河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)優(yōu)化研究

夏治平，張小苗，楊 勍，齊衛(wèi)衛(wèi)

(1.國(guó)家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院，北京 100866；2.河北省廣播電視技術(shù)中心，河北 石家莊 050012)

河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)優(yōu)化研究

夏治平1，張小苗2，楊 勍1，齊衛(wèi)衛(wèi)2

(1.國(guó)家新聞出版廣電總局廣播科學(xué)研究院，北京 100866；2.河北省廣播電視技術(shù)中心，河北 石家莊 050012)

概括介紹了河北省頻率規(guī)劃方案，逐一確定了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作所需的技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)分析了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的原理和方法。通過(guò)區(qū)域單頻網(wǎng)和多頻網(wǎng)實(shí)例，解決了存在的干擾問(wèn)題，提出了河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)組網(wǎng)的優(yōu)化參數(shù)和方案，為其他省份開展類似工作提供了技術(shù)參考。

地面數(shù)字電視；單頻網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

2014年10月，國(guó)家新聞出版廣電總局(以下簡(jiǎn)稱總局)啟動(dòng)了中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程，目標(biāo)是在2015年基本實(shí)現(xiàn)12套中央電視節(jié)目在全國(guó)范圍內(nèi)的無(wú)線數(shù)字化覆蓋[1]。

為了盡快推進(jìn)河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)的建設(shè)工作，河北省新聞出版廣電局與總局廣播科學(xué)研究院于2015年5月起，在河北省前期規(guī)劃、勘察工作[2]和總局科技司審定的頻率規(guī)劃方案基礎(chǔ)上，共同開展了河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究，對(duì)河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)(一期)建設(shè)涉及的107個(gè)臺(tái)站的組網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了復(fù)核，單頻網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)(SFN)方案和參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，單頻和多頻網(wǎng)絡(luò)(MFN)覆蓋效果進(jìn)行了試算，為河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)的工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1 方案概述

按照總局科技司審定的頻率規(guī)劃方案，河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)(一期)建設(shè)涉及107個(gè)臺(tái)站，分布在河北省全境11個(gè)地級(jí)市，如圖1所示。

圖1 河北省方案臺(tái)站分布(截圖)

每個(gè)臺(tái)站播出兩個(gè)頻率，分別組成區(qū)域SFN層和MFN層。區(qū)域是指一個(gè)或數(shù)個(gè)地級(jí)市，全省一共8個(gè)這樣的區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)SFN，這8個(gè)SFN共同組成覆蓋全省的區(qū)域SFN層；而MFN層基本上每縣不同頻。

圖2 不同頻道發(fā)射機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

業(yè)務(wù)模式以標(biāo)清節(jié)目固定接收為主，其中區(qū)域SFN層播出8套中央節(jié)目，以固定接收為主，但兼顧移動(dòng)接收特點(diǎn)；MFN層播出4套中央節(jié)目+若干套省節(jié)目，只針對(duì)固定接收。

2 技術(shù)參數(shù)

2.1 系統(tǒng)參數(shù)

地面數(shù)字電視傳輸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的工作模式多達(dá)330種[3]，總局推薦了7種模式，這7種模式還衍生出一些較常用的新模式。為了滿足河北省這種以固定接收為主，兼顧移動(dòng)接收的業(yè)務(wù)需求，本次網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化對(duì)于MFN層，按照模式C=3 780，64QAM，0.6，420，24.365 Mbit/s(即總局推薦的模式6)進(jìn)行規(guī)劃優(yōu)化；對(duì)于區(qū)域SFN層，按照模式C=3 780，16QAM，0.8，945，19.251 Mbit/s(0.8改0.6后即為總局推薦的模式3)進(jìn)行規(guī)劃優(yōu)化。

2.2 場(chǎng)強(qiáng)門限

頻率規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中使用的場(chǎng)強(qiáng)門限可以通過(guò)系統(tǒng)C/N門限，運(yùn)用“電壓法”推導(dǎo)而得。對(duì)于固定接收，采用萊斯信道對(duì)應(yīng)的C/N門限[4]。

對(duì)于MFN層，萊斯信道C/N門限為18 dB。95%地點(diǎn)概率室外固定接收?qǐng)鰪?qiáng)門限為：47 dBμV/m(Ⅲ波段)、51 dBμV/m(Ⅳ波段)、54 dBμV/m(Ⅴ波段)。

對(duì)于區(qū)域SFN層，萊斯信道C/N門限為15 dB。95%地點(diǎn)概率室外固定接收?qǐng)鰪?qiáng)門限為：48 dBμV/m(Ⅳ波段)、51 dBμV/m(Ⅴ波段)，本方案中涉及到的場(chǎng)強(qiáng)門限如表1所示[5]。

表1 場(chǎng)強(qiáng)門限 dBμV/m

名稱MFN層區(qū)域SFN層Ⅲ波段Ⅳ波段Ⅴ波段Ⅳ波段Ⅴ波段場(chǎng)強(qiáng)門限4751544851

2.3 電波傳播模型

電波傳播模型以國(guó)際電聯(lián)1546建議書為主，在河北省西北部山區(qū)同時(shí)用國(guó)際電聯(lián)526建議書計(jì)算結(jié)果作為參照。

2.4 頻率和發(fā)射機(jī)功率

本次中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程的各省頻率規(guī)劃方案，均以指配UHF頻段的頻道(DS-13～DS-48)為主。河北省全部214個(gè)頻道指配中，UHF指配有212個(gè)。其中最多的是DS-42，有30個(gè)。最少的是DS-13和DS-37，均為0個(gè)。由于河北省環(huán)抱京津兩個(gè)直轄市，頻率資源受限較多，在UHF頻道之外，另有VHF指配DS9和DS11各一個(gè)，這在全國(guó)方案中是絕無(wú)僅有的[6]。不同頻道發(fā)射機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

總共214部發(fā)射機(jī)中，1 000 W功率的122部，占比57%；300 W功率的92部，占比43%。

2.5 天饋參數(shù)

本研究項(xiàng)目之初，項(xiàng)目組對(duì)所有107個(gè)臺(tái)站進(jìn)行了實(shí)地勘察調(diào)研，完整采集了這些臺(tái)站的位置、現(xiàn)有天饋多工設(shè)施、鐵塔條件、機(jī)房條件、節(jié)傳條件等信息。

按照臺(tái)站調(diào)研結(jié)果和覆蓋設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整，項(xiàng)目組初步確定了天線、饋線、多工器等產(chǎn)品的形式、型號(hào)和參數(shù)，并根據(jù)主流產(chǎn)品性能指標(biāo)，設(shè)定規(guī)劃計(jì)算過(guò)程中的天饋參數(shù)如下：

2.5.1 發(fā)射天線參數(shù)

根據(jù)鐵塔安裝位置、天線極化等要求，發(fā)射天線主要采用四面偶極板、三面偶極板、一體化、縫隙等天線形式，其方向圖依次如圖3所示。最大增益四層四面偶極板為10.5 dB(UHF)、9 dB(VHF)；一體化天線為11.0 dB(UHF)；縫隙天線為9.5 dB(UHF/VHF)。

發(fā)射天線以垂直極化為主，極個(gè)別為水平極化。對(duì)于有下傾要求的天線，按照電子下傾5°進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于非全向天線，按照覆蓋最大化及干擾最小化原則來(lái)調(diào)整天線主方向。

2.5.2 饋線損耗計(jì)算

根據(jù)各發(fā)射臺(tái)站功率容量的要求，本次方案中饋線主要采用80管和40管，其不同頻段的百米損耗分別如表2所示。各發(fā)射機(jī)所使用的饋線長(zhǎng)度根據(jù)調(diào)研結(jié)果確定，乘以單位饋線損耗即得總的饋線損耗。

2.5.3 接收天線參數(shù)

按照以固定接收為主的思路，接收天線高度統(tǒng)一設(shè)定為10 m。對(duì)于MFN層，設(shè)定極化方式完全匹配；而對(duì)于區(qū)域SFN層，接收天線統(tǒng)一設(shè)定為垂直極化，極化不匹配時(shí)鑒別率為16 dB[7]。MFN層采用定向天線，區(qū)域SFN層采用無(wú)增益全向天線，天饋增益分別如表3所示。

圖3 發(fā)射天線方向圖(截圖)

III波段IV波段V波段80管—0．91．040管0．91．51．8

表3 接收天線天饋增益

名稱MFN層區(qū)域SFN層III波段IV波段V波段UHF頻段天線增益/dBd510120饋線損耗/dB1350

2.6 規(guī)劃工具

本次試算使用了法國(guó)ATDI公司ICS Telecom規(guī)劃軟件和50 m精度京津冀高程地圖，包括高度(DEM)圖層和地表覆蓋物(Clutter)圖層。

試算結(jié)果通過(guò)MapInfo軟件，在全國(guó)1∶100萬(wàn)行政區(qū)矢量地圖上疊加展示。

3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原理

各臺(tái)站的技術(shù)參數(shù)初步確定后，就可以進(jìn)行覆蓋效果的初步計(jì)算。通過(guò)對(duì)覆蓋盲區(qū)和干擾區(qū)的分析，來(lái)明確下一步優(yōu)化的目標(biāo)。而網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化就是通過(guò)反復(fù)調(diào)整某些技術(shù)參數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)覆蓋效果、最低干擾目標(biāo)的過(guò)程。

對(duì)于MFN，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般要實(shí)現(xiàn)覆蓋人口或區(qū)域的最大化。常用的手段包括：在覆蓋盲區(qū)增加差轉(zhuǎn)臺(tái)站、調(diào)整天線的主方向至人口稠密地區(qū)等。前一手段受到基礎(chǔ)設(shè)施條件和頻率規(guī)劃的限制，后一手段更為現(xiàn)實(shí)可行。

對(duì)于SFN，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，同步要求高，易引起自干擾。SFN網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自干擾的最小化。

SFN自干擾的形成原因在于，SFN內(nèi)多徑信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，部分多徑超過(guò)了接收機(jī)保護(hù)間隔的范圍，并且多徑信號(hào)電平差小于同頻干擾保護(hù)率，從而引起了干擾。在本案中，當(dāng)SFN內(nèi)各路多徑信號(hào)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：延時(shí)超過(guò)125 μs(對(duì)應(yīng)站間距37.5 km)時(shí)、且場(chǎng)強(qiáng)差小于15 dB，則產(chǎn)生SFN自干擾。

對(duì)SFN優(yōu)化調(diào)整的主要技術(shù)手段包括：降低發(fā)射機(jī)輸出功率、加大發(fā)射天線下傾角度、調(diào)整發(fā)射天線場(chǎng)形、調(diào)整發(fā)射機(jī)延時(shí)、增加新的發(fā)射臺(tái)站等[8]。這些手段的應(yīng)用也是各有利弊，前三種手段，在減少干擾的同時(shí)，一定程度上會(huì)影響覆蓋；第四種手段如果掌握不好，會(huì)引起嚴(yán)重的連鎖干擾；第五種手段受到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的限制，難以在短期內(nèi)落實(shí)。

4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

在本案中，最終采納的優(yōu)化手段包括調(diào)整發(fā)射天線方向、發(fā)射延時(shí)等。

4.1 非全向發(fā)射天線方向參數(shù)

對(duì)于使用非全向發(fā)射天線的臺(tái)站，根據(jù)覆蓋最大化及干擾最小化原則，提出了安裝方向角的建議。例如，為了加強(qiáng)對(duì)縣城方向人口密集區(qū)的覆蓋，石家莊市平山縣發(fā)射臺(tái)一體化天線的安裝角度建議為正北方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)125°。

4.2 延時(shí)參數(shù)

河北省是全國(guó)縣級(jí)行政區(qū)最密集的省份，其平原地區(qū)非常適宜組建SFN。不過(guò)在其西部、北部山區(qū)，尤其是張家口、承德地區(qū)，由于站間距大、高山臺(tái)多，容易產(chǎn)生SFN自干擾。這時(shí)候如果對(duì)部分臺(tái)站的發(fā)射延時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，會(huì)取得較好的抑制干擾效果。以張家口市DS-14頻道SFN為例，其優(yōu)化前覆蓋效果如圖4所示，淺色部分是覆蓋區(qū)，深色部分是受干擾區(qū)。

圖4 張家口SFN優(yōu)化前覆蓋效果(截圖)

圖5是張家口市DS-14頻道SFN對(duì)部分臺(tái)站進(jìn)行發(fā)射延時(shí)參數(shù)優(yōu)化后的覆蓋效果，顏色圖例同圖4，可以看到深色部分大為減少。表4為經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試后的延時(shí)值。

圖5 張家口SFN優(yōu)化后覆蓋效果(截圖)

臺(tái)址延時(shí)臺(tái)址延時(shí)懷來(lái)縣75宣化縣150尚義縣250陽(yáng)原縣250萬(wàn)全縣100張北縣150蔚縣250逐鹿縣150下花園區(qū)150——

5 覆蓋效果圖

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果均得到提升。

其中，區(qū)域SFN層由8個(gè)SFN組成。分別是：SFN01：石家莊DS-20，如圖6所示；SFN02：保定廊坊唐山DS-42，如圖7所示；SFN03：滄州衡水DS-48；SFN04：承德DS-40；SFN05：邯鄲DS-28；SFN07：秦皇島DS-39；SFN09：邢臺(tái)DS-17；SFN10：張家口DS-14，如圖5所示。

圖6 石家莊SFN的覆蓋效果(截圖)

圖7 保定廊坊唐山SFN的覆蓋效果(截圖)

MFN層由105個(gè)單點(diǎn)發(fā)射臺(tái)和1個(gè)雙發(fā)射點(diǎn)SFN(SFN11：張家口市崇禮縣人頭山和下花園區(qū)DS-42)組成。

限于篇幅，除了張家口，僅給出省會(huì)石家莊DS-20頻道，地域跨度最大的保定、廊坊、唐山DS-42頻道等兩個(gè)SFN的覆蓋效果圖。

6 總結(jié)及研究展望

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，證明調(diào)整發(fā)射天線方向和發(fā)射延時(shí)等手段，在河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)的優(yōu)化研究中是行之有效的。

隨著河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)(一期)工程建設(shè)的開展，下一階段網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究工作的重點(diǎn)將包括：覆蓋網(wǎng)(二期)臺(tái)站的規(guī)劃優(yōu)化研究、SFN補(bǔ)點(diǎn)臺(tái)站的規(guī)劃優(yōu)化研究、通過(guò)實(shí)測(cè)和軟件仿真數(shù)據(jù)的比對(duì)繼續(xù)提高優(yōu)化精度等方面。

[1] 鄧倬， 李斌， 馬文健. 中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程設(shè)計(jì)及工程建設(shè)推進(jìn)[J]. 廣播與電視技術(shù)， 2015(5)： 22-26.

[2] 張勇， 范曉菲. 河北省地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃研究[J]. 電視技術(shù)， 2014， 38(17)： 39-42.

[3] 馮景峰， 劉駿， 周興偉. 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20600—2006《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》解讀[J]. 廣播與電視技術(shù)， 2007(5)： 21-28.

[4] GB/T 26252—2010， VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則[S]. 2010.

[5] GB/T 26666—2011， 地面數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)施指南[S]. 2011.

[6] 李雷雷， 馮景鋒， 孫紅云， 等. 中央廣播電視節(jié)目無(wú)線數(shù)字化覆蓋工程設(shè)計(jì)及工程建設(shè)推進(jìn)[J]. 廣播與電視技術(shù)， 2015(6)： 16-19.

[7] ITU. Rec. BT. 419-3， Directivity and polarization discrimination of antennas in the reception of television broadcasting[S]. Geneva： ITU， 2002.

[8] 張國(guó)庭， 萬(wàn)倩， 李培琳， 等. 單頻網(wǎng)建設(shè)原則及優(yōu)化方法[J]. 電視技術(shù)， 2013， 37(12)： 22-24.

夏治平(1978— )，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字電視頻率規(guī)劃等；

張小苗(1980— )，女，高級(jí)工程師，主要從事廣播電視安全播出技術(shù)管理工作；

楊 勍(1983— )，工程師，主要研究方向?yàn)閺V播電視網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；

齊衛(wèi)衛(wèi)(1960— )，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事廣播電視安全播出技術(shù)管理工作。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Optimization Research on DTMB Networks for CCTV Programs of Hebei Province

XIA Zhiping1, ZHANG Xiaomiao2, YANG Qing1, QI Weiwei2

(1.AcademyofBroadcastingScience,SAPPRFT,Beijing100866,China; 2.Radio&TVTechnologyCenterofHebeiProvince,Shijiazhuang050012,China)

The work introduced by this paper is part of the DTMB coverage project for CCTV programs. In this paper, the DTMB frequency plan of Hebei province is summarized. The technical parameters for network optimization are determined one by one. The principle and method for network optimization are mainly analyzed. The interference problems are solved in case studies of municipal SFNs and MFNs. The optimized parameters and scheme used for DTMB networks for CCTV programs of Hebei province are put forward. The work may provide technical reference for other provinces.

DTMB; SFN; network optimization

TN949.197

A

10.16280/j.videoe.2015.22.026

2015-07-02

【本文獻(xiàn)信息】夏治平，張小苗，楊勍，等.河北省中央節(jié)目地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)優(yōu)化研究[J].電視技術(shù),2015，39(22).