移动多媒体广播业务S波段电波传播模型比较

夏治平 董 雷 胡 军 邹 峰

(1.国家广电总局广播科学研究院，北京 100866； 2.北京华信利德信息技术有限公司，北京 100097)

1. 引 言

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中国移动多媒体广播)[1]是国家广电总局推出的新媒体业务，用户可以通过手持终端接收实时音视频和数据业务。目前，全国320个大中城市已经开通了CMMB业务。已开通的CMMB业务都是在UHF(Ultra High Frequency,特高频)频段470～798 MHz播出的。

在CMMB总体技术架构中，还预留了S波段大功率卫星与地面补点相结合覆盖全国的方式[2]。相对于UHF频段，S波段的CMMB系统具有覆盖面广、覆盖成本低、城市间漫游无需频道切换等优势。根据国际卫星频率协调的结果，S波段CMMB将在2635～2660 MHz开展业务。随着CMMB S波段网络的即将部署，广电技术部门启动了关于S波段电波传播模型的理论研究，并进行了一系列的S波段信号传播试验。

目前，可应用于S波段或准S波段的主流电波传播模型包括：国际电信联盟建议书P.1546(下称1546)模型[3]、国际电信联盟建议书P.526(下称526)模型[4]、SUI(Stanford University Interim， 斯

坦福大学过渡)模型[5]和COST-231(European Cooperation in Science and Technology-231欧盟科技合作第231工作组) Hata模型[6]。1546模型是经公式修正的基于实测传播曲线的经验模型[7]；526模型是经实测数据修正的基于刃峰绕射理论的半确定性模型[8]；SUI模型最初是斯坦福大学为美国2.5～2.7 GHz频段MMDS(Multichannel Microwave Distribution System，多路微波分配系统)设计的传播模型；COST-231 Hata模型是COST-231在Hata模型[9]基础上进行频率适用范围扩展修正得到的模型。尽管上述模型理论均已发展成熟，但是关于如何将它们应用于CMMB信号传播的研讨尚未见公开报道。

在为传统无线广播电视系统选择电波传播模型的研究成果[10-11]基础上，本文提出了一种用于S波段CMMB信号覆盖测试和数据分析的方法，用于比较确定上述四种传播模型中，哪些模型更适用于CMMB信号的覆盖预测。通过这种方法，在各种地形条件和传播场景中都可以选出预测精度相对最高的电波传播模型，从而为CMMB系统的S波段组网规划提供依据。

2.试验介绍

2008年4月，国家广电总局广播科学研究院的项目组在福州市东南郊马尾区104国道沿线进行了CMMB S波段组网覆盖的试验。福州试验搭建了CMMB系统的首个S波段试验网。

试验地点位于当地鼓山和闽江间的狭长区域，既属丘陵平原结合部，又属城乡结合部，国道两侧的建筑物以民居和工业用房为主，高度一般不超过15 m。经实地勘察和施工，在104国道沿线直线相距3 km的龙门和胐头两地分别建立发射站点，组成了一个有部分交叠覆盖区的小型同频覆盖网。发射频率为2647.5 MHz，极化方式为垂直极化。发射端参数参见表1。

表1 发射端参数

接收和测试系统包括测试车、接收天线、路测仪和频谱仪。测试路线为104国道龙门和朏头沿线路段，全程长约6 km。测试车为别克商务车，车上配备有不间断电源。行车速度保持在50 km/h左右。接收天线安装在车顶，增益为2 dBi，距地面高度约为2 m。路测仪选用了日本芝测公司的TX701型，每秒钟采集一次测试点经纬度信息以及信号的电平、信噪比、RS(Reed-Solomon,里德—所罗门编码)误块率等指标，并自动生成数据文件。后续工作中所需要的实测数据即取自于路测仪数据文件中的电平测量值。为了保证测试的准确性，路测仪的电平测量值经过了频谱仪的校准。

3.数据分析过程

3.1 预测数据的计算

预测数据的计算过程在法国ATDI 公司的频率规划软件ICS Telecom平台上完成。地理信息数据使用了20 m采样精度的福州地区三维电子地图，包括地形高度、地表覆盖物和矢量线条共三个图层。

在作预测计算时，按照实际试验的发射和接收链路参数在软件中进行设置，并根据CMMB终端标准[12]建议的方法推导出信号覆盖的阈值为54 dBμV/m(折合-91 dBm)。

由于ICS Telecom软件中已经集成了参与性能比较的全部四种电波传播模型模块，只需依次选择模型及相应参数，就可以预测出各模型的覆盖效果。限于篇幅，只给出以526模型计算的预测覆盖效果图，如图1(看202页)所示，两个绿色小方块代表发射点，彩色区域为预测覆盖区。

3.2 实测数据的筛选

路测仪自动记录的数据文件不能直接用于数据比对。需按照一定的原则，删除欠准确的、冗余的实测数据。

本次试验中，不准确的数据一般来自于对弱信号的测量。如果测试电平值低于路测仪设备的底噪，该数据将不予采信。数据筛选时只选取了 -91 dBm以上的实测数据。

冗余数据一般来源于测试时的停车，停车会导致数据重复记录。数据筛选时只选取了测试车时速超过10 km/h的实测数据，去掉了测试车停车、起步时的数据。

经过两步的筛选，为了保证测试点在地图软件上的演示效果，需按照3选1的比率继续过滤掉部分数据。最终保留的有效测试点数量为160个。

上述数据筛选工作可用Excel软件或编程实现。

3.3 实测数据的导入

把筛选所得实测数据按照ICS Telecom软件要求的格式导入，软件会把同一测试点的预测值和实测值自动对应起来，生成预测和实测数据比较曲线，如图2，黄色曲线为实测数据曲线，绿色曲线为526模型预测数据曲线，通过两条曲线的吻合程度可以直观地比较两组数据的异同。

图2 预测和实测比较曲线

3.4 预测和实测数据的比较

得到实测值Emi和预测值Epi之后，用数据统计方法对各传播模型的预测误差进行比较。数据统计选取预测误差i为样本，分析样本的平均值和标准差。其中，i定义为实测值Emi与预测值Epi之差，i=Emi-Epi，单位dB.

样本平均值：样本中各数据的平均数。计算公式如下

(1)

式中，n为采样数。

样本标准差：样本中各数据与样本平均数的差的平方的平均数叫做样本方差，样本方差的算术平方根叫做样本标准差。样本标准差反映的是数据集的离散程度。计算公式如下

(2)

式中，n为采样数。

数据样本分析结果参见表2。

表2 数据样本分析结果

显然，526模型的样本平均值的绝对值明显小于另外三种传播模型，可见其预测数据最接近于实测数据，预测精度最高。为了更清楚地说明问题，图3(看202页)～图6(看202页)以不同颜色测试点的形式，把四种传播模型的误差值在MapInfo地图软件平台上分别表示出来。

由图3可以看出，526模型的误差值集中分布在(-6，6]区间范围内；1546模型的误差值大量分布在(-6，6]、(6，12]两个区间内，少量分布在(18，23]区间，如图4所示；而在图5和图6中，Cost-231 Hata模型、SUI模型的误差值主要分布在(12，18]、(18，33]两个区间内。

3.5 结果分析

根据各模型误差样本值分布的对比结果，526模型的预测误差在±1 dB以内，获得了令人满意的预测精度。由于频率规划软件和电子地图技术的发展，地形数据的导入变得很容易。高精度的地图数据，加上复杂的地形较大限度地发挥了以526模型为代表的绕射模型的优势。

1546模型存在一定的预测误差。原因在于，虽然该模型有针对近距离障碍物衰减影响的地形净空角等修正选项，但是障碍物较多时其修正能力不足。另外，1546模型的适用范围下限为1 km，1 km以内的预测值只能依靠线性外推，而福州试验跨度仅数公里，1 km以内的测试点占有相当比重，影响了该模型的整体表现。

Cost-231 Hata模型和SUI模型的预测误差在本次模型比较工作中相对较大。Cost-231 Hata模型的频率适用上限仅为2 GHz，虽然DVB(Digital Video Broadcasting，数字视频广播)组织将该模型应用于2.2 GHz频段系统获得了较好的效果[13]，但是福州试验结果表明，2.6 GHz超出了该模型频率适用范围向上延伸的合理限度。

SUI模型的特点是算法简单，将全部地形地貌简单地分为城市、郊区、农村三类。而福州试验所处地形界线模糊，地貌分类复杂。试验结果表明：在此类复合地形地貌中，该模型预测效果不佳。

4.结 论

在参与比较的四种S波段电波传播模型当中，以福州试验采集的实测数据作基准，526模型的预测精度是最高的。

通过这种将实测数据和预测数据导入到频率规划软件平台进行传播模型比较的方法，可以得出类似地形和传播场景下预测精度最高的一种模型，从而为CMMB系统的S波段组网规划提供依据。

电波传播试验受主客观因素的影响比较大，地形、传播场景、测试方法的变化都有可能引起模型比较结论的差异。后续试验过程中将进一步加强对S波段电波传播理论的研究，继续完善这一电波传播模型比较方法。

[1] 国家广播电影电视总局. 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]. 北京: 国家广播电影电视总局广播电视规划院, 2006.

[2] 国家广播电影电视总局科技司. 移动多媒体广播技术白皮书[R/OL]. 2008[2010-03-03].http://www.sarft.gov.cn/articles/2008/08/27/20080827091514610242.html.

[3] International Telecommunication Union. Recommendation ITU-R P.1546-4 Method for Point-To-Area Predictions for Terrestrial Services in the Frequency Range 30 MHz to 3000 MHz[S]. Geneva: ITU, 2009.

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[12] 国家广播电影电视总局. GY/T 220.7-2008 移动多媒体广播 第7部分: 接收解码终端技术要求[S]. 北京: 国家广播电影电视总局广播电视规划院, 2008.

[13]European Telecommunications Standards Institute. ETSI TS 102 584 v1.1.1 Digital Video Broadcasting (DVB): DVB-SH Implementation Guidelines[S]. Nice: ETSI, 2008.