Исследование методик оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций на основе геоинформационной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Бактеев, Владимир Николаевич

• Бактеев, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бактеев, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Цель работы и задачи исследований

Методы исследования

Научная новизна результатов работы

Практическая ценность результатов

Апробация работы

Основные положения работы, выносимые на защиту

Структура и объем работы

Краткое содержание работы

Публикации

1 ОСНОВЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ НАЗЕМНОГО ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ

1.1 Технические основы планирования сетей телерадиовещания

1.2 Системы наземного цифрового телерадиовещания

1.2.1 OFDM сигнал

1.2.2 Система DVB-T

1.2.3 Требования к качеству приема сигналов DVB-T в зоне обслуживания

Выводы по главе

2 РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ С УЧЁТОМ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

2.1 Основы расчёта напряжённости поля

2.2 Расчет множителя ослабления

2.2.1 Профиль интервала

2.2.2 Расчет множителя ослабления на открытых интервалах

2.2.3 Расчет множителя ослабления на полузакрытых и закрытых интервалах

2.3 Методика сравнения технических параметров передающих станций аналогового и цифрового вещания

2.3.1 Определение параметров регулярных сетей телевизионного вещания

2.3.2 Определение радиуса зоны вещания передающей станции при цифровом вещании

Выводы по главе

3 ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ СТАНЦИЙ ПРИ УЧЁТЕ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

3.1 Определение ограничений и критериев оптимизации РТПС без учёта рельефа местности

3.2 Определение ограничений и критериев оптимизации с учётом рельефа местности

3.3 Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции

3.4 Оптимизация эталонных одночастотных сетей

3.4.1 Эталонные одночастотные сети

3.4.2 Определение оптимальных параметров эталонной одночастотной сети

3.4.3 Обеспечение зоны одночастотной эталонной сети одним мощным передатчиком

3.5 Оптимизация технических параметров группы радиовещательных станций градиентным методом

3.5.1 Постановка задачи

3.5.2 Градиентный метод оптимизации

3.5.3 Оптимизация высот подвеса антенн градиентным методом 105 Выводы по главе

4 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА «ИНТЕРГРАЦИЯ» ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ ТЕЛЕРАДИОВЕЩА

4.1 Общее описание автоматизированной системы «Интеграция»

4.2 Возможности автоматизированной системы

4.2.1 Зона обслуживания передающей станции

4.2.2 Затенённые области зоны обслуживания передающей станции

4.3 Применяемые методы оптимизации станции

4.3.1 Выбор оптимального положения

4.3.2 Оптимальная высота подвеса антенны станции

4.3.3 Оптимизация с использованием градиентного метода

4.4 Работа с программой

4.4.1 Главный интерфейс

4.4.1.1 Область ГИС

4.4.1.2 Установка нового передатчика на карте

4.4.1.3 Входные параметры передатчика

4.4.1.4 Расчёт зоны обслуживания передающей станции

4.4.1.5 Строка состояния

4.4.1.6 Контекстное меню области ГИС

4.4.2 Просмотр подробных результатов расчёта

4.4.3 Выбор оптимального местоположения станции

4.4.4 Выбор оптимальной высоты подвеса антенны станции

4.4.5 Оптимизация параметров сети планируемых станций градиентным методом

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование методик оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций на основе геоинформационной системы»

Актуальность темы

Существующая практика планирования развития передающей сети радиовещания [ 1, 2, 3, 4, 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 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.

Данные проблемы нашли отражение в работах Arno G., Heil W., Jensen Т. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского M.A., Дотолева В.Г., Шура A.A., Зубарева Ю.Б., Гитлица М.В., Носова В.И., Зеленина А.Ю., Тигина JI.B.

Каждый из указанных этапов задачи является по существу самостоятельной сложной и трудоемкой проблемой, эффективное решение которых возможно только при использовании формализованных процедур, ориентированных на применение ЭВМ. Такое решение первой проблемы предложено в [7,8].

При планировании сетей телевизионного наземного вещания, при строительстве новых или реконструкции действующих передающих станций возникает задача определения их оптимального местоположения и технических характеристик. Особенную важность данная задача приобретает при переходе на цифровое телевизионное и звуковое наземное вещание. Для определения оптимального местоположения станций необходимо производить расчёт напряжённостей полей сигналов и помех с учётом профилей интервалов, построенных в направлении от местоположения станции до границы зоны вещания.

Решение задачи оптимизации местоположения РТПС посредством расчета зон обслуживания и зон теней вещательных передатчиков возможно только путём разработки автоматизированной системы на основе геоинформационной системы. При разработке данной проблемы автор опирался на работы Шура A.A., Носова В.И.

В настоящее время известно несколько подходов к данной проблеме. В [9] рассматривались вопросы использования цифровой модели местности совместно с рекомендациями МККР, при этом средняя ошибка составила 10 дБ. В [10] предлагаются методы построения профилей интервалов распространения на основе топографической информации. В [11] рассмотрен ряд требований к цифровой модели местности, проанализированы ошибки некоторых моделей, использующих геометрическую теорию дифракции и цифровую модель местности.

В настоящее время почти отсутствуют исследования, посвященные влиянию рельефа местности на эффективность использования технических параметров радиовещательных станций и выделенного частотного ресурса.

В рекомендациях МСЭ-Р [12, 13] и проекте ГОСТ [14] по сетям телерадиовещания, использование рельефа местности ограничивается расчётом эффективной высоты передающей антенны в 36 направлениях от передающей станции к приёмникам. Именно это и используется в большинстве работ посвященных исследованию способов оптимального построения сетей наземного телерадиовещания. В [15] разработан программный комплекс «Ресурс», который является специализированной геоинформационной системой и предназначен для оптимизации параметров сети телерадиовещания на этапе территориального планирования в диапазоне частот 40 - 1000 МГц. Рассмотрен пример решения задачи нахождения оптимального расположения РПС на обслуживаемой территории по критерию максимума коэффициента покрытия с помощью программного комплекса «Ресурс». Проведен сравнительный анализ результатов расчета напряженности поля в некоторых точках, полученных с помощью программного комплекса «Ресурс» с измеренными значениями в тех же точках.

При наличии геоинформационной системы целесообразна разработка способов представления и оценки качества обслуживания и охвата территории и населения 6 эфирным радиовещанием. К данным способам можно отнести рельефные карты распределения напряженности полей сигналов и помех, определение областей обслуживаемых неэффективно (зоны тени, зоны перекрытия по одной и той же программе).

Геоинформационная система позволит также исследовать методы оптимизации местоположения передающей станции и её технических параметров (излучаемой мощности, высоты подвеса и диаграммы направленности передающей антенны). При этом можно также провести оптимизацию технических параметров и местоположения группы передающих станций.

Для реализации этих оптимизационных задач необходимо разработать методики и автоматизированную систему с использованием геоинформационной системы.

Цель работы и задачи исследований

Целью настоящей работы является исследование и разработка методик, позволяющих оптимизировать технические параметры и местоположение радиотелевизионных передающих станций сетей наземного цифрового телевизионного вещания с учетом рельефа местности. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику сравнения характеристик передающих станций аналогового и цифрового телевизионного вещания;

2. Разработать методику определения зон обслуживания и зон тени для цифрового наземного вещания по профилям лучей;

3. Разработать методику оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;

4. Разработать методику определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;

5. Разработать методику определения оптимальных параметров и местоположения группы радиотелевизионных передающих станций;

6. Разработать алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.

Методы исследования

Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математического моделирования, теории распространения радиоволн, а так же методы вычислительной математики и статистического моделирования. Часть результатов получена с использованием численных методов, реализованных на компьютере в среде МаШСАО. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы для оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы. С использованием разработанной системы выполнены экспериментальные исследования.

Научная новизна результатов работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методик оптимизации параметров и характеристик радиотелевизионных передающих станций с учётом реального рельефа местности и состоит в следующем:

1 Разработана методика для определения зон вещания и зон тени передающей станции по профилям, построенным с использованием ГИС, которая позволяет учесть влияние реального рельефа местности на зону обслуживания;

2 Разработана методика оптимизации высоты подвеса антенны и мощности передающей станции по предложенным критериям минимума удельных затрат и максимума коэффициента использования станции, учитывая профили лучей;

3 Разработана методика для определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции, которая позволяет с учётом рельефа местности, по предложенным критериям выбрать наилучшее положение из нескольких планируемых мест установки станции;

4 Разработана методика для оптимизации технических параметров и местоположения группы планируемых станций в окружении действующих станций с учётом степени покрытия заданной территории и степени перекрытия зон соседних станций. При отыскании минимума целевой функции произведена многопараметрическая оптимизация с использованием градиентного метода.

Практическая ценность результатов

Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.

Проведенные исследования, разработанные методики и автоматизированная система используются при выборе оптимального местоположения и характеристик радиотелевизионных передающих станций в сибирском филиале ФГУП РТРС, что подтверждается актом использования результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актом внедрения.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1 Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г.

2 Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2009 г.

3 Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2010 г.

4 Научный семинар СибГУТИ, 2010 г.

5 Научный семинар кафедры СРС СибГУТИ, 2011 г.

Основные положения работы, выносимые на защиту

1 Методика определения зон обслуживания и зон тени для наземного цифрового вещания по профилям лучей;

2 Методика оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;

3 Методика определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;

4 Методика определения оптимальных параметров группы радиотелевизионных передающих станций, устанавливаемых в окружении действующих станций.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 4 статьи и 5 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 141 страницу машинописного текста, 54 рисунка, 28 таблиц. В библиографию включены 57 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Бактеев, Владимир Николаевич

Выводы по главе 2

1 Рассмотрен уточнённый метод расчёта напряжённости поля сигнала. Уточнение достигается за счёт того, что учитывается профиль интервала от передающей станции до рассматриваемой точки приёма. Рассмотрен расчет множителя ослабления, на открытых, полузакрытых и закрытых интервалах.

2 Сравнение результатов расчётов, проведённых, по предложенной методике для аналогового и цифрового ТВ вещания показывает, что при переходе на цифровое ТВ вещание при обеспечении на границе зоны обслуживания требуемого качества приёма и сохранении неизменной зоны обслуживания передатчика мощность цифрового передатчика может быть уменьшена в 5 раз (7 дБ). Так, если при аналоговом вещании использовался передатчик мощностью 20 кВт, то при переходе на цифровое вещание потребуется передатчик мощностью 4 кВт.

3 Разработана методика оценки эффективности использования выделенного диапазона частот при переходе на цифровое вещание. Сравнение результатов расчётов, проведённых по разработанной методике для аналогового и цифрового ТВ вещания показывает так же, что при переходе с аналогового на цифровое ТВ вещание координационное расстояние между передатчиками уменьшается в среднем в 1,32 раза, что приводит к более частому (по расстоянию) использованию одинаковых частот и, в конечном счете, к более эффективному использованию радиочастотного спектра. Разработанная методика позволила определить, что при переходе от аналогового ТВ вещания с размерностью кластера С^-^ > 4 к цифровому ТВ вещанию выигрыш в размерности кластера, т.е. в числе необходимых частотных каналов, составляет от одного канала при = 4, до пяти каналов при СклАТВ = 12.

3 ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ СТАНЦИЙ ПРИ УЧЁТЕ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

Основной проблемой при проектировании сети наземного телевизионного и звукового вещания является определение реальной зоны обслуживания РТПС и решение на ее основе задачи оптимизации технических параметров и местоположения станции [2, 4, 41, 42, 43].

В проекте ГОСТ [14] записано «реальная зона обслуживания, т.е. совокупность мест, где обеспечивается надлежащее качество приёма, в действительности может быть определена после ввода передающей радиостанции в действие на основании результатов обследований условий приёма сигналов этой радиостанции на местности».

Поскольку кривые распространения МСЭ-Р [13] получены на основе усреднения результатов многочисленных измерений, то при их использовании определяется зона покрытия РТПС. Кривые распространения нельзя использовать для определения зон обслуживания и зон тени, поэтому их расчёт должен производиться по профилям интервалов, построенным с использованием географической информационной системы для каждого направления от передающей станции к приёмной установке.

3.1 Определение ограничений и критериев оптимизации РТПС без учёта рельефа местности

Одним из ограничений при выборе технических параметров станции является необходимый радиус её зоны вещания. Отсюда первый показатель приемлемости решения т.е. в область приемлемых решений попадают те, для которых максимально-возможный радиус зоны вещания не меньше необходимого.

В качестве второго показателя допустимости решения, связанного с высотой равным 18 дБд, погонное затухание в передающем фидере 1,5 дБ/100 м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бактеев, Владимир Николаевич, 2011 год

1. Носов В.И., Штанюк J1.A. Автоматизированная система расчета зон обслуживания вещательных передатчиков с использованием географической информационной системы//Инфосфера, №34, 2007.

2. Сети телевизионного и звукового ОВЧ ЧМ вещания: Справочник/М.Г. Локшин, А.А. Шур, А.В. Кокорев, Р.А. Краснощеков. М.: Радио и связь, 1988. - 144 с.

3. В.И. Носов. Оптимизация параметров сетей телевизионного и звукового вещания: Монография/СибГУТИ. Новосибирск, 2005 г. - 257 с.

4. М.Г. Локшин Основы планирования наземных сетей телевизионного и ОВЧ ЧМ вещания. Зоны обслуживания pajpiocTaHiiHii//Broadcasting. Телевидение и радиовещание, № 3, 2006.

5. Recommendation ITU-R Р. 1546-1 (Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz), -Женева, 2003г. 53 с.

6. Справочник по радиорелейной связи. / Под ред. С.В. Бородича. -М.: Радио и связь, 1981. 416 с.

7. В.И. Носов. Радиорелейные системы передачи: Учебное пособие. Фонд приоритетного национального проекта «Образование» / Томск: Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2008. - 287 с.

8. Носов В.И. Аппаратура радиорелейных линий синхронной цифровой иерархии. Часть 1 Многоуровневые кодеры, модемы и эквалайзеры. Учебное пособие. УМО по специальности связь. - / Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. - 156 с.

9. Гласман К. Методы передачи данных в цифровом телевидении. Часть 3. Стандарт цифрового наземного телевидения DVB Т // 625. ТВ информационно - технический журнал. 1999. - № 9 . - с. 72 - 85.

10. Idoumghar Lhassane, Debreux Philippe New modeling approach to the frequency assignment problem in broadcasting // IEEE Trans. Broadcast. 2002. 48.-№4.-p.p. 293-298.

11. Eden H., Fastert H. W., Kaltbeitzer K.H. Methods for planning of television networks on the basis of absolute minimum spacing. Technical Centre of EBU., Documents Tech. 3080-ЕД960, may, p.p. 9-28.

12. A directory on a digital land television announcement. The international union of telecommunication, radio communication Bureau. Женева, 2002. - 268 с.

13. Tables of distribution of the international union of telecommunication, a temperate climate, a land, area 1. Женева, 2003г. - 16 с.

14. ГОСТ Р. Телевидение вещательное цифровое. Планирование наземных сетей цифрового телевизионного вещания. Технические основы. (Проект). Москва, 2009. - 129 с.

15. Спирина Е.А. Проектирование сетей телевизионного и звукового вещания на основе параметрической оптимизации и геоинформационных технологий: Дис- к-та тех. наук.- Казань, 2003. 145 с.