基于大城市环境的国标地面数字电视网络规划研究

戴懿贺 章丽君

（上海东方明珠广播电视研究发展有限公司）

[摘 要] 本文通过总结上海地区近十年的地面数字电视的网络建设经验，分析大型城市环境下地面数字电视的组网需求，重点研究单频网网络特性，分析并总结大城市环境下的影响单频网性能的主要因素，利用软件仿真、网络验证、网络分析等综合研究与应用，提出了一种符合大型城市地面数字电视组网需求的网络规划方法，为解决各地广电运营商单频网组网问题提供重要的技术手段。[关键词] 大城市环境 地面数字电视 单频网 网络规划 1 引言自2006年地面数字电视国标正式颁布以来^[1]，全国掀起了地面数字电视网络建设的高潮，各省市逐步开展地面数字电视业务。目前，大中型城市的地面数字电视组网主要考虑单频网组网方案，也是国内外较为成熟的网络设计和网络规划的首选方案。上海具有高层建筑较为密集，市中心与郊县地区的建筑物分布，商业地区与居民地区的建筑分布等特点，也是具备现代城市普遍特征的地形地貌，因此单频网组网将遇到较为复杂的重叠区。本文总结并提出了在大型城市环境下，地面数字电视网络组网和优化的有效方法，形成了成熟的理论分析，软件工具仿真，实际网络环境验证的单频网设计方案。 2 大型城市环境下单频网特性在早期的单频网试验中，组建了由东方明珠与虹桥路广播大厦构成的单频网后，进行了覆盖效果的测试，两个发射点台站间距10km，从理论上来说，只要发射时刻同步，多径信号最大差异不超过发射点间距，在保护间隔以内，因此不存在有害场强。这两个台站也是高塔与低塔的组合，覆盖面积属于大环套小环，覆盖重叠区面积大，是典型的城市环境单频网结构，具有较好的代表性。测试中发现，在开启单频网后，原来东方明珠单点发射的覆盖电平不够导致的接收失败区域有所改善，体现出了网络增益，但是也存在着原先接收好的区域被恶化。经过分别对单点发射覆盖场强的测试发现，这些失败的区域都属于覆盖重叠区。因此可以看出，即使满足理论计算的保护间隔内最大台站距离的发射点，在保护间隔内的覆盖重叠区域内，实际覆盖收测效果证明也存在单频网网络恶化区域^[2]。通过对重叠区的反复测试与研究发现，这些恶化区域的特征是周围建筑物较为密集，观察多径信号的幅度变化剧烈现象。在经过一个建筑物时，主径信号急剧衰减，原先的副径信号变为主径，由于这种主副径的快速切换，导致解调芯片无法及时锁定，造成接收失败。通过网络延时调整发现，针对这种类型的信道情况，通过对单频网延时的调整，缩短多径信号的时延差异，能够有效提升接收成功率。在目前芯片接收性能条件下，经过反复测试验证，在重叠区内当多径信号时延差异控制在10us以内时，不会出现接收失败。因此可以获得结论，单频网在组网时，网络配置在参考行业相关标准以外，还需要结合城市环境特点，根据采用的芯片实际接收性能来进行网络调整。当前随着接收芯片的不断发展与完善，在极端情况下的多径时延控制已经远远超过10us，接近保护间隔门限。以上试验获得了大型城市环境下地面数字电视网络增益与网络恶化情况特性，证实了决定城市环境单频网性能的关键指标是覆盖重叠区域的多径时延差异的处理能力。而影响到单频网性能的主要因素有：发射台站的延时配置，信道参数的载噪比门限和解调芯片性能。 3 网络调试方法研究发射台站的延时配置决定了所有接收区域内多径信号的相互时延差异，延时改动造成的影响是全区域的。因此可以将单频网内简单划分为三种区域：覆盖重叠区，该区域能够收到多个发射点的信号，信号强度高于接收电平门限，并且信号强度比低于载噪比门限；覆盖非重叠区域，该区域能够收到多个发射点的信号，信号强度高于接收电平门限，并且信号强度比大于等于载噪比门限；非覆盖区，该区域能够收到多个发射点的信号，信号强度低于接收电平门限。因此信道参数确定了载噪比门限，同时决定了覆盖重叠区的大小，载噪比门限高的，相应覆盖重叠区域也大。解调芯片性能决定了处理单频网多径信号的能力，也就决定了单频网网络调整机制。大城市环境的单频网网络调试，需要综合以上三个因素（信道参数、解调芯片、网络配置），在三个条件下找到合适的网络组网方法。根据上海地区的单频网组网和调试经验，网络调试可以分为五个步骤：第一，确定拟建设的发射点位置、高度、发射功率以及工作模式；第二，实际网络测试寻找覆盖重叠区中接收失败的区域特征；第三，根据测试结果推算出覆盖重叠区范围；第四，利用单频网延时对齐方法调整发射点时延；第五，进行网络实测验证网络调试效果。

如图 1 所示，经过单频网延时合理调配，消除了网络干扰区。上海地面数字电视单频网由6个发射点组成，其中黄色区域为临界接收点，红色区域为接收盲区，其余区域接收正常，经统计，接收成功区域占测试区域的95.76%，满足运营的覆盖要求。4 大型城市地面数字电视网络规划方法研究本文重点分析了大城市环境下的单频网特性，一般情况下国内大部分城市都是采用先建网再调网的方式，利用单频网时延调整的方法可以有效提高网络覆盖质量，使既有的网络达到最佳的性能。随着网络建设步伐的加快，以及新的业务需求，对于新的建网或者新的发射台站建设，可以利用网络规划方法来进行选点和发射点参数的选择，一方面不会影响已有的单频网性能，另一方可以进一步提高网络的覆盖性能，降低盲区增加发射点而产生的建设费用，尽可能提高覆盖网性价比。4.1 设计网络规划方案在设计网络规划方案时，为了达到高效，快速，准确，最优化的规划结果，必须使用专业的网络规划软件，东方明珠广播电视研究发展公司通过十年的单频网组网和调试的经验，参考国外先进的网络规划工具，自主研发了适合中国地面数字电视标准、CMMB标准的广播电视覆盖网规划软件。该软件可以实现包括发射台选址，发射功率，发射天线赋型，发射天线挂高，单频网网络延时等配置，并且能够对单频网的合成覆盖场强，有效覆盖率进行计算，并对单频网中所有发射点的性价比做出评估，形成较为准确的网络规划方案。4.2 规划方法^[3]● 确定拟建台站基础数据在单频网规划前，需要有若干个候选台站的位置或者覆盖区域的目标，在规划软件中根据当地电子地图（含建筑物高程数据），输入拟建台站基础数据。对于数字电视规划来说一般包括台站的位置坐标，台站高度，所属业务类型，天线的挂高，发射功率，天线方向图，发射增益，频率，以及信号调制类型，保护率参数、接收门限等等。基础数据是保证仿真可靠性的基本，对于已存在的台站，这些参数可以从无线电管理部门获得，对于规划初期，这些参数可以根据需求进行自定义。● 确定规划的需求和目标规划目标需要在建网初期确定，一般包括：面积覆盖率、人口覆盖率、建网投资的成本、网络的性价比等。规划参数一般有：最小中值场强、射频保护率、传播模型等。根据广电总局的测试和建议，适用于地面数字电视的传播模型为ITU-R.P.370、ITU-R.P.1546，ITU-R.P.526和Hata模型。● 场强预测根据基础数据以及规划要求，进行网络覆盖仿真。传播模型的选取应考虑台站工作的频率，并结合当地的地理环境进行本地化的修正—模型校正。为了提高预测的准确性，我们在保证基础数据录入准确的情况下，尽可能来减少模型带来的误差。因此模型校正在实际仿真中是非常有必要的。● 单频网分析根据拟建台站的基础数据，假设同时开启所有发射点，规划软件自动计算单频网的服务区范围以及覆盖重叠区范围，根据直观的颜色分布情况，可以锁定单频网调整的重点区域，通过调整发射点延时、发射功率、天线场型等参数后，网络性能将发生变化，规划软件中可以显示网络调整后，覆盖重叠区域的接收成功率是否提高，同时也可以直观显示调整前后的对比情况，通过软件仿真单频网工作性能有助于网络规划方案的设计，可以初步判断各个发射点对整个单频网的贡献大小，可作为网络建设的重要依据。● 网络建设与验证在完成网络规划方案后，下一步开始建设发射台站，在所有台站建成并正式开启单频网后，需要进行详细的网络测试，通过测试可以统计覆盖重叠区的范围以及接收成功率，并与规划软件仿真的结果进行比较，由于实际城市覆盖环境较为复杂，尤其是大型城市环境建筑物分布情况复杂，而且不断在发生变化，因此实测效果可能与仿真结果略微有所偏差。● 模型校正与网络优化规划软件可充分利用路测数数据来校正模型的参数，使其更符合实际地理环境。传播模型作为计算的核心部分，直接决定了规划方案的准确性。因此，对选取的模型进行本地化的校正有着非常重要的意义。规划工具提供了根据路测结果的模型校正功能，使用线性拟合或者更为合理是传播模型参数，并可在地图上显示路测数据并分析，通过路测数据的分析，以及与仿真数据的对比来进行传播模型的校正，修正公式的系数。使得仿真数据更接近路测数据，通过对Hata模型的校正能够将平均误差降至3dB左右，均方误差降低到4db左右，低于一般传播模型误差要求。如图2：

4.3 规划案例介绍为了更好的解释单频网组网原理和软件仿真，假设上海DS37为东方明珠单点发射，现需要在郊县地区新增一个发射点，提高网络覆盖范围，组建单频网。初步拟定在青浦地区选择一个发射点，发射功率假定1KW，发射高度170米，全向天线。在规划软件中输入以上台站基础数据后，先进行场强预测，传输模型使用ITU-R P.1546^[4]如图3：

在进行单频网分析时，此处选择了青浦发射台与东方明珠发射台同时开启，进行单频网重叠区预测，如图4：

如图4所示，绿色为覆盖非重叠区，蓝色为覆盖重叠区，以上区域在达到覆盖门限的地点中，根据多径信号功率比是否小于载噪比门限决定。红色为非覆盖重叠区，虽然未达到覆盖门限，但是存在小于载噪比门限的多径。黄色为非覆盖非重叠区。对单频网中的发射点进行延时配置的目的就是为了能让覆盖重叠区内的多径信号能够满足保护间隔内的要求，从而成为覆盖成功区。在确定覆盖重叠区范围后，下一步对青浦发射台进行延时配置，然后通过比较调整前后的覆盖效果情况来判断延时调整的合理性和可行性。由于青浦发射台和东方明珠发射台台站距离大于保护间隔允许的台站间距，当设置两个发射点同步发射时，出现了网络干扰区域。如图所示，调整前，绿色区域代表覆盖成功区（达到了覆盖门限，可成功接收数字电视信号），黄色区域代表非覆盖区（未达到覆盖门限），红色区域代表网络干扰区（达到了覆盖门限，但存在多径干扰，不能成功接收数字电视信号）。经过增加青浦发射台站时延，使得覆盖重叠区的多径信号均满足保护间隔内，如图6所示。

如图6所示，经过对青浦发射台的延时调整后，原先红色区域（网络干扰区）调整为绿色（覆盖成功区），说明在延时调整后，覆盖重叠区的多径信号的时延差异在保护间隔内，因此可正常接收信号。为了验证新增发射点可以有效提高单频网的网络覆盖质量，并提高青浦郊县地区的有效覆盖率，同时不影响原有单频网的覆盖效果，进行了网络比较分析，统计增加的覆盖面积与覆盖人口。如图7。

如图7所示，单频网增加青浦发射台站后，绿色为本来就成功覆盖区域，蓝色为增加台站后覆盖成功区域，黄色为增加台站后仍然未成功覆盖区域，红色为增加台站后引起的恶化区域，从图中可以看出，新增发射点后未产生恶化区域，因此可以认为青浦发射台建设是可行的并有效的，为运营商投资建设提供参考依据。 5 总结在大型城市环境中组建地面数字电视单频网是广电运营商关注的焦点问题，由于运营模式的多样化，原先传统的广播电视运营只需考虑发射环节，很少关注终端的接收情况，特别是在单频网中，缺乏必要的规划，增加的台站往往不能很好发挥贡献，造成投资浪费，而目前商业化的数字电视运营模式要求运营商必须全面考虑从发射端到终端接收效果以及用户体验。本文从地面数字电视产业发展需求出发，结合上海地区地面数字电视单频网研究与实践经验，对大城市环境下的单频网特性进行分析与研究，形成了较为成熟的网络调试方法，创新性地结合理论研究，软件仿真，网络验证，业务应用的组合研究，提出了一种适合大型城市地面数字电视网络组网方法，通过在上海数字电视组网实际应用，研究成果可在全国广电行业内进行推广和应用，为加快全国地面数字电视的网络发展做出贡献。 参考文献：1．GB 20600-2006. 数字电视地面广播传输系统帧结构 信道编码和调制[S] . 20062．Yihe Dai. The Mechanism Research and Field Testing of SFN Signal Delay Adjustment in Shanghai[J] . IEEE Broadcasting Technology Society 2010 Shanghai 20103．rd.opg.cn .广播电视网规划软件用户手册. 20104．Recommendation ITU-R P.1546-4.Method for Point-To-Area Predictions for Terrestrial Services in the Frequency Range 30MHz to 3000MHz. International Telecommunication Union Geneva. 2005 编辑：中国新闻技术工作者联合会