陳 彪 王 健 楊宏民 張 繼 蘇海斌

（1.國(guó)家廣播電影電視總局五七三臺(tái)，北京102209；2.中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

地面廣播電視業(yè)務(wù)的高速發(fā)展對(duì)地面廣播電視覆蓋網(wǎng)的能力分析和系統(tǒng)規(guī)劃提出了越來(lái)越高的要求.為更好地服務(wù)于廣播電視行業(yè)，急需開展兩類工作：一是對(duì)現(xiàn)有廣播電視業(yè)務(wù)傳播特性的監(jiān)測(cè)，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析［1-3］；二是在通用傳播預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，開展廣播電視業(yè)務(wù)傳播機(jī)理研究，建立適合于我國(guó)區(qū)域的傳播預(yù)測(cè)、覆蓋特征分析和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法［4-6］，或是針對(duì)特定的應(yīng)用提出實(shí)用性規(guī)則［7］.本文首先分析了ITU-R P.1546方法，然后對(duì)調(diào)頻廣播業(yè)務(wù)覆蓋特性進(jìn)行了仿真分析，并利用采集測(cè)量結(jié)果對(duì)方法可用性進(jìn)行了驗(yàn)證，給合不同條件下的預(yù)測(cè)效果，最后對(duì)ITU-R P.1546方法針對(duì)廣播系統(tǒng)的應(yīng)用提出了建議，這將對(duì)提升廣播電視系統(tǒng)覆蓋特性分析的準(zhǔn)確性起到重要作用，同時(shí)為廣播電視系統(tǒng)系統(tǒng)規(guī)劃、頻率管理等方面的研究奠定基礎(chǔ).

1 ITU-R P.1546模型

國(guó)際電聯(lián)（ITU）于2001年提出了ITU-R P.1546《頻率30～3 000MHz地面業(yè)務(wù)的點(diǎn)對(duì)面預(yù)測(cè)方法》，并于2003年、2005年、2007年和2009進(jìn)行了4次修訂［8］.該模型適用于 VHF/UHF 30～3 000MHz廣播、陸地移動(dòng)、海洋移動(dòng)以及某些固定業(yè)務(wù)（如點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)）.該方法基于典型海陸環(huán)境、標(biāo)稱頻率、標(biāo)稱距離、標(biāo)稱發(fā)射天線高度、標(biāo)稱時(shí)間概率，1kW 等效輻射功率（e.r.p）場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插或外推，并通過(guò)地形和環(huán)境特性各類修正，最終得出場(chǎng)強(qiáng)和損耗［8-10］.在地形數(shù)據(jù)可用的條件下，其場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)流程如圖1所示.

1）根據(jù)基礎(chǔ)路徑信息參數(shù)：發(fā)射點(diǎn)位置（λt，φt）、接收點(diǎn)位置（λr，φr）、發(fā)射/基站天線地（海）面高度ht、接收/移動(dòng)天線地（海）面高度（hr）、接收環(huán)境類型（海洋、鬧市區(qū)、市區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村）、地點(diǎn)概率（q，1～99%）、時(shí)間概率（p，1～50%）、信號(hào)頻率（f，30～3 000MHz），進(jìn)行路徑物理參數(shù)綜合分析，確定其它相關(guān)的傳播參數(shù)：傳播距離（d，0～1 000km）、傳播路徑類型（陸路、海路、混合路徑）、發(fā)射/基站天線等效高度（h1，m）、接收/移動(dòng)天線等效高度（h2，m）、發(fā)射端地面余隙角（θt，rad）、接收端地面余隙角（θr，rad）、路徑/區(qū)域的平均垂直折射率梯度（N/km）.

2）若路徑垂直折射率梯度為參考值，進(jìn)行下一步；否則，根據(jù)垂直折射率梯度與參考值之間的差值調(diào)整標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)表.

3）根據(jù)輸入和分析所得的傳播參數(shù)，對(duì)時(shí)間概率、信號(hào)頻率、發(fā)射/基站天線高度、傳播距離依次確定相關(guān)標(biāo)稱值；并依次對(duì)時(shí)間概率、信號(hào)頻率、發(fā)射/基站天線高度各相關(guān)標(biāo)稱值，計(jì)算對(duì)應(yīng)距離的場(chǎng)強(qiáng)：若預(yù)測(cè)距離與標(biāo)稱距離相等，直接取列表中對(duì)應(yīng)距離的場(chǎng)強(qiáng)；若預(yù)測(cè)距離與標(biāo)稱距離不等，則利用標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行插值.

4）依次對(duì)時(shí)間概率、信號(hào)頻率各相關(guān)標(biāo)稱值，計(jì)算對(duì)應(yīng)發(fā)射/基站天線高度的場(chǎng)強(qiáng)：若預(yù)測(cè)高度與標(biāo)稱值相等，直接可得此高度的場(chǎng)強(qiáng)；若預(yù)測(cè)高度與標(biāo)稱值不等，則利用標(biāo)稱高度進(jìn)行插值.

5）依次對(duì)時(shí)間概率各相關(guān)標(biāo)稱值，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率的場(chǎng)強(qiáng)：若預(yù)測(cè)頻率與標(biāo)稱值相等，直接可得此頻率的場(chǎng)強(qiáng)；若預(yù)測(cè)頻率與標(biāo)稱值不等，則利用標(biāo)稱頻率進(jìn)行插值.

6）時(shí)間概率的場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算：若預(yù)測(cè)時(shí)間概率與標(biāo)稱值相等，直接可得此時(shí)間概率的場(chǎng)強(qiáng)；若預(yù)測(cè)時(shí)間概率與標(biāo)稱值不等，則利用標(biāo)稱概率進(jìn)行插值.

7）若路徑為混合路徑，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)修正；否則進(jìn)行下一步.

8）若接收/移動(dòng)天線鄰近陸地，進(jìn)行基于地形余隙角的修正；否則進(jìn)行下一步.

9）若傳播散射角大于零，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)修正；否則進(jìn)行下一步.

10）若接收/移動(dòng)天線高度為非標(biāo)稱值，進(jìn)行修正；否則進(jìn)行下一步.

11）若滿足短市區(qū)/郊區(qū)路徑條件，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)修正；否則進(jìn)行下一步.

12）若接收/移動(dòng)天線位于陸地且地點(diǎn)概率不為50%，進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)修正；否則進(jìn)行下一步.

13）根據(jù)路徑特點(diǎn)進(jìn)行最大值修正.

14）若發(fā)射天線輻射不等于1kW e.r.p.，根據(jù)實(shí)際輻射功率進(jìn)行修正.

圖1 地形數(shù)據(jù)可用條件下ITU-R P.1546模型傳播預(yù)測(cè)流程

2 調(diào)頻廣播場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量

2010年10月份至2011年3月份間，按照《GB/T 14109-93電視、調(diào)頻廣播場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法》［11］和《GY/T 196-2003調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》［12］所述方法，在調(diào)頻廣播發(fā)射臺(tái)周邊正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個(gè)方向（方位角從0.93°～351.07°）、約2～120km距離范圍內(nèi)100個(gè)觀測(cè)位置點(diǎn)上，對(duì)87.6MHz、88.7MHz、90.0MHz、90.5MHz、91.5MHz、96.6MHz、97.4MHz、101.8MHz、103.9MHz、106.1MHz、106.6MHz共11個(gè)頻率的調(diào)頻廣播信號(hào)進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量，對(duì)每個(gè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量后取場(chǎng)強(qiáng)中值，其中發(fā)射天線高度為340m，天線增益為7.5dB，接收天線高度等效為10m.發(fā)射臺(tái)與測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)位置分布如圖2所示，其中測(cè)量點(diǎn)周邊盡可能保證空曠平坦，天線輻射方向前、后200m范圍內(nèi)無(wú)建筑物、高壓線、遮擋物.由于外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，為保證測(cè)量結(jié)果的有效性，排除偶然因素的影響，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行如下的預(yù)處理：

1）去除受周圍建筑、樹木等環(huán)境影響大的點(diǎn).

2）設(shè)定一個(gè)合理的工程閾值，城區(qū)和非城區(qū)分別取66dBμV/m和54dBμV/m［13］，剔除小于工程閾值的數(shù)據(jù).

3）校準(zhǔn)地理位置信息，將GPS測(cè)量得到的地理信息首先與衛(wèi)星地圖參考位置進(jìn)行校準(zhǔn).

經(jīng)上述處理后，確定其中89個(gè)位置點(diǎn)的測(cè)量值為有效值.

圖2 發(fā)射臺(tái)與測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)位置及地形剖面分布圖

3 對(duì)比分析

3.1 預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在此，取精度30s的地形數(shù)據(jù)，并根據(jù)ITU-R P.453建議可知測(cè)量區(qū)域年平均50%時(shí)間概率條件下65m高度的大氣折射率梯度約為-54.76［14］，同時(shí)考慮實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的環(huán)境特征，以6km、12km、24km為界進(jìn)行密集城區(qū)、城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村的區(qū)分，利用ITU-R P.1546方法所得預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示，誤差特性分布如圖4所示.由圖3和圖4可以看出：

1）理論值與測(cè)量值隨位置點(diǎn)的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，各頻率點(diǎn)間有較小差異.

2）理論值呈現(xiàn)略小于測(cè)量值的規(guī)律.

3）均方誤差呈現(xiàn)近似正態(tài)分布規(guī)律.

3.2 不同條件的預(yù)測(cè)對(duì)比分析

3.2.1 不同接收環(huán)境的預(yù)測(cè)結(jié)果分析

表1給出了不同區(qū)域均方根誤差統(tǒng)計(jì)特性，從表1可以看出：對(duì)于任何一個(gè)頻率，在遠(yuǎn)離城區(qū)的地方，預(yù)測(cè)精度較高，其中郊區(qū)預(yù)測(cè)精度最高，而在密集城區(qū)內(nèi)，預(yù)測(cè)精度明顯下降.城區(qū)預(yù)測(cè)精度偏低的一個(gè)主要原因是由于未精細(xì)考慮天線近區(qū)的方向性所致；此處，天線增益統(tǒng)一設(shè)定為7.5dB.此外，ITU-R P.1546針對(duì)不同地區(qū)接收點(diǎn)周圍大地被覆的代表性高度給出的參考值如下：密集城區(qū)為30 m，城區(qū)為20m，城郊為10m.但測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：所測(cè)城區(qū)呈典型大城市特征，部分測(cè)量點(diǎn)的周圍大地被覆的代表性高度遠(yuǎn)大于ITU-R P.1546所給出的參考值，最大可達(dá)參考值的2倍以上；而農(nóng)村地區(qū)恰好相反，部分測(cè)量點(diǎn)的周圍大地被覆的代表性高度小于ITU-R P.1546所給出的參考值.綜上所述，建議根據(jù)測(cè)繪數(shù)據(jù)建立大地被覆的代表性高度的數(shù)字地圖，用以避免由此所帶來(lái)的預(yù)測(cè)偏差.

3.2.2 不同地形精度的預(yù)測(cè)結(jié)果分析

表2給出了不同地形精度下的預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)特性，從表2可以看出：對(duì)于任何一個(gè)頻率，地形精度越高，預(yù)測(cè)誤差越??；故建議在傳播分析時(shí)選用盡量精細(xì)的地形數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)應(yīng)可反映地形特點(diǎn).

3.2.3 不同無(wú)線電氣候條件的預(yù)測(cè)結(jié)果分析

表3給出了折射率梯度ITU統(tǒng)計(jì)分析值［14］和中國(guó)區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析值［15］兩種氣候條件下的預(yù)測(cè)誤差特性，從表3可以看出：中國(guó)折射率梯度統(tǒng)計(jì)分析值條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果比ITU推薦折射率梯度統(tǒng)計(jì)分析值條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果的精度略有提升，提高精度在0.01～0.02dB.因此，進(jìn)行傳播特性分析時(shí)，建議使用中國(guó)區(qū)域大氣折射參數(shù)實(shí)測(cè)或統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，若能獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，推薦優(yōu)先選用，以便得到更為精確的預(yù)測(cè)結(jié)果.

表1 不同區(qū)域預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

表2 不同地形精度下的預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

表3 不同折射條件下的預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

3.2.4 不同修正條件的預(yù)測(cè)結(jié)果分析

如表4所示，ITU-R P.1546建議模型為適用廣播無(wú)線電業(yè)務(wù)的應(yīng)用，提出標(biāo)準(zhǔn)偏差修正，該值可根據(jù)具體分析環(huán)境進(jìn)行調(diào)整［8，16］，表5列出了不同修正量條件下的預(yù)測(cè)誤差.通過(guò)分析可知，在已有基礎(chǔ)上針對(duì)模擬廣播，將該頻段的標(biāo)準(zhǔn)偏差修正量提高4dB（額外標(biāo)準(zhǔn)偏差修正量），可以有效提高預(yù)測(cè)精度.

表4 廣播業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)偏差修正量

表5 不同偏差修正量條件下的預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)ITU-R P.1546方法的剖析，給出了該方法詳細(xì)流程；在此基礎(chǔ)上，利用十一套調(diào)頻廣播信號(hào)傳播特性預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的對(duì)比分析結(jié)果，以提高區(qū)域性的調(diào)頻廣播系統(tǒng)傳播預(yù)測(cè)精度為目標(biāo)，提出ITU-R P.1546方法中國(guó)區(qū)域本地化應(yīng)用建議：1）充分考慮城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村地面覆蓋物對(duì)傳播的影響，推薦使用測(cè)繪所得地面覆蓋物高程數(shù)字地圖；2）選用精細(xì)化的地形剖面數(shù)據(jù)，推薦小于1km精度間隔高程地圖，且數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能涵蓋實(shí)際地形的顯著特點(diǎn)［17］；3）選用中國(guó)區(qū)域大氣折射參數(shù)的實(shí)測(cè)或統(tǒng)計(jì)分析值［15，18］；4）針對(duì)特定區(qū)域分析，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)偏差修正量.分析表明：上述建議能夠有效提高方法在測(cè)量區(qū)域的預(yù)測(cè)精度，初步實(shí)現(xiàn)了傳播預(yù)測(cè)模型本地化修正，為廣播業(yè)務(wù)規(guī)劃和頻率管理等方面的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，其適用范圍有待于通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)予以證實(shí).

［1］夏治平，董 雷，胡 軍，等.移動(dòng)多媒體廣播業(yè)務(wù)S波段電波傳播模型比較［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：170-174.XIA Zhiping，DONG Lei，HU Jun，et al.Comparison of S-band radio propagation models used for CMMB service［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（1）：170-174.（in Chinese）

［2］夏治平.地面數(shù)字電視電波傳播模型誤差分析報(bào)告［J］.廣播電視信息，2006，13（7）：42-44.

［3］LEE C H，JEON N R，KIM S C，et al.Comparison of measurement and prediction of ITU-R Recommendation P.1546［C］// The 4th IEEE VTS Asia Pacific Wireless Communications Symposium.Taiwan，2007.

［4］潘振中.米波/分米波電視和調(diào)頻廣播傳播預(yù)測(cè)方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1993，8（3）：95-107.PAN Zhenzhong.VHF/UHF TV and FM broadcasting propagation prediction method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，24（2）：341-348.（in Chinese）

［5］王仲園，金榮洪，耿軍平，等.移動(dòng)數(shù)字電視覆蓋預(yù)測(cè)的射線跟蹤模型［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（2）：341-348.WANG Zhongyuan，JIN Ronghong，GENG Junping，et al.Ray-tracing propagation prediction model for mobile digital television［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，24（2）：341-348.（in Chinese）

［6］PARAN K，NOORI N.Tuning of the propagation model ITU-R P.1546Recommendation［J］.Progress in electromagnetic research B，2008（8）：243-255.

［7］徐 濤.應(yīng)用ITU-R P 1546建議書進(jìn)行廣播電視監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)因素［J］.廣播與電視技術(shù)，2007，34（6）：121-123.

［8］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.1546-4Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz［S］.Geneva：ITU，2009.

［9］程瑞庭.電波傳播模型ITU-R P.1546的算法及建模［J］.廣播電視信息，2006，13（10）：66-68.

［10］海 霞.ITU-R P.1546-3建議書的相關(guān)修正方法［J］.廣播與電視技術(shù)，2008，35（9）：124-126.

［11］國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14109-93電視、調(diào)頻廣播場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［12］國(guó)家廣播電視電影總局.GY/T 196-2003調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［13］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14431-1993無(wú)線電業(yè)務(wù)要求的信號(hào)/干擾保護(hù)比和最小可用場(chǎng)強(qiáng)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

［14］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.453-9The Radio Refractive Index：Its Formula and Refractivity Data［S］.Geneva：ITU，2003.

［15］電子工業(yè)部公司.GJB 1655-1993對(duì)流層電波折射修正大氣模式［S］.1993.

［16］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.1812-1aPath-specific Propagation Prediction Method for Point-to-area Terrestrial Services in the VHF and UHF Bands［S］.Geneva：ITU，2009.

［17］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.452-12Prediction Procedure for the Evaluation of Interference Between Stations on the Surface of the Earth at Frequencies Above About 0.1 GHz［S］.Geneva：ITU，2009.

［18］董明玉.電波傳播數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，11（3）：89-97.Dong Mingyu.An application program design for radiowave propagation database［J］.Chinese Journal of Radio Science，1996，11（3）：89-97.（in Chinese）