基于天线下倾角度调整的网络优化

周 勇，倪 林，王 斌

(1.东华大学信息科学与技术学院，上海201620;2.上海东方明珠广播电视研究发展有限公司，上海200120)

单频网是地面数字电视无线覆盖中提升有效覆盖率的重要手段，单频网具有频谱利用率高、覆盖面积广、各发射点发射功率小以及组网灵活等众多优点。然而单频网对网络同步具有严格要求，特别是当各个发射点间距大于保护间隔对应距离时，覆盖重叠区域容易产生网络干扰，给单频网的网络优化带来挑战。

单频网的网络优化通常使用调整各发射点的发射功率和发射时延来消除覆盖重叠干扰区，但是在实际复杂的组网环境下，特别是当单频网中存在远超保护间隔的高发射天线、高发射功率的台站时，采用时延调整的方法有可能在完成优化一部分重叠区时，使另一些原本接收良好的区域产生新的干扰，因此不能完全消除重叠区的干扰现象;采用功率调整的方法在消除覆盖重叠区干扰的同时，也付出了缩小有效覆盖面积的代价。因此需要通过调整天线赋形或天线下倾角度等方法来改变重叠区域的大小，从而达到网络优化的目的。本文即运用调节天线下倾角的方法来解决上海地区CMMB远距离发射点存在的干扰问题。

1 常规调整方案研究

在对上海地区CMMB单频网进行常规路测时，发现长宁区天山路威宁路到中环路、外环靠近虹桥机场东侧、沪青平公路靠近虹桥机场南侧等范围存在干扰现象，发射点位置和干扰区域如图1所示。

图1 干扰地区示意图

根据测试结果，可以判断这些区域的接收失败情况是由发射点间的多径干扰所造成。再结合理论计算各相关发射点的实际距离和CMMB的保护间隔51.2μs(15 km)，确定上述干扰区均为青浦发射点和东方明珠发射点产生的同频干扰。

1.1 调节发射点时间延迟

调节发射时延的目的是将多径信号超保护间隔区尽可能调整到非覆盖重叠区域，以消除干扰，根据中广传播相关文件要求，CMMB系统移动接收最小载噪比要求大于8 dB。因此需要使用Okumura-Hata传播模型［1］来预测覆盖重叠区和场强比小于8 dB区域。Okumura-Hata传播模型的基本公式为

式中:f为工作频率;hb为基站天线有效高度，单位为m;hm为移动台天线高度，单位为m;α(hm)为移动台高度因子修正项;d为传播距离，单位为km;C为地物校正因子。

青浦和东方明珠两发射点间距36 km，发射功率均为1 000 W，根据青浦和东方明珠的位置分别选择郊区和市区传播模型，考虑发射天线高度、天线增益、馈线损耗等，结合中广建议的移动接收门限-70 dBm和CMMB保护率8 dB，可得理论计算的干扰电平门限为-78 dBm，考虑上海地区的实际覆盖环境，代入Hata公式，计算获得青浦和东方明珠的有效覆盖范围分别为28 km和40 km。

将传播模型的公式化简，测试点接收到两站台的覆盖场强分别为

式中:P1，P2分别为测试点到青浦和东方明珠的功率;d1，d2分别为测试点到青浦和东方明珠的距离;系数A1，A2与天线高度、发射功率、天线增益和传播模型有关;B1，B2与天线高度有关。天线高度越高，发射功率越大，增益越大，则系数A，B也越大。

代入实际参数得出的功率比公式为

按功率比P1/P2=8 dB和P2/P1=8 dB的保护率及51.2μs的保护间隔，再根据青浦发射点当前70μs的延时可模拟出覆盖平面图如图2所示。

图2 青浦时延70μs的覆盖模拟图

图2 中坐标(-18，0)和(18，0)分别示意青浦和东方明珠发射点的位置，如图中黑点所示，两发射点间距为36 km。曲线①为青浦滞后东方明珠70μs的51.2μs等延迟线，曲线右侧为两发射点超保护间隔区;曲线②为8 dB等场强比线，曲线②之外为场强比小于8 dB区，左侧曲线②内表示青浦发射点功率大于东方明珠8 dB，右侧则反之;曲线③为两站台干扰电平范围边界线，它们的交叠区为覆盖重叠区。场强比小于8 dB且在保护间隔之外的重叠区即为覆盖干扰区［2-3］，如图中阴影部分所示，可以计算该区域离左侧青浦站台最近约15 km，最远约26 km，与实际干扰情况相符。若减小青浦站台的时间延迟，覆盖干扰区将会变化，模拟的时延调整覆盖效果平面图如图3所示。

图3 青浦时延10μs的模拟图

图3 中，左边站台延迟了10μs，阴影部分仍然代表覆盖干扰区。曲线①左侧代表青浦超前东方明珠，曲线①左边为超保护间隔区域;曲线①右侧代表东方明珠超前青浦，曲线①右边为超保护间隔区域，可以看到干扰区域开始向靠近青浦发射台的区域移动。因此无论如何调节时间延迟都不能完全消除干扰。另一方面，青浦站台与其北面的嘉定和南边的松江站台均构成单频网，一旦青浦发射台延时改变，单频网内其他相关发射点的时延也需要做相应的调整，无疑增加了调网的复杂程度和工作量。

1.2 调节发射点功率

调节发射功率也是网络优化常用方法，通过改变发射功率来改变覆盖重叠区位置，从而间接消除干扰区。这里尝试通过调整青浦发射点的有效发射功率，来规避超保护间隔区域的同频干扰。结合图2的覆盖干扰区域分布图，在保证东方明珠覆盖不变的情况下，至少需要将青浦发射点的有效覆盖范围调整到15 km以内。经过实测，分别比较了青浦发射点情况，发射功率下降3 dB，即500 W;发射功率下降7 dB，即200 W;发射功率下降10 dB，即100 W。结果发现只有在青浦开100 W发射功率的条件下才能够保证干扰路段的整体接收顺畅。分析理论计算干扰区域的结果和实地场测的数据，干扰区域出现的位置主要集中在青浦发射点的东边，调低青浦发射功率，虽然解决了东边部分路段的干扰问题，但该发射点对其他3个方向的覆盖增益也将被削弱，特别是减小了对西边东方明珠覆盖薄弱区域的补点效果，极大地削弱了青浦发射点对网络的贡献。因此发射功率的调节适用于低塔小面积覆盖的情况，不适用于高塔。

2 下倾角角度调整的网络优化

调整时延和降低发射功率的方法在一定条件下都会存在一些弊端，特别是针对上文所述的青浦发射点案例，在对现有干扰区域优化的情况下会对其他区域造成影响，考虑到广播电视发射塔通常具有一定的高度，因此可以采用改变天线下倾角度［4］的方法缩小单点单面的覆盖范围。下倾角度调整包括机械下倾和电气下倾。电气下倾角的调整是利用分支电缆长度的改变，控制各个平板天线的相位，获得下倾角度的调节，缺点是相位无法连续可调，一旦理论和实际测试效果不一致时，无法继续调节。本文主要介绍机械下倾的调整方法。

在调整天线下倾角时，必须考虑的因素包括:天线高度，方位角，垂直第一副瓣角和期望的覆盖半径等参数。当天线倾角为0°时，天线主瓣沿着水平方向辐射，当天线下倾时，主瓣边际方向将最终与地面交于一点。考虑到天线的垂直赋形存在零点，反映在覆盖效果上就是零点辐射环带，一般主瓣和其相邻的第一个旁瓣间的零点称为第一零点，该点对应的零辐射环带会有明显的场强下降现象。第二零点以后距离发射点距离更近，一般不予考虑。因此在调整天线下倾角时，需要将第一旁瓣对准需要覆盖的区域，而非传统意义上的主波束，这样可以有效地将覆盖半径控制到要求的范围内。

保证现有青浦发射点的延迟不变，超保护间隔干扰区主要集中在距青浦15 km以东区域，如图2所示。因此只要减少青浦发射点与东方明珠发射点在该区域内的覆盖重叠，即可消除干扰，而青浦目前采用的是六层四面平板天线，可以考虑调整东面六层平板天线的机械下倾角，来有效抑制该方向上的覆盖能力。青浦发射点的天线参数为:天线高度150 m;天线机械下倾角为0°。垂直面方向图如图4所示。

图4 青浦发射点天线垂直面方向图

基于前文所述降低青浦发射点功率，需要将其发射功率降10 dB，即从初始发射功率1 000 W调节到100 W才能够基本解决实际干扰的问题，参考天线的垂直赋形图，如图4中所示，天线的垂直面副瓣比主瓣小10 dB，之间的角度为3.5°，因此只要将它指向为前面所述青浦覆盖干扰临界处即15 km处区域。

调整天线下倾角示意图如图5所示。

图5 调整天线下倾角示意图

已知青浦塔高H=150 m，发射天线初始电气下倾角为1°，机械下倾角为0°，此时相对的小10 dB的天线副瓣垂直方向仰角为α=3.5°，根据需要将距离青浦发射点L=15 km区域的覆盖场强降低10 dB，如图5所示。计算可得，调整到的目标下倾角数值

角度调整差值

因此只需要在目前的基础上将青浦发射天线的机械下倾角下调4.05°，即可保证青浦发射点对距离15 km以外地点有效降低覆盖场强10 dB以上，基本解决15 km外的干扰问题。由于青浦西边没有其他发射点，其主要靠青浦发射点来覆盖，因此这样既消除了对东边区域的干扰，又不会减少对西边区域的覆盖增益。

3 总结

本文分析了优化单频网的3种方法，其中时延调整的方法更适用于发射点数量较少的简易单频网中，在复杂网络中，发射点相互关系复杂，时延调节范围有限。发射功率调整需要配合实际场地测试，在完成消除覆盖干扰区的同时，也付出了覆盖半径缩小的代价。在以上两种调整方法均无法获得的条件下，还可以使用天线下倾角调整法，通过对某几个方向天线的下倾角的调节，来针对性地降低指定区域的覆盖增益，从而在保证覆盖时延和发射功率不变的前提下，有效缩小覆盖重叠区，实现消除网络干扰。

［1］THEODORE S R.无线通信原理与应用［M］.2版.北京:电子工业出版社.2006.

［2］蔡新国.地面数字电视同频干扰的研究［J］.电视技术，2009，33(10):92-95.

［3］崔竞飞，张国庭，万倩.单频网重叠区域覆盖特性的研究［J］.广播电视信息，2008(8):71-74.

［4］宋书详.基站天线的下倾角研究及工具开发［J］.山东通信技术，2007(4):39-41.