無線地面數字電視網絡覆蓋方案探討

索召和

（北京同方吉兆科技有限公司，北京 100083）

數字電視是未來電視發展的方向已經成為不爭的事實，數字技術不僅使各種電視設備獲得比原有模擬設備更高的技術性能，而且能滿足未來三網融合的需要，為百姓提供更高質量的服務，具有重大的社會效益。此外，地面無線廣播作為電視廣播的傳統手段，因其獨具簡單接收和移動接收的能力，且能夠滿足現代信息化社會所要求的“信息到人”的基本需求，所以在未來具備極大的商業價值。對廣電系統而言，下一步發展地面數字電視是必然選擇，而固定接收是其中最主要的也是最基本的應用方式之一。

然而，在系統建設中，一方面由于無線地面數字電視是一個新技術，且技術復雜，沒有固定的建設模式可用，另一方面由于廣電領域多年來模擬電視系統建設的慣性思維，從模擬到數字、從單機到網絡系統等一系列觀念尚有待改變，所以系統建設中存在很多模糊認識，其中最典型的就是網絡覆蓋規劃問題。研究適合于廣電應用的覆蓋模式，對未來廣電系統地面數字電視建設具有重要意義。

本文結合地面數字電視系統的技術特點和廣電系統的應用特點，從理論和應用角度對上述問題進行了分析，提出了適合于廣電特點的“大站距、單/多頻混合組網”模式及參考解決方案，在實際應用中獲得良好效果。

1 技術分析

1.1 從廣電應用特點看單頻組網的必要性

1.1.1 節目數量與頻率占用的矛盾

提供多套數字電視基本收視是無線地面數字電視網絡平臺的主要服務內容，其服務模式與有線數字電視相近。平臺需要滿足兩項基本要求：

1）節目數量。節目數量少無法滿足用戶需求，而增加節目數量則需要更多發射頻點，此外還與當前信源編碼壓縮水平有關。通常一個地面發射臺需要傳輸40套以上標清電視節目。

2）覆蓋范圍。單站覆蓋范圍有限，要滿足大范圍覆蓋，必須建設多個發射站點。如省級和地市級平臺，一般需要幾個甚至幾十個發射站點覆蓋。

根據目前國內外前端信源編碼壓縮的技術水平，結合地面國標信道編碼參數（廣電總局給出7種優選參數），在保證圖像清晰度的前提下，每個8 MHz頻點可傳輸8～10套標清數字電視節目，40套節目至少需要使用4個以上頻點傳輸。

如果采用多頻網規劃，每個站點4套以上頻率，大范圍覆蓋理論上需要規劃4組頻率，整個系統占用4×4=16個8 MHz帶寬頻率，在目前頻率資源緊缺的情況下，多頻網規劃難以實現。

如果采用單頻網規劃，所有站點采用相同的頻率播出，則整個系統只需要占用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絡平臺采用單頻網規劃是唯一選擇。如果在建網初期沒有采用單頻網規劃，未來系統擴展會受到嚴重制約。

1.1.2 站距與系統性價比

傳統的單頻網理念為“小功率、多站點”，即每個站點覆蓋范圍小，站點布局密度大（站距近，與移動通信站點規劃相當，只是同步播出與蜂窩網有差異）。上述規劃有利于均勻覆蓋，保證覆蓋質量，特別適用于城市移動接收，如公交移動電視等。但對于大范圍覆蓋，特別是城鄉結合部、廣大農村和邊遠地區固定接收應用，這種布局方式不是最優選擇，主要表現在：

1）一方面，廣電系統無線發射為單向傳輸，所以傳統的廣播電視發射系統均為大功率、高山或高塔發射，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。如果采用單頻網規劃，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，廣電現有的臺站資源基本為高塔或高山臺站，如果小功率布點，原有臺站資源基本不可用，需要全部重新建站，建設成本大大提高。

綜合分析廣電的特點，采用“大站距、單頻網規劃”可以充分發揮廣電的資源與技術優勢，是性價比最高的解決方案。

1.2 地面數字電視單頻組網技術特點

根據地面數字電視廣播傳輸系統實施指南[1]，地面數字電視組網分為單頻網（SFN）和多頻網（MFN）。所謂單頻網就是多個相鄰臺站采用同一套節目、同一個頻率、同時播出，而多頻網則為不同頻率播出。

單頻組網遵循國家地面數字電視標準GB20600—2006和GY/T229.1—2008行業標準，具體單頻網覆蓋需要滿足兩個條件：

1）三同，即“頻率同步、時間同步（同相）、比特同步（同節目）”。由于兩個臺站發出的信號在空間覆蓋范圍內不可能完全“同時重合”，所以允許有“誤差”，只要誤差在“保護間隔”允許的范圍內，即可同頻播出，不會產生同頻干擾。

2）“保護率”（欲收信號與干擾信號的場強差）大于接收要求的載噪比門限值，且欲收信號場強高于接收門限。換言之，遠端來的信號足夠小，即使不同步，也不足以干擾近端強信號，可認為已經自動同步。

從上述看出，單頻網的兩個條件目的是為了保證：在信號交疊區接收機可“正常解調接收”，而不是單純為了“同步”。換言之，同步不是組成單頻網的充分必要條件。

但目前單頻網設計中普遍存在一種錯誤的認識，即認為單頻網規劃站距“只能小于或等于保護間隔”范圍，如在PN945模式下，保護間隔125 μs，對應約37 km距離（1 μs電波傳播300 m），則站距規劃不能突破37 km。

正確的理解是，當“保護率”低于接收機要求的載噪比門限時，在“保護間隔”內可通過同步實現正常解調接收；當“保護率”高于接收機要求的載噪比門限時，即使未同步也能實現正常解調接收。參考歐洲DVB-T經驗，在本臺站附近3 km內，可以不考慮同步要求，所以允許的相鄰臺站最大站距至少可增加6 km，變為43 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）計算的保護間隔與保護率關系示意圖如圖1所示。

圖1 保護間隔與保護率關系示意圖

根據GB20600—2006定義的同步網參數，保護間隔對應的站間距離如表1所示。

表1 保護間隔與站間距離的關系

2 “大站距”單頻/多頻混合組網方案

通過對廣電應用特點和單頻網技術分析，可以得出下列結論：

1）地面數字無線覆蓋平臺需要按單頻網規劃。

2）大站距規劃具有較高的性價比。

但實際應用中，仍需要解決兩個主要問題：一是單頻網設計不能完全滿足實際使用要求，如當地節目如何插入？二是站點密度與建設成本密切相關，大站距有利于降低成本，但可否實現？

2.1 單頻/多頻混合組網

一般地面數字網絡平臺播出節目包括兩部分，一是全網播出的節目，二是當地播出節目，當地節目只覆蓋本區域，不能在其他地區收看。在完全單頻網的情況下，可以采用各地區節目送到總前端，依靠條件接收系統（CAS）分區管理的方式限制其他地區收看，缺點是對節目分發傳輸要求高，且無線傳輸帶寬浪費大。

一種可行的方案是，全網通用節目采用單頻網設計和傳輸，而局部地區節目和當地節目用一個頻道在當地采用多頻網發射，參考系統原理圖2。

圖2 多頻點單頻/多頻混合組網原理圖

上述方案包括3個單頻網頻率，1個多頻網頻率，公用傳輸網絡采用STM-1，3個DS3通道。每個臺站發射4套頻率，其中1個頻率由于節目不同，采用不同頻率播出。

上述方案全網理論上最多需要7套頻率，既滿足了網絡服務需求，又最大限度地節省了頻率。且標準化程度高，便于未來網絡擴展。

2.2 大站距可行性分析

根據1.2節理論分析，在目前地面國標系統中，單頻網允許的最大理論站間距離為43 km，實際使用中仍不能完全滿足廣電使用要求。

從1.2節的分析可以看出，如果“保護率”足夠大，可以不考慮同步。在固定覆蓋的典型參數下（PN945，64QAM，FEC0.6）調制參數下，根據國家地面數字電視頻率規劃標準[4]，成功解調所需要的載噪比如表2所示。一般認為“保護率”大于20 dB即可成功解調。

表2 地面數字電視頻率規劃標準中的載噪比門限

參照1.2分析方法，仍假設兩站條件相同，發射高度120 m，光滑平地地形，站間距離為70 km時，場強交疊如圖3所示。

圖3 大站距下同步覆蓋場強交疊示意圖

從圖3中可看出，在兩站間距70 km的情況下，保護率低于20 dB的區域只有36 km，小于37 km范圍，所以可實現同步。而在每個臺站附近15 km左右的區域內，保護率已經大于20 dB，理論上不需要同步調整，視同同步，所以70 km站距理論上可行。

在實際使用中還需要考慮工程裕量，如距離減小到60 km，或發射天線下傾進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一步提高接收點的“保護率”等，以確保系統可在各種環境條件下穩定工作。

2.3 工程關鍵技術處理

實現“大站距單頻組網”的關鍵技術在于“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不能實現，而且空間輻射能量浪費大，系統性能降低。

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”設計，如圖5所示，圖6為實際工程安裝照片。

圖5 天線大角度下傾設計示意圖

天線大角度下傾設計技術，突破了原來常規模擬電視天線的設計思路，充分利用了數字電視覆蓋的技術特點，下傾后的場強分布示意圖如圖7所示。天線大角度下傾設計帶來的好處為：

1）覆蓋范圍可控，易于單頻網覆蓋調整，為擴大站距提供技術保證。

2）將輻射能量集中在有效的服務區，既增加了服務區的覆蓋場強，又降低了無效輻射能量，覆蓋概率和覆蓋質量得到改善。

3 應用情況介紹

在某省地面無線網絡的建設中，規劃50套以上標清電視節目，一期建設要求覆蓋區幾個地市轄區，地形大部分為平原。發射站點以廣電原有臺站為主，發射相對高度在100～300 m左右，站距均在60 km以上。

圖7 大角度下傾天線場強分布示意圖

該系統覆蓋范圍廣、建設難度大，在規劃階段圍繞服務定位、頻率規劃、站點規劃、建設成本等進行了多方面的論證、試驗，最終確定大站距單頻/多頻混合組網方案。每個臺站使用5個頻點發射，其中4個頻點采用單頻網覆蓋，傳輸省平臺統一節目，一個頻點采用多頻網覆蓋，傳輸當地縣市節目。站間距離在60 km以上，通過控制天線場型和覆蓋范圍來滿足同步。每個臺站天饋共用、標準化配置。

系統于2011年中開通7個發射站點播出，取得了良好覆蓋效果；既節省了頻率和建設成本，又充分發揮了廣電高山、高塔臺站的優勢，系統性價比高，極具推廣價值。

4 結束語

“大站距”單頻/多頻混合組網方案，由于站點密度減小，又能充分繼承和發揮目前廣電臺站的優勢，網絡建設成本大大降低，對未來廣電系統無線地面數字電視平臺的建設具有重要意義。

[1]GY/T236—2008，地面數字電視廣播傳輸系統實施指南[S].2008.

[2]HATA M.Empirical formula for propagation loss in land mobile ra?dio services[J].IEEE Trans.Vehicular Technology，1980，29（3）：317-325.

[3]OKUMURA Y，OHMORI Y E，KAWANO T.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service[J].Review of the Electrical Communications Laboratory，1968，16：825-873.

[4]GY/T237—2008，VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則[S].2008.