基于天線下傾角度調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

周 勇，倪 林，王 斌

(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620;2.上海東方明珠廣播電視研究發(fā)展有限公司，上海200120)

單頻網(wǎng)是地面數(shù)字電視無線覆蓋中提升有效覆蓋率的重要手段，單頻網(wǎng)具有頻譜利用率高、覆蓋面積廣、各發(fā)射點(diǎn)發(fā)射功率小以及組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)點(diǎn)。然而單頻網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)同步具有嚴(yán)格要求，特別是當(dāng)各個(gè)發(fā)射點(diǎn)間距大于保護(hù)間隔對應(yīng)距離時(shí)，覆蓋重疊區(qū)域容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)干擾，給單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來挑戰(zhàn)。

單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化通常使用調(diào)整各發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射功率和發(fā)射時(shí)延來消除覆蓋重疊干擾區(qū)，但是在實(shí)際復(fù)雜的組網(wǎng)環(huán)境下，特別是當(dāng)單頻網(wǎng)中存在遠(yuǎn)超保護(hù)間隔的高發(fā)射天線、高發(fā)射功率的臺(tái)站時(shí)，采用時(shí)延調(diào)整的方法有可能在完成優(yōu)化一部分重疊區(qū)時(shí)，使另一些原本接收良好的區(qū)域產(chǎn)生新的干擾，因此不能完全消除重疊區(qū)的干擾現(xiàn)象;采用功率調(diào)整的方法在消除覆蓋重疊區(qū)干擾的同時(shí)，也付出了縮小有效覆蓋面積的代價(jià)。因此需要通過調(diào)整天線賦形或天線下傾角度等方法來改變重疊區(qū)域的大小，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。本文即運(yùn)用調(diào)節(jié)天線下傾角的方法來解決上海地區(qū)CMMB遠(yuǎn)距離發(fā)射點(diǎn)存在的干擾問題。

1 常規(guī)調(diào)整方案研究

在對上海地區(qū)CMMB單頻網(wǎng)進(jìn)行常規(guī)路測時(shí)，發(fā)現(xiàn)長寧區(qū)天山路威寧路到中環(huán)路、外環(huán)靠近虹橋機(jī)場東側(cè)、滬青平公路靠近虹橋機(jī)場南側(cè)等范圍存在干擾現(xiàn)象，發(fā)射點(diǎn)位置和干擾區(qū)域如圖1所示。

圖1 干擾地區(qū)示意圖

根據(jù)測試結(jié)果，可以判斷這些區(qū)域的接收失敗情況是由發(fā)射點(diǎn)間的多徑干擾所造成。再結(jié)合理論計(jì)算各相關(guān)發(fā)射點(diǎn)的實(shí)際距離和CMMB的保護(hù)間隔51.2μs(15 km)，確定上述干擾區(qū)均為青浦發(fā)射點(diǎn)和東方明珠發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的同頻干擾。

1.1 調(diào)節(jié)發(fā)射點(diǎn)時(shí)間延遲

調(diào)節(jié)發(fā)射時(shí)延的目的是將多徑信號(hào)超保護(hù)間隔區(qū)盡可能調(diào)整到非覆蓋重疊區(qū)域，以消除干擾，根據(jù)中廣傳播相關(guān)文件要求，CMMB系統(tǒng)移動(dòng)接收最小載噪比要求大于8 dB。因此需要使用Okumura-Hata傳播模型［1］來預(yù)測覆蓋重疊區(qū)和場強(qiáng)比小于8 dB區(qū)域。Okumura-Hata傳播模型的基本公式為

式中:f為工作頻率;hb為基站天線有效高度，單位為m;hm為移動(dòng)臺(tái)天線高度，單位為m;α(hm)為移動(dòng)臺(tái)高度因子修正項(xiàng);d為傳播距離，單位為km;C為地物校正因子。

青浦和東方明珠兩發(fā)射點(diǎn)間距36 km，發(fā)射功率均為1 000 W，根據(jù)青浦和東方明珠的位置分別選擇郊區(qū)和市區(qū)傳播模型，考慮發(fā)射天線高度、天線增益、饋線損耗等，結(jié)合中廣建議的移動(dòng)接收門限-70 dBm和CMMB保護(hù)率8 dB，可得理論計(jì)算的干擾電平門限為-78 dBm，考慮上海地區(qū)的實(shí)際覆蓋環(huán)境，代入Hata公式，計(jì)算獲得青浦和東方明珠的有效覆蓋范圍分別為28 km和40 km。

將傳播模型的公式化簡，測試點(diǎn)接收到兩站臺(tái)的覆蓋場強(qiáng)分別為

式中:P1，P2分別為測試點(diǎn)到青浦和東方明珠的功率;d1，d2分別為測試點(diǎn)到青浦和東方明珠的距離;系數(shù)A1，A2與天線高度、發(fā)射功率、天線增益和傳播模型有關(guān);B1，B2與天線高度有關(guān)。天線高度越高，發(fā)射功率越大，增益越大，則系數(shù)A，B也越大。

代入實(shí)際參數(shù)得出的功率比公式為

按功率比P1/P2=8 dB和P2/P1=8 dB的保護(hù)率及51.2μs的保護(hù)間隔，再根據(jù)青浦發(fā)射點(diǎn)當(dāng)前70μs的延時(shí)可模擬出覆蓋平面圖如圖2所示。

圖2 青浦時(shí)延70μs的覆蓋模擬圖

圖2 中坐標(biāo)(-18，0)和(18，0)分別示意青浦和東方明珠發(fā)射點(diǎn)的位置，如圖中黑點(diǎn)所示，兩發(fā)射點(diǎn)間距為36 km。曲線①為青浦滯后東方明珠70μs的51.2μs等延遲線，曲線右側(cè)為兩發(fā)射點(diǎn)超保護(hù)間隔區(qū);曲線②為8 dB等場強(qiáng)比線，曲線②之外為場強(qiáng)比小于8 dB區(qū)，左側(cè)曲線②內(nèi)表示青浦發(fā)射點(diǎn)功率大于東方明珠8 dB，右側(cè)則反之;曲線③為兩站臺(tái)干擾電平范圍邊界線，它們的交疊區(qū)為覆蓋重疊區(qū)。場強(qiáng)比小于8 dB且在保護(hù)間隔之外的重疊區(qū)即為覆蓋干擾區(qū)［2-3］，如圖中陰影部分所示，可以計(jì)算該區(qū)域離左側(cè)青浦站臺(tái)最近約15 km，最遠(yuǎn)約26 km，與實(shí)際干擾情況相符。若減小青浦站臺(tái)的時(shí)間延遲，覆蓋干擾區(qū)將會(huì)變化，模擬的時(shí)延調(diào)整覆蓋效果平面圖如圖3所示。

圖3 青浦時(shí)延10μs的模擬圖

圖3 中，左邊站臺(tái)延遲了10μs，陰影部分仍然代表覆蓋干擾區(qū)。曲線①左側(cè)代表青浦超前東方明珠，曲線①左邊為超保護(hù)間隔區(qū)域;曲線①右側(cè)代表東方明珠超前青浦，曲線①右邊為超保護(hù)間隔區(qū)域，可以看到干擾區(qū)域開始向靠近青浦發(fā)射臺(tái)的區(qū)域移動(dòng)。因此無論如何調(diào)節(jié)時(shí)間延遲都不能完全消除干擾。另一方面，青浦站臺(tái)與其北面的嘉定和南邊的松江站臺(tái)均構(gòu)成單頻網(wǎng)，一旦青浦發(fā)射臺(tái)延時(shí)改變，單頻網(wǎng)內(nèi)其他相關(guān)發(fā)射點(diǎn)的時(shí)延也需要做相應(yīng)的調(diào)整，無疑增加了調(diào)網(wǎng)的復(fù)雜程度和工作量。

1.2 調(diào)節(jié)發(fā)射點(diǎn)功率

調(diào)節(jié)發(fā)射功率也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化常用方法，通過改變發(fā)射功率來改變覆蓋重疊區(qū)位置，從而間接消除干擾區(qū)。這里嘗試通過調(diào)整青浦發(fā)射點(diǎn)的有效發(fā)射功率，來規(guī)避超保護(hù)間隔區(qū)域的同頻干擾。結(jié)合圖2的覆蓋干擾區(qū)域分布圖，在保證東方明珠覆蓋不變的情況下，至少需要將青浦發(fā)射點(diǎn)的有效覆蓋范圍調(diào)整到15 km以內(nèi)。經(jīng)過實(shí)測，分別比較了青浦發(fā)射點(diǎn)情況，發(fā)射功率下降3 dB，即500 W;發(fā)射功率下降7 dB，即200 W;發(fā)射功率下降10 dB，即100 W。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有在青浦開100 W發(fā)射功率的條件下才能夠保證干擾路段的整體接收順暢。分析理論計(jì)算干擾區(qū)域的結(jié)果和實(shí)地場測的數(shù)據(jù)，干擾區(qū)域出現(xiàn)的位置主要集中在青浦發(fā)射點(diǎn)的東邊，調(diào)低青浦發(fā)射功率，雖然解決了東邊部分路段的干擾問題，但該發(fā)射點(diǎn)對其他3個(gè)方向的覆蓋增益也將被削弱，特別是減小了對西邊東方明珠覆蓋薄弱區(qū)域的補(bǔ)點(diǎn)效果，極大地削弱了青浦發(fā)射點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)。因此發(fā)射功率的調(diào)節(jié)適用于低塔小面積覆蓋的情況，不適用于高塔。

2 下傾角角度調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

調(diào)整時(shí)延和降低發(fā)射功率的方法在一定條件下都會(huì)存在一些弊端，特別是針對上文所述的青浦發(fā)射點(diǎn)案例，在對現(xiàn)有干擾區(qū)域優(yōu)化的情況下會(huì)對其他區(qū)域造成影響，考慮到廣播電視發(fā)射塔通常具有一定的高度，因此可以采用改變天線下傾角度［4］的方法縮小單點(diǎn)單面的覆蓋范圍。下傾角度調(diào)整包括機(jī)械下傾和電氣下傾。電氣下傾角的調(diào)整是利用分支電纜長度的改變，控制各個(gè)平板天線的相位，獲得下傾角度的調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是相位無法連續(xù)可調(diào)，一旦理論和實(shí)際測試效果不一致時(shí)，無法繼續(xù)調(diào)節(jié)。本文主要介紹機(jī)械下傾的調(diào)整方法。

在調(diào)整天線下傾角時(shí)，必須考慮的因素包括:天線高度，方位角，垂直第一副瓣角和期望的覆蓋半徑等參數(shù)。當(dāng)天線傾角為0°時(shí)，天線主瓣沿著水平方向輻射，當(dāng)天線下傾時(shí)，主瓣邊際方向?qū)⒆罱K與地面交于一點(diǎn)。考慮到天線的垂直賦形存在零點(diǎn)，反映在覆蓋效果上就是零點(diǎn)輻射環(huán)帶，一般主瓣和其相鄰的第一個(gè)旁瓣間的零點(diǎn)稱為第一零點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的零輻射環(huán)帶會(huì)有明顯的場強(qiáng)下降現(xiàn)象。第二零點(diǎn)以后距離發(fā)射點(diǎn)距離更近，一般不予考慮。因此在調(diào)整天線下傾角時(shí)，需要將第一旁瓣對準(zhǔn)需要覆蓋的區(qū)域，而非傳統(tǒng)意義上的主波束，這樣可以有效地將覆蓋半徑控制到要求的范圍內(nèi)。

保證現(xiàn)有青浦發(fā)射點(diǎn)的延遲不變，超保護(hù)間隔干擾區(qū)主要集中在距青浦15 km以東區(qū)域，如圖2所示。因此只要減少青浦發(fā)射點(diǎn)與東方明珠發(fā)射點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)的覆蓋重疊，即可消除干擾，而青浦目前采用的是六層四面平板天線，可以考慮調(diào)整東面六層平板天線的機(jī)械下傾角，來有效抑制該方向上的覆蓋能力。青浦發(fā)射點(diǎn)的天線參數(shù)為:天線高度150 m;天線機(jī)械下傾角為0°。垂直面方向圖如圖4所示。

圖4 青浦發(fā)射點(diǎn)天線垂直面方向圖

基于前文所述降低青浦發(fā)射點(diǎn)功率，需要將其發(fā)射功率降10 dB，即從初始發(fā)射功率1 000 W調(diào)節(jié)到100 W才能夠基本解決實(shí)際干擾的問題，參考天線的垂直賦形圖，如圖4中所示，天線的垂直面副瓣比主瓣小10 dB，之間的角度為3.5°，因此只要將它指向?yàn)榍懊嫠銮嗥指采w干擾臨界處即15 km處區(qū)域。

調(diào)整天線下傾角示意圖如圖5所示。

圖5 調(diào)整天線下傾角示意圖

已知青浦塔高H=150 m，發(fā)射天線初始電氣下傾角為1°，機(jī)械下傾角為0°，此時(shí)相對的小10 dB的天線副瓣垂直方向仰角為α=3.5°，根據(jù)需要將距離青浦發(fā)射點(diǎn)L=15 km區(qū)域的覆蓋場強(qiáng)降低10 dB，如圖5所示。計(jì)算可得，調(diào)整到的目標(biāo)下傾角數(shù)值

角度調(diào)整差值

因此只需要在目前的基礎(chǔ)上將青浦發(fā)射天線的機(jī)械下傾角下調(diào)4.05°，即可保證青浦發(fā)射點(diǎn)對距離15 km以外地點(diǎn)有效降低覆蓋場強(qiáng)10 dB以上，基本解決15 km外的干擾問題。由于青浦西邊沒有其他發(fā)射點(diǎn)，其主要靠青浦發(fā)射點(diǎn)來覆蓋，因此這樣既消除了對東邊區(qū)域的干擾，又不會(huì)減少對西邊區(qū)域的覆蓋增益。

3 總結(jié)

本文分析了優(yōu)化單頻網(wǎng)的3種方法，其中時(shí)延調(diào)整的方法更適用于發(fā)射點(diǎn)數(shù)量較少的簡易單頻網(wǎng)中，在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射點(diǎn)相互關(guān)系復(fù)雜，時(shí)延調(diào)節(jié)范圍有限。發(fā)射功率調(diào)整需要配合實(shí)際場地測試，在完成消除覆蓋干擾區(qū)的同時(shí)，也付出了覆蓋半徑縮小的代價(jià)。在以上兩種調(diào)整方法均無法獲得的條件下，還可以使用天線下傾角調(diào)整法，通過對某幾個(gè)方向天線的下傾角的調(diào)節(jié)，來針對性地降低指定區(qū)域的覆蓋增益，從而在保證覆蓋時(shí)延和發(fā)射功率不變的前提下，有效縮小覆蓋重疊區(qū)，實(shí)現(xiàn)消除網(wǎng)絡(luò)干擾。

［1］THEODORE S R.無線通信原理與應(yīng)用［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社.2006.

［2］蔡新國.地面數(shù)字電視同頻干擾的研究［J］.電視技術(shù)，2009，33(10):92-95.

［3］崔競飛，張國庭，萬倩.單頻網(wǎng)重疊區(qū)域覆蓋特性的研究［J］.廣播電視信息，2008(8):71-74.

［4］宋書詳.基站天線的下傾角研究及工具開發(fā)［J］.山東通信技術(shù)，2007(4):39-41.