CN101795162A - 数字单频网信号覆盖质量测算评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，该方法包括：步骤A：根据场强测算分析模块所发消息中包含的计算范围及计算精度信息在计算范围的地理区域内生成栅格网图层，并从地理信息数据库中调取栅格网中每个栅格中心点的地理信息；步骤B：获取需要计算的单频网各台站信息数据及每个栅格中心点的地理信息后，计算单频网台站到每个栅格的场强值；步骤C：对每个栅格点的场强值进行抽样仿真，对每个栅格点的各场强值进行合成分析，得到该栅格点的覆盖概率；步骤D：根据各栅格点的覆盖率值进行栅格点颜色值计算，并对栅格网中各栅格点进行着色，着色后覆盖在电子地图上输出显示。本发明能够提高单频网信号预测的正确性和准确率。

Description

数字单频网信号覆盖质量测算评估方法

技术领域

本发明涉及广播电视无线覆盖信号质量预测技术，特别涉及一种数字单频网信号覆盖质量测算评估方法。

背景技术

地面广播电视信号质量的测算涉及到电波传播、数学模型、概率统计、电视原理等多个技术领域，是在对广播电视发射台站信号能量预测的基础上，结合数学模型推导，利用概率原理统计，最后再根据广播电视的相关标准进行综合的分析的一个复杂过程。数字电视单频网是地面数字电视的一种，由于它具有频谱利用率高、信号覆盖均匀、适于移动接收等特点，被各个国家和地区广泛的应用。数字电视单频网信号的预测方法与以往模拟电视信号的预测方法即相似又有不同，必须结合数字电视单频网的特点，选择合适的预测模型、统计方法、接收标准才能使预测结果更为准确。

目前我国还没有专业的、商用的地面广播电视信号质量预测系统。广电相关管理部门在进行信号质量测算是大的使用国外的通用系统，如德国LS公司CHIRplus_bc和法国ADTI公司的ics。这类系统支持国际电信联盟已采纳的三种地面数字电视标准(DVB-T、ATSC以及ISDB-T)，支持ITU-R P.370、ITU-RP.1546、ITU-R P.526等模型，支持功率和法、简化相乘法、K因子法等合成方法，接口固定、价格昂贵，使用有许多不便之处。而且国外预测系统没有完全考虑到数字电视单频网信号的特点，这就在一定程度上影响了单频网信号预测的正确性和准确率。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种数字单频网信号覆盖质量测算评估方法。

本发明的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，包括下列步骤：

步骤A：地理信息处理模块根据场强测算分析模块所发消息中包含的计算范围及计算精度信息在计算范围的地理区域内生成栅格网图层，并从地理信息数据库中调取栅格网中每个栅格中心点的地理信息给场强测算分析模块；

步骤B：场强测算分析模块获取需要计算的单频网各台站信息数据及每个栅格中心点的地理信息后，计算单频网台站到每个栅格的场强值，将计算的场强值结果发送给信号合成分析模块；

步骤C：信号合成分析模块对每个栅格点的场强值进行抽样仿真，对每个栅格点的各场强值进行合成分析，得到该栅格点的覆盖概率，并将栅格点的覆盖概率发送给地理信息处理模块；

步骤D：地理信息处理模块根据各栅格点的覆盖率值进行栅格点颜色值计算，并对栅格网中各栅格点进行着色，着色后覆盖在电子地图上输出显示。

其中，在所述步骤B中，可运用ITU-R P.370、ITU-R P.1546、ITU-R P.526、Okumura-Hata电波传播模型计算单频网台站到每个栅格的场强值。

其中，在所述步骤C中，运用蒙特卡洛算法对每个栅格点内的各场强值进行合成分析。

其中，在所述步骤A中，运用GIS技术对地理信息处理模块进行处理。

其中，在所述步骤D中，运用逐个栅格着色，显示单频网覆盖效果。

另外，还可以包括下列步骤：

预先收集单频网台站的相关信息，并将相关信息进行分类处理，台站数据库存储分类处理后的数据。

其中，在所述步骤D中，在着色后输出栅格网图层后，进一步包括下列步骤：将输出结果覆盖在电子地图上，在终端中进行显示。

本发明的有益效果是：与地理信息技术相结合，依照本发明的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，能够提高单频网信号预测的正确性和准确率，并能够在电子地图上用栅格网图层着色的方式显示出分析测算结果。

附图说明

图1为本发明实施例的数字单频网信号覆盖质量测算评估系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法的流程图；

图3为本发明实施例的场强测算分析模块工作流程图；

图4为本发明实施例的信号合成分析模块工作流程图。

具体实施方式

以下，参考附图1～4详细描述本发明的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法。

如图1所示，本发明实施例的数字单频网信号覆盖质量测算评估系统，包括单频网无线台站1、数据处理模块2、台站数据库3、场强测算分析模块4、信号合成分析模块5、地理信息处理模块6、地理信息数据库7和终端8。

数据处理模块2，用于收集单频网台站1的相关信息，包括经纬度、发射功率、天线增益、组网模式、信号调制方式等，并将相关信息进行分类处理。

台站数据库3，用于存储数据处理模块2分类处理后的数据。在进行单频网信号质量评估时，可由评估人员将单频网台站1的相关信息包括经纬度、发射功率、天线增益、组网模式、信号调制方式等信息收集到数据处理模块2中，由数据处理模块2将信息进行分类整理后，存储到台站数据库3中。

地理信息处理模块6，用于根据场强测算分析模块4所发消息中包含的计算范围及计算精度等信息在计算范围的地理区域内生成栅格网图层，并从地理信息数据库7中调取栅格网中每个栅格中心点的高度、经纬度、地物等地理信息给场强测算分析模块4，最终将按照信号合成分析模块5计算的覆盖率值计算各栅格中的颜色值，并逐个栅格进行着色，输出栅格网图层，并将输出结果在终端8中进行显示。

场强测算分析模块4，用于从台站数据库3中获取需要计算的单频网各台站信息数据，并向地理信息处理模块6发出设置计算范围及计算精度的消息，并获取地理信息数据；结合台站数据计算单频网各台站到每个栅格的场强值，将计算的场强值结果发送给信号合成分析模块5。

信号合成分析模块5，运用蒙特卡罗算法根据系统计算精度的要求，对每个栅格点的场强值进行抽样仿真，对每个栅格点的各场强值进行合成分析，最终得到该栅格点的覆盖概率，最后将栅格点的覆盖概率发送给地理信息处理模块6进行栅格点颜色值计算。

本发明运用蒙特卡罗算法进行信号合成分析，充分考虑了电波传播预测场强随地点变化成正态分布的统计特性及单频网覆盖信号的网络增益特点，能够直接推算出信号覆盖的地点概率，直观、准确。

另外，本实施例在可运用的ITU-R P.370、ITU-R P.1546、ITU-R P.526、Okumura-Hata等电波传播预测模型中选用了Okmura-Hata模型。目前数字电视单频网的运用和实施尚处在不断的研究和试运行阶段，还没有在全国广泛开展，只集中在我国的省会城市及部分经济较发达、人口密集的地级城市，本实施例选用的Okmura-Hata模型充分考虑了城市建筑覆盖物、接收区域对电波传播的影响，适合城市及人口密集地区场强预测。

另外，本发明中运用了地理信息技术在地理信息处理基础平台上进行运算和分析。本发明中地理信息模块6采用的是MAPGIS基础地理平台进行地图等地理信息数据的存储、显示、获取和分析，并在终端进行分析结果的显示。采用地理信息技术能够更精确的分析与单频网相关地理数据，进行准确的场强计算，并且采用地理地图和栅格图层的显示方式能够能清晰查看分析结果。

另外，本发明通过在电子地图上新生成的栅格网图层着色进行显示数字单频网信号覆盖质量测算结果。利用生成栅格网图层进行着色的方法，用户可以自定义栅格网的大小、密度，不仅灵活、实用；而且栅格着色方法简单、快速，解决了使用矢量图层无法进行大密度计算并着色输出的问题。

参考附图1和2，本发明实施例的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法的流程图，该方法包括下列步骤：

步骤100：启动系统，加载单频网信息、台站信息及相关城市地图数据，地图数据包括矢量地图、栅格地图、影像地图和地物地图等。采用地理信息技术，能够在地图上直观显示单频网中台站位置等信息。

步骤101：用户选择一个需要计算的单频网。

步骤102：根据所选择的单频网在台站数据库3中计算筛选与该单频网台站可能存在同、邻频干扰的相关台站，并显示在电子地图上。

其中，在步骤102中，相关台站的筛选条件有两个：

(1)根据系统设置的干扰半径默认值，选择与该单频网中心点的距离小于干扰半径的台站。单频网中心点是指该单频网所有台站组成的多边形的几何中心点。

(2)选择频率与该单频网台站频率相同或相差+/-8MHz的台站。

步骤103：用户设置生成栅格网图层的相关参数，包括设置生成栅格网图层的范围及每个栅格的大小。

步骤104：通过地理信息处理模块6从地理信息数据库7获取地理信息数据，包括地图范围、所筛选的单频网台站和相关台站地理位置，并从台站数据库3获取单频网台站及相关台站信息。

步骤105：通过地理信息处理模块6按照栅格地理底图坐标范围计算出网格数量，并生成栅格网格图层。生成的栅格网图层由很多栅格组成。

数字单频网信号覆盖质量测算结果是通过在电子地图上新生成的栅格网图层着色进行显示的。利用生成栅格网图层进行着色的方法，用户可以自定义栅格网的大小、密度，不仅灵活、实用；而且栅格着色方法简单、快速，解决了使用矢量图层无法进行大密度计算并着色输出的问题。

步骤106：根据生成栅格的数量进行循环，判断是否还有未计算的栅格，如果是，则执行步骤107，通过场强测算分析模块4计算各台站到某个栅格场强值；否则，执行步骤111，结束计算。

步骤108：通过信号合成分析模块5对该栅格中各信号场强值进行合成分析，得出该栅格中单频网信号的覆盖概率值。

本发明运用蒙特卡罗算法进行信号合成分析，充分考虑了电波传播预测场强随地点变化成正态分布的统计特性及单频网覆盖信号的网络增益特点，能够直接推算出信号覆盖的地点概率，直观、准确。

步骤109：将步骤108计算的覆盖概率值与系统定义的颜色对照范围相比较，按照覆盖率值比对出该栅格的颜色值。

步骤110：利用地理信息处理模块6将该栅格进行着色，并显示输出。

如图2所示，详细说明了步骤107的工作流程。执行步骤106后，如果是，则执行步骤201。

步骤201：由用户设定计算模型，本实施例在可运用的ITU-R P.370、ITU-RP.1546、ITU-R P.526、Okumura-Hata等电波传播预测模型中选用了Okmura-Hata模型。该模型充分考虑了城市建筑覆盖物、接收区域对电波传播的影响，适合城市及人口密集地区场强预测。

步骤202是判断是否还有未计算的单频网台站及相关台站，如果是，则执行步骤203，计算某个台站到该栅格场强；否则，执行步骤205，输出场强值。

其中，步骤203运用的场强计算公式如下：

(1)衰减计算

Lf＝69.55+26.16*lg f-13.82*lg Hb+(44.9-6.55*log Hm)*lg d-a(Hm)+Az(f)其中：

Lf为准平坦地形市区的地形地貌条件下的传播损耗，单位为dB；

f为发射频率(freq)，单位为MHz；

d为预测距离(path_length)，单位为Km，可根据发射点经纬度和接收点经纬度计算求得；

Hb为发射天线有效高度，单位为m，约等于台站海拔(altitude)加天线高度(antenna_h)之和；

Hm为接收天线高度(mobile_antenna_h)，单位为m；

a(Hm)是与接收天线高度有关的修正因子，单位为dB；

Az(f)地面覆盖物衰减，单位为dB。

(2)a(Hm)

If接收点地域信息为小城市

a(hm)＝[1.1*lg f-0.7]*h_m-[1.56*lg f-0.8]

If接收点地域信息为大城市

f≤200MHz  a(hm)＝8.29*[lg(1.54*h_m)]²-1.1

f≥200MHz  a(hm)＝3.2*[lg(11.75*h_m)]²-4.97

其中：Hm表示接收天线高度，单位m。

(3)Az(f)

If接收点覆盖信息为城市地区

Az(f)＝0

If接收点覆盖信息为郊外偏远地区

Az(f)＝-2.0*lg(f/28)²-5.4

If接收点覆盖信息为郊区或开阔地

Az(f)＝-4.78*lg(f)²+18.33*lg f-35.94

If接收点覆盖信息为农村地区

Az(f)＝-4.78*lg(f)²+18.33*lg f-40.944

其中：f表示预测频率，单位MHz。

场强计算Pr＝P-Lf

其中：Pr为预测的接收场强，单位dBw；Lf为传输损耗，单位dB；P为有效发射功率，单位dB。由发射机功率Power(kW)、发射机增益Gs(dB)、馈线损耗L(dB)、接收天线增益Gr(dB)得出：

$P=10\lg \left(\frac{\mathrm{Power}}{1}\right)+60+\mathrm{Gs}-L-\mathrm{Gr}$

(5)单位换算。

E＝Pr+20log f+77.2

E为预测的接收场强，单位dBuV/m。

步骤204：保存场强计算结果。

步骤205：将场强计算结果及台站参数、栅格地理信息输出给信号合成模块5。

如图4所示，详细说明了步骤108的工作流程。执行步骤107后，具体执行下列步骤：

步骤301：设置合成参数，包括对抽样仿真精度、保护间隔、最低可用场强、单频网的接收模式进行设置。单频网的接收模式包括“最优模式”和“最先模式”，“最优模式”是指在接收多个单频网信号时，对于大于接收门限的信号以最优(即场强最大)的信号为参考信号；“最先模式”是指在接收多个单频网信号时，对于大于接收门限的信号以最先达到(即延时最小)的信号为参考信号。

在所设定的预测范围内的任何一点都有可能收到来自单频网台站及相关台站的信号，必须对所收到的信号的性质进行判断。

步骤302：判断从步骤107获取的场强的性质，即为有用信号或有害信号。首先定义来自相关台站的信号为有害信号，来自单频网台站信号性质的判断方法如下：

假设：t＝d/v

其中：t为单频网台站信号到达该点的时间，单位为秒；

d为单频网台站信号到达该点的距离，单位为千米；

v为光速，v＝3*10⁵千米/秒。

若在步骤301中，单频网接收模式为“最优模式”，以单频网台站信号中场强值最大的信号为基准，计算其到达时间t_best，如果其他单频网台站信号的到达时间t_best-Δ≤t≤t_best+Δ，则该场强为有用场强，否则为有害场强。

若在步骤301中，在单频网接收模式为“最先模式”，以单频网台站信号中场最先到达的信号为基准，计算其到达时间t_first，如果其他单频网台站信号的到达时间t_first≤t≤t_first+Δ，则该场强为有用场强，否则为有害场强。

Δ为单频网保护间隔，在步骤301中设置。

步骤303：根据步骤301中设置的抽样仿真的精度和台站的数量生成n组包含m个数值的随机数(m＝抽样精度，n＝台站数量)，其中用信号随机数分别保存至aF_i ^use[m]中，有害信号随机数分别保存至bF_i ^int[m]中(a+b＝n)。随机数的生成方法如下：

信号场强的dB值随地点概率变化是符合正态分布的随机数，正态分布随机变量的概率密度函数为：

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&sigma;}}^2}}\exp \{-\frac{{(x-\mathrm{\&mu;})}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}\},(-\&infin;<x<+\&infin;)$

其中：μ为期望值，它的取值为107步骤获取的场强值；σ²为方差，它的取值为5.5(此为经验值)。符合该密度函数的随机变量η＝ξσ+μ。

其中：ξ为标准正态分布N(0，1)随机数。

$\mathrm{\&xi;}=\sqrt{12n}(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i-\frac{1}{2})$

其中：r_i为[0，1]区间均匀分布的随机数。该公式产生的随机数的范围是(-∞，+∞)，但正态分布的3σ原则告诉我们正态随机变量99.7％的取值都在区间(μ-3σ，μ+3σ)内，只有0.003的可能性会发生意外，所以根据3σ及提高计算机随机数的生成效率，我们将正态变量的取值空间扩大到(μ-6σ，μ+6σ)，即令n＝12，这样就将出错率就降到了10^-8。

本系统采用了c++/c标准库中定义的随机数生成函数

Int rand(void)：每次调用返回【0，RAND_MAX】之间的整数；

Void srand(unsigned seed)：设置随机数种子。

该算法使用线性同余算法，是质量和周期比较好的一种随机数生成算法。在vc实现的该算法中线性迭代公式为：

a_i+1＝a_i*0x343FD+0x269EC3

out＝(a_i+1＞＞0x10)&0x7fff

该随机数周期经实验约21*108和抽样精度相比较可以达到要求。根据时钟每次产生不同的种子可生成所需随机序列。

步骤304：根据抽样精度判断是否还有未完成合成的抽样点，如果是，则执行步骤305，信号合成；否则，执行步骤306，统计覆盖概率。

步骤305：根据步骤302判断的信号性质将步骤303生成的n个随机数组分别进行合成，合成方法如下：

(1)进行单位转换。将a组有用信号的每一个随机数aF_i ^use[m]和b组有害信号的每一个随机数bF_i ^int[m]变换为功率形式P(有用)和P(有害)；公式如下：

jP^use[i]＝10^F[i]/10

kP^int[i]＝10^{(F[i]+Pro_Rations)/10}

其中，Pro_Rations为有害场对有用场的保护率，在步骤301中设置。

(2)将a组有用信号的功率P^use[i]进行求和，即将a组有用信号数组中的每个值进行求和，形成一个数组：

$P^{\mathrm{use}}\left[i\right]=\underset{j=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j^{\mathrm{use}}\left[i\right]$

(3)将b组有害信号的功率P^int[i]进行求和，再加上最低可用场强(单位dB)，形成一个数组：

$P^{\mathrm{int}}\left[i\right]=\underset{k=1}{\overset{b}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j^{\mathrm{int}}\left[i\right]+{10}^{\frac{\mathrm{threshold}}{10}}$

其中，threshold为最低可用场强，在步骤301中设置。

(4)覆盖效果分析，要到的良好的预收效果需要满足：

P^use[i]≥P^int[i]。

(5)统计概率值，统计出符合上述条件的随即数在随机数组总数中所占的比例即得到了这一栅格的单频网覆盖地点概率。

步骤307：输出覆盖概率值给步骤109。

综上所述，依照本发明的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，运用蒙特卡罗算法充分考虑了电波传播预测场强随地点变化成正态分布的统计特性及单频网覆盖信号的网络增益特点对单频网信号进行合成。这种方法是除了确定性的方法(数值积分)外，可获得的评估覆盖率最精确的方法。该方法能够直接推算出信号覆盖的地点概率，直观、准确。运用GIS技术对地理信息进行处理可对覆盖及干扰效果进行直观的显示，在场强计算中充分利用了地形、覆盖物等信息，使计算结果更加准确。运用栅格网图层着色的方法进行覆盖效果的显示，克服了矢量图层占用内存大、显示速度慢、矢量块大等缺点，有效提高了显示速度及显示效果。

以上是为了使本领域普通技术人员理解本发明，而对本发明所进行的详细描述，但可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A：地理信息处理模块根据场强测算分析模块所发消息中包含的计算范围及计算精度信息在计算范围的地理区域内生成栅格网图层，并从地理信息数据库中调取栅格网中每个栅格中心点的地理信息给场强测算分析模块；

步骤B：场强测算分析模块获取需要计算的单频网各台站信息数据及每个栅格中心点的地理信息后，计算单频网台站到每个栅格的场强值，将计算的场强值结果发送给信号合成分析模块；

步骤C：信号合成分析模块对每个栅格点的场强值进行抽样仿真，对每个栅格点的各场强值进行合成分析，得到该栅格点的覆盖概率，并将栅格点的覆盖概率发送给地理信息处理模块；

步骤D：地理信息处理模块根据各栅格点的覆盖率值进行栅格点颜色值计算，并对栅格网中各栅格点进行着色，着色后覆盖在电子地图上输出显示。

2.如权利要求1所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，在所述步骤B中，运用ITU-R P.370、ITU-R P.1546、ITU-R P.526、Okumura-Hata电波传播模型计算单频网台站到每个栅格的场强值。

3.如权利要求1所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，在所述步骤C中，运用蒙特卡洛算法对每个栅格点内的各场强值进行合成分析。

4.如权利要求1所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，在所述步骤A中，运用GIS技术对地理信息处理模块进行处理。

5.如权利要求1所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，在所述步骤D中，运用逐个栅格着色，显示单频网覆盖效果。

6.如权利要求1至5中任一项所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，还可以包括下列步骤：

预先收集单频网台站的相关信息，并将相关信息进行分类处理，台站数据库存储分类处理后的数据。

7.如权利要求1至5中任一项所述的数字单频网信号覆盖质量测算评估方法，其特征在于，在所述步骤D中，在着色后输出栅格网图层后，进一步包括下列步骤：将输出结果覆盖在电子地图上，在终端中进行显示。

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