河北省中央節目地面數字電視覆蓋網優化研究

夏治平，張小苗，楊 勍，齊衛衛

(1.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866；2.河北省廣播電視技術中心，河北 石家莊 050012)

河北省中央節目地面數字電視覆蓋網優化研究

夏治平1，張小苗2，楊 勍1，齊衛衛2

(1.國家新聞出版廣電總局廣播科學研究院，北京 100866；2.河北省廣播電視技術中心，河北 石家莊 050012)

概括介紹了河北省頻率規劃方案，逐一確定了網絡優化工作所需的技術參數，重點分析了網絡優化工作的原理和方法。通過區域單頻網和多頻網實例，解決了存在的干擾問題，提出了河北省中央節目地面數字電視覆蓋網組網的優化參數和方案，為其他省份開展類似工作提供了技術參考。

地面數字電視；單頻網；網絡優化

2014年10月，國家新聞出版廣電總局(以下簡稱總局)啟動了中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程，目標是在2015年基本實現12套中央電視節目在全國范圍內的無線數字化覆蓋[1]。

為了盡快推進河北省中央節目地面數字電視覆蓋網的建設工作，河北省新聞出版廣電局與總局廣播科學研究院于2015年5月起，在河北省前期規劃、勘察工作[2]和總局科技司審定的頻率規劃方案基礎上，共同開展了河北省中央節目地面數字電視覆蓋網的網絡優化研究，對河北省中央節目地面數字電視覆蓋網(一期)建設涉及的107個臺站的組網規劃技術參數進行了復核，單頻網絡組網(SFN)方案和參數進行了優化，單頻和多頻網絡(MFN)覆蓋效果進行了試算，為河北省中央節目地面數字電視覆蓋網的工程建設奠定了基礎。

1 方案概述

按照總局科技司審定的頻率規劃方案，河北省中央節目地面數字電視覆蓋網(一期)建設涉及107個臺站，分布在河北省全境11個地級市，如圖1所示。

圖1 河北省方案臺站分布(截圖)

每個臺站播出兩個頻率，分別組成區域SFN層和MFN層。區域是指一個或數個地級市，全省一共8個這樣的區域，在每個區域內形成一個SFN，這8個SFN共同組成覆蓋全省的區域SFN層；而MFN層基本上每縣不同頻。

圖2 不同頻道發射機數量統計

業務模式以標清節目固定接收為主，其中區域SFN層播出8套中央節目，以固定接收為主，但兼顧移動接收特點；MFN層播出4套中央節目+若干套省節目，只針對固定接收。

2 技術參數

2.1 系統參數

地面數字電視傳輸國家標準涵蓋的工作模式多達330種[3]，總局推薦了7種模式，這7種模式還衍生出一些較常用的新模式。為了滿足河北省這種以固定接收為主，兼顧移動接收的業務需求，本次網絡優化對于MFN層，按照模式C=3 780，64QAM，0.6，420，24.365 Mbit/s(即總局推薦的模式6)進行規劃優化；對于區域SFN層，按照模式C=3 780，16QAM，0.8，945，19.251 Mbit/s(0.8改0.6后即為總局推薦的模式3)進行規劃優化。

2.2 場強門限

頻率規劃和網絡優化中使用的場強門限可以通過系統C/N門限，運用“電壓法”推導而得。對于固定接收，采用萊斯信道對應的C/N門限[4]。

對于MFN層，萊斯信道C/N門限為18 dB。95%地點概率室外固定接收場強門限為：47 dBμV/m(Ⅲ波段)、51 dBμV/m(Ⅳ波段)、54 dBμV/m(Ⅴ波段)。

對于區域SFN層，萊斯信道C/N門限為15 dB。95%地點概率室外固定接收場強門限為：48 dBμV/m(Ⅳ波段)、51 dBμV/m(Ⅴ波段)，本方案中涉及到的場強門限如表1所示[5]。

表1 場強門限 dBμV/m

名稱MFN層區域SFN層Ⅲ波段Ⅳ波段Ⅴ波段Ⅳ波段Ⅴ波段場強門限4751544851

2.3 電波傳播模型

電波傳播模型以國際電聯1546建議書為主，在河北省西北部山區同時用國際電聯526建議書計算結果作為參照。

2.4 頻率和發射機功率

本次中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程的各省頻率規劃方案，均以指配UHF頻段的頻道(DS-13～DS-48)為主。河北省全部214個頻道指配中，UHF指配有212個。其中最多的是DS-42，有30個。最少的是DS-13和DS-37，均為0個。由于河北省環抱京津兩個直轄市，頻率資源受限較多，在UHF頻道之外，另有VHF指配DS9和DS11各一個，這在全國方案中是絕無僅有的[6]。不同頻道發射機數量統計如圖2所示。

總共214部發射機中，1 000 W功率的122部，占比57%；300 W功率的92部，占比43%。

2.5 天饋參數

本研究項目之初，項目組對所有107個臺站進行了實地勘察調研，完整采集了這些臺站的位置、現有天饋多工設施、鐵塔條件、機房條件、節傳條件等信息。

按照臺站調研結果和覆蓋設計要求，經過不斷調整，項目組初步確定了天線、饋線、多工器等產品的形式、型號和參數，并根據主流產品性能指標，設定規劃計算過程中的天饋參數如下：

2.5.1 發射天線參數

根據鐵塔安裝位置、天線極化等要求，發射天線主要采用四面偶極板、三面偶極板、一體化、縫隙等天線形式，其方向圖依次如圖3所示。最大增益四層四面偶極板為10.5 dB(UHF)、9 dB(VHF)；一體化天線為11.0 dB(UHF)；縫隙天線為9.5 dB(UHF/VHF)。

發射天線以垂直極化為主，極個別為水平極化。對于有下傾要求的天線，按照電子下傾5°進行設計。對于非全向天線，按照覆蓋最大化及干擾最小化原則來調整天線主方向。

2.5.2 饋線損耗計算

根據各發射臺站功率容量的要求，本次方案中饋線主要采用80管和40管，其不同頻段的百米損耗分別如表2所示。各發射機所使用的饋線長度根據調研結果確定，乘以單位饋線損耗即得總的饋線損耗。

2.5.3 接收天線參數

按照以固定接收為主的思路，接收天線高度統一設定為10 m。對于MFN層，設定極化方式完全匹配；而對于區域SFN層，接收天線統一設定為垂直極化，極化不匹配時鑒別率為16 dB[7]。MFN層采用定向天線，區域SFN層采用無增益全向天線，天饋增益分別如表3所示。

圖3 發射天線方向圖(截圖)

III波段IV波段V波段80管—0．91．040管0．91．51．8

表3 接收天線天饋增益

名稱MFN層區域SFN層III波段IV波段V波段UHF頻段天線增益/dBd510120饋線損耗/dB1350

2.6 規劃工具

本次試算使用了法國ATDI公司ICS Telecom規劃軟件和50 m精度京津冀高程地圖，包括高度(DEM)圖層和地表覆蓋物(Clutter)圖層。

試算結果通過MapInfo軟件，在全國1∶100萬行政區矢量地圖上疊加展示。

3 網絡優化原理

各臺站的技術參數初步確定后，就可以進行覆蓋效果的初步計算。通過對覆蓋盲區和干擾區的分析，來明確下一步優化的目標。而網絡優化就是通過反復調整某些技術參數，從而達到最優覆蓋效果、最低干擾目標的過程。

對于MFN，網絡優化的目標相對簡單，一般要實現覆蓋人口或區域的最大化。常用的手段包括：在覆蓋盲區增加差轉臺站、調整天線的主方向至人口稠密地區等。前一手段受到基礎設施條件和頻率規劃的限制，后一手段更為現實可行。

對于SFN，其網絡結構更為復雜，同步要求高，易引起自干擾。SFN網絡優化的主要目標是實現自干擾的最小化。

SFN自干擾的形成原因在于，SFN內多徑信號到達接收機的時間不同，部分多徑超過了接收機保護間隔的范圍，并且多徑信號電平差小于同頻干擾保護率，從而引起了干擾。在本案中，當SFN內各路多徑信號同時滿足以下2個條件：延時超過125 μs(對應站間距37.5 km)時、且場強差小于15 dB，則產生SFN自干擾。

對SFN優化調整的主要技術手段包括：降低發射機輸出功率、加大發射天線下傾角度、調整發射天線場形、調整發射機延時、增加新的發射臺站等[8]。這些手段的應用也是各有利弊，前三種手段，在減少干擾的同時，一定程度上會影響覆蓋；第四種手段如果掌握不好，會引起嚴重的連鎖干擾；第五種手段受到基礎設施建設的限制，難以在短期內落實。

4 參數優化結果

在本案中，最終采納的優化手段包括調整發射天線方向、發射延時等。

4.1 非全向發射天線方向參數

對于使用非全向發射天線的臺站，根據覆蓋最大化及干擾最小化原則，提出了安裝方向角的建議。例如，為了加強對縣城方向人口密集區的覆蓋，石家莊市平山縣發射臺一體化天線的安裝角度建議為正北方向順時針旋轉125°。

4.2 延時參數

河北省是全國縣級行政區最密集的省份，其平原地區非常適宜組建SFN。不過在其西部、北部山區，尤其是張家口、承德地區，由于站間距大、高山臺多，容易產生SFN自干擾。這時候如果對部分臺站的發射延時參數進行優化設置，會取得較好的抑制干擾效果。以張家口市DS-14頻道SFN為例，其優化前覆蓋效果如圖4所示，淺色部分是覆蓋區，深色部分是受干擾區。

圖4 張家口SFN優化前覆蓋效果(截圖)

圖5是張家口市DS-14頻道SFN對部分臺站進行發射延時參數優化后的覆蓋效果，顏色圖例同圖4，可以看到深色部分大為減少。表4為經過反復調試后的延時值。

圖5 張家口SFN優化后覆蓋效果(截圖)

臺址延時臺址延時懷來縣75宣化縣150尚義縣250陽原縣250萬全縣100張北縣150蔚縣250逐鹿縣150下花園區150——

5 覆蓋效果圖

經過網絡優化，河北省中央節目地面數字電視覆蓋網兩層網絡的覆蓋效果均得到提升。

其中，區域SFN層由8個SFN組成。分別是：SFN01：石家莊DS-20，如圖6所示；SFN02：保定廊坊唐山DS-42，如圖7所示；SFN03：滄州衡水DS-48；SFN04：承德DS-40；SFN05：邯鄲DS-28；SFN07：秦皇島DS-39；SFN09：邢臺DS-17；SFN10：張家口DS-14，如圖5所示。

圖6 石家莊SFN的覆蓋效果(截圖)

圖7 保定廊坊唐山SFN的覆蓋效果(截圖)

MFN層由105個單點發射臺和1個雙發射點SFN(SFN11：張家口市崇禮縣人頭山和下花園區DS-42)組成。

限于篇幅，除了張家口，僅給出省會石家莊DS-20頻道，地域跨度最大的保定、廊坊、唐山DS-42頻道等兩個SFN的覆蓋效果圖。

6 總結及研究展望

經過仿真計算，證明調整發射天線方向和發射延時等手段，在河北省中央節目地面數字電視覆蓋網的優化研究中是行之有效的。

隨著河北省中央節目地面數字電視覆蓋網(一期)工程建設的開展，下一階段網絡優化研究工作的重點將包括：覆蓋網(二期)臺站的規劃優化研究、SFN補點臺站的規劃優化研究、通過實測和軟件仿真數據的比對繼續提高優化精度等方面。

[1] 鄧倬， 李斌， 馬文健. 中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程設計及工程建設推進[J]. 廣播與電視技術， 2015(5)： 22-26.

[2] 張勇， 范曉菲. 河北省地面數字電視廣播頻率規劃研究[J]. 電視技術， 2014， 38(17)： 39-42.

[3] 馮景峰， 劉駿， 周興偉. 國家標準GB 20600—2006《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》解讀[J]. 廣播與電視技術， 2007(5)： 21-28.

[4] GB/T 26252—2010， VHF/UHF頻段地面數字電視廣播頻率規劃準則[S]. 2010.

[5] GB/T 26666—2011， 地面數字電視廣播傳輸系統實施指南[S]. 2011.

[6] 李雷雷， 馮景鋒， 孫紅云， 等. 中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程設計及工程建設推進[J]. 廣播與電視技術， 2015(6)： 16-19.

[7] ITU. Rec. BT. 419-3， Directivity and polarization discrimination of antennas in the reception of television broadcasting[S]. Geneva： ITU， 2002.

[8] 張國庭， 萬倩， 李培琳， 等. 單頻網建設原則及優化方法[J]. 電視技術， 2013， 37(12)： 22-24.

夏治平(1978— )，高級工程師，主要研究方向為數字電視頻率規劃等；

張小苗(1980— )，女，高級工程師，主要從事廣播電視安全播出技術管理工作；

楊 勍(1983— )，工程師，主要研究方向為廣播電視網絡技術等；

齊衛衛(1960— )，女，教授級高級工程師，主要從事廣播電視安全播出技術管理工作。

責任編輯：閆雯雯

Optimization Research on DTMB Networks for CCTV Programs of Hebei Province

XIA Zhiping1, ZHANG Xiaomiao2, YANG Qing1, QI Weiwei2

(1.AcademyofBroadcastingScience,SAPPRFT,Beijing100866,China; 2.Radio&TVTechnologyCenterofHebeiProvince,Shijiazhuang050012,China)

The work introduced by this paper is part of the DTMB coverage project for CCTV programs. In this paper, the DTMB frequency plan of Hebei province is summarized. The technical parameters for network optimization are determined one by one. The principle and method for network optimization are mainly analyzed. The interference problems are solved in case studies of municipal SFNs and MFNs. The optimized parameters and scheme used for DTMB networks for CCTV programs of Hebei province are put forward. The work may provide technical reference for other provinces.

DTMB; SFN; network optimization

TN949.197

A

10.16280/j.videoe.2015.22.026

2015-07-02

【本文獻信息】夏治平，張小苗，楊勍，等.河北省中央節目地面數字電視覆蓋網優化研究[J].電視技術,2015，39(22).