635_Nosov_V.I._Optimizatsija_parametrov_setej__

Министерство информационных технологий и связи РФ Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

В.И. Носов

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕЙ НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

Новосибирск 2005 г.

1

621.396.43

Д.т.н., профессор Носов В.И.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕЙ НАЗЕМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО И ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

В монографии излагаются:

Анализ принципов планирования сетей телевизионного и звукового радиовещания;

Разработка математической модели и определение сетевых параметров для системы звукового радиовещания в диапазоне ОВЧ;

Методы частотного планирования сетей радиовещания. Новый подход к планированию сетей ТВ и ЗВ вещания;

Методы оптимизации параметров сетей радиовещания;

Экспериментальная проверка разработанных методов оптимизации сетей радиовещания.

Кафедра систем радиосвязи.

Рецензенты: профессор М.А. Быховский, профессор А.А Спектор

Для студентов телекоммуникационных вузов и специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией сетей наземного телевизионного и звукового радиовещания

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве монографии.

ССибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

2

1.3.1Используемая напряженность поля ……………………………….. 34

1.3.2Координационное расстояние ……………………………………... 35

1.3.3Коэффициент взаимного влияния …………………………………. 38

1.3.4Коэффициент использования передатчика ……………………….. 40

3.1.1Постановка задачи ………………………………………………….. 109

3.1.2Анализ задачи ………………………………………………………. 112

3.1.3Решение задачи ……………………………………………………... 114

3.1.4Результаты машинных экспериментов распределения частотных

4.1.1Построение машинной модели однородной сети ТВ вещания ….. 165

4.1.2Система анализа машинной модели ………………………………. 167 4.2 Выбор оптимальных технических параметров радиовещательных станций ……………………………………………………………………. 176

4.2.1Постановка задачи ………………………………………………….. 176

4.3.1Показатели эффективности построения сети радиовещания ……. 184

4.3.2Метод эквивалентных окружностей ………………………………. 187

4.3.3Статистический метод ……………………………………………... 188

4.3.4 Метод цифровой оценки …………………………………………… 190

4.4Использование нерегулярной цифровой модели местности для планирования сетей радиовещания ………………….............................. 192

4.5Разработка математических моделей и алгоритмов расчета напря-

женности поля ……………………………………………………………. 197

5.1.1Алгоритм распределения частотных каналов методом координа-

ционных колец ……………………………………………………………. 209

5.1.2Распределение частотных каналов в однородной сети регуляр-

ной структуры ……………………………………………………………. 212

5.1.3 Распределение частотных каналов в действующей сети ………… 213 5.1.4 Расчет технико-экономической эффективности частотного плана фрагмента ТВ сети ……………………………………………………….. 215

5.2 Исследование эвристических алгоритмов раскраски графов при планировании в группе ТВ станций …………………………………….. 217

5.2.1Планирование сети однопрограммного ТВ вещания …………….. 217

5.2.2Планирование сети двухпрограммного ТВ вещания (однород-

ная, регулярная сеть) ……………………………………………………... 217 5.2.3 Планирование сети двухпрограммного ТВ вещания (неоднород-

ная структура сети) ………………………………………………………. 218

5.2.4 Планирование сети трехпрограммного ТВ вещания (однородная сеть) ……………………………………………………………………….. 221

5.2.5 Планирование сети трехпрограммного ТВ вещания (неоднород-

5

ная сеть) …………………………………………………………………… 223

5.3 Автоматизированная система планирования сетей телевизионного вещания …………………………………………………………………… 226

5.3.1 Постановка задачи и исходные данные …………………………... 226 5.3.2 Система управления базой данных (СУБД) передатчиков ….. 228 5.4 Алгоритм системы анализа ЭМС и оптимального частотного планирования ……………………………………………………………... 232

Основные результаты пятого раздела …………………………………... 246 Список литературы к пятому разделу ………………………………….. 248

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………... 250

6

ВВЕДЕНИЕ

Многолетняя практика использования радиочастотного спектра показала целесообразность перспективного частотного планирования. Время от времени действующие частотные планы пересматриваются или составляются новые при введении нового диапазона частот. Например, в нашей стране в начале 80-х годов был пересмотрен частотный план сети телевизионного вещания, а в конце 80-х, в связи с переходом на стереофоническое радиовещание, пересматривался частотный план ОВЧ ЧМ сети.

Существующая практика планирования развития передающей сети радиовещания [1,2,3,5,6] , 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 и звуковым вещанием с заданным качеством и числом программ.

Далее выбираются основные параметры радиовещательных станций, которые обеспечивают требуемые размеры зон обслуживания. На последнем этапе решается задача частотного планирования, которая заключается в выборе частотных каналов, СНЧ и поляризации передающей антенны для каждой планируемой радиовещательной станции.

Каждый из указанных этапов задачи является по существу самостоятельной сложной и трудоемкой проблемой, эффективное решение которых возможно только при использовании формализованных процедуру ориентированных на применение ЭВМ. Такое решение первой проблемы предложено в [7,8]. В рамках данной работы предлагается рассмотреть решение второй проблемы, т.е. обеспечения ЭМС передающей сети радиовещания путем оптимального частотного планирования и оптимизации технических параметров с учетом рельефа местности при условии, что результаты решения первой задачи известны, и заданы как исходные данные.

Метод частотного планирования используется как средство решения проблемы ЭМС радиовещательных сетей и других систем радиосвязи, использующих совокупность территориально разнесенных радиопередающих средств. Как показывает анализ, в этом плане наиболее характерными являются два подхода к решению задачи. Ряд работ [9,10, 11,12,13] посвящен проблеме распределения частотных каналов в пределах их разрешенного множества на множестве передатчиков, цель которого является обеспечение минимального уровня помех данной совокупности передатчиков.

В других источниках [14,15,16,17,18] данная задача рассматривается с позиции минимизации используемого радиочастотного ресурса при обеспечении допустимого уровня помех. В [19] в рамках традиционного подхода минимизации ширины используемой полосы частот выделяется новый тип задачи присвоения минимального порядка. Порядком присвоения называется число час-

7

тотных каналов реально использованных при решении задачи частотного планирования в пределах выделенной полосы частот. Таким образом, задача присвоения минимального порядка на множество планируемых радиопередающих средств отыскивает такое распределение частотных каналов, которое использует минимум каналов из множества возможных. Отмечается, что решение задачи в такой постановке действительно обеспечивает эффективное использование частотного ресурса для группы радиосредств, которым выделена ограниченная полоса частот, а возможность возникновения помех определяет для них совокупность частотно-пространственных ограничений. Данные ограничения требуют, чтобы передатчики, использующие некоторые комбинации частотных каналов, были разнесены в пространстве на соответствующее этим комбинациям минимальное расстояние.

Существенное влияние на ЭМО в сети радиовещания оказывает среда распространения радиоволн, которая в диапазонах ОВЧ и УВЧ характеризуется рассеянием и отражением радиоволн в тропосфере и ионосфере, дифракцией на элементах рельефа местности.

В настоящее время существует необходимость в создании и использовании эффективных методов, учитывающих рельеф местности при расчете напряженности поля сигналов и помех, создаваемых передающими радиовещательными станциями. Широко используемый при планировании радиовещательных сетей метод МККР [20] являются приближенным. Так в [21] показано, что ошибка этого метода имеет нормальное распределение со стандартным отклонением 13,3 дБ.

Повышение точности расчетов напряженности поля возможно при учете рельефа местности путем создания в ЭВМ цифровой модели местности. В настоящее время известно несколько подходов к данной проблеме. В [22] рассматривались вопросы использования цифровой модели местности совместно с рекомендациями МККР, при этом средняя ошибка составила 10 дБ. В [23] предлагаются методы построения профилей трасс распространения на основе топографической информации. В [24] рассмотрен ряд требований к цифровой модели местности, проанализированы ошибки некоторых моделей, использующих геометрическую теорию дифракции и цифровую модель местности. Здесь также отмечается, что наибольшее распространение получила матричная форма представления рельефа с шагом прямоугольной сетки 100,250 и 500 м. Однако, такая форма представления требует больших затрат при вводе, хранении и обработке топографической информации в ЭВМ.

Учитывая конечную точность построений изолиний на топографических картах различного масштаба, а также и конечную точность определения напряженности поля по различным методикам имеет смысл определить приемлемую точность построения профиля трассы распространения и необходимый при этом шаг сетки для снятия высотных отметок с топографической карты.

В [25,26,27] отмечается, что задачи частотного планирования моделируются в основном как задачи оптимизации в следующей постановке. Для заданной совокупности радиопередающих средств, которым необходимо присвоить частотный канал, найти присвоение, удовлетворяющее различным ограничени-

8

ям и минимизирующее заданную целевую функцию, которая характеризует качество работы данной группы радиосредств с учетом их ЭМС.

Наиболее широко известны методы частотного планирования передающей сети радиовещания, основанные на применении модели с регулярным расположением передающих станций и регулярным распределением каналов. Данный подход во всех его модификациях [3,14,28,29,30] предполагает, что: все радиовещательные станции идентичны с точки зрения их параметров; каждая передающая станция находится в узле безграничной, регулярной треугольной сетки и другие размещения не допускаются; все они в равных условиях по количеству и уровню помех, одно и то же множество частотных каналов регулярно используется по всей решетке. В [14] указывается, что такие допущения позволяют эффективно использовать данные методы при разработке частотных планов при условии, что практически отсутствует действующая сеть и еѐ ограничениями на использование каналов с точки зрения ЭМС можно пренебречь. Идеализация важнейших факторов ограничивает в настоящее время применение регулярных решеток для реального частотного планирования, но в тоже время, в силу простоты модели они остаются довольно эффективным инструментом при решении теоретических задач различной направленности

[3,30,31,32].

Трудности, связанные с использованием регулярных решеток, потребовали разработки иных подходов, которые учитывают реальные условия решения задачи. В [9] для заданной совокупности ТВ станций решается задача определения частотного канала , СНЧ и поляризации передающей антенны, которые обеспечивают минимальный уровень помех для каждой из них от действующих и тех планируемых ТВ станций, которым частотное присвоение осуществлено ранее. Критерием оптимальности является максимальный размер зоны обслуживания планируемой станции. Решение осуществляется методом полного перебора всех возможных вариантов. Выбор искомых параметров происходит последовательно для каждой ТВ станции, причем принцип их очередности не формализуется. Развитие такого подхода к планированию радиовещательной сети предлагается в [33], где вводится дополнительное условие допустимости решения путем ограничения на помехи действующим станциям со стороны планируемых ствнций. Предлагается также упорядочивать множество планируемых передающих станций по уменьшению мощности передатчика.

Общим недостатком в обоих решениях является игнорирование при частотном присвоении очередной радиовещательной станции других планируемых, которым частотный канал еще не присвоен. Данное обстоятельство приводит к неоптимальному решению задачи с точки зрения группы передающих станций в целом.

В ряде работ по проблеме назначения частотных каналов указанный фактор учитывают путем применения определенных правил для упорядочения множества радиопередающих средств перед процессом выбора искомых параметров [10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 34]. При этом реализуется принцип "худшему передатчику частотный канал присваивается в первую очередь". Это означает,

9

что приоритет отдается той радиопередающей станции, которая находится в более сложных, с точки зрения ЭМС с другими радиосредствами, условиях.

Внекоторых работах [14, 18, 27, 36,] задачу решают такими присвоениями, которые минимизируют используемое число частотных каналов и обеспечивают допустимый уровень помех в сети. В [27] развивается теория, обосновывающая связь задачи частотного планирования радиовещательной сети с известной задачей минимальной раскраски графа, что позволяет использовать методы ее решения при назначении частотных каналов с целью минимизации их числа. Отмечается, что задача минимальной раскраски графа относится к классу NР–трудных, и вряд ли существует решение, реализующее оптимальную раскраску за число шагов, полиномиально зависящее от числа вершин. Поэтому предлагается использовать методы, дающие за реальное время решение, приближенное к оптимальному.

В[14,18] сеть радиовещания моделируется в виде графа, множество вершин которого однозначно соответствует множеству передающих станций. Ребрами соединяются те вершины, соответствующие станции которых могут создавать в зонах обслуживания друг друга недопустимые помехи. Множество выделенных для назначения частотных каналов представляется в виде совокупности цветов. Метод заключается в том, что на основе расчета потенциальных конфликтов с точки зрения ЭМС формируется граф радиовещательной сети, например, в виде матрицы смежности, а затем, используя тот или иной алгоритм раскраски, данный граф квазиоптимально раскрашивается.

В[14] предлагается использовать приближенный алгоритм, который основан на упорядочении множества цветов по возрастанию их номеров и окрашивании последовательно в каждый цвет множества вершин, упорядоченных по мере убывания их степеней. Наличие уже раскрашенных вершин предлагается рассматривать с точки зрения дополнительных ограничений на использование в процессе раскраски определенных цветов. Таким образом, проблема частотного планирования передающей сети вещания может быть решена путем использования процедур минимального окрашивания вершин графа.

Из проведенного анализа, однако, следует, что предлагаемые решения не позволяют получить оптимальный результат по следующим причинам. Общим недостатком в известных решениях является игнорирование при частотном присвоении очередной станции других планируемых, которым частотный канал еще не присвоен. Данное обстоятельство приводит к неоптимальному решению задачи с точки зрения группы радиовещательных станций и сети в целом.

Практически отсутствуют показатели эффективности, как для отдельных радиовещательных станций, так и для сети в целом, что не позволяет решать проблему оптимизации технических параметров и частотных планов. Кроме того, приближенные алгоритмы раскрашивания графа разработаны в основном для подвижной радиосвязи. А так как граф сети радиовещания имеет специфическую структуру, то решения предложенные для других радиослужб в общем не приемлемы для рассматриваемой проблемы. Помимо этого, отсутствуют исследования по применению таких эффективных способов улучшения электро-

10