635_Nosov_V.I._Optimizatsija_parametrov_setej__

3.45Носов В.И. Упрощенная методика расчета ЭМС комплекса радиосредств на ЭВМ. / НТК НТОРЭС, Новосибирск, 1980 г. – С. 34 – 35.

3.46Носов В.И., Кокорев А.В., Краснощеков Р.А. Методы планирования сетей ТВ и ОВЧ ЧМ вещания. / НТК НТОРЭС, Новосибирск, 1986 г.

–С. 97.

3.47Носов В.И., Минеева Т.В. Синтез сети ТВ и ОВЧ ЧМ вещания регулярной структуры с использованием точного алгоритма раскраски графа. / НТК НТОРЭС, Новосибирск, 1986 г. – С. 97.

162

4. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СЕТЕЙ РАДИОВЕЩАНИЯ

Введение

Развитие и реконструкция радиовещательных сетей требует значительных капитальных затрат, поэтому решение задачи снижения этих затрат является актуальной проблемой. Снижения капитальных затрат в значительной степени можно достичь за счет использования оптимальных технических параметров радиовещательных станций – высот подвеса антенн, мощности передатчика, местоположения.

Решение задачи оптимизации технических параметров для реальной сети с учетом большого числа передающих станций, каждая из которых характеризуется своими, отличными от других, параметрами (мощностью передатчика, высотой антенной опоры, рабочей частотой, координатами и т. п.), представляется достаточно трудоемким. Поэтому предлагается такую задачу решать для однородной сети радиовещания, передатчики которой расположены в узлах регулярной решетки. Под однородной сетью здесь подразумевается сеть радиовещания, в которой все станции находятся в одинаковых условиях по расположению мешающих станций, имеют одинаковые мощности передатчиков (Р) и высоты подвеса антенн (НА), излучение в горизонтальной плоскости равномерное, рельеф — равнинный.

Для фрагментов реальных сетей радиовещания предлагается использовать градиентный метод поиска оптимума высот подвеса вновь вводимых передающих станций.

Разработка методов частотного планирования и анализа сетей телевизионного и радиовещания с использованием ЭВМ , позволяющих составить несколько вариантов частотных планов таких сетей, дала возможность поставить задачу оценки эффективности вариантов плана сети для выбора оптимального.

В основе оценки эффективности планов сети должна быть система показателей эффективности, учитывающих оптимальность: местонахождения передающих станций; использования их технических параметров; частотных присвоений. Предлагается система показателей эффективности, позволяющих оценить эффективность построения сети, а также методы определения этих показателей. Поскольку для достаточно достоверной оценки эффективности сети по предлагаемым показателям требуется проведение большого количества вычислений, их расчет производится с использованием ЭВМ.

Большинство задач планирования сетей наземного радиовещания базируется на основе анализа полей полезного и мешающего сигналов . В районах холмистой и горной местности значительное влияние на величину напряженности поля сигнала оказывает рельеф местности. Для учета этого влияния необходимо представление рельефа в ЭВМ с использованием циф-

163

ровой модели местности (ЦММ). Чаще всего ЦММ имеет регулярную структуру в виде сетки, в узлах которой определяются высотные отметки местности. Недостатками такой модели являются большая трудоемкость при еѐ создании, большой объем памяти для хранения и знaчитeльнee время для обработки при проведении расчетов. Но при этом, при достаточно малом шаге, такая модель с высокой степенью точности воспроизводит рельеф.

Учитывая, что топографические карты имеют конечную точность воспроизведения реального рельефа (так погрешность воспроизведения рельефа на карте масштаба 1: 100000 в гористой местности составляет 20 м), целесообразно для устранения недостатков ЦММ с регулярным шагом, определить минимально необходимое количество нерегулярных высотных отметок на топографической карте, при котором воспроизводимый ЦММ рельеф местности находится в пределах точности карты, а точность определения полей сигнала и помех находится в пределах точности используемой методики их расчета.

4.1 Оптимизация параметров радиовещательной сети на основе ее машинной модели

Наземное радиовещание, является одной из самых доходчивых форм подачи информации, что обусловило быстрое развитие и непрерывное совершенствование технических средств данной отрасли связи – передающей радиовещательной сети. Необходимость осуществления полного охвата населения многопрограммным телевизионным вещанием требует значительных капиталовложений. Таким образом, актуальность проблемы выбора оптимальных значений основных параметров радиовещательной сети, минимизирующих затраты на решение этих задач, резко возросла.

После решения вопроса о возможности построения однородной сети с различными сочетаниями значений параметров, определяющими модуль сети (R0), рабочей частоты (диапазона) ID, НА, Р, числа используемых частотных каналов С, необходимо решить вопрос о выборе из всех возможных вариантов построения сети, обеспечивающей сплошное покрытие территории многопрограммным радиовещанием, оптимального. В качестве показателя эффективности для выбора оптимального варианта построения сети предлагается использовать коэффициент, характеризующий отношение затрат на создание сети 3 к общей площади вещания, покрываемой этой сетью S

Fз = M	Зi / M
i 1	i 1

Si ,

(4.1)

где М – количество передатчиков в сети.

Выбор однородной сети для определения оптимальных ее параметров обусловлен, во-первых, тем, что, как отмечено в [4.2], есть веские основания

164

полагать, что оптимальное решение для однородной сети окажется наилучшим и для реальной сети, во вторых, тем, что оптимизацию однородной сети можно осуществить с помощью машинной модели.

4.1.1 Построение машинной модели однородной сети ТВ вещания

Зоной вещания Si передающей станции в i-ом частотном диапазоне будем называть часть территории, в каждой точке которой осуществляется уверенный прием в заданном частотном диапазоне i ID, где ID = {I, II, III, IV, V}. Для однородной сети зоной вещания является круг, поэтому для обеспечения сплошного покрытия территории радиовещанием они должны перекрываться, причем величина этого перекрытия должна быть минимальной. Минимум площади перекрытия Snep круговых зон вещания обеспечивают зоны обслуживания в виде равновеликих правильных шестиугольников площадью S6, в центре которых размещены передающие станции (рис. 1.16). В этом случае Snep /Si = 0,18, а модуль сети R0 и радиус зоны вещания Rз связаны соотношением

Rз = R0 / 3 .			(4.2)

Алгоритм работы машинной модели, служащей инструментом определения оптимальных технико-экономических показателей однородной радиовещательной сети, можно сформулировать следующим образом. Допустимой будем называть сеть, обеспечивающую сплошное покрытие территории многопрограммным радиовещанием. Допустимая однородная сеть радиовещания существует, если для некоторого набора значений R0, НА, Р однородной сети в каждом диапазоне i из множества диапазонов ID зона обслуживания S6 является подмножеством зоны вещания Si

i ID : S6 ( R0 ) Si ( R0,HА,P ).

(4.3)

Задача определения оптимального варианта допустимой сети (4.3) сводится к нахождению такого сочетания параметров R0, НА, Р, при котором целевая функция минимальна

F ( R0,HА,P ) = З ( HА,P ) / S6 ( R0 ) min ,

(4.4)

где 3( НА, Р ) — затраты на передающую ТВ станцию.

При синтезе однородной радиовещательной сети в машинной модели необходимо определить расположение мешающих передатчиков, работающих в совмещенных каналах. Для этого предлагается использовать разрабо-

165

танную автором в первом разделе универсальную модель однородных сетей (рис. 1.17).

	В центральный выделенный элемент можно помещать номер рассмат-
						риваемой сети из таблицы 4.1						Таблица 4.1
№		1	2	3	4,	5	6	7,	8	9	10,	11	12
сети					4*			7*			10*
r / R0		1	3	2	7	3	12	13	4	19	21	5	27
C		1	3	4	7	9	12	13	16	19	21	25	27

Тогда передатчики, помещенные в центры шестиугольников с одинаковыми номерами, образуют ромбы совмещенных каналов для этой сети. Поскольку в однородной сети расстояние между передатчиками, работающими в совмещенных каналах, одинаково, то в универсальной модели оно определяется из геометрии сети. Так, если передатчики, работающие в совмещенных каналах, размещены в центрах шестиугольников: под номером 1 то расстояние между ними равно модулю сети D = R0; под номером 2 - D = 3 R0; под номером 3 - D = 2R0 и т. д. (см. таблицу 4.1). Звездочками (4* , 7* и т. д.) обозначены сети, которые имеют одинаковое расстояние r с сетями 4, 7 и т. д., но другое расположение передатчиков.

Зная для различных сетей расстояния D между передатчиками, работающими в совмещенных каналах, определим число частотных каналов, необходимое для организации этих сетей. Как показано в [2.3], в однородной сети для сплошного покрытия заданной территории однопрограммным вещанием необходимое число частотных каналов определяется соотношением

C = D2 / 3 R2з .

(4.5)

Используя соотношения (4.2), (4.5) и данные таблицы 4.1, можно определить значение С, когда передатчики, работающие в совмещенных каналах, размещаются в вершинах ромбов

C = ( D / R0 )2 = r20.

(4.6)

Подобные результаты получены в [4.4, 4.5] другим способом.

Полученная по предложенному способу взаимосвязь между значениями С , D и r0 (4.6) позволяет при заданном числе каналов синтезировать структуру однородной сети или же при заданной структуре сети определить необходимое число частотных каналов для обеспечения сплошного покрытия территории радиовещанием.

Для моделирования -программной сети ТВ вещания при выборе - 166

канальных групп учитывалась несовместимость частотных каналов в одном пункте [4.6]. На рис.4.1 представлена модель однородной сети ТВ вещания для С = 36 с распределением в этой модели 12 трехканальных групп. Внутри всех остальных ромбов распределение этих групп аналогично. Такие же модели построены для С = 21, 27, 39, 48 и т.д. Смежные каналы для n - ой группы находятся в ( n 1 ) - ой группах. Для устранения помех от смежных станций группы каналов в моделях распределяются таким образом, чтобы n - e и ( n 1 ) - е группы не были присвоены соседним станциям. Если этого сделать не удается ( например при С = 21, 27 ), то уменьшение помех от смежных каналов для n - й и ( n 1 ) - й групп достигается путем использования в них волн различной поляризации.

Уменьшение помех от станций, работающих в совмещенных каналах ( одинаковые номера групп ), обеспечивается смещением несущих частот(СНЧ). Между группами каналов СНЧ распределяются таким образом, чтобы получить в каждом случае минимально возможное защитное отношение АЗ для станций, работающих в совмещенных каналах, и при этом не нарушить однородности ТВ сети. С учетом этих условий произведено оптимальное для рассматриваемых моделей распределение групп частотных каналов и СНЧ ( рис. 4.1). Машинная модель позволяет получить количественные оценки зависимости различных сочетаний рассматриваемых параметров

– мощности передатчиков, высоты подвеса антенн, числа частотных каналов, расстояния между передатчиками – от использования СНЧ и ортогональной поляризации волн мешающих передатчиков.

Были построены модели однородной сети при работе передатчиков в совмещенных каналах: без СНЧ и ортогональной поляризации с величиной защитного отношения Аз = 45 дБ; с использованием только СНЧ - обычного (Аз = 30 дБ) и прецизионного (Аз = 22 дБ); с комплексным использованием СНЧ и ортогональной поляризации (Аз = 29 и 21 дБ).

4.1.2 Система анализа машинной модели

Разработанная система анализа однородной ТВ сети выделяет в прямом произведении модуля сети и высоты подвеса антенны R НА множество допустимых по условию (4.3) сетей. Расчет моделей производился для значений Р = 1,5, 10, 25, 50 кВт с эффективно излучаемой мощностью

Р = Р + G + дБ,

где G и - соответственно коэффициент усиления передающей антенны и КПД фидера в соответствующих диапазонах [4.6].

Высоты подвеса антенн изменялись в пределах НА == 37,5 — 600 м, модуль сети R0 = 70 — 190 км (Rз = 40 — 110 км). При расчетах учитывалась

167

защищенность и диаграмма направленности приемных антенн [4.6], а также то, что для ортогональной поляризации защищенность приемной антенны составляет 10 дБ с прямого и 5 дБ с обратного направлений [4.7].

4 0,

12

8 0,

12

0 0,

12

0 0,

12

8

0,

	12
				4
				0,
				12
		10		2
	0		4
	0,	7		9
	12
	5	11		6
	9	1	8	8
				0,
				12

3 10

4 0,

12

0 0,

12

8 0,

12

4 0,

12

8 0,

12

4 0,

12

0 0,

12

8 0,

12

4 0,

12

0 0,

12

8 0,

12

Рис. 4.1 Распределение групп частотных каналов и СНЧ в однородной сети

168

Система анализа выделяет в произведении двух структурных параметров ТВ сети – модуля и высоты подвеса антенны R0 HА – множество допустимых сетей. Допустимой сетью будем называть сеть, обеспечивающую 100 % охват территории ТВ вещанием с заданным качеством. Полученные в результате расчетов зависимости HА = ( R0, P, C ) (рис.4.2) являются объединением двух кривых: левая ветвь ( в области малых R0 ) определяется условием обеспечения на границе зоны вещания заданного качества приема с вероятностью Y = 0,5 с учетом всех помех в сети для различных Р; правая ветвь

– условием наличия на границе зоны вещания минимально необходимой напряженности поля Емин для различных С. Естественно, что при идентичных параметрах P, HА и С зона обслуживания РТС будет больше, а число станций на заданной территории меньше в области беспомеховой работы. Допустимые сети при выполнении условий

Ес	Емин
Y	0,5	(4.7)

должны иметь параметры, ограниченные снизу кривыми для выбранных значений С и Р рис.4.2, при этом минимально необходимое значение высоты подвеса антенны Hмин соответствует точке пересечения левой и правой ветвей.

При расчете каждой точки зоны вещания Si в любом из двенадцати направлений определялась вероятность обеспечения качественного приема от каждого из передатчиков, а затем для определения суммарного действия передатчиков вычислялось произведение этих вероятностей Y и за границу зоны принималась точка, в которой выполнялись оба равенства (4.7).

В результате анализа машинной модели однородной сети получены зависимости минимально возможной высоты подвеса антенны Нмин при различных сочетаниях параметров сети Hмин = ( R0, Р, С, AЗ, ID),

для которых сеть допустима (4.3). Для обеспечения сплошного обслуживания территории, например, трехпрограммным ТВ вещанием, необходимо иметь соизмеримые зоны вещания РТС во всех диапазонах, поэтому анализируются результаты моделирования в IV—V диапазонах (рис. 4.2). При этом передатчики, работающие в I —III диапазонах, будут иметь меньшую мощность и высоту подвеса антенны.

Анализ результатов расчетов, полученных на машинной модели, показал, что: варианты построения сети, в которых снижение защитных отношений обеспечивалось только ортогональной поляризацией, по своим характеристикам практически не отличаются от вариантов сети, в которых не используется ни СНЧ, ни поляризация ( рис.4.2,а ).

169

H, м

500

400

300

200

100

0

P=1кВт 5 10 25 50кВт

С=48

С=57

С=63

С=75

С=81

С=84 С=93

С=108

R, км

70 110 150

Рис. 4.2а Результаты оптимизации параметров сети при Аз=45 дБ

170

Варианты построения сети с ортогональной поляризацией и СНЧ ( Аз =29 и 31 дБ ) практически не отличаются от вариантов сети только с СНЧ ( рис.4.2,б ); невозможно обеспечить трехпрограммное вещание со 100% - ным охватом территории 12 частотными каналами при антенных опорах ниже 600 м.

Результаты расчетов не только подтвердили приведенные в [4.5] выводы об эффективности применения высоких антенных опор, но и позволили установить количественную связь между необходимым числом частотных ТВ каналов и высотой опор. Так, при использовании ТВ передатчиков дециметрового диапазона мощностью Р = 25 кВт в случае простого СНЧ ( рис.4.2,б ) построение сети с низкими опорами НА = 180 м требует для сплошного обслуживания 48 каналов, при опорах с НА = 230 м – 36 каналов, а при НА = 400 м – 27 каналов. Реализация же в этом случае прецизионного СНЧ ( рис.4.2,в ) при 27 каналах позволяет использовать опоры с НА = 250 м и существенно улучшить техникоэкономические показатели ТВ сети.

Расчеты показали также, что для 100% охвата территории однопрограммным ТВ вещанием в первом диапазоне при НА = 350 м и Р = 5 кВт необходимо 12 каналов, что согласуется с результатами, приведенными в [4.5].

Разработанные машинная модель и автоматизированная система ее анализа позволяют непосредственно рассчитать оптимальное сочетание параметров однородной ТВ сети, обеспечивающей полное обслуживание заданной территории. На рис. 4.3 приведен пример рассчитанной зависимости

Смин = ( R0, НА, АЗ ),

для мощности передатчиков, работающих в IV—V диапазонах, Р = 25 кВт. Из рис. 4.3 следует, что в трехпрограммной ТВ сети с высотами антенных опор НА = 230 —350 м без использования СНЧ (АЗ = 45 дБ) минимально необходимое число каналов С = 57, с применением простого СНЧ (АЗ = 30 дБ)

– С = 36, прецизионного СНЧ (АЗ = 22 дБ) – С = 21.

Используя зависимости Нмин = ( R0, Р, С, AЗ, ID ) (рис. 4.2), можно получить оптимальное сочетание этих параметров и использовать их при

планировании реконструкции и развития реальной ТВ сети. Для этого была взята трехпрограммная ТВ сеть части европейской территории СССР, площадью S = 2736 тыс. км2. Эта сеть включает как действующие, так и планируемые передатчики и имеет средний модуль R0ср 92 км. Для этого модуля оптимальными техническими параметрами в IV—V диапазоне при использовании простого СНЧ АЗ = 30 дБ являются С = 36, Р= 25 кВт, НА = 240м, при прецизионном СНЧ — АЗ = 22 дБ, С = 27, Р = 25 кВт, НА = 245 м.

Для случая использования простого СНЧ по кривой допустимой сети при Смин = 36 и Р = 25 кВт были рассчитаны затраты на сеть (рис. 4.4).

171