國標地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃方法與應用

■文/劉國慶 張麗麗

國標地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃方法與應用

■文/劉國慶 張麗麗

隨著我國數(shù)字電視的地面?zhèn)鬏攽?，DTMB成為第四個地面數(shù)字電視的國際標準，必將對我國的數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際化推進，產(chǎn)生巨大而深遠的影響。在無線發(fā)射臺站建設過程中，網(wǎng)絡規(guī)劃是一項非常重要的工作。本文對地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃相關的基本知識做了簡要的概述，并重點介紹了國標推薦的幾種工作模式、覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃計算常用公式，并結合單頻網(wǎng)項目論述法國ATDI公司的ICS Telecom NG覆蓋規(guī)劃分析軟件的計算過程及結果顯示，驗證了使用仿真軟件進行網(wǎng)絡規(guī)劃的可行性，并針對此項目提出了網(wǎng)絡優(yōu)化的建議。

地面數(shù)字電視；無線覆蓋規(guī)劃；仿真計算

隨著科技的進步與人民生活水平的不斷提高，廣播電視數(shù)字化已成為發(fā)展的必然趨勢，地面電視向數(shù)字化邁進已擺上重要日程，未來幾年將是數(shù)字電視加速發(fā)展階段。在地面數(shù)字電視網(wǎng)絡建設過程中，網(wǎng)絡規(guī)劃是一項非常重要的工作。網(wǎng)絡規(guī)劃就是結合行業(yè)相關準則和標準，在滿足覆蓋要求的前提下，合理配置發(fā)射臺站數(shù)量、發(fā)射臺位置、發(fā)射功率、發(fā)射天線掛高、發(fā)射天線類型，達到建網(wǎng)成本最低，并且規(guī)避各臺站之間干擾的目的。

1.地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃

地面數(shù)字電視網(wǎng)絡規(guī)劃就是為了達到預定的覆蓋目標，在覆蓋網(wǎng)絡建設前，結合行業(yè)相關標準，提出一套系統(tǒng)建設方案，包括配置合理的發(fā)射臺數(shù)量、發(fā)射臺站址、發(fā)射功率、發(fā)射天線掛高、發(fā)射天線類型、單頻網(wǎng)網(wǎng)絡時延等參數(shù)，使網(wǎng)絡在達到覆蓋要求的前提下，降低建網(wǎng)成本，規(guī)避網(wǎng)絡干擾。

1.1 地面數(shù)字電視信道特性

地面數(shù)字電視的傳輸頻率：米波（VHF）45～230MHz，分米波（UHF）470～800MHz。地面數(shù)字電視信號在空間自由傳播，受外界條件的影響很大，比如天氣的變化，地形、建筑物、移動物體的遮擋引起的反射散射作用等。

在復雜的無線信道中，由于存在直射波、反射波、繞射波，接收端的信號是這些電波的合成信號，從而產(chǎn)生多徑效應。多路信號到達接收機的時間不同，如果這些相對時延遠小于一個符號的時間，則可認為多路信號幾乎同時到達，這種情況下多徑效應不會造成符號間的干擾，否則如果時延大于一個符號的時間則會產(chǎn)生符號間的干擾，造成傳輸信號衰落。

1.2 傳輸模型

地面數(shù)字電視網(wǎng)絡規(guī)劃建立在傳輸模型的基礎上，傳播模型的精確度直接關系到規(guī)劃結果的準確性。傳輸模型可以簡單分為理論模型和經(jīng)驗模型。地面數(shù)字電視覆蓋范圍廣，傳輸條件復雜，不適合采用理論模型，一般采用經(jīng)驗模型。根據(jù)廣播電視部門的測試和建議，適用于數(shù)字電視的傳輸模型主要有Okumura-Hata模型、ITU-R370模型、ITU-R1546模型和ITU-R526模型。

1.3 地面數(shù)字電視傳輸國際標準

目前被國際電信聯(lián)盟采納的地面數(shù)字電視傳輸標準有美國的ATSC、歐洲的DVB-T/T2、日本的ISDB-T、我國的DTMB四個標準。四種地面數(shù)字電視傳輸標準的信道編碼和調制方式有所不同，在技術參數(shù)和功能上各有優(yōu)劣，我國各城市地面數(shù)字電視均采用國標DTMB標準。

1.4 國標的工作模式

在中國大陸、香港地區(qū)地面數(shù)字電視標準主要采用國標。國家新聞出版廣電總局推薦的7種工作模式，如表1-1所示。數(shù)據(jù)率越高，一個頻道里可以提供的數(shù)字電視業(yè)務質量越高或者節(jié)目套數(shù)越多，但是接收門限就越高。根據(jù)實驗室測試結果和組網(wǎng)經(jīng)驗，模式1和模式2適合于移動接收；模式3既支持固定接收，又支持移動接收；模式4和模式5適合復雜城市環(huán)境的高碼率固定接收；模式6和模式7適合簡單城市、郊區(qū)及農(nóng)村環(huán)境的甚高碼率固定接收。

表1-1 國家新聞出版廣電總局推薦的7中工作模式

2.數(shù)字電視覆蓋規(guī)劃方法

2.1 傳統(tǒng)手工計算

在早期計算機技術不發(fā)達時，通常采用計算公式對覆蓋范圍和接收場強進行估算。下面簡要介紹幾個常用的計算公式。

2.1.1 最大視距覆蓋距離

數(shù)字電視信號按視距傳輸，在了解發(fā)射天線高度和接收天線高度的情況下可通過此公式簡單估算傳輸距離。式中：D為視距距離(km)，hT 為發(fā)射天線高度(m)，hR為接收天線高度(m)。

2.1.2 自由空間的傳輸損耗

隨著電波傳播距離的增加， 空間的球面面積赿來赿大，接收點單位面積的電波能量逐漸減弱，形成了電波能量的損耗，這種損耗就稱為自由空間傳播損耗。自由空間傳播損耗計算公式可用于無遮擋物的鏈路傳播計算，如微波鏈路損耗計算，室內覆蓋計算等。自由空間距發(fā)射機d處的輻射功率密度為：

式中：Pt為發(fā)射功率（W），Gt為發(fā)射天線增益，d為傳輸距離（km）。

設定接收天線面上場具有等相、等幅分布， 則接收天線的有效面積為：

式中：Gr為接收天線增益，λ為發(fā)射頻率中心波長。接收天線上的接收功率可表示為：

通常在工程實踐中，使用dB的方式來計算，通過上式推導出自由空間傳播損耗Ls表示為：

接收功率電平rP用分貝表示為：

2.1.3 非自由空間傳輸損耗

電波的實際傳輸環(huán)境通常為非自由空間，數(shù)字電視工程常用Okumura-Hata模型來進行估算。Okumura-Hata模型傳輸損耗LP表示為：

式中：LP為城市傳輸損耗（dB），f為工作頻率分別為發(fā)射天線和接收天線有效高度（m），

為接收天線高度修正因子，d為通信距離（km）。

接收天線高度修正因子α ( hR)計算方法如下：中小城市：大城市：

其他常用的修正因子計算方法如下：

農(nóng)村修正因子：

開闊地修正因子：

2.1.4 場強計算

自由空間場強Eo表示為：平坦地面接收場強表示為：

2.2 仿真軟件計算

傳統(tǒng)的手工計算過程復雜、工作量大、耗時較長。現(xiàn)在可以借助軟件工具來完成覆蓋計算，不僅計算速度快、效率高，節(jié)省大量的人工，同時也提高了計算結果的準確性。本文以法國ATDI公司的ICS Telecom覆蓋規(guī)劃分析軟件為例，介紹如何通過覆蓋仿真計算軟件來完成覆蓋計算。

網(wǎng)絡規(guī)劃仿真計算主要分為3個步驟。

2.2.1 設置基礎數(shù)據(jù)

（1）地圖信息

仿真軟件計算結果比人工計算結果精準的一個重要原因就是仿真軟件與覆蓋區(qū)域的地理信息密切相關，在計算前必須先向軟件公司索要適當精度的地圖。ICS軟件共有7個圖層，其中.GEO數(shù)值地形圖層、.IMG+.PAL影像圖層、.SOL地物圖層為地面數(shù)字電視覆蓋計算必需的圖層。

（2）臺站信息

新建臺站需要設置的基本參數(shù)有：臺站位置坐標、發(fā)射功率、發(fā)射天線參數(shù)、接收天線參數(shù)、損耗、工作模式、調制類型等。

站址的選擇應盡量使用現(xiàn)有臺站和發(fā)射塔，需建新臺站則應考慮供電、節(jié)目傳輸、施工條件等因素，設計人員需到現(xiàn)場實地考察，并結合仿真軟件覆蓋預測結果確定。

發(fā)射功率：在進行初步規(guī)劃時，一般根據(jù)用戶要求的覆蓋范圍結合以往工程實施的經(jīng)驗來設置，再根據(jù)仿真計算的結果對其進行修正，在保證覆蓋范圍的情況下采用較低功率等級。

發(fā)射天線參數(shù)：發(fā)射天線參數(shù)包括天線增益、天線掛高、天線場型圖等。發(fā)射天線的選擇需要考慮頻率范圍、最大功率、安裝條件、需要覆蓋區(qū)域形狀、安裝尺寸、重量等因素。

接收天線參數(shù)：接收天線參數(shù)包括天線增益、天線掛高等。接收天線的選擇還需考慮接收形式，是固定接收還是移動接收，是定向接收還是全向接收，是室內接收還是室外接收。

損耗：包括饋線損耗和插入損耗。饋線損耗與饋線型號相關，需根據(jù)發(fā)射功率選擇合適的饋線。饋線尺寸越大承受的功率高，饋線損耗小，但價格也更高。

發(fā)射頻率一般需要對發(fā)射臺周圍的無線電頻譜情況進行分析，選擇使用負擔相對較輕、電磁環(huán)境相對干凈的頻道。在頻率資源緊張的地區(qū)，也可以考慮調整尚未啟用的模擬規(guī)劃臺站頻道作為數(shù)字電視頻道。

工作模式和調制類型則要根據(jù)客戶要傳輸?shù)墓?jié)目數(shù)量和質量來確定。

2.2.2 規(guī)劃目標與計算參數(shù)設置

計算參數(shù)主要包括接收天線的高度、覆蓋距離、覆蓋門限、計算模型等。

覆蓋距離一般應設置比預期覆蓋區(qū)域的半徑稍大一點。如果設置值過小無法得到完整的覆蓋區(qū)域，設置值過大耗費的計算時間過長。

ICS軟件會根據(jù)設置的參數(shù)自動生成一個默認的典型門限值，也可根據(jù)接收機靈敏度的實際情況自定義門限值，并且可以設定不同的顏色來顯示不同的場強范圍。

計算模型可根據(jù)覆蓋地區(qū)的實際情況從模型庫中選取合適的傳播模型。通常山區(qū)選取ITU-R 526模型，平坦地形和廣域覆蓋選取ITU-R 1546模型。

2.2.3 覆蓋結果顯示

以新疆烏魯木齊單頻網(wǎng)及補點覆蓋項目為例，給出仿真計算覆蓋效果圖。烏魯木齊市所轄區(qū)縣，總面積14216.3平方公里，需組建地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)。經(jīng)現(xiàn)場實地考察，結合地理環(huán)境和人口分布情況，初步規(guī)劃以烏魯木齊市紅山發(fā)射臺為主站，在水西溝鄉(xiāng)建設從站，組建單頻網(wǎng)。另建達坂城發(fā)射臺站，不參與單頻網(wǎng)的組網(wǎng)，獨立發(fā)射。建成后，根據(jù)實際測試的情況再酌情增加補點站。目前主站建設和一期5個補點轉發(fā)站的建設已完成，實現(xiàn)了主要城區(qū)的覆蓋，正在規(guī)劃二期補點轉發(fā)站。

新疆烏魯木地面數(shù)字電視發(fā)射臺計算參數(shù)設置如表2-1所示。

表2-1 新疆烏魯木地面數(shù)字電視發(fā)射臺計算參數(shù)

仿真軟件除對單個臺站進行覆蓋計算外，還可以進行同頻干擾分析，本項目中由于紅山與水西溝兩個發(fā)射臺站的臺站間距（28km）超過了PN序列長度要求（16.7km），因此在兩個發(fā)射臺站之間，靠近紅山區(qū)域產(chǎn)生了同頻干擾現(xiàn)象。

3.結果分析

以新疆烏魯木齊單頻網(wǎng)及補點覆蓋項目為例，對仿真結果進行分析，并與實際測試結果進行對比。

3.1 路測數(shù)據(jù)（圖1所示）

3.2 點測數(shù)據(jù)

針對烏魯木齊市的實際情況，重點對米東區(qū)進行了更為精準的測試。本次測試65個地點，有效測試點59個，其中41個點可以接收到有效信號。

3.3 結果對比

經(jīng)對比分析，實測得到的數(shù)據(jù)與仿真軟件得到的結果基本吻合，超過75%的區(qū)域可以實現(xiàn)良好的接收。

3.4 網(wǎng)絡優(yōu)化

在本次單頻網(wǎng)同步覆蓋干擾分析中，根據(jù)接收門限理論推導值為55 dBuv/的理論試算結果：

（1）由于兩個發(fā)射臺站的臺站間距（28km）超過了PN序列長度要求（16.7km），兩個臺站組成的單頻網(wǎng)存在同頻干擾區(qū)域，但是基于室外固定接收，在同頻干擾區(qū)域中，實際接收效果比理論仿真結果預估要好。

（2）基于此次同頻干擾現(xiàn)象，優(yōu)化方案有很多種：例如調整單頻網(wǎng)時延、調整發(fā)射功率、調整天線方向圖等多種手段，可以結合多種方法聯(lián)合調整使用。

（3）由于新疆地區(qū)地形復雜、山脈較多，為保證覆蓋率，建議分批次建立補點轉發(fā)站，首先保證覆蓋到人口密集的區(qū)域，然后再根據(jù)資金情況補建偏遠地區(qū)和人口稀少的地區(qū)。

4.結論

通過單頻網(wǎng)及補點覆蓋項目的覆蓋仿真預測結果與網(wǎng)絡建成后的實際測試結果對比，可以驗證仿真軟件的預測結果與實際結果基本吻合。覆蓋規(guī)劃分析軟件可以作為地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃工程方案設計的輔助工具。通過仿真軟件進行覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃，可以把預測的網(wǎng)絡建成后效果以直觀的方式展現(xiàn)出來，使用戶和方案設計人員可以清晰地了解到網(wǎng)絡建成后的覆蓋效果，如預測結果與預期目標有偏差，可以方便快捷地對發(fā)射臺位置、天線掛高、天線方向圖、天線增益、發(fā)射功率等相關工程參數(shù)進行反復的仿真計算和修改，達到滿意的覆蓋效果，獲得最佳設計方案。

圖1 路測結果

[1]馮景峰，李國松，李熠星．地面數(shù)字電視廣播覆蓋網(wǎng)絡規(guī)劃參數(shù)[J]．廣播電視與技術，2007（2）．

[2]莊謙，楊知行，潘長勇，韓猛．單頻網(wǎng)及其在DTMB中的應用[J]．電視技術，2003（10）．

[3]何劍輝，李國松，倪士蘭．地面數(shù)字電視發(fā)射廣播規(guī)劃臺站數(shù)據(jù)參數(shù)介紹[J]．廣播電視與技術，2007（2）．

[4]數(shù)字電視國家工程實驗室．地面數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)與覆蓋網(wǎng)絡．北京：科學出版社，2012（3）．

（作者單位：青海省中波臺管理中心 ）

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10．19483/j．cnki．11-4653/n．2017．08．024