Анализ способов построения сети цифрового телерадиовещания применительно к территории Новосибирской области

Одним из важнейших  аспектов цифрового телерадиовещания является рассмотрение способов построения сети цифрового ТВ, РВ вещания.

Проведя исследования способов построения, можно сказать, что основными способами построения сети цифрового ТВ, РВ вещания применимо к территории Новосибирской области являются:

1.  Сети  мощных передатчиков и высоко подвешенных антенн;

2.  Сети маломощных передатчиков и низко (150 метров и ниже) подвешенных антенн;

3.  Комбинированные сети из вариантов 1 и 2;

Рассмотрим и сравним вышеизложенные способы более детально.

Приведём сравнительные данные цифрового и аналогового видов модуляции телерадиосигнала, для дальнейшего формирования зависимостей.

Таблица 1: Напряжённость поля для приёма телевизионного сигнала, ДБ (мкВ/м).

Вид модуляции	Диапазон волн
	I	II	III	IV	V
Аналоговая	50	54	57	70	70
Цифровая	Не планируется		48	53	57

 

Как видно из таблицы № 1 для цифрового вещания планируется задействовать III,          IV   и            V частотные диапазоны. [4, 5]

Далее рассмотрим расчёт взаимного влияния передатчиков друг на друга.  Минимальное расстояние между ними, при котором их взаимное влияние не уменьшает радиус зоны вещания передатчиков по сравнению с максимальной, назовем координационным расстоя­нием и обозначим D_к. [3,4].

Координационное расстояние рассчитывается по формуле:

D_к = R_макс + d                                                                                                                    (1)                      

где R_макс – радиус зоны вещания передатчика без учета помех;

   d - расстояние от границы зоны полезного передатчика до помехи.

На границах зон рассматриваемых передатчиков должны выпол­няться условия качественного приема:

 

Е_с ( R_макс ) = Е_мин

Е_с ( R_макс ) - Е_п ( d ) = А_з ,                                                                                                 (2)                      

где   Е_с - напряженность поля сигнала на границе зоны вещания, Дб,

       Е_мин - минимально-допустимая напряженность поля сигнала на границе зоны, при которой обеспечивается качественный прием на существующую массовую аппаратуру, задается рекомендациями МККР, дБ. [1].

Из выражения (2)  получим выражение для определения максимального радиуса зоны вещания передатчика R_макс

 Е ( 50, 50, R_макс , H_А ) = Е_мин - Р_å                                                                                 (3)

где Е (50,50,R_макс,H_А) – напряженность поля сигнала на расстоянии R_макс от  передатчика, определяется по кри­вым распространения, дБ.

Зная эффективную высоту подвеса антенны H_эфф и эффективную излучаемую мощность Р_å, методом деле­ния пополам можно найти такой радиус зоны вещания,

Исходя из равенства (2) найдем значение d. Напряженность поля помехи

                    Е_п = Е ( 50,10, d,H_А ) + Р_å + DS                                                             (4)

где Е(50,10,d,H_А) – напряженность поля помехи, создаваемая передатчиком дБ,

По формуле определения медианного значения напряжённости поля для 50 % мест приёма и 50 % времени приёма находим:

Е(50, 50) = Епол - Р_∑                                                                                                                                                       (5)

Исходя из сделанных расчётов параметров Е (50,10, d,H_А), Е (50, 50), а так же на основании графиков напряженностей поля эффективно излучаемой мощности для I-V частотных диапазонов (кривые распространения Рекомендации 370-7 МККР) находим  R_макс   для высот подвеса антенн 50, 85, 100, 150, 200, 250, 300 метров и мощностей передатчиков Рпрд= 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 кВт. Следует уточнить, что параметр R_макс  ограничивается расстоянием прямой видимости:

                                                                                  (6)

Рисунок. 1. – Зависимость расстояния прямой видимости от высоты передающей антенны.

Рассчитав радиусы зон действия цифровых передатчиков (Rmax), рассчитаем влияния мешающих передатчиков на зону обслуживания полезного передатчика. В данных расчётах используется из­вестная модель однородной сети регулярной структуры, реализованная на ЭВМ в виде схе­мы (рисунок. 2.), на которой исследуемый передат­чик (0) находится в окружении 18 соканальных помех, работающих на одном канале и расположенных в углах трех пра­вильных шестиугольников с расстояниями D₁, Ö3D₁, 2D₁ соответственно. Как известно из теории регулярных сетей, такая ситуация спра­ведлива для каждого передатчика регулярной сети при использовании числа C частот, рав­ного ромбическому числу. Поэтому ре­шения, полученные для предлагаемой схемы, справедливы для сети в целом. [2, 3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок. 2. – Помехи по совмещенному каналу.

 

Условие полного покрытия территории ве­щанием в выбранной модели удовлетворяется, если выполняется следующее соотношение [2, 3]:

R_з = R₀ / Ö3, км                                                                                                                 (7)

где R_з — радиус зоны обслуживания исследуе­мого передатчика, рассчитанный с учетом дей­ствия всех 18 помех, R₀ — модуль сети, опреде­ляющий расстояние между соседними узлами (передатчиками) регулярной сети, Скл – размерность кластера.

R₀ и Скл пол­ностью описывают местоположение мешающих соканальных передатчиков, так как

D₁ = R₀ Ö Скл                                                                                                                 (8)

Радиус зоны обслуживания R_з определяется следующим образом:

 

                                             Е_с ( R_з ) ³ Е_мин

                                             Y = p₀ ,                                                                              (9)

 

         где E_c ( R_з ) – напряженность поля сигнала ис­следуемого передатчика на границе зоны об­служивания радиусом R_з дБ, Е_мин – мини­мально необходимое значение напряженности поля на входе приемника, дБ, Y – вероятность приема при действии мешающих передатчиков (местностная вероятность), p₀– необходимое значение вероятности.

Величина Y определяется в заданной точке приема мультипликативным методом:

Y = l_i,                                                                                                                  (10)

где N—число помех;

l_i – вероятность приема в заданной точке при мешающем действии i-oй помехи

l_i = exp ( - t²/2) dt.                                                                                         (11)

Значение верхнего предела x_i  в (11) зависит от уровня сигналов E_c (R) исследуемого и Е_мi i-го мешающего передатчиков на границе зоны обслуживания, защитного отношения A_з и помехозащищенности   приемной  антенны DS.

x_i = ( E_c ( R_з ) - Е_мi – A_з + DS ) / sÖ2,                                                                        (12)

где s = 9,3 дБ – cpeднeквaдpaтичecкoe отклонение медианных уровней сигналов;

E_c ( R_з ) = Е_с ( T, L, R_з, H_А ) + P_å ,                                                                          (13)

E_мi = E_i ( T, L, d_i, H_Аi ) + P_åi ,                                                                                  (14) 

где Е_с ( T, L, R_з, H_А ) и E_мi ( T, L, d_i, H_Ai ) – соответственно медианные значения напряжен­ности поля исследуемого и мешающего пере­датчиков, определяемые по кривым распрост­ранения МККР для T % времени и L % мест приема, дБ, d_i – расстояние от i-го мешающего передатчика до точки приема, км, P_å — эффек­тивная излучаемая мощность передатчиков, дБ, H_А – высота передающей антенны, м. [1].

Величина P_å  должна вы­бираться из условия обеспечения на границе зоны обслуживания, радиус которой в рас­сматриваемом диапазоне совпадает с радиого­ризонтом, минимальной величины напряжен­ности поля E_мин . Тогда из (12) и (8) получаем:

P_å = Е_мин - Е_с ( T, L, r, H_A ) .                                                                                (15)

Аналогично поступаем с первым неравенст­вом из системы (9), тогда

Е_с ( T, L, R_з, H_A ) ³ Е_с ( T, L, r, H_A )                                                                     (16)

Поскольку рассматриваемая функция моно­тонно убывает с увеличением расстояния от передатчика до точки приема, неравенство (16) справедливо для всех R_з £ r.

Рассчитаем параметры x_i  , l_i  , Y для дей­ствия 18 помех. С учётом вышеизложенного нужно сказать, что Кластер (С) – это совокупность ближайших сот, в которых используются не повторяющиеся частотные каналы. Число таких сот в кластере называется его размерностью (Скл.) [2, 3].

 

Рисунок. 3. – Дискретные значения размерностей кластера.

 

На основании рисунка № 3 находим наиболее оптимальную размерность кластера (Скл) путём пересечения вертикальных и горизонтальных линий, выбрав наиболее близкое дискретное значение.

Рассчитаем относительные величины интерференционных помех, создаваемых мешающими передатчиками, расположенных в вершинах трёх шестиугольников (рис. 2) при учёте Dk  и  Скл.

Мощность интерференционных помех, создаваемых шестью мешающими передатчиками первого шестиугольника:

                                                                                                        (17)

Мощность интерференционных помех, создаваемых шестью мешающими передатчиками второго шестиугольника:

                                                                                                   (18)

Мощность интерференционных помех, создаваемых шестью мешающими передатчиками третьего шестиугольника:

                                                                                             (19)

Рассчитаем коэффициенты, приведённые в формулах (17), (18), (19):

                                                                                    (20)

 

                                                                                                    (21)

 

                                                                              (22)

Как видно из вышеуказанных расчётов, основное влияние на зону вещания полезного передатчика оказывают помехи, создаваемые двенадцатью ближайшими передатчиками с 1–12, расположенными на расстоянии Dk1 и Dk2 (рисунок. 2), доля создаваемых этими двенадцатью ближайшими передатчиками составляет, примерно,  90 % от напряжённости поля помех, создаваемых всеми 18 мешающими передатчиками. Полученные результаты соответствуют предположению, что расстояние от точки приёма на границе зоны обслуживания полезного передатчика до мешающих передатчиков были приняты равным соответствующим координационным расстояниям. Соответственно, просчитав вышеуказанные параметры для других Рпрд  и НА, добавим, что при увеличении  Рпрд  и НА  - размерность кластера Скл  тоже увеличивается.

Таблица 2: Сводные данные по расчёту эффективности сети применимо к территории Новосибирской области.

 

Итак, исследовав по вышеуказанной методике все три способа построения сети цифрового телерадиовещания, можно сформулировать результаты нашего исследования.

 Сеть  мощных передатчиков и высоко подвешенных антенн имеет ряд достоинств и недостатков. К достоинствам можно отнести  высокую рентабельность сети с точки зрения малого количества антенных опор и большого покрытия территории за счёт мощных передатчиков. К недостаткам можно отнести тот факт, что на стыке зон обслуживания передатчиков сигнал будет отсутствовать и при неровной поверхности (холмистая и горная поверхности) зона покрытия этими передатчиками будет далека от 100 %. Это связано со спецификой распространения цифрового сигнала. Эфирное вещание в формате DVB-T подразумевает вещание потока пакетных данных с использованием протоколов передачи MPEG2 и MPEG4 на частотах эфирного диапазона с использованием модуляции COFDM. В формате DVB-T отсутствует постепенная деградация качества, т.е. приём цифрового сигнала будет осуществляться отлично, либо приём будет отсутствовать вообще. При достижении определенных параметров  сигнала, качество  ухудшается лавинообразно. Собственно качество картинки больше зависит от качества кодеров на передающей стороне и декодера приемника, чем от помех.  Практически невозможно по картинке на экране определить природу и интенсивность помехи.

Сети маломощных передатчиков и низко (150 метров и ниже) подвешенных антенн имеют практически 100 % покрытие, но реализация этого способа построения сети несёт огромные затраты. Построение не высоких антенных вышек с маломощными передатчиками очень трудоёмко и дорого, поэтому рентабельность данного способа очень низка.                            

Как видно из Таблицы № 2 комбинированные сети являются наиболее оптимальными с точки зрения трудозатрат и рентабельности. Данный способ отличается варируемостью построения, как для равнинных зон территории, так и для холмистых и горных зон.  Комбинированная сеть цифрового вещания наиболее оптимально использует частотный ресурс, а так же оптимальна с позиции финансовых затрат и покрытия территории.

Литература:

1.            Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания: Справочник: Под ред. А.А Локшина. – М.: Радио и связь, 1988. – 144 с.

2.            Носов В.И. Оптимизация параметров сетей телевизионного и цифрового вещания. – Новосибирск: СибГУТИ, 2005. – 257 с.

3.            Носов В.И. Эффективность секторных антенн и методов модуляции в сетях радиосвязи. – Новосибирск: СибГУТИ. 2008. – 235 с.

4.            Программа развития в Российской Федерации системы цифрового телевизионного вещания DVB // ФГУП «НИИР». – М.: 2005. -  Шестая редакция.

5.            Рекомендации МСЭ – Р. Подвижные службы и службы  радиоопределения. Серия М, – Женева, 1997. Ч. 1 – 5. – С. 447.