CMMB超理論間距SFN設計的研究——CMMB下一階段建網策略探討

李遠東

（浙江傳媒學院 中廣分院，浙江 杭州 310018）

責任編輯:孫 卓

1 引言

目前，中廣傳播已完成大多數地級城市的CMMB覆蓋，即將進行縣級城市與農村地區的CMMB網絡建設，但市區到縣城城區的直線距離一般都大于CMMB常規單頻網組網所要求的相鄰基站的最大間距值15.36 km。同時，CMMB常規單頻網的頻率利用率雖然較高，但“15.36 km準則”卻限制了其頻率利用率的進一步提高。另外，進行深度覆蓋、優化現有網絡亦是下一階段的重點工作，若采用常規單頻網的方式，無疑要新建較多的CMMB基站，從而增大網絡規劃與建設的難度，是否有可減少新建基站規劃數量的其他建網策略可循？筆者認為，下一階段，CMMB的建網策略應由常規單頻網轉向常規單頻網與超理論間距單頻網[1]（相鄰CMMB基站的間距大于15.36 km）相結合的混合式單頻網，后者對于CMMB U波段頻率資源利用率的進一步提高、頻率規劃難度的降低、網絡規劃與建設復雜度的降低、用戶收視體驗的提升等都具有非常重要的意義。下文將結合工程實際的理論推導與仿真等方法就相關工程實例、可行性、工程設計方法、混合式單頻網組網的可行性等對CMMB超理論間距單頻網進行探討。

2 超理論間距SFN組網的可行性

2.1 工程實例

湖南省長沙、株洲與湘潭3市均以DS－29作為CMMB頻道，雖然連接3市的6條CMMB網絡鏈路的長度值（CMMB相鄰基站的兩兩間距）均超過理論值15.36 km（最大間距甚至達到25 km），但路測結果表明，這一超理論間距的單頻網覆蓋質量良好。

2.2 理論分析

2.2.1 常規單頻網組網基本策略及相關結論

2）相關結論。在常規單頻網的交叉覆蓋區域，由人工多徑造成的時延均在51.2μs之內，自然多徑的長度則是時變、地變的，由于CMMB采用了OFDM這種MCM傳輸體制[2]，人工多徑及51.2μs之內的自然多徑將會產生網絡增益。而長度大于51.2μs的自然多徑在到達接收機時的強度一般已非常微弱，則當主信號的場強較大時，即使其與主信號不同相，其破壞作用也是可以忽略不計的（因為此時的同頻干擾保護率的值較大）。由此可以聯想到，若人工多徑大于51.2μs，且主信號相對于這種人工多徑的同頻干擾保護率超過了臨界值8 dB，則主信號幾乎不會受到影響，即超理論間距SFN的組網是可行的。

綜上，可以總結出設計CMMB超理論間距單頻網的理論基礎:自然多徑對主信號的同頻干擾可以忽略；人工多徑的長度大于51.2μs，其對主信號的同頻干擾是否可忽略同時取決于同頻干擾保護率及兩者間的相位差:若相位差為0，或相位差不為0但CIR超過臨界值8 dB時，可忽略；當相位差不為0且CIR低于某個臨界值時，不可忽略?？梢?，延時與CIR是設計超理論間距單頻網時需重點考慮的兩個因素。

2.2.2 CMMB終端解調模塊的設計

51.2μs之外的延時信號對主信號的同頻干擾影響還取決于接收機的設計，該影響會隨著解調模塊信道估計與均衡算法的改進優化而減小。

2.2.3 超理論間距SFN中的同頻干擾區域

由于延時與CIR是兩個重要的設計參數，故在設計前首先應清楚這種單頻網中同頻干擾的分布規律。又由于只需考慮最大時延，故只需考慮相距最遠的2個發射臺的相關情況。設網絡中的所有基站均采用全向輻射天線[3-4]。

1）只考慮相距最遠兩發射臺直連線二維空間區域的情況

以上這四點都屬于經營要素，如果做不到，企業還是經營不好。管理的核心就是把這些經營要素管住，使這些要素不斷地積累放大，并且圍繞著環境的變化而變化。例如，做業務要配置人，人是核心資源，通過管理把人的價值越大，業務就會得到更大的擴張。招聘來的人一開始可能是不達標的，他的能力如何在做業務的過程里得到提升和成長，并且變得更好，這離不開管理。再如，技術是關鍵資源，如何通過管理把技術積累得更強，更能滿足業務的需要；還有業務過程，隨著業務環境的變化，規模的增長，人員結構的調整，業務過程如何更新和積累更多的經驗，如何調整適應環境的變化，是需要管理的。

（1）模型構建。由于發射塔的有效高度、接收天線的有效高度相對于兩基站的間距（大于15.36 km）均可忽略不計，故可簡化為如圖1所示的分析模型。

（2）同頻干擾區域分析。由于在上述分析模型中，a基站信號同頻干擾b基站信號與b基站信號同頻干擾a基站信號具有某種對稱性，故以下只分析b基站信號同頻干擾a基站信號的情況（c為電磁波速度）。

聯立（1）式與（2）式可得b基站信號同頻干擾a基站信號的區域為

于是可得分析模型I的同頻干擾區域如圖2所示。a基站左方及其到d點的區域為b基站信號同頻干擾a基站信號的區域，其中d點的同頻干擾最嚴重（源于同頻干擾保護率的概念）；b基站右方及其到e點的區域為a基站信號同頻干擾b基站信號的區域，其中e點的同頻干擾最嚴重；d點到e點的區域則無CMMB同頻干擾。

2）考慮兩基站間三維空間區域時的情況

（1）模型構建。由于發射塔的有效高度、接收天線的有效高度相對于兩發射基站的間距（大于15.36 km）均可忽略不計，故可將三維空間區域簡化為以下的二維平面模型來進行分析，在如圖3的分析模型II中，兩基站的間距為2d，且滿足2d>15.36 km，是超理論間距CMMB單頻網中間距最大的兩個基站。

（2）同頻干擾區域分析[4]。若不存在同頻干擾，則滿足

由此可知，當a基站與b基站的間距分別為16 km，20 km與30 km時的同頻干擾仿真曲線如圖4所示，其中的陰影區域即為同頻干擾區域，左邊的陰影區域為b基站信號同頻干擾a基站信號的區域，右邊的陰影區域為a基站信號同頻干擾b基站信號的區域?？梢?，CMMB SFN中基站的間距越大，同頻干擾的區域也就越大，且該區域的大小與兩基站CMMB信號的等效輻射功率（Equivalent Radiated Power，ERP）無關。

從圖5可見，相距最遠的兩發射臺直連線二維空間區域的同頻干擾情況是兩基站間三維空間區域時的同頻干擾情況的特殊情況:圖中d點正左方的橫軸與e點正右方的橫軸即為相距最遠兩發射臺直連線二維空間區域的同頻干擾區域，而雙曲線之內的區域（包括d點正左方的橫軸與e點正右方的橫軸）即為兩基站間三維空間區域時的同頻干擾區域。

3）基站發射延時對同頻干擾區域的影響

在b基站設置發射延時td，則滿足

以a基站與b基站的間距為16 km為例，分別在b基站不設置發射延時、2μs發射延時、2.1333μs發射延時之后的CMMB同頻干擾仿真圖如圖6所示。可見，在b基站設置發射延時后，從a基站看去，相當于a基站與b 基站的間距減小了 0.3｛td｝ km，即滿足式（5）。

因此，a基站信號同頻干擾b基站信號的區域減小（在一定范圍內，b基站信號的發射延時越大，減小的值就越大）。又可見，b基站信號同頻干擾a基站信號的區域增大 （在一定范圍內，b基站信號的發射延時越大，增加的值就越大），這是因為從b基站看去，相當于b基站與a基站的間距增加了0.3｛td｝km，即滿足

由此可以得出的結論是，當某個同頻干擾區域內存在CIR不滿足要求的接收點時，在CMMB基站恰當地通過發射延時的設置可以減小這個同頻干擾區域的面積甚至完全將其消除。

2.2.4 CIR對同頻干擾的影響

上節建立的超理論間距的CMMB SFN模型中，在圖2，4與5所示的同頻干擾區中的任一接收點，同頻干擾信號與主信號之間的到達時延均超過了51.2μs，則人工多徑對正常接收可能有建設性作用，也可能有破壞性作用，但是由于CIR這一參數的存在，就可能使得兩種信號即使不同相時，破壞性作用也可以忽略不計，仍然能夠正常接收主信號，這已經得到了工程實踐的證明，如覆蓋湖南省的長沙、株洲與湘潭3市的CMMB單頻（DS29）網。對CIR的仿真表明，在跨越長株潭單頻網的6條鏈路中，同頻干擾最嚴重的為間距最大（25 km）的廣電中心基站——跳馬山基站鏈路，該鏈路最低CIR的仿真圖如圖7所示，圖中2個基站的輻射天線有效高度分別為154 m與270 m，均全向，ERP值相等。可見，同頻干擾是可以忽略的（最低CIR的值大于臨界值）。

3 超理論間距SFN組網的設計探討

與CMMB常規單頻網設計的相同點是，設計超理論間距單頻網時也要考慮電波傳播的大、小尺度效應，也要進行頻率規劃，進行業務形式與節目數量、編碼與調制方式、基站選址、發射功率、覆蓋區域及補點優化等規劃，并要最大程度地規避網絡自干擾甚至0 dB回波。兩者的不同點在于，設計超理論間距單頻網時可能需要作新建CMMB基站的規劃，并且需按上節總結的用于設計的理論基礎進行設計，即在設計的過程中還要重點考慮時延與CIR這兩項參數。

在圖5中d點左方的曲線內部區域（b同頻干擾a的區域）內，由于b基站的CMMB信號在d點處的場強最強，故只需考慮在此點處a基站信號對b基站信號的壓制情況，在此點處，可求得a基站信號壓制b基站信號的同頻干擾比的最小值CIRmin，只要這個最小值滿足CMMB RF同頻干擾保護率的要求，則在b同頻干擾a的區域內，接收機仍能正常的接收CMMB信號。這里運用OM模型，以a，b基站均使用全向輻射天線為例。

3.1 2基站輻射天線的ERP值相等

設b基站輻射天線的有效高度hb為200 m，d點處a基站信號壓制b基站信號的CIRmin仿真如圖8所示。從中可看出CIRmin既與基站間距有關，亦與a基站輻射天線的有效高度有關:其中當基站間距為15.36 km時，CIRmin的值最優（88 dB左右）；當基站間距大于15.36 km且間距一定時，輻射天線的有效高度值越大，則CIRmin的值越優（基站間距30 km、a基站輻射天線300 m有效高度時的CIRmin約為18.5 dB）。則根據同頻干擾可以忽略時的CIR臨界值，即可確定此種情況下a基站所在的發射臺址是否需要新建發射臺，進而可確定a基站輻射天線的有效高度。

3.2 兩基站輻射天線的ERP值不相等

設a基站發射機輸出功率1 kW，輻射天線有效高度待定；b基站發射機輸出功率0.5 kW，輻射天線有效高度200 m，天饋損耗與天線增益均相同，兩基站間距為30 km。此時的ERP曲線如圖9所示。此時，若考慮一定的功率裕量，將CIR值定為13 dB，則由圖9知，無論a基站輻射天線的有效高度選為多少米，都不能同時滿足a，b基站對對方的CIRmin大于13 dB的要求，這時就需要對原CMMB SFN的設計進行優化。下面以在b基站設置發射延時為例進行相關優化。

若設計a基站輻射天線的有效高度為150 m，則

故可在a基站設置發射延時，當a基站的發射延時為48.8μs時，b基站對a基站的同頻干擾區域剛好完全消失，即b基站對a基站不存在同頻干擾。相關仿真情況如圖10所示?？梢?，b基站對a基站的同頻干擾區域剛好完全消失，而a基站對b基站的同頻干擾區域卻擴大了很多，但仍滿足a基站對b基站的最小同頻干擾比，所以在同頻干擾區域仍然能正常的接收CMMB信號。為了減小a基站對b基站的同頻干擾區域，可以對a基站的全向輻射天線設置下傾角（包括機械下傾與電氣下傾），或者改變a基站輻射天線的方向圖，將全向輻射天線換為定向天線此時a基站對b基站的同頻干擾區域也能完全消失。

4 CMMB HSFN組網

通過以上對CMMB超理論間距單頻網的探討可知，混合式單頻網（Hybrid SFN，HSFN），即常規單頻網與超理論間距單頻網的組合是可行的?？梢栽谥行统鞘袃韧ㄟ^常規單頻網實現CMMB覆蓋，而在相鄰的城市之間則可采用同一頻道通過超理論間距單頻網進行覆蓋。從某種程度上說，目前正常運行的長株潭CMMB單頻網即為HSFN。

[1]周曉民.相鄰站距大于15.36 km的CMMB單頻網組建可行性分析[C]//2009國際傳輸與覆蓋研討會論文集.杭州:[出版者不詳]，2009:75-78.

[2]GY/T 220.1-2006，移動多媒體廣播第1部分:廣播信道幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[3]李棟.數字聲音廣播[M].北京:北京廣播學院出版社，2001.

[4]蔡新國.地面數字電視同頻干擾的研究[J].電視技術，2009，33（10）:92-95.