Исследование методик оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций на основе геоинформационной системы
На правах рукописи
Бактеев Владимир Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ СТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Специальность: 05.12.13 – «Системы, сети и устройства телекоммуникаций»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск 2011
Работа выполнена в ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики».
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Носов Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Мелентьев Олег Геннадьевич
кандидат технических наук
Бондин Сергей Викторович
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
Защита состоится «19» декабря 2011 г. В 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 219.005.01 при ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» по адресу: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОБУ ВПО «СибГУТИ».
Автореферат разослан «09» ноября 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д. 219.005.01
д.т.н., профессор ____________Г.В. Мамчев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Существующая прак ти ка планирова ни я ра зви тия передающей сети радиовещания, исходит из принципа по этапного р ешения за дачи. На перво м этапе на основ е а нализа факторов полити ческого, экономи ческого, социального характера с учетом геогра фии и особенностей местности опр еделя ются количество, месторасположения и ра змер ы требу емых зон обслуживания планируемых радиовещательных станций, котор ые обеспечивают необходим ый охват территории (или населе ния) ТВ веща нием с задан ным каче ством и числом программ.
На втором этапе решается задача определения оптимальных параметров радиовещательных станций, которые обеспечивают требуемые размеры зон обслуживания. Такая задача возникает при планировании сетей наземного телевизионного вещания, при строительстве новых или реконструкции действующих передающих станций. Особенную важность данная задача приобретает при переходе на цифровое телевизионное вещание.
Данные проблемы нашли отражение в работах Arno G., Heil W., Jensen T. R., Struzak R.G., Gamst.A., Быховского М.А., Дотолева В.Г., Шура А.А., Зубарева Ю.Б., Гитлица М.В., Носова В.И., Зеленина А.Ю., Тигина Л.В.
Каждый из ука занных этапов задачи является по сущес тву самостоятельной сложн ой и трудоемкой проблемой, эффективное решение котор ых возможно только при использова нии формализова нн ых процедур ориентированных на прим енение ЭВМ.
Для определения оптимального местоположения радиотелевизионных передающих станций (РТПС) необходимо производить расчёт напряжённостей полей сигналов и помех с учётом реального рельефа местности, т.е. путём построения профилей интервалов в направлении от местоположения станции до границы зоны вещания.
Решение задачи оптимизации местоположения РТПС с учётом реального рельефа местности возможно только путём разработки соответствующих методик и автоматизированной системы с использованием геоинформационной системы. При разработке данной проблемы автор опирался на работы Шура А.А., Носова В.И.
В настоящее время почти отсутствуют исследования, посвященные влиянию реального рельефа местности на эффективность использования технических параметров радиовещательных станций.
В рекомендациях МСЭ – Р и проекте ГОСТ РФ по сетям цифрового телевизионного вещания, использование рельефа местности ограничивается расчётом эффективной высоты передающей антенны в 36 направлениях от передающей станции к приёмникам. Именно это и используется в большинстве работ посвящённых исследованию способов оптимального построения сетей наземного телерадиовещания.
При наличии геоинформационной системы целе сообразна ра зработка способов представле ния и оц енки каче ства об служивания и охвата т ерр итории и населения эфирным радиовещани ем. К данным спо собам можно отнести опр еделение об ласт ей обслуживаемых неэффективно ( зо ны тени, области перекрытия зон обслуживания соседних станций).
Геоинформационная система по зволит та кже ис следовать методы оптимизации местополож ения пер еда ющей станции и eе техниче ских параметров (и злуча емой мо щно сти, вы соты под веса антенны). При этом мож но также провести оптимизацию технических параметров и местоположения группы передающих станций.
Для реализации этих оптимизационных задач необходимо разработать методики и автоматизированную систему с использованием геоинформационной системы.
Цель работы и задачи исследования
Целью настоящей работы является исследование и разработка методик, позволяющих оптимизировать технические параметры и местоположение радиотелевизионных передающих станций сетей наземного цифрового телевизионного вещания. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
- Разработать методику сравнения характеристик передающих станций аналогового и цифрового телевизионного вещания;
- Разработать методику определения зон обслуживания и зон тени для цифрового наземного вещания по профилям лучей;
- Разработать методику оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;
- Разработать методику определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;
- Разработать методику определения оптимальных параметров и местоположения группы радиотелевизионных передающих станций;
- Разработать алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.
Методы исследования
Для решения поставленных задач используются методы статистической радиотехники, теории вероятностей, математического моделирования, теории распространения радиоволн. Часть результатов получена в среде MathCAD. Для подтверждения полученных теоретических результатов разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы для оптимизации параметров радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы. С использованием разработанной системы выполнены экспериментальные исследования.
Научная новизна результатов работы
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методик оптимизации параметров и характеристик радиотелевизионных передающих станций с учётом реального рельефа местности и состоит в следующем:
1 Разработана методика для определения зон вещания и зон тени передающей станции по профилям, построенным с использованием ГИС, которая позволяет учесть влияние реального рельефа местности на зону обслуживания;
2 Разработана методика оптимизации высоты подвеса антенны и мощности передающей станции по предложенным критериям минимума удельных затрат и максимума коэффициента использования станции, учитывая профили лучей;
3 Разработана методика для определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции, которая позволяет с учётом рельефа местности, по предложенным критериям выбрать наилучшее положение из нескольких планируемых мест установки станции;
4 Разработана методика для оптимизации технических параметров и местоположения группы планируемых станций в окружении действующих станций с учётом степени покрытия заданной территории и степени перекрытия зон соседних станций. При отыскании минимума целевой функции произведена многопараметрическая оптимизация с использованием градиентного метода.
Практическая ценность результатов
Разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы оптимизации параметров и местоположения радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы.
Проведенные исследования, разработанные методики и автоматизированная система используются при выборе оптимального местоположения и характеристик радиотелевизионных передающих станций в сибирском филиале ФГУП РТРС, что подтверждается актом использования результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре систем радиосвязи (СРС) и подтверждены актом внедрения.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2008 г.;
- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2009 г.;
- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2010 г.;
- Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», ГОУ ВПО «СибГУТИ», г. Новосибирск, 2011 г.;
- Научный семинар ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2010 г.;
- Научный семинар кафедры СРС ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2011 г.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1 Методика определения зон обслуживания и зон тени для наземного цифрового вещания по профилям лучей;
2 Методика оптимизации технических параметров радиотелевизионной передающей станции;
3 Методика определения оптимального местоположения радиотелевизионной передающей станции;
4 Методика определения оптимальных параметров группы радиотелевизионных передающих станций, устанавливаемых в окружении действующих станций.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в их числе 4 статьи (из них одна в журнале из списка ВАК) и 5 тезисов докладов.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Она содержит 141 страницу машинописного текста, 54 рисунка, 28 таблиц. В библиографию включены 57 наименований.
Достоверность полученных результатов
Обеспечена корректным применением методов математического моделирования, теории вероятности, а также согласованностью теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований программных реализаций разработанных методик.
Краткое содержание работы
Во введении приводится существующее положение в наземном радиовещании, анализируются используемые в настоящее время методы оптимизации расположения и технических характеристик передающих телевизионных станций. Сформулированы цели и задачи диссертационного исследования, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены научные результаты, выносимые на защиту, указаны состав и структура диссертации.
В первой главе рассматриваются технические основы планирования сети цифрового телевизионного вещания.
Описаны кривые распространения и таблицы рекомендации P.1546-1 МСЭ – Р, по которым рассчитывается напряженность поля сигнала и помехи. Приведено определение основных параметров радиовещательных станций.
Рассмотрены технические характеристики наземного цифрового телевизионного вещания DVB – T. Проанализированы технические основы планирования сетей наземного цифрового ТВ вещания. В результате выбраны исходные соотношения и основные характеристики, необходимые для проведения дальнейших исследований.
Во второй главе анализируется расчёт напряжённостей полей сигналов и помех с учётом профилей интервалов, построенных в направлении от местоположения станции до границы зоны вещания и условие, что при телевизионном вещании высота приемной антенны h2 много меньше высоты передающей антенны h1.
На открытых интервалах, когда величина просвета 
, выражение для определения напряжённости поля сигнала при эффективной излучаемой мощности передающей станции 
можно записать
(1)
Из формулы (1) следует, что при 
интерференционная картина поля исчезает и далее поле монотонно убывает с увеличением расстояния между антеннами. Так как при расстояниях менее 4 км напряженность поля сигнала значительно превышает минимальную напряженность поля, то при проведении оптимизации технических параметров и местоположения РТПС интерференционную картину напряженности поля можно не учитывать. Именно это условие предлагается в дальнейшем использовать при расчете напряженности поля.
Для определения зоны обслуживания и координационного расстояния между полезной и мешающей станциями, необходимо рассчитать напряженности полей сигнала и помехи, для которых на границе зоны обслуживания должны выполняться два условия
(2)
где Емин дБ(мкВ/м) – минимальная напряженность поля сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается требуемое качество изображения, при отсутствии помех от других станций; Ес, Еп дБ(мкВ/м) – напряженности полей сигнала и помехи в рассматриваемой точке; Аз (дБ) – требуемое защитное отношение сигнала к помехе на границе зоны обслуживания.
Известно, что радиоволны III V диапазонов, используемые для цифрового ТВ вещания, распространяются в пределах прямой видимости 
, поэтому считается, что радиус зоны обслуживания ограничивается именно этим расстоянием. Это объясняется тем, что за радиогоризонтом, т. е. при 
довольно резко понижается качество приема вследствие того, что напряженность поля сигнала, определяется отражением радиоволн от неоднородностей тропосферы.
Поэтому при разработке методики сравнения технических параметров передающих станций аналогового и цифрового вещания радиус зоны обслуживания 
передающей станции предложено принять равным расстоянию прямой видимости 
. Именно это условие принято при всех дальнейших исследованиях.
Передающая станция должна иметь такую необходимую излучаемую мощность 
, которая обеспечивает минимальную напряжённость поля на расстоянии прямой видимости
(3)
где 
– напряжённость поля сигнала, определяемая из кривых МСЭ – Р или соответствующих им таблиц, дБ(мкВ/м).
Из (3) можно определить необходимую излучаемую мощность передающей станции, при которой обеспечивается минимальная напряжённость поля на границе зоны обслуживания
(4)
В соответствии с выражениями (2) и (3) можно определить координационное расстояние 
, на которое необходимо разнести полезный и мешающий передатчики, чтобы зона обслуживания полезного передатчика не изменилась при воздействии помехи
(5)
где 
– защищённость приёмной антенны.
Напряжённость поля мешающего сигнала в (5) можно определить из выражения
(6)
где 
– напряжённость поля помехи, определяемая для процента времени 
= 10 % или 1 %.
С учётом (5) и (6) выражение для определения расстояния 
от границы зоны обслуживания полезного передатчика до местоположения мешающего передатчика можно записать
(7)
Для оценки радиуса зоны вещания РТПС при цифровом ТВ вещании предлагается следующая методика.
При аналоговом телевизионном вещании с увеличением расстояния между передатчиком и приёмником качество приёма плавно переходит от хорошего к удовлетворительному, а затем к неудовлетворительному. Поэтому для аналогового вещания граница зоны обслуживания определяется расстоянием прямой видимости.
В цифровых же системах вещания прием телевизионной программы полностью пропадает при снижении принимаемого сигнала примерно на 1 дБ ниже минимальной напряженности поля. В диссертации показано, что при изменении величины просвета от 
до 
напряженность поля сигнала уменьшается на 7 – 15 дБ. А так как минимальная напряжённость поля для цифровой системы вещания принимается равным его пороговому значению, то границей зоны обслуживания 
будет являться такое расстояние между передающей и приёмной антеннами, при котором величина просвета равна критическому его значению 
.
В ТВ вещании высота передающей антенны 
всегда больше высоты приёмной антенны 
= 10 
м. Для этого условия нетрудно показать, что точка отражения при 
будет находиться возле приёмной антенны и максимальная величина просвета при этом будет равна высоте приёмной антенны 
м.
С учётом вышеизложенного в диссертации показано, что радиус зоны обслуживания при цифровом ТВ вещании будет равен
(8)
Учитывая расстояние прямой видимости 
и уравнение (8), определим степень уменьшения зоны обслуживания передатчика цифрового телевизионного вещания относительно зоны обслуживания передатчика аналогового телевизионного вещания
(9)
Таким образом, при одинаковых высотах подвеса передающих и приёмных антенн, радиус зоны обслуживания передатчика цифрового телевизионного вещания на 20 % меньше радиуса зоны обслуживания передатчика аналогового телевизионного вещания.
В соответствии с формулами (4) и (9) необходимо взять такую необходимую излучаемую мощность передающей станции
(10)
которая обеспечила бы минимальную напряжённость поля на расстоянии
(11)
таким образом, с учётом выражения (11) имеем
(12)
Расчёты, проведённые по предложенной методике с использованием кривых распространения МСЭ – Р, показали, что при переходе на цифровое ТВ вещание при обеспечении на границе зоны обслуживания требуемого качества приёма и сохранении неизменной зоны обслуживания передатчика мощность передатчика может быть уменьшена в 5 раз (на 7 дБ).
В третьей главе при учете рельефа местности предложены и разработаны методики для определения:
– Зон тени и зон обслуживания РТПС;
– Оптимальных технических параметров РТПС;
– Оптимального местоположения РТПС;
– Оптимальных технических параметров и местоположения группы планируемых РТПС.
Основной проблемой при проектировании сети наземного телевизионного вещания является определение реальной зоны обслуживания РТПС и решение на ее основе задачи оптимизации технических параметров и местоположения станции. В проекте ГОСТ по цифровому ТВ вещанию записано «реальная зона обслуживания, т.е. совокупность мест, где обеспечивается надлежащее качество приёма, в действительности может быть определена после ввода передающей радиостанции в действие на основании результатов обследований условий приёма сигналов этой радиостанции на местности».
В диссертации предлагается определять реальную зону обслуживания путём расчётов зон обслуживания и зон тени с использованием геоинформационной системы. Расчёт зон обслуживания и зон тени должен производиться по профилям интервалов, построенным с использованием географической информационной системы для каждого направления от передающей станции к приёмной установке. Только определив зоны обслуживания и зоны тени можно оптимизировать технические характеристики и местоположение передающей станции.
В диссертации предложены критерии, которые используются для оптимизации технических параметров и местоположения РТПС.
В качестве первого критерия оптимизации, связанного с высотой подвеса передающей антенны и излучаемой мощностью станции, предлагается коэффициент удельных капитальных затрат, зависящий от капитальных затрат на антенную башню К(h1), на передатчик 
и от площади зоны покрытия, определяемой радиусом зоны обслуживания 
(13)
При этом оптимальным значением высоты подвеса антенны будет такое её значение, при котором обеспечивается минимум удельных капитальных затрат.
В качестве второго критерия оптимизации, связанного с площадью зоны вещания станции предлагается коэффициент использования станции, определяемый отношением площади зоны вещания станции к максимальной площади зоны обслуживания
(14)
С использованием предложенных критериев оптимизации и методики, изложенной во второй главе диссертации, были получены зависимости параметров РТПС от высоты подвеса антенны без учёта рельефа местности (рисунок 1).
Из рисунка 1 видно, что удельные капитальные затраты имеют минимальное значение при высоте антенны h1 80 м и мощности передатчика 
= 1,2 кВт.
Представляет интерес определить зависимость относительных удельных капитальных затрат и коэффициента использования станции при обеспечении радиуса зоны обслуживания меньше расстояния прямой видимости. Такая ситуация будет при выборе мощности передатчика меньше необходимой. Результаты расчетов такой зависимости приведены на рисунке 2.
Рисунок 1 – Зависимость необходимой мощности передатчика Рпд (кВт) (график 1), зоны обслуживания станции Sз (км2) (график 2), суммарных затрат на станцию К (101 млн.руб.) (график 3) и удельных затрат на станцию Куд ст (тыс.руб./км2) (график 4) от высоты подвеса антенны (м)
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента использования станции (график 1) и относительных удельных затрат (график 2) от относительного радиуса зоны обслуживания
Из рисунка 2 следует, что при заданном значении высоты подвеса антенны использовать излучаемую мощность меньше необходимой нецелесообразно не только из-за уменьшения коэффициента использования станции, но и из-за увеличения удельных капитальных затрат. Так, при уменьшении радиуса зоны обслуживания на 10 процентов коэффициент использования станции уменьшается на 19 процентов, а удельные капитальные затраты увеличиваются на 23,5 процента.
По методике МСЭ – Р при учете рельефа местности для каждого из секторов, число которых равно 36, определяется эффективная высота подвеса антенны и по кривым распространения определяется радиус зоны обслуживания в каждом секторе (рисунок 3).
Рисунок 3 – Определение зоны обслуживания станции
В соответствии с рисунком 3 площадь зоны покрытия РТПС
(15)
Однако такая методика не позволяет определять зоны тени, появляющиеся в зоне обслуживания из-за изменения рельефа местности.
Поэтому предлагается другая методика для определения зон тени и зон вещания внутри зоны обслуживания станции. Данная методика основана на построении профилей интервалов для каждого направления на приемные станции (рисунок 4). Данная методика основана на результатах анализа профилей интервалов, проведенного во второй главе диссертации.
При этом зона обслуживания станции определяется как сумма площадей зон вещания и зон тени
(16)
Рисунок 4 – Определение зон вещания и тени на профиле интервала
Если внутри зоны обслуживания выполняется условие 
, то такие области относятся к зоне вещания, если же 
, то такие области относятся к зонам тени.
Полученные во второй главе диссертации соотношения позволяют определить для каждого профиля элементарные участки Rэ, которые относятся либо к зоне вещания
(17)
либо к зоне тени
(18)
Обозначим расстояние между соседними лучами через Rмл, тогда в соответствии с (17) и (18), можно определить площадь зон вещания и тени по каждому из i лучей
(19)
Суммарную зону вещания и зону тени РТПС можно найти путём суммирования зон вещания и тени по всем i лучам
(20)
Необходимое число профилей для расчета зон вещания и зон тени было определено для большого числа станций разных регионов (рисунок 5).
Рисунок 5 – Зависимость площади затененных областей от количества профилей
При количестве профилей равном М = 720 среднее значение и дисперсия площадей зон тени изменилась, по сравнению с предыдущим их значением М = 710, менее чем на 1 %. Это число профилей и было принято достаточным и использовалось при всех дальнейших расчетах.
С учетом рельефа местности оптимальное значение удельных затрат на станцию (13) примет вид
(21)
А коэффициент использования станции (14)
(22)
На рисунке 6 приведён пример определения зон обслуживания, вещания и тени РТПС с использованием разработанной автоматизированной системой «Интеграция».
Проведенные с использованием предложенной методики и разработанной автоматизированной системы расчеты для холмистой местности для 5 точек показали что, оптимальные значения удельных затрат на станцию Куд = 1,2 – 2,6 тыс.руб/км2 получаются при высоте подвеса антенн h1 = 78 – 120 м и коэффициенте использования станции Qст = 0,61 – 0,87.
На основе предложенных критериев оптимизации с использованием разработанной методики определения зон обслуживания и зон тени можно реализовать оптимизацию местоположения РТПС. Суть такой методики оптимизации заключается в том, что в окрестности предполагаемого или существующего местоположения РТПС выбирается 
наиболее высоких точек рельефа местности. При заданной высоте подвеса передающей антенны h1 для каждой из этих точек по формулам (19) и (20) определяются зоны вещания 
и зоны тени 
.
Рисунок 6 – Зоны обслуживания (белая линия), вещания (незаштрихованная область) и тени (заштрихованная область) передающей станции (горная местность)
При проведении оптимизации местоположения РТПС определение коэффициента использования станции Qст предлагается проводить относительно максимальной зоны покрытия станции, которая определяется расстоянием прямой видимости. При этом оптимальной точкой расположения РТПС будет та точка, в которой выполняется условие
(23)
При проведении оптимизации местоположения РТПС определение удельных капитальных затрат на станцию предлагается проводить в соответствии с формулой (21). При этом оптимальной точкой расположения РТПС будет та точка, в которой выполняется условие
(24)
С использованием предложенной методики и разработанной автоматизированной системы в окрестности г. Ленинск-Кузнецкого были выбраны семь различных точек расположения РТПС и для них с помощью автоматизированной системы проведены расчёты зон обслуживания, вещания и тени. Полученные зависимости коэффициента обслуживания станции и удельных капитальных затрат от высоты подвеса антенны приведены на рисунках 7, 8.
Из рисунка 7 следует, что наиболее удачной точкой расположения РТПС является точка 1, так как в ней наиболее полно используются энергетические параметры станции – площадь зоны обслуживания составляет 91 – 96 % от максимально возможной площади. Из рисунка 8 следует, что наиболее удачной точкой расположения РТПС является также точка 1 до 127 м, так как в ней наименьшая из всех точек расположения удельные затраты на станцию составляют от 1,2 до 1,55 тыс.руб/км2 дальше точка 5.
Рисунок 7 – Зависимости Qст от высоты подвеса передающей антенны
Рисунок 8 – Зависимости Куд ст от высоты подвеса передающей антенны
Для обеспечения различных требований к вводу в действие сетей цифрового ТВ вещания МСЭ – Р были разработаны эталонные одночастотные сети. В диссертации рассматривается эталонная одночастотная сеть (ОЧС) с большой зоной обслуживания, состоящая из семи передатчиков, расположенных в центре и в вершинах шестиугольной решетки, которая согласно рекомендации МСЭ – Р имеет: расстояние между передатчиками d = 70 км, диаметр зоны обслуживания D = 161 км, высоту передающей антенны h1 вар1 = 150 м, эффективную излучаемую мощность в IV – V диапазонах 
12,8 дБкВт. Такую эталонную сеть ОЧС МСЭ – Р обозначим как вариант 1.
Для определения оптимальных параметров передающих станций в такой эталонной одночастотной сети предлагается следующая методика. Оптимизируемые параметры в этом случае обозначим как вариант 2. Исходя, из расстояния между передатчиками d = 70 км определим радиус зоны обслуживания станции 
С учетом того, что при ЦТВ радиус зоны обслуживания составляет 
, определим необходимую высоту антенны
(25)
Из (25) следует, что необходимая высота антенны в варианте 2 составляет 
= 82,68 м. Далее определим необходимую излучаемую мощность станции
(26)
которая для варианта 2 равна 
дБкВт. Далее по известным значениям излучаемых мощностей станции в вариантах 1 и 2, определим мощности передатчиков 
, 
. Т.е. для обеспечения одинакового радиуса зоны обслуживания в варианте 2 из-за уменьшения высоты антенны необходимо увеличить мощность передатчика в 3,2 раза.
Теперь оценим эти два варианта построения сети по предложенным в диссертации критериям коэффициенту использования станции и удельным капитальным затратам. При одинаковом радиусе зон обслуживания коэффициент использования станции составляет в первом варианте 
, а во втором 
. Т.е. в первом варианте коэффициент использования параметров (высоты антенны, излучаемой мощности станции) используется всего на 40,5 %, тогда как во втором – на 100 %. Удельные капитальные затраты в первом варианте 
5 тыс. руб/км2, а во втором – 
1,6 тыс. руб/км2, т.е. удельные затраты во втором варианте в 3,125 раза ниже, чем в первом варианте.
Таким образом, использование предложенных критериев оптимизации и разработанных методик, позволило оптимизировать параметры эталонной одночастотной сети МСЭ – Р.
В третьей главе также предложена методика решения задачи оптимизации высот подвеса антенны, излучаемой мощности и местоположения группы планируемых станций в сети цифрового ТВ вещания с учетом рельефа местности. В предложенной постановке задача еще не решалась. Актуальность решения такой оптимизационной задачи определяется тем, что при переходе на цифровое ТВ вещание будут широко использоваться зоны одночастотных сетей из нескольких станций, которыми будут заменяться одиночные станции с высокими антенными опорами и большой излучаемой мощностью. Для решения поставленной задачи предлагается следующая методика.
Пусть задана сеть S1, включающая N действующих станций с заданными координатами xi, yi и известными параметрами h1i, Pi. Необходимо построить в пределах сети S1 сеть S2, состоящую из М передающих станций с известными координатами xj, yj, для которых h1j, Pj не определены. Будем считать, что S2 строится внутри некоторого замкнутого выпуклого контура, который образуют N передатчиков сети S1.
В качестве целевой функции, подлежащей минимизации, используем предложенную во второй главе диссертации удельные затраты на станцию
(27)
где 
– суммарные затраты на планируемую сеть S2 и М передатчиков сети S1; 
– площадь, обслуживаемая сетью S2 и N передатчиками сети S1.
Площадь зоны обслуживания всех передатчиков сети
(28)
где 
– зона обслуживания i - го передатчика; Sij = Sпер – площадь перекрытия зон вещания соседних передатчиков.
Степень покрытия территории вещанием 
должна стремиться к единице, степень перекрытия зон обслуживания соседних станций не должна превышать 
. В диссертации выводятся выражения для определения площадей зон обслуживания, перекрытия (коэффициент 
), степени покрытия территории вещанием (коэффициент 
).
Проведённое рассмотрение планируемой и действующей сети показало, что в процессе решения задачи оптимизации высот подвеса антенн, излучаемых мощностей передатчиков и оптимизации местоположения планируемых станций необходимо осуществить многопараметрическую оптимизацию при отыскании минимума целевой функции
(29)
При проведении такой многопараметрической оптимизации предлагается использовать градиентный метод.
Пусть 
является точкой минимума функции 
. В некоторой окрестности М* существуют производные 
и M0 
– близкая к М* точка. Множество точек
(30)
является поверхностью равного уровня. Нормальный вектор к этой поверхности 
называется градиентом
(31)
Градиент направлен в сторону наибольшего возрастания функции F, в силу чего для минимизации используем вектор – grad F.
Линией уровня функции F (изолинией) называется любое множество вида 
. Каждому значению c отвечает своя линия уровня.
Пусть L – траектория, соединяющая точки М0 и М*, вдоль которой функция F убывает наиболее быстро, определяется уравнением
(32)
При 
, т.е. значению 
соответствует точка М0. Вектор скорости убывания вдоль L, 
коллениарен вектору – grad, откуда следует дифференциальное уравнение траектории
(33)
или
(34)
Аппроксимируя производные конечными разностями, получим систему разностных уравнений:
где 
; h – шаг разностной сетки.
Шаг h выбирается исходя из условия убывания функции на каждом этапе вычислений 
. Вычисление производных 
может оказаться трудоемкой задачей, поэтому допустимо численное определение:
(35)
но шаг дифференцирования должен быть существенно меньше шага разностной сетки h.
На основе предложенного метода оптимизации разработаны алгоритм и программное обеспечение, которые использовались для фрагмента сети ТВ станций. Были выбраны 12 контурных действующих передающих станций с заданными координатами, высотами подвеса антенн, излучаемыми мощностями и семь внутренних планируемых передающих станций, находящихся внутри этого контура, для которых производится оптимизация местоположения, высот подвеса антенн и излучаемых мощностей, степени покрытия территории и перекрытия зон соседних, передающих станций (рисунки 9, 10).
Рисунок 9 – Фрагмент сети с оптимизацией местоположений, высот подвеса антенн, излучаемых мощностей семи планируемых передатчиков
Рисунок 10 – Зависимость затрат на сеть на площадь покрытия от высоты подвеса станций
В результате проведенной оптимизации с использованием разработанных методик, градиентного метода и автоматизированной системы для рассматриваемого фрагмента сети получили: коэффициент использования станций Qст = 0,96, высота подвеса антенн h = 82 м, удельные капитальные затраты Куд = 2,07 тыс.руб/км2.
В четвертой главе на основе предложенных методик разработан алгоритм и программное обеспечение автоматизированной системы «ИнтеГрация», реализованное с применением языка программирования delphi. Программное средство выполнено в виде одной программы, сочетающей в себе решение комплекса задач. В качестве исходных данных программа получает карту местности и данные о сети станций.
Сеть станций представляет собой некий список вещательных станций, каждая из которых имеет собственный набор параметров, среди которых:
- Высота подвеса передающей антенны над уровнем земли;
- Мощность передатчика;
- Усиление передающей антенны;
- КПД фидера передающего устройства;
- Рабочая частота передатчика;
- Минимальная напряженность поля принимаемого сигнала;
- Географические координаты места установки антенной опоры.
По этим параметрам и по данным карты местности рассчитывается затраты на передатчик, зона обслуживания и зона тени каждой станции сети и, исходя из полученных результатов, проводится оптимизация (рисунок 11).
Результатами расчёта является набор показателей для каждой станции и для сети в целом.
Оптимизация проводится путём изменения одного из параметров станции, что приводит к изменению результатов расчёта по станциям. Соответственно, задачей оптимизации является получение оптимального сочетания значений параметров для каждой станции и сети в целом.
Рисунок 11 – Схема работы ПС «ИнтеГрация»
После расчёта станции становится доступна детальная информация по расчёту станции. Детальная информация отражает данные по каждому профилю отдельно и содержит следующие данные:
- График профиля местности с отметкой радиуса зоны для этого профиля;
- Прямая видимость в этом направлении от станции;
- Радиус зоны обслуживания станции;
- Рассчитанные параметры для определения затухания из-за естественных складок местности и их характера.
Так же отображаются суммарные данные для станции:
- Площадь зоны вещания;
- Площадь зоны теней;
- Коэффициент использования станции;
- Удельные капитальные затраты на станцию;
- Степень перекрытия зон обслуживания соседних станций;
- Степень покрытия территории вещанием.
Автоматизированная система «ИнтеГрация» предоставляет широкие возможности по проведению расчётов зон обслуживания станций с учётом рельефа местности и проведения последующей оптимизации параметров как одиночных станций, так и сетей телерадиовещательных станций. С использованием автоматизированной системы «ИнтеГрация» в диссертации получены все результаты по оптимизации передающих станций и сети ТВ вещания.
Заключение содержит формулировку основных научных и практических результатов диссертационной работы.
Публикации по теме диссертации
- Носов В.И. Бактеев В.Н., Штанюк Л.А., Оптимизация местоположения радиотелевизионных передающих станций // Вестник СибГУТИ. – 2009. – № 4 – С. 11 – 16.
- Бактеев В.Н. Выбор оптимальных технических параметров передающей телевизионной станции// Молодой ученый. – 2010. – № 3 – С. 19 – 22.
- Бактеев В.Н. Оптимизация параметров радиотелевизионных передающих станций с использованием геоинформационной системы// Инфосфера. – 2009. – № 44 – С. 36 – 37.
- Носов В.И., Бактеев В.Н., Штанюк Л.А., Выбор оптимальной точки размещения радиотелевизионной передающей станции// Вестник СибГАУ. – 2010. – № 3(29) – С. 20 – 24.
- Бактеев В.Н. Анализ принципов планирования в сетях радиосвязи / Тез. докл. российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2008 г. – С. 350.
- Бактеев В.Н., Носов В.И. Исследование методов оптимизации технических параметров сетей цифрового вещания / Тез. докл. российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2009 г. – С.323
- Бактеев В.Н., Носов В.И. Выбор оптимального местоположения передающей телевизионной станции / Тез. докл. российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2010 г. – С.406 – 407.
- Бактеев В.В. Оптимизация параметров передающей ТВ станции градиентным методом / Российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2010 г. – С.420.
- Бактеев В.В. Оптимизация параметров радоителевизионных передающих станции на основе геоинформационной системы/ Российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2011 г. – С.472 – 473.
Бактеев Владимир Николаевич
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАДИОТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ СТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Автореферат
Подписано в печать «03» ноября 2011 г.
формат бумаги 60х84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10,
изд. л. 1,5, заказ № 54, тираж 100. ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»
630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86
