调频广播传播预测模型及其应用分析
陈彪 王健 杨宏民
(国家广电总局573台 中国电子科技集团公司第22研究所 国家广电总局573台)
摘要 分析了ITU-R P.1546建议所提供地面业务的点对面预测方法，采集了十一套调频广播节目在不同覆盖方位、不同覆盖距离的实际测量结果，通过理论与测量结果的对比分析，验证了ITU-R P.1546建议在中国区域的可用性。基于测试区域，对比城区、郊区、农村不同接收环境，30s、60s、120s不同地形精度，不同气象环境和不同标准偏差修正量条件下的预测精度，并提出了ITU-R P.1546建议在中国区域模拟广播系统中的应用建议：（1）选用1km以下精度的地形剖面数据；（2）充分考虑城区地面覆盖物对传播的影响；（3）系统考虑城区、郊区、农村不同接收点类型的差别；（4）选用中国区域的大气折射参数的实测或统计分析值；（5）针对特定区域分析，调整标准偏差修正量。上述研究有助于提升广播电视系统性能分析的准确性，并为广播电视系统规划、频率管理等方面研究奠定技术基础。 关键词 调频广播；传播预测；模型应用；
1． 引言 地面广播电视业务的高速发展对地面广播电视覆盖网的能力分析和系统规划提出了越来越高的要求。为更好的服务于广播电视行业，急需开展两类工作：一是对现有广播电视业务传播特性的监测，获取测量数据，并进行分类统计分析[1~3]；二是在通用传播预测模型的基础上，开展广播电视业务传播机理研究，建立适合于我国区域的传播预测、覆盖特征分析和网络规划方法[4~6]，或是针对特定的应用提出实用性规则[7]。本文首先分析了ITU-R P.1546模型，然后对调频广播业务覆盖特性进行了仿真分析，并利用采集测量结果对方法可用性进行了验证，给合不同条件下的预测效果，最后对ITU-R P.1546建议针对广播系统的应用提出了建议，这将对提升广播电视系统性能分析（覆盖特性）的准确性起到重要作用，同时为广播电视系统系统规划、频率管理等方面研究的奠定基础。 2． ITU-R P.1546模型介绍 国际电联（ITU）于2001年提出了ITU-R P.1546《频率30~3000MHz地面业务的点对面预测方法》，并于2003年、2005年、2007年和2009进行了四次修订[8]。该模型适用于VHF/UHF 30~3000MHz广播、陆地移动、海洋移动以及某些固定业务（如点对多点系统）。该方法基于典型海陆环境、标称频率、标称距离、标称发射天线高度、标称时间概率，1kW等效辐射功率（e.r.p）场强实验数据的统计分析结果进行内插或外推，并通过地形和环境特性各类修正，最终得出场强和损耗[8~10]。在地形数据可用的条件下，如图1所示，其预测流程如下： 1）根据基本信息参数：发射点位置（λt，φt）、接收点位置（λr，φr）、发射/基站天线地（海）面高度ht、接收/移动天线地（海）面高度（hr）、接收环境类型（海洋、闹市区、市区、郊区、农村）、地点概率（q，1~99%）、时间概率（p，1~50%）、信号频率（f，30~3000MHz），进行路径地球物理参数综合分析，确定其它相关的传播参数：传播距离（d，0~1000km）、传播路径类型（陆路、海路、混合路径）、发射/基站天线等效高度（h1，m）、接收/移动天线等效高度（h2，m）、发射端地面余隙角（θt，rad）、接收端地面余隙角（θr，rad）、传播路径/区域的平均垂直折射率梯度（dN，N/km）。 2）若路径垂直折射率梯度dN等于参考值dN0，进行下一步；否则调整场强列表。
图1 地形数据可用条件下ITU-R P.1546模型应用流程
3）根据输入和分析所得的传播参数，对时间概率、信号频率、发射/基站天线高度、传播距离依次确定相关高低标称值。 4）依次对时间概率、信号频率、发射/基站天线高度各相关标称值，计算对应距离的场强：若距离与标称值相等，直接取列表中此距离的场强；若传播距离与标称值不等，则利用标准距离进行插值。 5）依次对时间概率、信号频率各相关标称值，计算对应发射/基站天线高度的场强：若高度与标称值相等，直接可得此高度的场强；若高度与标称值不等，则利用标称高度进行插值。 6）依次对时间概率各相关标称值，计算对应频率的场强：若频率与标称值相等，直接可得此频率的场强；若频率与标称值不等，则利用标称频率进行插值。 7）时间概率的场强计算：若时间概率与标称值相等，直接可得此时间概率的场强；若时间概率与标称值不等，则利用标称概率进行插值。 8）若路径为混合路径，进行场强修正；否则进行下一步。 9）若接收/移动天线邻近陆地，进行基于地形余隙角的修正；否则进行下一步。 10）若传播散射角大于零，进行场强修正；否则进行下一步。 11）若接收/移动天线高度为非标称值，进行场强修正；否则进行下一步。 12）若满足短市区/郊区路径条件，进行场强修正；否则进行下一步。 13）若接收/移动天线位于陆地且地点概率不为50%，进行场强修正；否则进行下一步。 14）根据路径特点进行最大值修正。 15）若发射天线辐射不等于1kW e.r.p.，根据实际辐射功率进行修正。 3 调频广播场强测量 2010年10月份至2011年3月份间，按照《GB/T14109-93 电视、调频广播场强测量方法》[9]和《GY/T 196-2003 调频广播覆盖网技术规定》[10]所述方法，在调频广播发射台周边正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北8个方向（方位角从0.93o~351.07 o）、约2km~120km距离范围内100个观测位置点上，对87.6 MHz、88.7 MHz、90.0 MHz、90.5 MHz、91.5 MHz、96.6 MHz、97.4 MHz、101.8 MHz、103.9 MHz、106.1MHz、106.6MHz共11个频率的调频广播信号进行了点对点的测量，对每个点连续测量后取场强中值，其中发射天线高度为340m，天线增益为7.5dB，接收天线高度等效为10m。发射台与测量点的相对位置分布如图2所示，其中测量点周边尽可能保证空旷平坦，天线辐射方向前、后200米范围内无建筑物、高压线，遮挡物。由于外场测试环境复杂，为保证测量结果的有效性，排除偶然因素的影响，对测量数据进行如下的预处理： 1）去除受周围建筑、树木等环境影响大的点； 2）设定一个合理的工程阈值（30dBμV/m），剔除小于工程阈值的数据； 3）校准地理位置信息，将GPS测量得到的地理信息首先与卫星地图参考位置进行校准。 经上述处理后，确定其中89个位置点的测量值为有效值。 3.1 预测与实测结果对比分析 基于精度30s的地形数据，取折射率梯度为-54.76，并将测量点以6公里、12公里、24公里为界进行密集城区、城区、郊区、农村的区分，利用ITU-R P.1546方法所得预测结果与实测结果的对比如图3所示，误差特性分布图如图4所示。由图3和图4可以看出： （1）理论值与测量值的随位置点的变化趋势具有较好的一致性，各频率点间有较小差异。 （2）理论值呈现略小于测量值的规律。 （3）在第20和60位置点附近，均方根误差存在两个极限值。 （4）理论值与测量值之间的误差呈现近似正态分布规律。
3.2 不同条件的预测对比分析 不同接收环境的预测结果分析：表1给出了不同区域均方根误差统计特性，从表1可以看出：对于任何一个频率，在远离城区的地方，预测精度较高，其中郊区预测精度最高，而在密集城区内，预测精度明显下降，这主要是由于未考虑的城市建筑物、天线近区的方向性等的影响因素所致。 不同地形精度的预测结果分析 表2给出了不同地形精度下的预测误差统计特性，从表2可以看出：对于任何一个频率，地形精度越高，预测误差越小；故建议在传播分析时选用相对精细的地形数据，且数据应可能反映地形特点。
表1 不同区域预测误差统计表
| 接收区域 | 不同频率（MHz）均方误差 | 均值 | ||||||||||
| 87.6 | 88.7 | 90 | 90.5 | 91.5 | 96.6 | 97.4 | 101.8 | 103.9 | 106.1 | 106.6 | ||
| 密集城区（距离<6km） | 6.56 | 7.28 | 6.78 | 8.03 | 7.69 | 11.58 | 7.53 | 11.78 | 8.28 | 8.67 | 12.48 | 8.79 |
| 城区（距离6km~12km） | 5.70 | 5.78 | 5.31 | 5.73 | 6.46 | 6.51 | 5.02 | 6.43 | 7.10 | 7.72 | 7.92 | 6.33 |
| 郊区（距离12km~25km） | 3.59 | 4.33 | 4.68 | 4.28 | 3.67 | 3.38 | 3.26 | 3.38 | 3.44 | 4.18 | 4.08 | 3.84 |
| 农村（距离>25km） | 3.92 | 5.02 | 4.32 | 4.64 | 3.97 | 4.45 | 5.62 | 4.87 | 5.66 | 6.10 | 5.63 | 4.93 |
表2 不同地形精度下的预测误差统计表
| 地形精度 | 不同频率（MHz）均方误差 | 均值 | ||||||||||
| 87.6 | 88.7 | 90 | 90.5 | 91.5 | 96.6 | 97.4 | 101.8 | 103.9 | 106.1 | 106.6 | ||
| 30s | 4.55 | 5.60 | 4.96 | 5.25 | 4.67 | 5.19 | 5.99 | 5.62 | 6.26 | 6.78 | 6.45 | 5.57 |
| 60s | 4.70 | 5.69 | 5.15 | 5.45 | 5.01 | 5.34 | 6.08 | 5.85 | 6.43 | 6.90 | 6.55 | 5.74 |
| 120s | 5.47 | 6.22 | 5.89 | 6.18 | 5.93 | 6.02 | 6.76 | 6.54 | 6.94 | 7.43 | 6.97 | 6.40 |
表3 不同折射条件下的预测误差统计表
| 近地面折射率梯度 | 不同频率（MHz）均方误差 | 均值 | ||||||||||||
| 87.6 | 88.7 | 90 | 90.5 | 91.5 | 96.6 | 97.4 | 101.8 | 103.9 | 106.1 | 106.6 | ||||
| -54.76（ITU统计数据） | 4.55 | 5.60 | 4.96 | 5.25 | 4.67 | 5.19 | 5.99 | 5.62 | 6.26 | 6.78 | 6.45 | 5.57 | ||
| -47.00（中国统计数据） | 4.54 | 5.58 | 4.95 | 5.24 | 4.66 | 5.17 | 5.97 | 5.60 | 6.24 | 6.76 | 6.44 | 5.56 | ||
不同无线电气候条件的预测结果分析 表3给出了折射率梯度ITU统计分析值[13]和中国区域统计分析值[14]两种气候条件下的预测误差特性，从表3可以看出：中国折射率梯度统计分析值条件下的预测结果比ITU推荐折射率梯度统计分析值条件下的预测结果的精度略有提升，提高精度在0.01~0.02dB。因此，进行传播特性分析时，建议使用中国区域大气折射参数实测或统计分析数据，若能获取实测数据，推荐优先选用，以便得到更为精确的预测结果。 不同修正条件的预测结果分析 如表4所示，ITU-R P.1546建议模型为适用广播无线电业务的应用，提出标准偏差修正[8]。该值可根据具体分析环境进行调整[8,15]，表5列出了不同修正量条件下的预测误差。通过分析可知，在已有基础上针对模拟广播，将100MHz频段的标准偏差修正量提高4dB，可以有效提高传播预测的精度。 表4 广播业务标准偏差修正量
| 业务类型 | 标准偏差修正量(dB) | ||
| 100 MHz | 600 MHz | 2 000 MHz | |
| 模拟广播 | 8.3 | 9.5 | – |
| 数据广播 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
表5 不同修正条件下的预测误差统计表
| 标准偏差修正量 | 不同频率（MHz）均方误差 | 均值 | ||||||||||
| 87.6 | 88.7 | 90 | 90.5 | 91.5 | 96.6 | 97.4 | 101.8 | 103.9 | 106.1 | 106.6 | ||
| 0 | 4.55 | 5.60 | 4.96 | 5.25 | 4.67 | 5.19 | 5.99 | 5.62 | 6.26 | 6.78 | 6.45 | 5.57 |
| 1 | 4.19 | 5.02 | 4.63 | 4.78 | 4.33 | 4.75 | 5.32 | 5.12 | 5.55 | 6.05 | 5.76 | 5.04 |
| 2 | 4.03 | 4.57 | 4.47 | 4.45 | 4.18 | 4.48 | 4.73 | 4.75 | 4.91 | 5.38 | 5.14 | 4.64 |
| 3 | 4.11 | 4.30 | 4.54 | 4.33 | 4.28 | 4.42 | 4.30 | 4.58 | 4.40 | 4.82 | 4.65 | 4.43 |
| 4 | 4.42 | 4.25 | 4.82 | 4.44 | 4.59 | 4.59 | 4.07 | 4.62 | 4.08 | 4.41 | 4.35 | 4.42 |
| 5 | 4.92 | 4.43 | 5.27 | 4.77 | 5.09 | 4.95 | 4.08 | 4.87 | 3.99 | 4.22 | 4.26 | 4.62 |
| 6 | 5.56 | 4.82 | 5.86 | 5.27 | 5.72 | 5.48 | 4.33 | 5.30 | 4.15 | 4.25 | 4.40 | 5.01 |
4 结论 通过对ITU-R P.1546建议模型的剖析，给出了该方法应用的详细流程。基于在模拟调频广播覆盖特性的应用对比分析，系统的提出应用ITU-R P.1546进行区域性的模拟调频广播覆盖特性分析的应用建议：（1）选用较为精细的地形剖面数据，推荐小于1km精度间隔，且剖面应尽实际涵盖地形的显著特点[16]；（2）充分考虑城区地面覆盖物对传播的影响；（3）系统考虑城区、郊区、农村不同接收点类型的差别；（4）选用中国区域大气折射参数的实测或统计分析值；（5）针对特定区域分析，调整标准偏差修正量。上述研究将有助于提高广播电视系统性能分析的准确性，为模型修正，业务规划和频率管理等方面的研究奠定技术基础，其适用范围有待于通过试验予以证实和扩展。 参考文献 [1] 夏治平, 董雷, 胡军等. 移动多媒体广播业务S波段电波传播模型比较[J]. 电波科学学报, 2011, 26(1):170-174. XIA Zhi-ping, DONG Lei, HU Jun, et al. Comparison of S-band radio propagation models used for CMMB service[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 26(1): 170-174. [2] 夏治平. 地面数字电视电波传播模型误差分析报告[J].广播电视信息, 2006, 13(7): 42-44. [3] Chang-Hoon Lee, Nam-Ryul Jeon, Seong-Cheol Kim, et. Comparison of Measurement and Prediction of ITU-R Recommendation P.1546[A]. The 4th IEEE VTS Asia Pacific Wireless Communications Symposium[C]. Taiwan: IEEE, 2007. [4] 潘振中. 米波/分米波电视和调频广播传播预测方法[J]. 电波科学学报, 1993, 8(3): 95-107. Pan Zhen-zhong, VHF/UHF TV and FM Broadcasting Propagation Prediction Method[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 24(2): 341-348. [5] 王仲园; 金荣洪; 耿军平等. 移动数字电视覆盖预测的射线跟踪模型[J]. 电波科学学报, 2009, 24(2): 341-348. WANG Zhong-yuan, JIN Rong-hong, GENG Jun-ping, et al. Ray-tracing propagation prediction model for mobile digital television[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 24(2): 341-348. [6] K.Paran and N.Noori. Tuning of the propagation model ITU-R P.1546 Recommendation[J]. Progress in electromagnetic research B, (8): 243-255, 2008. [7] 徐涛. 应用ITU-R P 1546建议书进行广播电视监测时应考虑的几个因素[J]. 广播与电视技术, 2007, (6):121-123. [8] 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 3 000 MHz[S], Geneva: ITU, 2009. [9] 程瑞庭. 电波传播模型ITU- R P.1546 的算法及建模[J]. 广播电视信息, 2006, (10): 66-68. [10] 海霞. ITU-R P.1546-3建议书的相关修正方法[J]. 广播与电视技术, 2008, (9):124-126. [11] GB/T 14109-93 电视、调频广播场强测量方法[S]. [12] GY/T 196-2003 调频广播覆盖网技术规定[S]. [13] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P. 453-9 The radio refractive index: its formula and refractivity data[S], Geneva: ITU, 2003. [14] GJB 1655-1993 对流层电波折射修正大气模式[S]. [15] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P. 1812-1 A path-specific propagation prediction method for point-to-area terrestrial services in the VHF and UHF bands [S], Geneva: ITU, 2009. [16] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P. 452-12 Prediction procedure for the evaluation of interference between stations on the surface of the Earth at frequencies above about 0.1 GHz [S], Geneva: ITU, 2009.
评论 点击评论