无线地面数字电视网络覆盖方案探讨

索召和

（北京同方吉兆科技有限公司，北京 100083）

数字电视是未来电视发展的方向已经成为不争的事实，数字技术不仅使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的技术性能，而且能满足未来三网融合的需要，为百姓提供更高质量的服务，具有重大的社会效益。此外，地面无线广播作为电视广播的传统手段，因其独具简单接收和移动接收的能力，且能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求，所以在未来具备极大的商业价值。对广电系统而言，下一步发展地面数字电视是必然选择，而固定接收是其中最主要的也是最基本的应用方式之一。

然而，在系统建设中，一方面由于无线地面数字电视是一个新技术，且技术复杂，没有固定的建设模式可用，另一方面由于广电领域多年来模拟电视系统建设的惯性思维，从模拟到数字、从单机到网络系统等一系列观念尚有待改变，所以系统建设中存在很多模糊认识，其中最典型的就是网络覆盖规划问题。研究适合于广电应用的覆盖模式，对未来广电系统地面数字电视建设具有重要意义。

本文结合地面数字电视系统的技术特点和广电系统的应用特点，从理论和应用角度对上述问题进行了分析，提出了适合于广电特点的“大站距、单/多频混合组网”模式及参考解决方案，在实际应用中获得良好效果。

1 技术分析

1.1 从广电应用特点看单频组网的必要性

1.1.1 节目数量与频率占用的矛盾

提供多套数字电视基本收视是无线地面数字电视网络平台的主要服务内容，其服务模式与有线数字电视相近。平台需要满足两项基本要求：

1）节目数量。节目数量少无法满足用户需求，而增加节目数量则需要更多发射频点，此外还与当前信源编码压缩水平有关。通常一个地面发射台需要传输40套以上标清电视节目。

2）覆盖范围。单站覆盖范围有限，要满足大范围覆盖，必须建设多个发射站点。如省级和地市级平台，一般需要几个甚至几十个发射站点覆盖。

根据目前国内外前端信源编码压缩的技术水平，结合地面国标信道编码参数（广电总局给出7种优选参数），在保证图像清晰度的前提下，每个8 MHz频点可传输8～10套标清数字电视节目，40套节目至少需要使用4个以上频点传输。

如果采用多频网规划，每个站点4套以上频率，大范围覆盖理论上需要规划4组频率，整个系统占用4×4=16个8 MHz带宽频率，在目前频率资源紧缺的情况下，多频网规划难以实现。

如果采用单频网规划，所有站点采用相同的频率播出，则整个系统只需要占用4套频率，频率利用率大大提高。

从上述分析可知，未来固定覆盖无线网络平台采用单频网规划是唯一选择。如果在建网初期没有采用单频网规划，未来系统扩展会受到严重制约。

1.1.2 站距与系统性价比

传统的单频网理念为“小功率、多站点”，即每个站点覆盖范围小，站点布局密度大（站距近，与移动通信站点规划相当，只是同步播出与蜂窝网有差异）。上述规划有利于均匀覆盖，保证覆盖质量，特别适用于城市移动接收，如公交移动电视等。但对于大范围覆盖，特别是城乡结合部、广大农村和边远地区固定接收应用，这种布局方式不是最优选择，主要表现在：

1）一方面，广电系统无线发射为单向传输，所以传统的广播电视发射系统均为大功率、高山或高塔发射，辐射效率高、覆盖范围大。以典型的120 m塔为例，视距范围约为40 km，一般单站覆盖范围大于40 km。如果采用单频网规划，希望两站的距离大于60 km以上，否则站距太近造成大量重叠覆盖，无线覆盖效率大大降低。

2）另一方面，广电现有的台站资源基本为高塔或高山台站，如果小功率布点，原有台站资源基本不可用，需要全部重新建站，建设成本大大提高。

综合分析广电的特点，采用“大站距、单频网规划”可以充分发挥广电的资源与技术优势，是性价比最高的解决方案。

1.2 地面数字电视单频组网技术特点

根据地面数字电视广播传输系统实施指南[1]，地面数字电视组网分为单频网（SFN）和多频网（MFN）。所谓单频网就是多个相邻台站采用同一套节目、同一个频率、同时播出，而多频网则为不同频率播出。

单频组网遵循国家地面数字电视标准GB20600—2006和GY/T229.1—2008行业标准，具体单频网覆盖需要满足两个条件：

1）三同，即“频率同步、时间同步（同相）、比特同步（同节目）”。由于两个台站发出的信号在空间覆盖范围内不可能完全“同时重合”，所以允许有“误差”，只要误差在“保护间隔”允许的范围内，即可同频播出，不会产生同频干扰。

2）“保护率”（欲收信号与干扰信号的场强差）大于接收要求的载噪比门限值，且欲收信号场强高于接收门限。换言之，远端来的信号足够小，即使不同步，也不足以干扰近端强信号，可认为已经自动同步。

从上述看出，单频网的两个条件目的是为了保证：在信号交叠区接收机可“正常解调接收”，而不是单纯为了“同步”。换言之，同步不是组成单频网的充分必要条件。

但目前单频网设计中普遍存在一种错误的认识，即认为单频网规划站距“只能小于或等于保护间隔”范围，如在PN945模式下，保护间隔125 μs，对应约37 km距离（1 μs电波传播300 m），则站距规划不能突破37 km。

正确的理解是，当“保护率”低于接收机要求的载噪比门限时，在“保护间隔”内可通过同步实现正常解调接收；当“保护率”高于接收机要求的载噪比门限时，即使未同步也能实现正常解调接收。参考欧洲DVB-T经验，在本台站附近3 km内，可以不考虑同步要求，所以允许的相邻台站最大站距至少可增加6 km，变为43 km。

在两站同等条件下，光滑平地地形，采用“奥春”模型[2-3]（Okamura-Hata）计算的保护间隔与保护率关系示意图如图1所示。

图1 保护间隔与保护率关系示意图

根据GB20600—2006定义的同步网参数，保护间隔对应的站间距离如表1所示。

表1 保护间隔与站间距离的关系

2 “大站距”单频/多频混合组网方案

通过对广电应用特点和单频网技术分析，可以得出下列结论：

1）地面数字无线覆盖平台需要按单频网规划。

2）大站距规划具有较高的性价比。

但实际应用中，仍需要解决两个主要问题：一是单频网设计不能完全满足实际使用要求，如当地节目如何插入？二是站点密度与建设成本密切相关，大站距有利于降低成本，但可否实现？

2.1 单频/多频混合组网

一般地面数字网络平台播出节目包括两部分，一是全网播出的节目，二是当地播出节目，当地节目只覆盖本区域，不能在其他地区收看。在完全单频网的情况下，可以采用各地区节目送到总前端，依靠条件接收系统（CAS）分区管理的方式限制其他地区收看，缺点是对节目分发传输要求高，且无线传输带宽浪费大。

一种可行的方案是，全网通用节目采用单频网设计和传输，而局部地区节目和当地节目用一个频道在当地采用多频网发射，参考系统原理图2。

图2 多频点单频/多频混合组网原理图

上述方案包括3个单频网频率，1个多频网频率，公用传输网络采用STM-1，3个DS3通道。每个台站发射4套频率，其中1个频率由于节目不同，采用不同频率播出。

上述方案全网理论上最多需要7套频率，既满足了网络服务需求，又最大限度地节省了频率。且标准化程度高，便于未来网络扩展。

2.2 大站距可行性分析

根据1.2节理论分析，在目前地面国标系统中，单频网允许的最大理论站间距离为43 km，实际使用中仍不能完全满足广电使用要求。

从1.2节的分析可以看出，如果“保护率”足够大，可以不考虑同步。在固定覆盖的典型参数下（PN945，64QAM，FEC0.6）调制参数下，根据国家地面数字电视频率规划标准[4]，成功解调所需要的载噪比如表2所示。一般认为“保护率”大于20 dB即可成功解调。

表2 地面数字电视频率规划标准中的载噪比门限

参照1.2分析方法，仍假设两站条件相同，发射高度120 m，光滑平地地形，站间距离为70 km时，场强交叠如图3所示。

图3 大站距下同步覆盖场强交叠示意图

从图3中可看出，在两站间距70 km的情况下，保护率低于20 dB的区域只有36 km，小于37 km范围，所以可实现同步。而在每个台站附近15 km左右的区域内，保护率已经大于20 dB，理论上不需要同步调整，视同同步，所以70 km站距理论上可行。

在实际使用中还需要考虑工程裕量，如距离减小到60 km，或发射天线下倾进一步控制单站覆盖范围，采用定向接收天线，利用天线的方向性增益进一步提高接收点的“保护率”等，以确保系统可在各种环境条件下稳定工作。

2.3 工程关键技术处理

实现“大站距单频组网”的关键技术在于“单站覆盖范围控制”，理想的单站覆盖范围如图4所示。如果在工程上不能有效控制天线覆盖范围，则不但大站距单频组网不能实现，而且空间辐射能量浪费大，系统性能降低。

图4 理想的单站覆盖要求示意图

控制覆盖范围最有效的解决办法是天线“大角度下倾”设计，如图5所示，图6为实际工程安装照片。

图5 天线大角度下倾设计示意图

天线大角度下倾设计技术，突破了原来常规模拟电视天线的设计思路，充分利用了数字电视覆盖的技术特点，下倾后的场强分布示意图如图7所示。天线大角度下倾设计带来的好处为：

1）覆盖范围可控，易于单频网覆盖调整，为扩大站距提供技术保证。

2）将辐射能量集中在有效的服务区，既增加了服务区的覆盖场强，又降低了无效辐射能量，覆盖概率和覆盖质量得到改善。

3 应用情况介绍

在某省地面无线网络的建设中，规划50套以上标清电视节目，一期建设要求覆盖区几个地市辖区，地形大部分为平原。发射站点以广电原有台站为主，发射相对高度在100～300 m左右，站距均在60 km以上。

图7 大角度下倾天线场强分布示意图

该系统覆盖范围广、建设难度大，在规划阶段围绕服务定位、频率规划、站点规划、建设成本等进行了多方面的论证、试验，最终确定大站距单频/多频混合组网方案。每个台站使用5个频点发射，其中4个频点采用单频网覆盖，传输省平台统一节目，一个频点采用多频网覆盖，传输当地县市节目。站间距离在60 km以上，通过控制天线场型和覆盖范围来满足同步。每个台站天馈共用、标准化配置。

系统于2011年中开通7个发射站点播出，取得了良好覆盖效果；既节省了频率和建设成本，又充分发挥了广电高山、高塔台站的优势，系统性价比高，极具推广价值。

4 结束语

“大站距”单频/多频混合组网方案，由于站点密度减小，又能充分继承和发挥目前广电台站的优势，网络建设成本大大降低，对未来广电系统无线地面数字电视平台的建设具有重要意义。

[1]GY/T236—2008，地面数字电视广播传输系统实施指南[S].2008.

[2]HATA M.Empirical formula for propagation loss in land mobile ra⁃dio services[J].IEEE Trans.Vehicular Technology，1980，29（3）：317-325.

[3]OKUMURA Y，OHMORI Y E，KAWANO T.Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile radio service[J].Review of the Electrical Communications Laboratory，1968，16：825-873.

[4]GY/T237—2008，VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则[S].2008.