CMMB超理论间距SFN设计的研究——CMMB下一阶段建网策略探讨

李远东

（浙江传媒学院 中广分院，浙江 杭州 310018）

责任编辑:孙 卓

1 引言

目前，中广传播已完成大多数地级城市的CMMB覆盖，即将进行县级城市与农村地区的CMMB网络建设，但市区到县城城区的直线距离一般都大于CMMB常规单频网组网所要求的相邻基站的最大间距值15.36 km。同时，CMMB常规单频网的频率利用率虽然较高，但“15.36 km准则”却限制了其频率利用率的进一步提高。另外，进行深度覆盖、优化现有网络亦是下一阶段的重点工作，若采用常规单频网的方式，无疑要新建较多的CMMB基站，从而增大网络规划与建设的难度，是否有可减少新建基站规划数量的其他建网策略可循？笔者认为，下一阶段，CMMB的建网策略应由常规单频网转向常规单频网与超理论间距单频网[1]（相邻CMMB基站的间距大于15.36 km）相结合的混合式单频网，后者对于CMMB U波段频率资源利用率的进一步提高、频率规划难度的降低、网络规划与建设复杂度的降低、用户收视体验的提升等都具有非常重要的意义。下文将结合工程实际的理论推导与仿真等方法就相关工程实例、可行性、工程设计方法、混合式单频网组网的可行性等对CMMB超理论间距单频网进行探讨。

2 超理论间距SFN组网的可行性

2.1 工程实例

湖南省长沙、株洲与湘潭3市均以DS－29作为CMMB频道，虽然连接3市的6条CMMB网络链路的长度值（CMMB相邻基站的两两间距）均超过理论值15.36 km（最大间距甚至达到25 km），但路测结果表明，这一超理论间距的单频网覆盖质量良好。

2.2 理论分析

2.2.1 常规单频网组网基本策略及相关结论

2）相关结论。在常规单频网的交叉覆盖区域，由人工多径造成的时延均在51.2μs之内，自然多径的长度则是时变、地变的，由于CMMB采用了OFDM这种MCM传输体制[2]，人工多径及51.2μs之内的自然多径将会产生网络增益。而长度大于51.2μs的自然多径在到达接收机时的强度一般已非常微弱，则当主信号的场强较大时，即使其与主信号不同相，其破坏作用也是可以忽略不计的（因为此时的同频干扰保护率的值较大）。由此可以联想到，若人工多径大于51.2μs，且主信号相对于这种人工多径的同频干扰保护率超过了临界值8 dB，则主信号几乎不会受到影响，即超理论间距SFN的组网是可行的。

综上，可以总结出设计CMMB超理论间距单频网的理论基础:自然多径对主信号的同频干扰可以忽略；人工多径的长度大于51.2μs，其对主信号的同频干扰是否可忽略同时取决于同频干扰保护率及两者间的相位差:若相位差为0，或相位差不为0但CIR超过临界值8 dB时，可忽略；当相位差不为0且CIR低于某个临界值时，不可忽略。可见，延时与CIR是设计超理论间距单频网时需重点考虑的两个因素。

2.2.2 CMMB终端解调模块的设计

51.2μs之外的延时信号对主信号的同频干扰影响还取决于接收机的设计，该影响会随着解调模块信道估计与均衡算法的改进优化而减小。

2.2.3 超理论间距SFN中的同频干扰区域

由于延时与CIR是两个重要的设计参数，故在设计前首先应清楚这种单频网中同频干扰的分布规律。又由于只需考虑最大时延，故只需考虑相距最远的2个发射台的相关情况。设网络中的所有基站均采用全向辐射天线[3-4]。

1）只考虑相距最远两发射台直连线二维空间区域的情况

以上这四点都属于经营要素，如果做不到，企业还是经营不好。管理的核心就是把这些经营要素管住，使这些要素不断地积累放大，并且围绕着环境的变化而变化。例如，做业务要配置人，人是核心资源，通过管理把人的价值越大，业务就会得到更大的扩张。招聘来的人一开始可能是不达标的，他的能力如何在做业务的过程里得到提升和成长，并且变得更好，这离不开管理。再如，技术是关键资源，如何通过管理把技术积累得更强，更能满足业务的需要；还有业务过程，随着业务环境的变化，规模的增长，人员结构的调整，业务过程如何更新和积累更多的经验，如何调整适应环境的变化，是需要管理的。

（1）模型构建。由于发射塔的有效高度、接收天线的有效高度相对于两基站的间距（大于15.36 km）均可忽略不计，故可简化为如图1所示的分析模型。

（2）同频干扰区域分析。由于在上述分析模型中，a基站信号同频干扰b基站信号与b基站信号同频干扰a基站信号具有某种对称性，故以下只分析b基站信号同频干扰a基站信号的情况（c为电磁波速度）。

联立（1）式与（2）式可得b基站信号同频干扰a基站信号的区域为

于是可得分析模型I的同频干扰区域如图2所示。a基站左方及其到d点的区域为b基站信号同频干扰a基站信号的区域，其中d点的同频干扰最严重（源于同频干扰保护率的概念）；b基站右方及其到e点的区域为a基站信号同频干扰b基站信号的区域，其中e点的同频干扰最严重；d点到e点的区域则无CMMB同频干扰。

2）考虑两基站间三维空间区域时的情况

（1）模型构建。由于发射塔的有效高度、接收天线的有效高度相对于两发射基站的间距（大于15.36 km）均可忽略不计，故可将三维空间区域简化为以下的二维平面模型来进行分析，在如图3的分析模型II中，两基站的间距为2d，且满足2d>15.36 km，是超理论间距CMMB单频网中间距最大的两个基站。

（2）同频干扰区域分析[4]。若不存在同频干扰，则满足

由此可知，当a基站与b基站的间距分别为16 km，20 km与30 km时的同频干扰仿真曲线如图4所示，其中的阴影区域即为同频干扰区域，左边的阴影区域为b基站信号同频干扰a基站信号的区域，右边的阴影区域为a基站信号同频干扰b基站信号的区域。可见，CMMB SFN中基站的间距越大，同频干扰的区域也就越大，且该区域的大小与两基站CMMB信号的等效辐射功率（Equivalent Radiated Power，ERP）无关。

从图5可见，相距最远的两发射台直连线二维空间区域的同频干扰情况是两基站间三维空间区域时的同频干扰情况的特殊情况:图中d点正左方的横轴与e点正右方的横轴即为相距最远两发射台直连线二维空间区域的同频干扰区域，而双曲线之内的区域（包括d点正左方的横轴与e点正右方的横轴）即为两基站间三维空间区域时的同频干扰区域。

3）基站发射延时对同频干扰区域的影响

在b基站设置发射延时td，则满足

以a基站与b基站的间距为16 km为例，分别在b基站不设置发射延时、2μs发射延时、2.1333μs发射延时之后的CMMB同频干扰仿真图如图6所示。可见，在b基站设置发射延时后，从a基站看去，相当于a基站与b 基站的间距减小了 0.3｛td｝ km，即满足式（5）。

因此，a基站信号同频干扰b基站信号的区域减小（在一定范围内，b基站信号的发射延时越大，减小的值就越大）。又可见，b基站信号同频干扰a基站信号的区域增大 （在一定范围内，b基站信号的发射延时越大，增加的值就越大），这是因为从b基站看去，相当于b基站与a基站的间距增加了0.3｛td｝km，即满足

由此可以得出的结论是，当某个同频干扰区域内存在CIR不满足要求的接收点时，在CMMB基站恰当地通过发射延时的设置可以减小这个同频干扰区域的面积甚至完全将其消除。

2.2.4 CIR对同频干扰的影响

上节建立的超理论间距的CMMB SFN模型中，在图2，4与5所示的同频干扰区中的任一接收点，同频干扰信号与主信号之间的到达时延均超过了51.2μs，则人工多径对正常接收可能有建设性作用，也可能有破坏性作用，但是由于CIR这一参数的存在，就可能使得两种信号即使不同相时，破坏性作用也可以忽略不计，仍然能够正常接收主信号，这已经得到了工程实践的证明，如覆盖湖南省的长沙、株洲与湘潭3市的CMMB单频（DS29）网。对CIR的仿真表明，在跨越长株潭单频网的6条链路中，同频干扰最严重的为间距最大（25 km）的广电中心基站——跳马山基站链路，该链路最低CIR的仿真图如图7所示，图中2个基站的辐射天线有效高度分别为154 m与270 m，均全向，ERP值相等。可见，同频干扰是可以忽略的（最低CIR的值大于临界值）。

3 超理论间距SFN组网的设计探讨

与CMMB常规单频网设计的相同点是，设计超理论间距单频网时也要考虑电波传播的大、小尺度效应，也要进行频率规划，进行业务形式与节目数量、编码与调制方式、基站选址、发射功率、覆盖区域及补点优化等规划，并要最大程度地规避网络自干扰甚至0 dB回波。两者的不同点在于，设计超理论间距单频网时可能需要作新建CMMB基站的规划，并且需按上节总结的用于设计的理论基础进行设计，即在设计的过程中还要重点考虑时延与CIR这两项参数。

在图5中d点左方的曲线内部区域（b同频干扰a的区域）内，由于b基站的CMMB信号在d点处的场强最强，故只需考虑在此点处a基站信号对b基站信号的压制情况，在此点处，可求得a基站信号压制b基站信号的同频干扰比的最小值CIRmin，只要这个最小值满足CMMB RF同频干扰保护率的要求，则在b同频干扰a的区域内，接收机仍能正常的接收CMMB信号。这里运用OM模型，以a，b基站均使用全向辐射天线为例。

3.1 2基站辐射天线的ERP值相等

设b基站辐射天线的有效高度hb为200 m，d点处a基站信号压制b基站信号的CIRmin仿真如图8所示。从中可看出CIRmin既与基站间距有关，亦与a基站辐射天线的有效高度有关:其中当基站间距为15.36 km时，CIRmin的值最优（88 dB左右）；当基站间距大于15.36 km且间距一定时，辐射天线的有效高度值越大，则CIRmin的值越优（基站间距30 km、a基站辐射天线300 m有效高度时的CIRmin约为18.5 dB）。则根据同频干扰可以忽略时的CIR临界值，即可确定此种情况下a基站所在的发射台址是否需要新建发射台，进而可确定a基站辐射天线的有效高度。

3.2 两基站辐射天线的ERP值不相等

设a基站发射机输出功率1 kW，辐射天线有效高度待定；b基站发射机输出功率0.5 kW，辐射天线有效高度200 m，天馈损耗与天线增益均相同，两基站间距为30 km。此时的ERP曲线如图9所示。此时，若考虑一定的功率裕量，将CIR值定为13 dB，则由图9知，无论a基站辐射天线的有效高度选为多少米，都不能同时满足a，b基站对对方的CIRmin大于13 dB的要求，这时就需要对原CMMB SFN的设计进行优化。下面以在b基站设置发射延时为例进行相关优化。

若设计a基站辐射天线的有效高度为150 m，则

故可在a基站设置发射延时，当a基站的发射延时为48.8μs时，b基站对a基站的同频干扰区域刚好完全消失，即b基站对a基站不存在同频干扰。相关仿真情况如图10所示。可见，b基站对a基站的同频干扰区域刚好完全消失，而a基站对b基站的同频干扰区域却扩大了很多，但仍满足a基站对b基站的最小同频干扰比，所以在同频干扰区域仍然能正常的接收CMMB信号。为了减小a基站对b基站的同频干扰区域，可以对a基站的全向辐射天线设置下倾角（包括机械下倾与电气下倾），或者改变a基站辐射天线的方向图，将全向辐射天线换为定向天线此时a基站对b基站的同频干扰区域也能完全消失。

4 CMMB HSFN组网

通过以上对CMMB超理论间距单频网的探讨可知，混合式单频网（Hybrid SFN，HSFN），即常规单频网与超理论间距单频网的组合是可行的。可以在中型城市内通过常规单频网实现CMMB覆盖，而在相邻的城市之间则可采用同一频道通过超理论间距单频网进行覆盖。从某种程度上说，目前正常运行的长株潭CMMB单频网即为HSFN。

[1]周晓民.相邻站距大于15.36 km的CMMB单频网组建可行性分析[C]//2009国际传输与覆盖研讨会论文集.杭州:[出版者不详]，2009:75-78.

[2]GY/T 220.1-2006，移动多媒体广播第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[3]李栋.数字声音广播[M].北京:北京广播学院出版社，2001.

[4]蔡新国.地面数字电视同频干扰的研究[J].电视技术，2009，33（10）:92-95.