Методика оценки зоны обслуживания цифрового телевизионного передатчика в условиях горной местности

АННОТАЦИЯ

Проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств и эффективное использование ими ограниченного радиочастотного спектра была и остается одной из актуальных во многих странах мира вот уже не первый десяток лет. Решение указанных проблем в основном ложится на плечи ответственных государственных органов управления в этих странах по отрасли электросвязи или радиосвязи в частности. В особенности, проблема обостряется при стремительном развитии сетей сотовой связи, наземного цифрового телевизионного вещания, когда количество операторов становится более двух в одном территориальном регионе, как например и в Кыргызстане.

Как известно, проблема обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств решается на стадии проектирования сети, в основном теоретическими расчетами энергетических показателей как полезных, так и потенциально мешающих сигналов, а для практического «закрепления» – проведением пуско-наладочных и измерительных работ уже после монтажа станции и антенн.

В этой статье рассмотрены методы расчета зоны обслуживания цифровых телевизионных передатчиков. А именно: методы по эффективности планирования сети цифрового наземного телевизионного вещания и методы, увеличивающие точность теоретического расчета уровня принимаемого радиосигнала в теневых зонах, а также на закрытых трассах распространения радиоволн.

Использование приведенных в статье результатов имеет важное практическое значение, потому что позволяет формировать и развивать в дальнейшем теоретические расчеты электромагнитной совместимости при планировании и проектировании сетей цифрового наземного телевизионного вещания в условиях горной местности.

ABSTRACT

The electromagnetic compatibility of radio electronic devices and effective use of the limited radio frequency spectrum has always been one of the issues of the day in many countries of the world for several dozens of years. Solving these problems is mainly falls to the telecommunications industry or the radio government authorities of those countries. Moreover, the problem increases with the rapid development of mobile communication networks and terrestrial digital television broadcasting, especially if there are two or more mobile operators is one territorial region such as Kyrgyzstan.

It is well known, that the problem of electromagnetic compatibility of radio electronic devices should be solved at the network design stage. Mostly it is done by theoretical calculations of energy performance for both useful and potentially interfering signals. For the practical "fix", it is necessary to carry out commissioning and measuring work, usually it is performed after the installation of the station and the antennas.

In this article the computational methods of a service range of digital television transmitters was considered. Namely, the methods for effectiveness of scheduling of a network of digital land television broadcasting and the methods increasing accuracy of theoretical calculation of level of the accepted radio signal in shadow zones and also on the closed tracks of wave propagation.

Use of below-mentioned results has important practical value and also allows to form and develop further theoretical calculations of electromagnetic compatibility during the scheduling and projection of networks of digital land television broadcasting in the conditions of the mountain district.

Задачи и модели распространения радиоволн, используемые при определении зоны обслуживания наземного цифрового телевизионного передатчика, весьма сложны, поскольку электромагнитное поле около антенн передатчика и приемника представляет собой объект, полученный при многолучевом распространении сигнала в условиях данной местности.

Модели распространения сигналов, используемые при определении зоны обслуживания наземного цифрового телевизионного передатчика и задачи, связанные с распространением радиоволн, весьма сложны, поскольку электромагнитное поле около антенн передатчика и приемника представляет собой позицию, полученную при многолучевом распространении сигнала в условиях данной местности. Проблема осложняется влиянием многих факторов на условия распространения радиоволн и уровень радиосигнала может изменяться от пиковых значений, превышающий средний уровень на десятки дБ, а в зонах сильного замирания до десятков дБ ниже среднего.

При расчете зоны обслуживания наземного цифрового телевизионного передатчика обязательно надо учесть ослабление сигнала. Ослабление сигнала рассчитывают путем моделирования, который основан на готовых результатах экспериментальных исследований, полученных при изучении распространения сигналов вдоль земной поверхности. Результаты исследований получались из разных уголков мира с различными рельефами местности. А некоторые модели признаны многими странами и рекомендованы Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) для проектирования сетей связи.

Можно выделить три основных типа моделей связи:

1.   Модели эффективной высоты расположения антенны и эффективной высоты неровностей местности. В данном типе моделей учитывается рельеф местности и условия распространения сигнала;
2.   модели ослабления сигналов в городских условиях, где рельеф местности обычно не учитывается;
3.   модели распространения в пределах зданий.

Статистические методы по своей сути не учитывают индивидуальных особенностей конкретных трасс распространения радиоволн и поэтому позволяют оценить средние или медианные уровни сигналов для территории, где проводились испытания. По идее, все методы расчета должны давать одинаковые результаты для одинаковых условий. К сожалению, различные рекомендации и модели часто дают разные результаты расчетов. Однако некоторые математические модели распространения радиоволн, построенные на основе экспериментальных данных и описывающие поле в статистически однородной среде (городская территория, пригород, сельская местность, открытое пространство), являются общепризнанными, о чем свидетельствуют Рекомендации МСЭ и СЕРТ, и могут быть использованы как достаточное приближение для расчета зон обслуживания сетей связи [1; 2].

Граница зоны обслуживания цифровой передающей станции определяется расчетами совокупности точек, в которых расчетное значение напряженности поля равно минимальному медианному значению напряженности поля (Е_мед). Величина Е_мед рассчитывается на основе минимальной напряженности поля при добавлении, в надлежащих случаях, соответствующих поправочных коэффициентов. При фиксированном приеме цифрового телевидения процентные отношения местоположений устанавливаются не менее 70 % для «допустимого» и 95 % для «хорошего» приема. Расчет зоны обслуживания обычно проводится для условий фиксированного приема, при котором используется направленная приемная антенна, установленная на крыше здания, на высоте 10 м. над уровнем земли.

Зона приема считается покрытой, если требуемые значения несущая/шум (C/N) обеспечивается в течение 95 % времени. Зона обслуживания передатчика или группы передатчиков, работающих в одной одночастотной зоне, формируется из суммы индивидуальных зон, в которых действует данный класс охвата. Требуемая минимальная напряженность поля обеспечивается выбором мощности передатчика, коэффициента усиления передающей антенны, высотой ее подъема, рельефом местности и т. п. Расчетным путем, используя данный метод, определить зону уверенного приема в регионах со сложным рельефом практически невозможно. Для этих целей необходимо сопоставлять расчетные значения с результатами эксперимента [3; 4].

Рассмотрим экспериментальные данные, которые были сделаны с выездом на точки указанные на карте:

Рисунок1. Зона охвата DVB T2 РРС-18 Ошской области

Обозначения цветов следующие:

•      зеленый цвет – зона уверенного приема;
•      оранжевый цвет – зона неуверенного приема;
•      коричневый цвет – зона тени.

Таблица 1.

Напряженность поля на местах измерений

Примечание: Километраж, указанный выше, отсчитывался с мачты РПО РМТР. По стандарту прием уверенного сигнала составляет: напряженность поля – 54,3 дБ(мкВ/м); MER – 24 дБ.

Для определения значения минимальной медианной напряженности поля при фиксированном приеме, согласно Заключительным актам Региональной Конференции Радиосвязи Женева-06 была применена следующая формула:

E_med(f) = E_med(f_r) + Corr ;

Corr = 20 lg (f/f_r) ;

где: f – фактическая частота, а f_r – эталонная частота.

Для частоты 610 МГц (38 ТВК) применимо значение эталонной частоты 500 МГц. Получаем:

20 lg (610/500)=1,72 (Corr);

49,9 + 1,72=51,62 (E_med(f)).

Расчеты проводились на основе Рекомендации МСЭ-Р 1546, которая состоит из кривых, представляющие значения напряженности поля для ЭИМ 1 кВт при номинальных частотах 100, 600 и 2000 МГц. Соответственно, как функция различных параметров, некоторые кривые относятся к сухопутным трассам, другие относятся к морским трассам, основанные на статистическом анализе экспериментальных данных. Для получения значений напряженности поля для любой заданной требуемой частоты, необходимо использовать метод интерполяции или экстраполяции значений, полученных для этих номинальных значений частот. Кривые основаны на данных измерений в основном в средних климатических условиях в умеренных областях, содержащих «холодные» и «теплые» моря, например Северное море и Средиземное море. Кривые для сухопутных трасс были подготовлены из данных, полученных в основном при умеренном климате, таком как в Европе и Северной Америке. Кривые морских трасс были подготовлены из данных, полученных в основном в районах Средиземноморья и Северного моря. Обширные исследования показывают, что условия распространения в некоторых областях сверхрефракции, ограниченных «горячими» морями, в основном различны.

В данной Рекомендации учитывается «эффективная высота» передающей антенны, которая является высотой антенны, расположенная выше высоты ландшафта, усредненной на расстоянии от 3 до 15 км в направлении приемной антенны. Для сухопутных трасс менее 15 км, где информация доступна, в Рекомендации учитывается высота передающей антенны над высотой препятствия (т.е. земная поверхность), окружающего передающую станцию [5].

Высота h1 передающей/базовой антенны должна использоваться в вычислениях, зависящих от типа и длины трассы и от различных информаций (данных) высот, которые не всегда могут быть доступными.

Результаты расчетов приведены ниже:

Таблица 2.

Результаты проведенных расчетов

В настоящее время частотное и территориальное планирование сетей мобильной связи проводится на основе программных обеспечений, у которых есть возможность проводить компьютерное моделирование распространения сигнала с учетом рельефа и уровня застройки местности.

Методы исследования проводятся по двум направлениям: численные и полуфеноменологические. Численные методы учитывают взаимодействие излучения с веществом и возникающие в связи с этим эффекты (дифракция, отражение, преломление и др.) [3]. А полуфеноменологические методы основаны на введении эмпирически определенных коэффициентов затухания для того или иного типа ландшафта с различной степенью антропогенности [6; 7].

Необходимо отметить, что использование того или иного метода позволяет получать довольно точные результаты, не используя решения электродинамической задачи. Это немаловажно в таких случаях, как большие города, когда учет всех необходимых параметров, таких как: высота каждого здания, этажность, ширина улиц и т.д. практически невозможен [3].

Наиболее актуальным считается создание программного обеспечения, которое даст возможность реализовать расчеты в зависимости от заданных условий по той или иной полуфеноменологической теории, а также произвести соответствующие интерполяционные операции над полученными результатами.