Содержание к диссертации
Введение
1 Основы планирования сетей наземного телерадиовещания 18
1.1 Технические основы планирования сетей телерадиовещания 18
1.2 Системы наземного цифрового телерадиовещания 26
1.2.1 OFDM сигнал 27
1.2.2 Система DVB 28
1.2.3 Требования к качеству приема сигналов DVB в зоне обслуживания 31
Выводы по главе 1 37
2 Расчет напряженности поля с учётом рельефа местности 39
2.1 Основы расчёта напряжённости поля 39
2.2 Расчет множителя ослабления 42
2.2.1 Профиль интервала 42
2.2.2 Расчет множителя ослабления на открытых интервалах 44
2.2.3 Расчет множителя ослабления на полузакрытых и закрытых интервалах
2.3 Методика сравнения технических параметров передающих станций
аналогового и цифрового вещания 50
2.3.1 Определение параметров регулярных сетей телевизионного вещания 53
2.3.2 Определение радиуса зоны вещания передающей станции при цифровом вещании 59
Выводы по главе 2 63
3 Оптимизация технических параметров и местоположения радиовещательных передающих станций при учёте рельефа местности 65
3.1 Определение ограничений и критериев оптимизации РТПС без учёта рельефа местности 65
3.2 Определение ограничений и критериев оптимизации с учётом рельефа местности 73
3.3 Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции 83
3.4 Оптимизация эталонных одночастотных сетей 86
3.4.1 Эталонные одночастотные сети 86
3.4.2 Определение оптимальных параметров эталонной одночастотной сети 89
3.4.3 Обеспечение зоны одночастотной эталонной сети одним мощным передатчиком 94
3.5 Оптимизация технических параметров группы радиовещательных станций градиентным методом 97
3.5.1 Постановка задачи 98
3.5.2 Градиентный метод оптимизации 103
3.5.3 Оптимизация высот подвеса антенн градиентным методом 105
Выводы по главе 3 106
4 Автоматизированная система «интерграция» для решения задач оптимизации параметров сети телерадиовещания
4.1 Общее описание автоматизированной системы «Интеграция» 110
4.2 Возможности автоматизированной системы 112
4.2.1 Зона обслуживания передающей станции 112
4.2.2 Затенённые области зоны обслуживания передающей станции 113
4.3 Применяемые методы оптимизации станции 114
4.3.1 Выбор оптимального положения 114
4.3.2 Оптимальная высота подвеса антенны станции 115
4.3.3 Оптимизация с использованием градиентного метода 115
4.4 Работа с программой 116
4.4.1 Главный интерфейс 116
4.4.1.1 Область ГИС 116
4.4.1.2 Установка нового передатчика на карте 117
4.4.1.3 Входные параметры передатчика 119
4.4.1.4 Расчёт зоны обслуживания передающей станции 120
4.4.1.5 Строка состояния 120
4.4.1.6 Контекстное меню области ГИС 121
4.4.2 Просмотр подробных результатов расчёта 122
4.4.3 Выбор оптимального местоположения станции 123
4.4.4 Выбор оптимальной высоты подвеса антенны станции 125
4.4.5 Оптимизация параметров сети планируемых станций градиентным методом 127
Выводы по главе 4 131
Заключение 133
Список литературы
- Системы наземного цифрового телерадиовещания
- Расчет множителя ослабления на открытых интервалах
- Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции
- Затенённые области зоны обслуживания передающей станции
Введение к работе
Актуальность темы
Существующая практика планирования развития передающей сети радиовещания, исходит из принципа поэтапного решения задачи. На первом этапе на основе анализа факторов политического, экономического, социального характера с учетом географии и особенностей местности определяются количество, месторасположения и размеры требуемых зон обслуживания планируемых радиовещательных станций, которые обеспечивают необходимый охват территории (или населения) ТВ вещанием с заданным качеством и числом программ.
На втором этапе решается задача определения оптимальных параметров радиовещательных станций, которые обеспечивают требуемые размеры зон обслуживания. Такая задача возникает при планировании сетей наземного телевизионного вещания, при строительстве новых или реконструкции действующих передающих станций. Особенную важность данная задача приобретает при переходе на цифровое телевизионное вещание.
Данные проблемы нашли отражение в работах Arno G., Heil W., Jensen T. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского М.А., Дотолева В.Г., Шура А.А., Зубарева Ю.Б., Гитлица М.В., Носова В.И., Зеленина А.Ю., Тигина Л.В.
Каждый из указанных этапов задачи является по существу самостоятельной сложной и трудоемкой проблемой, эффективное решение которых возможно только при использовании формализованных процедур ориентированных на применение ЭВМ.
Для определения оптимального местоположения радиотелевизионных передающих станций (РТПС) необходимо производить расчёт напряжённостей полей сигналов и помех с учётом реального рельефа местности, т.е. путём построения профилей интервалов в направлении от местоположения станции до границы зоны вещания.
Решение задачи оптимизации местоположения РТПС с учётом реального рельефа местности возможно только путём разработки соответствующих методик и автоматизированной системы с использованием геоинформационной системы. При разработке данной проблемы автор опирался на работы Шура А.А., Носова В.И.
В настоящее время почти отсутствуют исследования, посвященные влиянию реального рельефа местности на эффективность использования технических параметров радиовещательных станций.
В рекомендациях МСЭ – Р и проекте ГОСТ РФ по сетям цифрового телевизионного вещания, использование рельефа местности ограничивается расчётом эффективной высоты передающей антенны в 36 направлениях от передающей станции к приёмникам. Именно это и используется в большинстве работ посвящённых исследованию способов оптимального построения сетей наземного телерадиовещания.
При наличии геоинформационной системы целесообразна разработка способов представления и оценки качества обслуживания и охвата территории и населения эфирным радиовещанием. К данным способам можно отнести определение областей обслуживаемых неэффективно (зоны тени, области перекрытия зон обслуживания соседних станций).
Геоинформационная система позволит также исследовать методы оптимизации местоположения передающей станции и eе технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса антенны). При этом можно также провести оптимизацию технических параметров и местоположения группы передающих станций.
Для реализации этих оптимизационных задач необходимо разработать методики и автоматизированную систему с использованием геоинформационной системы.
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование и разработка методик, позволяющих оптимизировать технические параметры и местоположение радиотелевизионных передающих станций сетей наземного цифрового телевизионного вещания. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методику сравнения характеристик передающих станций аналогового и цифрового телевизионного вещания;
-
Разработать методику определения зон обслуживания и зон тени для цифрового наземного вещания по профилям лучей;
-
Разработать методику оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;
-
Разработать методику определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;
-
Разработать методику определения оптимальных параметров и местоположения группы радиотелевизионных передающих станций;
-
Разработать алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математического моделирования, теории распространения радиоволн. Часть результатов получена в среде MathCAD. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы для оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы. С использованием разработанной системы выполнены экспериментальные исследования.
Научная новизна результатов работы
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методик оптимизации параметров и характеристик радиотелевизионных передающих станций с учётом реального рельефа местности и состоит в следующем:
1 Разработана методика для определения зон вещания и зон тени передающей станции по профилям, построенным с использованием ГИС, которая позволяет учесть влияние реального рельефа местности на зону обслуживания;
2 Разработана методика оптимизации высоты подвеса антенны и мощности передающей станции по предложенным критериям минимума удельных затрат и максимума коэффициента использования станции, учитывая профили лучей;
3 Разработана методика для определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции, которая позволяет с учётом рельефа местности, по предложенным критериям выбрать наилучшее положение из нескольких планируемых мест установки станции;
4 Разработана методика для оптимизации технических параметров и местоположения группы планируемых станций в окружении действующих станций с учётом степени покрытия заданной территории и степени перекрытия зон соседних станций. При отыскании минимума целевой функции произведена многопараметрическая оптимизация с использованием градиентного метода.
Практическая ценность результатов
Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.
Проведенные исследования, разработанные методики и автоматизированная система используются при выборе оптимального местоположения и характеристик радиотелевизионных передающих станций в сибирском филиале ФГУП РТРС, что подтверждается актом использования результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актом внедрения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
-
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2008 г.;
-
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2009 г.;
-
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2010 г.;
-
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2011 г.;
-
Научный семинар ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010 г.;
-
Научный семинар кафедры СРС ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2011 г.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1 Методика определения зон обслуживания и зон тени для наземного цифрового вещания по профилям лучей;
2 Методика оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;
3 Методика определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;
4 Методика определения оптимальных параметров группы радиотелевизионных передающих станций, устанавливаемых в окружении действующих станций.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 4 статьи (из них одна в журнале из списка ВАК) и 5 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Системы наземного цифрового телерадиовещания
Рассмотрены технические характеристики наземного цифрового телевизионного вещания DVB - Т. Проанализированы технические основы планирования сетей наземного цифрового ТВ вещания. В результате выбраны исходные соотношения и основные характеристики, необходимые для проведения дальнейших исследований.
Во второй главе рассмотрен уточнённый метод расчёта напряжённости поля. Уточнение достигается за счёт того, что учитывается профиль интервала от передающей станции до рассматриваемой точки приёма.
Рассмотрен расчет множителя ослабления, на открытых, полузакрытых и закрытых интервалах. Для него необходимо, прежде всего, иметь профиль интервала. Профиль интервала отображает вертикальный разрез местности от точки передачи до точки приёма со всеми высотными отметками, включая строения, лес и т. д.
Сравнение результатов расчётов, проведённых для аналогового и цифрового ТВ вещания показывает, что при переходе на цифровое ТВ вещание при обеспечении на границе зоны обслуживания требуемого качества приёма и сохранении неизменной зоны обслуживания передатчика мощность передатчика может быть уменьшена в 5 раз (на 7 дБ).
Сравнение результатов расчётов, проведённых для аналогового и цифрового ТВ вещания показывает так же, что при переходе с аналогового на цифровое ТВ вещание координационное расстояние между передатчиками уменьшается в среднем в 1,32 раза, что приведёт к более частому (по расстоянию) использованию одинаковых частот и, в конечном счете, к более эффективному использованию радиочастотного спектра.
При переходе от аналогового ТВ вещания с размерностью кластера СклАТВ 4 к цифровому ТВ вещанию выигрыш в размерности кластера, т.е. в числе необходимых частотных каналов, составляет от одного канала при СклКЇВ = 4, до пяти кана лов при СклАТВ = 12. Таким образом, разработанная методика позволила показать, что при переходе от аналогового ТВ вещания к цифровому, не только уменьшается необходимая мощность передатчика в 5 раз (7 дБ), но и уменьшается необходимое число частотных каналов.
В третьей главе предложены методики определения ограничений и критериев оптимизации параметров ТВ передающих станций.
В качестве первого показателя приемлемости решения предлагается использовать радиус зоны обслуживания равный расстоянию прямой видимости.
В качестве второго показателя допустимости решения, связанного с высотой подвеса передающей антенны и излучаемой мощностью станции предлагается ко-эффициент удельных затрат на км площади зоны обслуживания.
В качестве третьего показателя допустимости решения оптимизационной задачи, связанного с зоной обслуживания станции и высотой антенной башни предлагается коэффициент использования станции.
Результаты расчетов, проведенные по предложенной методике показали, что удельные капитальные затраты имеют минимальное значение при высоте антенны 80 м. Расчеты показали также, что при заданном значении высоты подвеса антенны использовать излучаемую мощность меньше необходимой (обеспечивающей радиус зоны равный расстоянию прямой видимости) нецелесообразно не только из-за уменьшения зоны обслуживания, но и из-за увеличения удельных капитальных затрат. Например, при уменьшении радиуса зоны обслуживания на 10 % удельные затраты увеличиваются на 23,5 %.
Предложена методика определения зоны вещания и зоны тени в зоне обслуживания станции при решении задачи оптимизации параметров станции с учетом рельефа местности. По этой методике строятся профили интервалов в направлении от передатчика к приемнику, по которым определяются условия отнесения участков профиля к зонам вещания и к зонам тени, с учетом множителя ослабления. Затем с учетом всех профилей, определяется площади зоны обслуживания, относящиеся к зонам вещания и к зонам тени. Показано, что достаточное число профилей, после которых среднее значение и дисперсия площадей зон тени изменяется меньше чем на 1 %, составляет 720.
На основе предложенной методики была разработана автоматизированная система определения зон вещания и зон тени станций с использованием ГИС. С использованием автоматизированной системы по разработанной методике можно определить с учетом рельефа местности оптимальные значения удельных затрат и коэффициента использования станции. Например, для холмистой местности для 5 точек определенные с помощью автоматизированной системы оптимальные значения удельных затрат на станцию Куд = 1,2 - 2,6 тыс.руб/км2 получается при высоте подвеса антенн h = 78 - 120 м и коэффициенте использования станций QCT = 0,61 - 0,87.
Разработана методика оптимизации местоположения планируемой станции с учетом рельефа местности. Суть такой оптимизации заключается в определении оптимального значения обобщенного параметра для нескольких планируемых мест установки станции. С использованием предложенной методики и автоматизированной системы были выбраны пять точек расположения станций и для них были определены зависимости удельных затрат, коэффициента использования станции.
Для определения оптимальных параметров станций в эталонной одночастот-ной сети МСЭ - Р (вариант 1) предлагается следующая методика. Для такой сети определен необходимый радиус зоны обслуживания, для которого определена необходимая высота антенны, при которой расстояние прямой видимости равно радиусу зоны обслуживания и необходимая излучаемая мощность станции, при которой на расстоянии прямой видимости обеспечивается минимальная напряженность поля. Для этих условий были определены коэффициент использования станции и удельные затраты на км2 зоны вещания. В результате проведенной оптимизации при сохранении неизменного радиуса зоны обслуживания было получено, что в оптимизированном варианте (вариант 2), значение коэффициента использования станции получилось равным единице, а в варианте МСЭ - Р всего 0,405. Величина удельных затрат составила 1,6 тыс.руб/км , а в варианте МСЭ - Р 5 тыс.руб/км , т.е. в 3,125 раза больше. При этом координационное расстояние в этих двух вариантах получилось одинаковым. Предложена методика оптимизации технических параметров и местоположения группы планируемых станций в окружении действующих станций. В рамках данной методики выбрана целевая многопараметрическая функция оптимизации, для отыскания которой получены выражения для определения зон перекрытия соседних станций, как для планируемой, так и для действующих сетей. Для проведения многопараметрической оптимизации предложено использовать градиентный метод. На основе предложенной методики и градиентного метода оптимизации разработаны алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы с использованием ГИС.
Результаты проведенной оптимизации с использованием градиентного метода, с помощью автоматизированной системы показали что, коэффициент использования станций QCT = 0,96, высота подвеса антенн h — 82 м, удельные капитальные затраты Куд = 2,07 тыс.руб/км .
В четвертой главе разработан алгоритм и программное обеспечение, реализованное с применением языка программирования delphi. Программное средство выполнено в виде одной программы, сочетающей в себе решение комплекса задач. В качестве исходных данных программа получает карту местности и данные о сети станций.
Расчет множителя ослабления на открытых интервалах
При цифровом наземном телерадиовещании основным мешающим фактором в канале являются помехи от многолучевого приема. Этот вид помех весьма характерен для эфирного приема в городах с разноэтажной застройкой из-за многократных отражений радиосигнала от зданий и других сооружений.
При многолучевости в приемник поступают два (или более) сдвинутых по времени модулированных сигнала. Поскольку анализ переданного значения символа "О" или "1" в приемнике обычно производится в середине символа, то в случае, если задержка радиосигнала второго луча становится близкой или больше половины длительности символа, происходит резкий рост вероятности ошибок. Радикальным улучшением помехоустойчивости приёма является применение в наземном телерадиовещании технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), которая специально разработана для борьбы с помехами при многолучевом приеме [25, 26].
Несмотря на то, что при OFDM длительность символа модулирующего сигнала получается достаточно большой Ts вых = п Ts вх, запаздывания сигналов (эхо-сигналы) в лучах при многолучевом распространении могут достигать значительных величин и межсимвольные помехи будут заметно снижать помехоустойчивость приёма. Бороться с такими межсимвольными помехами позволяет защитный временной интервал.
Благодаря наличию защитного интервала система с OFDM может использоваться для вещания как в традиционной многочастотной сети - МЧС (MFN - Multi Frequency Network), так и в одночастотной сети - ОЧС (SFN - Single Frequency Network). Для одночастотной радиосети типичным видом эхо-сигналов являются сигналы от соседних по территориальному размещению радиопередатчиков, передающих одинаковые символы OFDM. Эти сигналы не отличаются от классических эхо-сигналов в зоне обслуживания одного передатчика в многочастотной сети. Таким об разом, выбор длительности защитного интервала будет непосредственно влиять на вид проектируемой одночастотной радиосети. Увеличение длительности защитного интервала позволяет увеличить расстояние между соседними радиопередатчиками =с-Тт. (1.13)
С другой стороны, длительность защитного интервала целесообразно выбирать небольшой, так как защитный интервал не используется для передачи полезной информации и его введение уменьшает объем передаваемой информации. С этой точки зрения практически одна четвёртая часть от длительности рабочего интервала является достаточной оценкой максимального значения длительности защитного интервала.
Система DVBВ системе наземного цифрового телевизионного вещания DVB (Digital Video Broadcasting Terrestrial) передаваемые данные представляют собой информацию об изображении и звуковом сопровождении. Условие передачи этой информации в системе DVB только одно - данные должны быть закодированы в виде пакетов транспортного потока MPEG - 4. В этом смысле стандарт этой системы описывает контейнер, приспособленный для доставки пакетированных данных в условиях наземного телевизионного вещания [2, 3, 5,27].
Отличительной особенностью DVB при передаче транспортных пакетов MPEG - 4 является гармоничное сочетание системы канального кодирования и способа модуляции OFDM. В системе DVB используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безошибочную работу. Если благодаря работе внутреннего сверточного кодирования со скоростями Д. = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 частота ошибок на выходе внутреннего декодера не превышает величины 2-10", то система внешнего кодирования, где используется код Рида-Соломона с параметрами («Д,?) = (204, 188, 8), доводит частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG - 4 до значе ния 10" , что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).
Параметры системы DVB. Основные параметры, характеризующие передачу данных в системе DVB, приведены в таблице 1.2. В стандарте эфирного вещания DVB предусмотрены два режима модуляции OFDM, названные режимами 8 к и 2к, для которых используются два значения рабочих интервалов информационных символов:Граби - 896 мкс - для режима 8л: и в 4 раза меньшее значение Т аб2к = 224 мкс - для режима 2 к. Этим рабочим интервалам соответствуют два значения частотного разноса несущих частот в групповом спектре OFDM сигнала: А/и = 1/896 мкс = 1116 Гц и Af2k = 1/224 мкс - 4464 Гц , при которых в групповом спектре OFDM сигнала содержится «8t= 6817 несущих частот для режима Sk и п2к- 1705 несущих для режима 2 к. Общая ширина спектра группового сигнала в обоих случаях равна 7,61 МГц. Таким образом, спектр OFDM сигнала можно разместить в эфирном радиоканале аналогового телевидения с полосой пропускания 8 МГц, обеспечивая между соседними радиоканалами защитные частотные интервалы по 0,39 МГц. Это важный момент, так как согласованность спектра группового сигнала OFDM с существующими радиоканалами эфирной сети ТВ-вещания упрощает внедрение цифровой системы телевидения.
Стандартом для каждого режима модуляции предусмотрены 4 относительных значения защитных интервалов Тзащ, равные 1/4; 1/8; 1/16 и 1/32 длительности рабочего интервала Граб. Соответствующие им абсолютные значения длительностей защитных и рабочих интервалов приведены в таблице 1.2. В этой же таблице указан максимальный территориальный разнос между ТВ - передатчиками одной ТВ-программы в синхронной одночастотной сети эфирного вещания, который может выбираться при проектировании сети в пределах от 67,2 до 8,4 км и от 16,8 до 2,1 км соответственно для режимов модуляции 8 Л: И 2 к.
Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции
Для оценки радиуса зоны вещания РТПС при цифровом ТВ вещании предлагается следующая методика. В цифровых системах вещания прием телевизионной программы полностью пропадает при снижении принимаемого сигнала примерно на 1 дБ ниже порогового уровня. Такое поведение, когда качество изображения стремительно изменяется от оценки 5 до оценки 0, обычно называется "характеристикой внезапного отказа цифровой системы", а пороговая величина напряженности поля является минимальной напряженностью поля. Причиной этого является отсутствие плавного ухудшения качества в цифровых приемниках (рисунок 1.4).
Расстояние прямой видимости [2,33], приведённое в первой главе диссертации, соответствует сферически плоскому профилю интервала при линии визирования между передающей и приёмной антеннами касательной к профилю, т.е. при величине просвета равном нулюН = 0. Этот случай представлен на рисунке 2.10 линией АВ.
Земля считается идеально гладкой электрически однородной сферой с радиусом а =6370 км. Для этого случая расстоянием прямой видимости между точками передачи и приёма (рисунок 2.10) считается такое расстояние, при котором линия АВ, соединяющая эти точки, касается земной поверхности.
Для аналогового телевизионного вещания с увеличением расстояния между передатчиком и приёмником качество приёма плавно переходит от хорошего к удовле творительному, а затем к неудовлетворительному (рисунок 1.4). Поэтому для аналогового вещания граница зоны обслуживания определяется расстоянием прямой видимости.
В цифровых же системах вещания [12, 40], как отмечено в первой главе диссертации, прием телевизионной программы полностью пропадает при снижении принимаемого сигнала примерно на 1 дБ ниже минимальной напряженности поля.
В параграфе 2.3 показано, что при изменении величины просвета от Н = Н0 до Н = 0 множитель ослабления в зависимости от величины параметра препятствия ц, в соответствии с рисунком 2.3 и таблицей 2.2, уменьшается на 7 - 15 дБ. А так как минимальная напряжённость поля для цифровой системы вещания принимается равным его пороговому значению, то границей зоны обслуживания R3 будет являться такое расстояние между передающей и приёмной антеннами, при котором величина просвета равна критическому его значению Н = Н0. Это расстояние соответствует длине линии CD на рисунке 2.10.
В соответствии с рисунком 2.10 длину линии CD можно определить из двух прямоугольных треугольников СОЕ и DOE с гипотенузами OC = a + I\, OD = a+h1 и катетом равными ОЕ = а+Н0
В реальных условиях высота передающей антенны /г, всегда много больше высоты приёмной антенны 1\ = 10 м. Для этого условия нетрудно показать, что точка отражения при Н = Н0 будет находиться возле приёмной антенны и максимальная величина просвета при этом будет равна высоте приёмной антенны Н0 = У\ = 10 м.
С учётом вышеизложенного, радиус зоны обслуживания будет равен R3liTB yf2 Jh,-\0, (2.32)
Учитывая уравнения (2.27) и (2.32) определим степень уменьшения зоны обслуживания передатчика цифрового телевизионного вещания относительно зоны обслуживания передатчика аналогового телевизионного вещания
Таким образом, при одинаковых высотах подвеса передающих и приёмных антенн, радиус зоны обслуживания передатчика цифрового телевизионного вещания на 20 % меньше радиуса зоны обслуживания передатчика аналогового телевизионного вещания.
Из полученного результата следует, что при цифровом вещании для обеспечения такой же зоны обслуживания как и при аналоговом вещании, необходимо увеличить необходимую излучаемую мощность передающей станции, по сравнению с той, которая получена в таблице 2.3.
В соответствии с формулами (2.21) и (2.33) необходимо взять такую необходимую излучаемую мощность передающей станции
Расчёты, проведённые по выражениям (2.34) и (2.36) с использованием кривых распространения МСЭ-Р [5], показали, что при необходимости обеспечения / =1,25-/ увеличение необходимой излучаемой мощности передающей станции при цифровом вещании составляет для разных высот подвеса передающих антенн 4 + 5 дБ.
В результате использования предложенной методики показано что, при переходе с аналогового на цифровое вещание, в соответствии с таблицами 2.6, 2.7 и формулами (2.33) + (2.36), для обеспечения одинаковых зон обслуживания передающих станций эффективная излучаемая мощность передающей станции при цифровом вещании может быть уменьшена на 6 + 7 дБ, то есть в 4 + 5 раз, относительно излучаемой мощности при аналоговом вещании.
1 Рассмотрен уточнённый метод расчёта напряжённости поля сигнала. Уточнение достигается за счёт того, что учитывается профиль интервала от передающей станции до рассматриваемой точки приёма. Рассмотрен расчет множителя ослабления, на открытых, полузакрытых и закрытых интервалах.
2 Сравнение результатов расчётов, проведённых, по предложенной методике для аналогового и цифрового ТВ вещания показывает, что при переходе на цифровое ТВ вещание при обеспечении на границе зоны обслуживания требуемого качества приёма и сохранении неизменной зоны обслуживания передатчика мощность цифрового передатчика может быть уменьшена в 5 раз (7 дБ). Так, если при аналоговом вещании использовался передатчик мощностью 20 кВт, то при переходе на цифровое вещание потребуется передатчик мощностью 4 кВт.
3 Разработана методика оценки эффективности использования выделенного диапазона частот при переходе на цифровое вещание. Сравнение результатов расчё тов, проведённых по разработанной методике для аналогового и цифрового ТВ ве щания показывает так же, что при переходе с аналогового на цифровое ТВ вещание координационное расстояние между передатчиками уменьшается в среднем в 1,32 раза, что приводит к более частому (по расстоянию) использованию одинаковых час тот и, в конечном счете, к более эффективному использованию радиочастотного спектра. Разработанная методика позволила определить, что при переходе от аналогового ТВ вещания с размерностью кластера СклАТВ 4 к цифровому ТВ вещанию выигрыш в размерности кластера, т.е. в числе необходимых частотных каналов, составляет от одного канала при С д = 4, до пяти каналов при Основной проблемой при проектировании сети наземного телевизионного и звукового вещания является определение реальной зоны обслуживания РТПС и решение на ее основе задачи оптимизации технических параметров и местоположения станции [2, 4, 41, 42, 43].
В проекте ГОСТ [14] записано «реальная зона обслуживания, т.е. совокупность мест, где обеспечивается надлежащее качество приёма, в действительности может быть определена после ввода передающей радиостанции в действие на основании результатов обследований условий приёма сигналов этой радиостанции на местности».
Поскольку кривые распространения МСЭ-Р [13] получены на основе усреднения результатов многочисленных измерений, то при их использовании определяется зона покрытия РТПС. Кривые распространения нельзя использовать для определения зон обслуживания и зон тени, поэтому их расчёт должен производиться по профилям интервалов, построенным с использованием географической информационной системы для каждого направления от передающей станции к приёмной установке.
Затенённые области зоны обслуживания передающей станции
Для определения d в соответствии с формулой (2.24) EnoM(50,T,hl,d,f) = EMWi-A3-AS-P1.nOM необходимо знать следующие параметры (они приведены в первой главе): - процент времени действия помехи Т = 1%; - защитное отношение А = 20 дБ; - защищённость приёмной антенны AS = минус 16
Из сравнения (3.45) и (3.46) видно, что в варианте 1 и в варианте 2 величина координационного расстояния получилась практически одинаковой, что свидетельствует об одинаковой эффективности использования выделенного диапазона частот.
Таким образом, с использованием разработанной методики, были определены оптимальные значения параметров передающих станций эталонной сети ЭС 1 ЭКП 1 (вариант 2) и проведено их сравнение с параметрами передающих станций (таблица 3.10), предложенными МСЭ-Р для ЭС 1 ЭКП 1 (вариант 1).
Из сравнения коэффициентов использования параметров передающей станции QCT следует, что в варианте 1 этот параметр составляет всего 40%, тогда как в варианте 2 он равен 100%, что говорит о несомненном преимуществе варианта 2, в котором используются все потенциальные возможности передающей станции. Таблица ЗЛО - Параметры передающих станций для
Также из сравнения величин удельных капитальных затрат следует, что в варианте 2 этот показатель в 3,125 раза ниже, чем в варианте 1, что также свидетельствует о несомненном преимуществе варианта 2.
Сравнение величин координационного расстояния показало, что в этих двух вариантах оно получилось одинаковым, что свидетельствует об одинаковой эффективности использования выделенного диапазона частот в рассматриваемых вариантах.
Обеспечение зоны одночастотной эталонной сети одним мощным передатчиком В рекомендациях МСЭ - Р отмечено «Предлагается, что в качестве основы для ОЧС с большой зоной обслуживания используются станции главного передатчика с приемлемой эффективной высотой антенны». И действительно, в настоящее время аналоговая сеть ТВ вещания строится на основе мощных передающих станций с высотой подвеса передающей антенны от 200 до 350 м [2]. По аналогии с расчетами, проведёнными, в данной главе определим параметры одной мощной передающей станции цифрового ТВ вещания при использовании её вместо семи передатчиков.
Такая зона обслуживания обеспечивается при высоте подвеса передающей антенны \ = 350 м. В соответствии с формулой (2.29) i p = 4,12(7 + V ) = 4,12(л/350 + л/Го) = 90,1 км. (3.47) При этом радиус зоны обслуживания одной мощной передающей станции цифрового ТВ вещания (2.35) JirrB = 0,8-JRnp=0,8-90,l- = 72,08 км. (3.48) Теперь определим необходимую излучаемую мощность передающей станции (2.34) Л =мин -(50,50, ,, /)= . -(50,50,72.08,350,600) дБкВт. (3.49) В (3.49) напряжённость поля (50,50,7 ,fy,/) определим по методике, изложенной в первой главе диссертации. В соответствии с таблицей (1.2) ближайшими значениями стандартных расстояний к зоне R3UTB:= 72,08 км являются расстояния dmf = 70 и d = 75 км. А для высоты подвеса передающей антенны \ = 350 м ближайшими являются стандартные высоты \ lnf = 300 и \ sup = 600 м. Вначале по формуле (3.43) определим напряжённости поля на расстоянии R3lXTB= 72,08 км для высоты подвеса антенны 300 м. При этом
Ризл =мин-(50,50,72.08,350,600)=57 -35,675 = 21,325 дБкВт. Из выражения (3.35) определим мощность передатчика Величина удельных капитальных затрат при высоте подвеса антенны hx =350 м и мощности передатчика Рпд = 7,2 кВт в соответствии с формулой (3.33) и таблицей 3.5 составляет = 17,8 тыс. руб./км . (3.53)
Теперь определим координационное расстояние между двумя передающими мощными станциями с высотами подвеса передающих антенн hx = 350 м и излучаемыми мощностями Ртп =21,325 дБкВт. В соответствии с формулами (3.42) + (3.44) найдём пом (50,1,350, ,600) = 57 -20 + 16 -21,325 = 31,675 дБ(мкв/м), af = 113KM, =185,1 км.
Сравним полученный результат с результатами вариантов 1 и 2 (таблица 3.10). Из результатов сравнения следует, что при использовании одного мощного передатчика с высотой подвеса передающей антенны hx = 350 м и мощностью передатчика
Рпа = 7,2 кВт можно получить почти такую же зону обслуживания S3n = 16331 З /з км2, как и в эталонной сети с диаметром зоны 161 км - S3 покр = S6_TVi угольн = R3 = 16848 км2. При этом удельные капитальные затраты составят для одного мощного передатчика Кул = 17,8 тыс. руб./км , а для семи передатчиков в варианте 1 - Куд = 10,8 тыс. руб./км , в варианте 2 - Кул = 3,2 тыс. руб./км . То есть превышают первый вариант в 1,65 раза, а второй вариант - в 5,56 раза. Кроме того, координационное расстояние увеличивается в 1,8 раза, те значительно ухудшается эффективность использования выделенного диапазона частот.
В первом и втором вариантах размерность кластера равна Скл = 4 [3] и относительное координационное расстояние r0 = Z)/?K//?0 =2. Так как в варианте 3 координационное расстояние увеличивается в 4,8 раза, т.е. г0 =3,6, то в соответствии [3] размерность кластера в этом случае увеличивается до Скл =12. Таким образом, эффективность использования спектра в варианте 3 ухудшается в 3 раза.
Таким образом, использование семи менее мощных станций работающих на одной частоте с небольшими высотами подвеса передающих антенн (вариант 2), оказывается более эффективным относительно варианта 3 как по капитальным затратам в 5,56 раза, так и по эффективности использования выделенного диапазона частот, в 3 раза.
Оптимизация технических параметров группы радиовещательных станций градиентным методом Развитие и реконструкция радиовещательных сетей требует значительных ка питальных затрат, поэтому решение задачи снижения этих затрат является актуальной проблемой. Снижения капитальных затрат в значительной степени можно достичь за счет использования оптимальных технических параметров радиовещательных станций - высот подвеса антенн, излучаемых мощностей, местоположений.
В подразделах 3.2 и 3.3 диссертации решались задачи оптимизации высот подвеса антенн, излучаемой мощности и местоположения передающих станций. В данном параграфе предлагается методика решения задачи оптимизации высот подвеса антенн, излучаемых мощностей и местоположений группы радиопередающих станций с учётом рельефа местности. В предлагаемой постановке для радиовещательных неоднородных сетей нерегулярной структуры такая задача еще не решалась. Актуальность решения оптимизационной задачи в такой постановке определяется тем, что при переходе на цифровое телерадиовещание будут широко использоваться одночастотные сети из нескольких передающих станций, которыми будут заменяться одиночные передающие станции с высокими антенными опорами и большой излучаемой мощностью.
Пусть задана сеть S\, включающая N действующих станций с заданными координатами Xj, у І и известными параметрами hu, PJJ . Необходимо построить в пределах сети S\ сеть S2 , состоящую из М передающих станций с известными координатами xj , yj , для которых hy, Pjj не определены. Будем считать, что S2 строится внутри некоторого замкнутого выпуклого контура (рисунок 3.17), который образуют N передатчиков сети S\.
Ставится задача найти оптимальные значения hy, Р для передающих станций сети 5г, при которых затраты на единицу площади вещания будут минимальны при следующих ограничениях:
