移動多媒體廣播業務S波段電波傳播模型比較

夏治平 董 雷 胡 軍 鄒 峰

(1.國家廣電總局廣播科學研究院，北京 100866； 2.北京華信利德信息技術有限公司，北京 100097)

1. 引 言

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中國移動多媒體廣播)[1]是國家廣電總局推出的新媒體業務，用戶可以通過手持終端接收實時音視頻和數據業務。目前，全國320個大中城市已經開通了CMMB業務。已開通的CMMB業務都是在UHF(Ultra High Frequency,特高頻)頻段470～798 MHz播出的。

在CMMB總體技術架構中，還預留了S波段大功率衛星與地面補點相結合覆蓋全國的方式[2]。相對于UHF頻段，S波段的CMMB系統具有覆蓋面廣、覆蓋成本低、城市間漫游無需頻道切換等優勢。根據國際衛星頻率協調的結果，S波段CMMB將在2635～2660 MHz開展業務。隨著CMMB S波段網絡的即將部署，廣電技術部門啟動了關于S波段電波傳播模型的理論研究，并進行了一系列的S波段信號傳播試驗。

目前，可應用于S波段或準S波段的主流電波傳播模型包括：國際電信聯盟建議書P.1546(下稱1546)模型[3]、國際電信聯盟建議書P.526(下稱526)模型[4]、SUI(Stanford University Interim， 斯

坦福大學過渡)模型[5]和COST-231(European Cooperation in Science and Technology-231歐盟科技合作第231工作組) Hata模型[6]。1546模型是經公式修正的基于實測傳播曲線的經驗模型[7]；526模型是經實測數據修正的基于刃峰繞射理論的半確定性模型[8]；SUI模型最初是斯坦福大學為美國2.5～2.7 GHz頻段MMDS(Multichannel Microwave Distribution System，多路微波分配系統)設計的傳播模型；COST-231 Hata模型是COST-231在Hata模型[9]基礎上進行頻率適用范圍擴展修正得到的模型。盡管上述模型理論均已發展成熟，但是關于如何將它們應用于CMMB信號傳播的研討尚未見公開報道。

在為傳統無線廣播電視系統選擇電波傳播模型的研究成果[10-11]基礎上，本文提出了一種用于S波段CMMB信號覆蓋測試和數據分析的方法，用于比較確定上述四種傳播模型中，哪些模型更適用于CMMB信號的覆蓋預測。通過這種方法，在各種地形條件和傳播場景中都可以選出預測精度相對最高的電波傳播模型，從而為CMMB系統的S波段組網規劃提供依據。

2.試驗介紹

2008年4月，國家廣電總局廣播科學研究院的項目組在福州市東南郊馬尾區104國道沿線進行了CMMB S波段組網覆蓋的試驗。福州試驗搭建了CMMB系統的首個S波段試驗網。

試驗地點位于當地鼓山和閩江間的狹長區域，既屬丘陵平原結合部，又屬城鄉結合部，國道兩側的建筑物以民居和工業用房為主，高度一般不超過15 m。經實地勘察和施工，在104國道沿線直線相距3 km的龍門和胐頭兩地分別建立發射站點，組成了一個有部分交疊覆蓋區的小型同頻覆蓋網。發射頻率為2647.5 MHz，極化方式為垂直極化。發射端參數參見表1。

表1 發射端參數

接收和測試系統包括測試車、接收天線、路測儀和頻譜儀。測試路線為104國道龍門和朏頭沿線路段，全程長約6 km。測試車為別克商務車，車上配備有不間斷電源。行車速度保持在50 km/h左右。接收天線安裝在車頂，增益為2 dBi，距地面高度約為2 m。路測儀選用了日本芝測公司的TX701型，每秒鐘采集一次測試點經緯度信息以及信號的電平、信噪比、RS(Reed-Solomon,里德—所羅門編碼)誤塊率等指標，并自動生成數據文件。后續工作中所需要的實測數據即取自于路測儀數據文件中的電平測量值。為了保證測試的準確性，路測儀的電平測量值經過了頻譜儀的校準。

3.數據分析過程

3.1 預測數據的計算

預測數據的計算過程在法國ATDI 公司的頻率規劃軟件ICS Telecom平臺上完成。地理信息數據使用了20 m采樣精度的福州地區三維電子地圖，包括地形高度、地表覆蓋物和矢量線條共三個圖層。

在作預測計算時，按照實際試驗的發射和接收鏈路參數在軟件中進行設置，并根據CMMB終端標準[12]建議的方法推導出信號覆蓋的閾值為54 dBμV/m(折合-91 dBm)。

由于ICS Telecom軟件中已經集成了參與性能比較的全部四種電波傳播模型模塊，只需依次選擇模型及相應參數，就可以預測出各模型的覆蓋效果。限于篇幅，只給出以526模型計算的預測覆蓋效果圖，如圖1(看202頁)所示，兩個綠色小方塊代表發射點，彩色區域為預測覆蓋區。

3.2 實測數據的篩選

路測儀自動記錄的數據文件不能直接用于數據比對。需按照一定的原則，刪除欠準確的、冗余的實測數據。

本次試驗中，不準確的數據一般來自于對弱信號的測量。如果測試電平值低于路測儀設備的底噪，該數據將不予采信。數據篩選時只選取了 -91 dBm以上的實測數據。

冗余數據一般來源于測試時的停車，停車會導致數據重復記錄。數據篩選時只選取了測試車時速超過10 km/h的實測數據，去掉了測試車停車、起步時的數據。

經過兩步的篩選，為了保證測試點在地圖軟件上的演示效果，需按照3選1的比率繼續過濾掉部分數據。最終保留的有效測試點數量為160個。

上述數據篩選工作可用Excel軟件或編程實現。

3.3 實測數據的導入

把篩選所得實測數據按照ICS Telecom軟件要求的格式導入，軟件會把同一測試點的預測值和實測值自動對應起來，生成預測和實測數據比較曲線，如圖2，黃色曲線為實測數據曲線，綠色曲線為526模型預測數據曲線，通過兩條曲線的吻合程度可以直觀地比較兩組數據的異同。

圖2 預測和實測比較曲線

3.4 預測和實測數據的比較

得到實測值Emi和預測值Epi之后，用數據統計方法對各傳播模型的預測誤差進行比較。數據統計選取預測誤差i為樣本，分析樣本的平均值和標準差。其中，i定義為實測值Emi與預測值Epi之差，i=Emi-Epi，單位dB.

樣本平均值：樣本中各數據的平均數。計算公式如下

(1)

式中，n為采樣數。

樣本標準差：樣本中各數據與樣本平均數的差的平方的平均數叫做樣本方差，樣本方差的算術平方根叫做樣本標準差。樣本標準差反映的是數據集的離散程度。計算公式如下

(2)

式中，n為采樣數。

數據樣本分析結果參見表2。

表2 數據樣本分析結果

顯然，526模型的樣本平均值的絕對值明顯小于另外三種傳播模型，可見其預測數據最接近于實測數據，預測精度最高。為了更清楚地說明問題，圖3(看202頁)～圖6(看202頁)以不同顏色測試點的形式，把四種傳播模型的誤差值在MapInfo地圖軟件平臺上分別表示出來。

由圖3可以看出，526模型的誤差值集中分布在(-6，6]區間范圍內；1546模型的誤差值大量分布在(-6，6]、(6，12]兩個區間內，少量分布在(18，23]區間，如圖4所示；而在圖5和圖6中，Cost-231 Hata模型、SUI模型的誤差值主要分布在(12，18]、(18，33]兩個區間內。

3.5 結果分析

根據各模型誤差樣本值分布的對比結果，526模型的預測誤差在±1 dB以內，獲得了令人滿意的預測精度。由于頻率規劃軟件和電子地圖技術的發展，地形數據的導入變得很容易。高精度的地圖數據，加上復雜的地形較大限度地發揮了以526模型為代表的繞射模型的優勢。

1546模型存在一定的預測誤差。原因在于，雖然該模型有針對近距離障礙物衰減影響的地形凈空角等修正選項，但是障礙物較多時其修正能力不足。另外，1546模型的適用范圍下限為1 km，1 km以內的預測值只能依靠線性外推，而福州試驗跨度僅數公里，1 km以內的測試點占有相當比重，影響了該模型的整體表現。

Cost-231 Hata模型和SUI模型的預測誤差在本次模型比較工作中相對較大。Cost-231 Hata模型的頻率適用上限僅為2 GHz，雖然DVB(Digital Video Broadcasting，數字視頻廣播)組織將該模型應用于2.2 GHz頻段系統獲得了較好的效果[13]，但是福州試驗結果表明，2.6 GHz超出了該模型頻率適用范圍向上延伸的合理限度。

SUI模型的特點是算法簡單，將全部地形地貌簡單地分為城市、郊區、農村三類。而福州試驗所處地形界線模糊，地貌分類復雜。試驗結果表明：在此類復合地形地貌中，該模型預測效果不佳。

4.結 論

在參與比較的四種S波段電波傳播模型當中，以福州試驗采集的實測數據作基準，526模型的預測精度是最高的。

通過這種將實測數據和預測數據導入到頻率規劃軟件平臺進行傳播模型比較的方法，可以得出類似地形和傳播場景下預測精度最高的一種模型，從而為CMMB系統的S波段組網規劃提供依據。

電波傳播試驗受主客觀因素的影響比較大，地形、傳播場景、測試方法的變化都有可能引起模型比較結論的差異。后續試驗過程中將進一步加強對S波段電波傳播理論的研究，繼續完善這一電波傳播模型比較方法。

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