LI Xunchun, et al. A novel field test and data analysis method for estimating and verifying DAB signal coverage[C/CD]//IEEE Broadcast Technology Society. 57th Annual IEEE Broadcast Symposium. Washington: IEEE, 2007.

[11] 夏治平. 地面數(shù)字電視電波傳播模型誤差分析報(bào)告[J]. 廣播電視信息, 2006, 13(7): 42-44.

[12] 國(guó)家廣播電影電視總局. GY/T 220.7-2008 移動(dòng)多媒體廣播 第7部分: 接收解碼終端技術(shù)要求[S]. 北京: 國(guó)家廣播電影電視總局廣播電視規(guī)劃院, 2008.

[13]European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 102 584 v1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB): DVB-SH Implementation Guidelines[S]. Nice: ETSI, 2008.