基于5G與區(qū)塊鏈技術的中波廣播信號覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

于海泉 吳金友 梁秀文

（作者單位：1.哈爾濱廣播器材有限責任公司；2.四川省廣播電視局成都發(fā)射傳輸臺；3.四川省廣播電視新聞與傳播研究所）

隨著5G技術和區(qū)塊鏈技術的快速發(fā)展，基于5G技術與區(qū)塊鏈技術的相關監(jiān)測技術在廣播電視發(fā)射臺的信號源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、發(fā)射機系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)等方面得到了廣泛應用，但對于中波廣播覆蓋區(qū)域范圍的信號信息數(shù)據(jù)監(jiān)測、覆蓋效果態(tài)勢實時評估等方面，還是依賴省、市級的廣播電視監(jiān)測中心來完成。另外，中波廣播信號有地波和天波兩種傳播方式，白天主要是沿地球表面?zhèn)鞑サ牡夭▊鞑ィ瑫艿街T如山勢地形、高大建筑、強電磁等因素的影響。在中波廣播信號傳播的有效覆蓋區(qū)域范圍內，若由于城市建設的規(guī)劃需要，如增建高層建筑、超高壓輸電線、大功率輸變電站等設施，該區(qū)域范圍的中波廣播信號覆蓋質量、收聽效果將會受到較大影響。為了提高中波發(fā)射臺對中波廣播信號覆蓋區(qū)域的自臺監(jiān)測水平和覆蓋效果態(tài)勢的智能評估能力，本文基于5G技術與區(qū)塊鏈技術在中波廣播信號覆蓋區(qū)域范圍的監(jiān)測布點、實時信號傳輸、智能監(jiān)測和覆蓋范圍效果評估等方面進行了針對性研究。

1 系統(tǒng)概述

中波廣播信號覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，是基于5G技術與區(qū)塊鏈技術的監(jiān)測功能應用場景。通過構建監(jiān)測區(qū)域場景圖、三維模型圖來布置數(shù)據(jù)采集節(jié)點。通過在監(jiān)測系統(tǒng)輸入需監(jiān)測的中波廣播信號頻率、發(fā)射機發(fā)射功率等技術參數(shù)；自動采集信號采集場強數(shù)據(jù)；監(jiān)測設備實時回傳信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信息分析系統(tǒng)，根據(jù)預設監(jiān)測設備區(qū)域范圍電磁場分布圖、電磁干擾設備類型圖、地理位置信息圖以及預設的信號傳輸路徑等，對中波廣播信號監(jiān)測各采集點進行數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)根據(jù)回傳后的信號參數(shù)信息數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，對中波廣播信號覆蓋效果態(tài)勢進行評估，并智能生成中波廣播電磁場強實時覆蓋效果信息數(shù)據(jù)圖。

2 采用的關鍵技術和算法

2.1 關鍵技術

2.1.1 5G技術

5G技術，具有高速率、低時延和大連接的技術特點，該項技術的應用，實現(xiàn)了人、機、物之間快速連接和互聯(lián)互通。

2.1.2 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術是分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式。區(qū)塊鏈技術本質上就是一個去中心化的數(shù)據(jù)庫，是一種按照時間順序將信息區(qū)、數(shù)據(jù)塊連接的一種鏈式數(shù)據(jù)結構，并以密碼學技術保證數(shù)據(jù)信息不可篡改和不可偽造。

2.1.3 奇異值分解技術

奇異值分解技術是一種矩陣分解方法，也就是將一個矩陣分解為左奇異向量矩陣、奇異值矩陣和右奇異向量矩陣的三個矩陣乘積。

2.2 關鍵算法

2.2.1 蟻群算法

蟻群算法是通過模擬螞蟻在搜索食物過程中的捕食行為，來尋找問題的最優(yōu)解。在蟻群捕食過程中，螞蟻通過釋放信息素，引導其他螞蟻前往更有可能找到食物的路徑。而信息素的濃度會隨著時間不斷更新，螞蟻在選擇路徑時會傾向于選擇信息素濃度較高的路徑。

2.2.2 射線追蹤法

射線追蹤法是一種用于渲染圖像的計算機圖形學技術。它模擬光線從觀察者（相機或眼睛）發(fā)出，通過場景中的物體相互反射、折射或吸收，最終達到圖像平面的過程。通過射線追蹤法，結合需監(jiān)測區(qū)域的實時場景模型圖中的地形建筑，規(guī)劃出多條監(jiān)測設備與信號接入節(jié)點之間的信號傳輸路徑。

2.2.3 離子群優(yōu)化算法

離子群優(yōu)化算法是一種模擬自然界中粒子集群行為的群體智能算法，是基于對粒子空間搜索的基本原理，通過模擬離子在離子束中的相互影響和作用，結合每一條信號傳輸路程與信號損耗計算尋找并解決問題的最優(yōu)方案，通過此方法獲取監(jiān)測設備與信號接入節(jié)點之間傳送過程中最低的信息損耗傳輸路徑。

2.2.4 豪斯多夫（Hausdorff）距離算法

該算法用于計算兩個采集點之間的距離算法。利用豪斯多夫距離，計算出點集A到點集B每個點的最短距離，以及點集B到點集A每個點的最短距離，豪斯多夫距離常用于圖像匹配、形狀匹配和目標識別等場景。

2.2.5 電磁強度的計算公式：

式（1）中，E表示電磁強度；μ 表示磁導率；L表示電流大小；r表示電磁干擾設備與預設采集位置節(jié)點之間的距離。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)方法

3.1 標定信號監(jiān)測布點區(qū)域

通過無人機對中波廣播信號覆蓋區(qū)域進行航拍，獲取預置評估應用場景圖像，重構后得到信號覆蓋區(qū)域的實時應用場景模型圖，從而標定出中波廣播信號監(jiān)測布點區(qū)域和范圍。

3.2 構建電磁場分布圖

對信號監(jiān)測區(qū)域范圍的實時場景模型圖進行大數(shù)據(jù)檢索，獲取需監(jiān)測區(qū)域中所存在的電磁干擾設備的類型與地理位置信息；系統(tǒng)根據(jù)相關信息數(shù)據(jù)構建電磁場計算模型。系統(tǒng)將需監(jiān)測區(qū)域范圍內所存在的電磁干擾設備的類型、地理位置信息數(shù)據(jù)導入電磁場計算模型，通過相關算法，得到監(jiān)測區(qū)域內各個預設地理位置的信號采集節(jié)點的電磁強度；系統(tǒng)再根據(jù)各個監(jiān)測區(qū)域位置采集節(jié)點的電磁強度，生成監(jiān)測區(qū)域范圍電磁場分布圖。

3.3 構建信號傳輸路徑

獲取監(jiān)測設備的信號采集節(jié)點的地理位置與預設布點數(shù)據(jù)，按照時間順序導入實時場景模型圖；系統(tǒng)通過射線追蹤法進行傳輸路徑規(guī)劃，得出若干條信號傳輸路徑，并計算出每一條信號傳輸路徑的傳輸距離。

將若干條信號傳輸路徑導入電磁場分布圖中，得到每一條傳輸路徑的多個采集節(jié)點上的電磁強度，根據(jù)多個采集節(jié)點上的電磁強度，計算出每一條信號傳輸路徑的信號電磁損耗值。再通過離子群優(yōu)化算法，對每一條信號傳輸路徑的傳輸距離與信號電磁損耗值進行最優(yōu)解計算，得出最優(yōu)信號傳輸路徑，并將其標定為監(jiān)測設備的預設信號傳輸路徑。

3.4 構建特性數(shù)據(jù)庫

通過網絡大數(shù)據(jù)，獲取對中波廣播的傳輸信號造成影響的干擾場景模型圖，據(jù)此構建數(shù)據(jù)庫，并將干擾場景模型圖導入數(shù)據(jù)庫，得到干擾場景模型特性數(shù)據(jù)庫。

（1）獲取實時場景圖像數(shù)據(jù)，對圖像數(shù)據(jù)進行網格化處理，得到實時場景模型圖。

（2）對實時場景模型圖進行修正處理，將修正后的實時場景模型圖導入特性數(shù)據(jù)庫。

（3）通過豪斯多夫距離算法，計算修正后的實時場景模型圖與各干擾場景模型圖之間的相似度和相關聯(lián)度，得到多個場景相似度和相關聯(lián)度。

（4）將多個相似度分別與預設相似度的閾值進行數(shù)據(jù)信息對比，將相似度大于預設相似度的實時場景模型圖標記為監(jiān)測區(qū)域范圍。

3.5 實時場景圖

將實時場景模型圖導入矩陣分解模型，對實時場景模型圖進行奇異值分解，得出左奇異向量矩陣、奇異值矩陣、右奇異向量矩陣。

（1）根據(jù)左奇異向量矩陣、奇異值矩陣、右奇異向量矩陣重新構建，得出實時場景模型圖的原始矩陣。

（2）在左奇異向量矩陣中選取2項數(shù)值，在右奇異向量矩陣中選取2項數(shù)值，得到象限坐標值。

（3）選取實時場景模型圖的幾何中心點作為原點。

（4）根據(jù)坐標及原點位置構建坐標系。將原始矩陣輸入坐標系中，獲取原始矩陣中各頂點向量值的三維坐標數(shù)集。

（5）獲取三維坐標數(shù)集的極限坐標點集合，將極限坐標點的集合進行重新組合，得到修正后的實時場景模型圖。

3.6 定初始布置點

構建監(jiān)測設備的三維模型圖，獲取監(jiān)測區(qū)域實時場景模型圖，根據(jù)監(jiān)測設備的三維模型圖與需監(jiān)測區(qū)域的實時場景模型圖，得出監(jiān)測區(qū)域初始布置點。

（1）獲取監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)參數(shù)，據(jù)此構建監(jiān)測設備的三維模型圖。

（2）獲取需監(jiān)測區(qū)域的實時場景模型圖，將實時場景模型圖與監(jiān)測設備的三維模型圖導入蟻群算法中進行反復對比，得出監(jiān)測設備的初始布置點。

（3）獲取需監(jiān)測區(qū)域工程規(guī)劃信息，據(jù)此確定出初始布置點是否為工程施工干涉點。若初始布置點不是工程施工干涉點，則將初始布置點標定為監(jiān)測設備的預設布置點。若是工程施工干涉點，則對初始布置點進行重新檢索布置；重新預設布置點，直至預設布置點不是工程施工干涉點，才能將其標定為監(jiān)測設備的預設布置點。

3.7 預設信號采集參數(shù)

根據(jù)信號采集節(jié)點，預設中波廣播信號頻率和發(fā)射機功率，以及數(shù)據(jù)傳輸路徑等信息數(shù)據(jù)，確定信號采集節(jié)點的采集參數(shù)數(shù)據(jù)。

（1）根據(jù)預設中波廣播信號頻率及預設信號傳輸路徑，計算出監(jiān)測設備的初始信號傳輸速率。

（2）將初始信號傳輸速率與預設傳輸速率進行數(shù)據(jù)對比，測試傳輸速率是否正常。

若初始信號傳輸速率大于預設傳輸速率，則信號采集節(jié)點預設中波發(fā)射機頻率、發(fā)射功率，則標定的信號采集節(jié)點速率采集正常。若初始信號傳輸速率小于預設傳輸速率，則進行調整，直至初始信號傳輸速率大于預設傳輸速率。根據(jù)調整后的預設發(fā)射機頻率與頻率，輸入信號采集節(jié)點的預設采集參數(shù)。

3.8 構建知識圖譜

（1）通過大數(shù)據(jù)分析，獲取不同環(huán)境介電常數(shù)，構建知識圖譜，并將不同環(huán)境參數(shù)組合的預設信號傳輸路徑的介電常數(shù)導入知識圖譜。

（2）獲取預設信號傳輸路徑的實時環(huán)境參數(shù)，將實時環(huán)境參數(shù)導入知識圖譜；通過灰色關聯(lián)分析法，計算實時環(huán)境參數(shù)與各環(huán)境參數(shù)組合之間的相似度和相關聯(lián)度，得到多個相似度和相關聯(lián)度。

（3）構建介電常數(shù)排序表，將多個相似度導入排序表中進行相似度大小、關聯(lián)排序。排序完成后，提取出最大相似度，獲取與最大相似度對應的環(huán)境參數(shù)組合，并根據(jù)與最大相似度對應的環(huán)境參數(shù)組合確定出預設信號傳輸路徑的實時介電常數(shù)。

（4）將實時介電常數(shù)與預設介電常數(shù)進行比對，若實時介電常數(shù)大于預設介電常數(shù)，則進行信息數(shù)據(jù)修正。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)步驟

4.1 確定監(jiān)測區(qū)域

獲取中波廣播發(fā)射機的信號覆蓋區(qū)域的實時場景圖像，從而確定出監(jiān)測區(qū)域。

4.2 預設點位

基于監(jiān)測設備的三維模型圖與需監(jiān)測區(qū)域的實時場景模型圖，得到監(jiān)測設備的預設布局點。

4.3 確定傳輸方式

根據(jù)電磁場分布圖以及電磁干擾設備的類型與位置信息規(guī)劃得到監(jiān)測設備的預設信號傳輸路徑。

在監(jiān)測設備安裝后，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒈O(jiān)測設備定時采集到的信號數(shù)據(jù)傳送至遠程終端，而此傳輸過程需要采用廣播電視網、微波傳輸網等接入信號傳輸節(jié)點，作為監(jiān)測信號采集節(jié)點實時傳輸。簡單來說，監(jiān)測設備需要將所采集到的信號數(shù)據(jù)傳輸至信號接入采集節(jié)點，然后再經過信號接入節(jié)點將所采集到的信號數(shù)據(jù)傳送至發(fā)射臺站數(shù)據(jù)分析終端，從而實現(xiàn)信號的遠程傳輸。

4.4 設置采集參數(shù)

根據(jù)中波廣播發(fā)射臺發(fā)射機功率、頻率以及預設信號傳輸路徑確定信號接入節(jié)點的預設采集參數(shù)。

4.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息分析和信號覆蓋效果態(tài)勢評估。

4.6 生成覆蓋效果圖

根據(jù)監(jiān)測設備采集、采集的參數(shù)數(shù)據(jù)進行分析，生成最終覆蓋效果圖。如果覆蓋效果不能達到預設要求，則進行相應的技術調整，使中波廣播信號覆蓋效果恢復至預設要求。

通過本系統(tǒng)能夠識別出因城市規(guī)劃增設的設施而對信號質量造成影響的區(qū)域，然后技術人員及時對該區(qū)域增添發(fā)射機設備，再進行信號數(shù)據(jù)計算與分析，達到節(jié)目覆蓋的預設要求，從而提高中波廣播發(fā)射機信號覆蓋質量和用戶接收質量。同時系統(tǒng)能夠自動生成信號覆蓋效果數(shù)據(jù)圖和分析圖。

5 系統(tǒng)功能特點

5.1 合理避開地質災害位置

初始布置點，如果是經常發(fā)生地質災害的位置，如易發(fā)洪災、山體滑坡、泥石流等自然災害，對監(jiān)測系統(tǒng)設備的數(shù)據(jù)采集會造成影響，并且容易導致監(jiān)測系統(tǒng)采集設備損壞。而通過對預設采集點進行評估，能夠有效避開地質災害高發(fā)數(shù)據(jù)采集布置點位置，提高數(shù)據(jù)采集點布置的科學性。

5.2 合理考慮介電常數(shù)

在監(jiān)測設備傳輸信號的過程中，為確保傳輸速率與傳輸質量，需要考慮介電常數(shù)對信號傳輸?shù)挠绊?，以確保信號傳輸質量的穩(wěn)定性和可靠性。而通過本方法能夠根據(jù)環(huán)境介電常數(shù)對信號采集節(jié)點的參數(shù)進行調整，從而確保信號傳輸質量的穩(wěn)定性。

6 結語

利用信號覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，對中波廣播信號覆蓋區(qū)域范圍內的信號參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時采集，基于此，通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行信號覆蓋效果態(tài)勢評估，智能生成信號覆蓋效果圖、分析圖。若信號覆蓋值低于標準數(shù)值，則生成診斷建議。技術人員根據(jù)診斷建議，采取相應的技術措施進行技術調整，使中波廣播信號覆蓋效果恢復至信號覆蓋要求。通過應用中波廣播信號覆蓋效果智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以提高信號覆蓋效果的監(jiān)測力度，為中波廣播發(fā)射臺的智慧臺站建設、廣播發(fā)射設備的數(shù)字化發(fā)展提供技術支撐。