無線地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案探討

索召和

（北京同方吉兆科技有限公司，北京 100083）

數(shù)字電視是未來電視發(fā)展的方向已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，數(shù)字技術(shù)不僅使各種電視設(shè)備獲得比原有模擬設(shè)備更高的技術(shù)性能，而且能滿足未來三網(wǎng)融合的需要，為百姓提供更高質(zhì)量的服務(wù)，具有重大的社會(huì)效益。此外，地面無線廣播作為電視廣播的傳統(tǒng)手段，因其獨(dú)具簡(jiǎn)單接收和移動(dòng)接收的能力，且能夠滿足現(xiàn)代信息化社會(huì)所要求的“信息到人”的基本需求，所以在未來具備極大的商業(yè)價(jià)值。對(duì)廣電系統(tǒng)而言，下一步發(fā)展地面數(shù)字電視是必然選擇，而固定接收是其中最主要的也是最基本的應(yīng)用方式之一。

然而，在系統(tǒng)建設(shè)中，一方面由于無線地面數(shù)字電視是一個(gè)新技術(shù)，且技術(shù)復(fù)雜，沒有固定的建設(shè)模式可用，另一方面由于廣電領(lǐng)域多年來模擬電視系統(tǒng)建設(shè)的慣性思維，從模擬到數(shù)字、從單機(jī)到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等一系列觀念尚有待改變，所以系統(tǒng)建設(shè)中存在很多模糊認(rèn)識(shí)，其中最典型的就是網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃問題。研究適合于廣電應(yīng)用的覆蓋模式，對(duì)未來廣電系統(tǒng)地面數(shù)字電視建設(shè)具有重要意義。

本文結(jié)合地面數(shù)字電視系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和廣電系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，從理論和應(yīng)用角度對(duì)上述問題進(jìn)行了分析，提出了適合于廣電特點(diǎn)的“大站距、單/多頻混合組網(wǎng)”模式及參考解決方案，在實(shí)際應(yīng)用中獲得良好效果。

1 技術(shù)分析

1.1 從廣電應(yīng)用特點(diǎn)看單頻組網(wǎng)的必要性

1.1.1 節(jié)目數(shù)量與頻率占用的矛盾

提供多套數(shù)字電視基本收視是無線地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的主要服務(wù)內(nèi)容，其服務(wù)模式與有線數(shù)字電視相近。平臺(tái)需要滿足兩項(xiàng)基本要求：

1）節(jié)目數(shù)量。節(jié)目數(shù)量少無法滿足用戶需求，而增加節(jié)目數(shù)量則需要更多發(fā)射頻點(diǎn)，此外還與當(dāng)前信源編碼壓縮水平有關(guān)。通常一個(gè)地面發(fā)射臺(tái)需要傳輸40套以上標(biāo)清電視節(jié)目。

2）覆蓋范圍。單站覆蓋范圍有限，要滿足大范圍覆蓋，必須建設(shè)多個(gè)發(fā)射站點(diǎn)。如省級(jí)和地市級(jí)平臺(tái)，一般需要幾個(gè)甚至幾十個(gè)發(fā)射站點(diǎn)覆蓋。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外前端信源編碼壓縮的技術(shù)水平，結(jié)合地面國(guó)標(biāo)信道編碼參數(shù)（廣電總局給出7種優(yōu)選參數(shù)），在保證圖像清晰度的前提下，每個(gè)8 MHz頻點(diǎn)可傳輸8～10套標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目，40套節(jié)目至少需要使用4個(gè)以上頻點(diǎn)傳輸。

如果采用多頻網(wǎng)規(guī)劃，每個(gè)站點(diǎn)4套以上頻率，大范圍覆蓋理論上需要規(guī)劃4組頻率，整個(gè)系統(tǒng)占用4×4=16個(gè)8 MHz帶寬頻率，在目前頻率資源緊缺的情況下，多頻網(wǎng)規(guī)劃難以實(shí)現(xiàn)。

如果采用單頻網(wǎng)規(guī)劃，所有站點(diǎn)采用相同的頻率播出，則整個(gè)系統(tǒng)只需要占用4套頻率，頻率利用率大大提高。

從上述分析可知，未來固定覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用單頻網(wǎng)規(guī)劃是唯一選擇。如果在建網(wǎng)初期沒有采用單頻網(wǎng)規(guī)劃，未來系統(tǒng)擴(kuò)展會(huì)受到嚴(yán)重制約。

1.1.2 站距與系統(tǒng)性價(jià)比

傳統(tǒng)的單頻網(wǎng)理念為“小功率、多站點(diǎn)”，即每個(gè)站點(diǎn)覆蓋范圍小，站點(diǎn)布局密度大（站距近，與移動(dòng)通信站點(diǎn)規(guī)劃相當(dāng)，只是同步播出與蜂窩網(wǎng)有差異）。上述規(guī)劃有利于均勻覆蓋，保證覆蓋質(zhì)量，特別適用于城市移動(dòng)接收，如公交移動(dòng)電視等。但對(duì)于大范圍覆蓋，特別是城鄉(xiāng)結(jié)合部、廣大農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)固定接收應(yīng)用，這種布局方式不是最優(yōu)選擇，主要表現(xiàn)在：

1）一方面，廣電系統(tǒng)無線發(fā)射為單向傳輸，所以傳統(tǒng)的廣播電視發(fā)射系統(tǒng)均為大功率、高山或高塔發(fā)射，輻射效率高、覆蓋范圍大。以典型的120 m塔為例，視距范圍約為40 km，一般單站覆蓋范圍大于40 km。如果采用單頻網(wǎng)規(guī)劃，希望兩站的距離大于60 km以上，否則站距太近造成大量重疊覆蓋，無線覆蓋效率大大降低。

2）另一方面，廣電現(xiàn)有的臺(tái)站資源基本為高塔或高山臺(tái)站，如果小功率布點(diǎn)，原有臺(tái)站資源基本不可用，需要全部重新建站，建設(shè)成本大大提高。

綜合分析廣電的特點(diǎn)，采用“大站距、單頻網(wǎng)規(guī)劃”可以充分發(fā)揮廣電的資源與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是性價(jià)比最高的解決方案。

1.2 地面數(shù)字電視單頻組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)地面數(shù)字電視廣播傳輸系統(tǒng)實(shí)施指南[1]，地面數(shù)字電視組網(wǎng)分為單頻網(wǎng)（SFN）和多頻網(wǎng)（MFN）。所謂單頻網(wǎng)就是多個(gè)相鄰臺(tái)站采用同一套節(jié)目、同一個(gè)頻率、同時(shí)播出，而多頻網(wǎng)則為不同頻率播出。

單頻組網(wǎng)遵循國(guó)家地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)GB20600—2006和GY/T229.1—2008行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體單頻網(wǎng)覆蓋需要滿足兩個(gè)條件：

1）三同，即“頻率同步、時(shí)間同步（同相）、比特同步（同節(jié)目）”。由于兩個(gè)臺(tái)站發(fā)出的信號(hào)在空間覆蓋范圍內(nèi)不可能完全“同時(shí)重合”，所以允許有“誤差”，只要誤差在“保護(hù)間隔”允許的范圍內(nèi)，即可同頻播出，不會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。

2）“保護(hù)率”（欲收信號(hào)與干擾信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)差）大于接收要求的載噪比門限值，且欲收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)高于接收門限。換言之，遠(yuǎn)端來的信號(hào)足夠小，即使不同步，也不足以干擾近端強(qiáng)信號(hào)，可認(rèn)為已經(jīng)自動(dòng)同步。

從上述看出，單頻網(wǎng)的兩個(gè)條件目的是為了保證：在信號(hào)交疊區(qū)接收機(jī)可“正常解調(diào)接收”，而不是單純?yōu)榱恕巴健?。換言之，同步不是組成單頻網(wǎng)的充分必要條件。

但目前單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)中普遍存在一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，即認(rèn)為單頻網(wǎng)規(guī)劃站距“只能小于或等于保護(hù)間隔”范圍，如在PN945模式下，保護(hù)間隔125 μs，對(duì)應(yīng)約37 km距離（1 μs電波傳播300 m），則站距規(guī)劃不能突破37 km。

正確的理解是，當(dāng)“保護(hù)率”低于接收機(jī)要求的載噪比門限時(shí)，在“保護(hù)間隔”內(nèi)可通過同步實(shí)現(xiàn)正常解調(diào)接收；當(dāng)“保護(hù)率”高于接收機(jī)要求的載噪比門限時(shí)，即使未同步也能實(shí)現(xiàn)正常解調(diào)接收。參考?xì)W洲D(zhuǎn)VB-T經(jīng)驗(yàn)，在本臺(tái)站附近3 km內(nèi)，可以不考慮同步要求，所以允許的相鄰臺(tái)站最大站距至少可增加6 km，變?yōu)?3 km。

在兩站同等條件下，光滑平地地形，采用“奧春”模型[2-3]（Okamura-Hata）計(jì)算的保護(hù)間隔與保護(hù)率關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 保護(hù)間隔與保護(hù)率關(guān)系示意圖

根據(jù)GB20600—2006定義的同步網(wǎng)參數(shù)，保護(hù)間隔對(duì)應(yīng)的站間距離如表1所示。

表1 保護(hù)間隔與站間距離的關(guān)系

2 “大站距”單頻/多頻混合組網(wǎng)方案

通過對(duì)廣電應(yīng)用特點(diǎn)和單頻網(wǎng)技術(shù)分析，可以得出下列結(jié)論：

1）地面數(shù)字無線覆蓋平臺(tái)需要按單頻網(wǎng)規(guī)劃。

2）大站距規(guī)劃具有較高的性價(jià)比。

但實(shí)際應(yīng)用中，仍需要解決兩個(gè)主要問題：一是單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)不能完全滿足實(shí)際使用要求，如當(dāng)?shù)毓?jié)目如何插入？二是站點(diǎn)密度與建設(shè)成本密切相關(guān)，大站距有利于降低成本，但可否實(shí)現(xiàn)？

2.1 單頻/多頻混合組網(wǎng)

一般地面數(shù)字網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)播出節(jié)目包括兩部分，一是全網(wǎng)播出的節(jié)目，二是當(dāng)?shù)夭コ龉?jié)目，當(dāng)?shù)毓?jié)目只覆蓋本區(qū)域，不能在其他地區(qū)收看。在完全單頻網(wǎng)的情況下，可以采用各地區(qū)節(jié)目送到總前端，依靠條件接收系統(tǒng)（CAS）分區(qū)管理的方式限制其他地區(qū)收看，缺點(diǎn)是對(duì)節(jié)目分發(fā)傳輸要求高，且無線傳輸帶寬浪費(fèi)大。

一種可行的方案是，全網(wǎng)通用節(jié)目采用單頻網(wǎng)設(shè)計(jì)和傳輸，而局部地區(qū)節(jié)目和當(dāng)?shù)毓?jié)目用一個(gè)頻道在當(dāng)?shù)夭捎枚囝l網(wǎng)發(fā)射，參考系統(tǒng)原理圖2。

圖2 多頻點(diǎn)單頻/多頻混合組網(wǎng)原理圖

上述方案包括3個(gè)單頻網(wǎng)頻率，1個(gè)多頻網(wǎng)頻率，公用傳輸網(wǎng)絡(luò)采用STM-1，3個(gè)DS3通道。每個(gè)臺(tái)站發(fā)射4套頻率，其中1個(gè)頻率由于節(jié)目不同，采用不同頻率播出。

上述方案全網(wǎng)理論上最多需要7套頻率，既滿足了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，又最大限度地節(jié)省了頻率。且標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

2.2 大站距可行性分析

根據(jù)1.2節(jié)理論分析，在目前地面國(guó)標(biāo)系統(tǒng)中，單頻網(wǎng)允許的最大理論站間距離為43 km，實(shí)際使用中仍不能完全滿足廣電使用要求。

從1.2節(jié)的分析可以看出，如果“保護(hù)率”足夠大，可以不考慮同步。在固定覆蓋的典型參數(shù)下（PN945，64QAM，F(xiàn)EC0.6）調(diào)制參數(shù)下，根據(jù)國(guó)家地面數(shù)字電視頻率規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)[4]，成功解調(diào)所需要的載噪比如表2所示。一般認(rèn)為“保護(hù)率”大于20 dB即可成功解調(diào)。

表2 地面數(shù)字電視頻率規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)中的載噪比門限

參照1.2分析方法，仍假設(shè)兩站條件相同，發(fā)射高度120 m，光滑平地地形，站間距離為70 km時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)交疊如圖3所示。

圖3 大站距下同步覆蓋場(chǎng)強(qiáng)交疊示意圖

從圖3中可看出，在兩站間距70 km的情況下，保護(hù)率低于20 dB的區(qū)域只有36 km，小于37 km范圍，所以可實(shí)現(xiàn)同步。而在每個(gè)臺(tái)站附近15 km左右的區(qū)域內(nèi)，保護(hù)率已經(jīng)大于20 dB，理論上不需要同步調(diào)整，視同同步，所以70 km站距理論上可行。

在實(shí)際使用中還需要考慮工程裕量，如距離減小到60 km，或發(fā)射天線下傾進(jìn)一步控制單站覆蓋范圍，采用定向接收天線，利用天線的方向性增益進(jìn)一步提高接收點(diǎn)的“保護(hù)率”等，以確保系統(tǒng)可在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

2.3 工程關(guān)鍵技術(shù)處理

實(shí)現(xiàn)“大站距單頻組網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)在于“單站覆蓋范圍控制”，理想的單站覆蓋范圍如圖4所示。如果在工程上不能有效控制天線覆蓋范圍，則不但大站距單頻組網(wǎng)不能實(shí)現(xiàn)，而且空間輻射能量浪費(fèi)大，系統(tǒng)性能降低。

圖4 理想的單站覆蓋要求示意圖

控制覆蓋范圍最有效的解決辦法是天線“大角度下傾”設(shè)計(jì)，如圖5所示，圖6為實(shí)際工程安裝照片。

圖5 天線大角度下傾設(shè)計(jì)示意圖

天線大角度下傾設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了原來常規(guī)模擬電視天線的設(shè)計(jì)思路，充分利用了數(shù)字電視覆蓋的技術(shù)特點(diǎn)，下傾后的場(chǎng)強(qiáng)分布示意圖如圖7所示。天線大角度下傾設(shè)計(jì)帶來的好處為：

1）覆蓋范圍可控，易于單頻網(wǎng)覆蓋調(diào)整，為擴(kuò)大站距提供技術(shù)保證。

2）將輻射能量集中在有效的服務(wù)區(qū)，既增加了服務(wù)區(qū)的覆蓋場(chǎng)強(qiáng)，又降低了無效輻射能量，覆蓋概率和覆蓋質(zhì)量得到改善。

3 應(yīng)用情況介紹

在某省地面無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，規(guī)劃50套以上標(biāo)清電視節(jié)目，一期建設(shè)要求覆蓋區(qū)幾個(gè)地市轄區(qū)，地形大部分為平原。發(fā)射站點(diǎn)以廣電原有臺(tái)站為主，發(fā)射相對(duì)高度在100～300 m左右，站距均在60 km以上。

圖7 大角度下傾天線場(chǎng)強(qiáng)分布示意圖

該系統(tǒng)覆蓋范圍廣、建設(shè)難度大，在規(guī)劃階段圍繞服務(wù)定位、頻率規(guī)劃、站點(diǎn)規(guī)劃、建設(shè)成本等進(jìn)行了多方面的論證、試驗(yàn)，最終確定大站距單頻/多頻混合組網(wǎng)方案。每個(gè)臺(tái)站使用5個(gè)頻點(diǎn)發(fā)射，其中4個(gè)頻點(diǎn)采用單頻網(wǎng)覆蓋，傳輸省平臺(tái)統(tǒng)一節(jié)目，一個(gè)頻點(diǎn)采用多頻網(wǎng)覆蓋，傳輸當(dāng)?shù)乜h市節(jié)目。站間距離在60 km以上，通過控制天線場(chǎng)型和覆蓋范圍來滿足同步。每個(gè)臺(tái)站天饋共用、標(biāo)準(zhǔn)化配置。

系統(tǒng)于2011年中開通7個(gè)發(fā)射站點(diǎn)播出，取得了良好覆蓋效果；既節(jié)省了頻率和建設(shè)成本，又充分發(fā)揮了廣電高山、高塔臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)性價(jià)比高，極具推廣價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

“大站距”單頻/多頻混合組網(wǎng)方案，由于站點(diǎn)密度減小，又能充分繼承和發(fā)揮目前廣電臺(tái)站的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本大大降低，對(duì)未來廣電系統(tǒng)無線地面數(shù)字電視平臺(tái)的建設(shè)具有重要意義。

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[4]GY/T237—2008，VHF/UHF頻段地面數(shù)字電視廣播頻率規(guī)劃準(zhǔn)則[S].2008.