Как нам обустроить ЦТВ?

Картинка:

Сказки по телевизору

На сегодня мы имеем следующие факторы, напрямую влияющие на планирование сетей ЦТВ:

1. Частот для телевидения фактически нет. И если в городах-миллионниках их нет совсем, то в остальных крупных населенных пунктах спрос намного превышает имеющееся в наличии число свободных каналов.
2. Опубликованная на сайте Минкомсвязи России “Концепция развития телерадиовещания в Российской Федерации на 2008--2015 годы” (далее Концепция) предполагает разработку частотных планов для многочастотных и одночастотных сетей, а в переходный период - совместную работу аналоговых и цифровых сетей. Нет никакой разницы между высокоскоростными и низкоскоростными интернет-соединеняими, но разработчики и сетевые инженеры должны гарантировать, что ресурс и с теми, и с другими соединениями будет работать по одинаковым стандартам и в гармонии для обоих видов пользователей, когда они взаимодействуют друг с другом посредством игры,

То есть хочешь не хочешь, а вписываться цифровым передатчикам в аналоговую реальность придется. Очевидно, что разработка таких планов -- дело непростое и недешевое и требует наличия методических и нормативных документов, регламентирующих технические параметры планирования, а также соответствующего современного инструментария.

Выделение частотных каналов для НЦТВ может происходить по двум сценариям: либо за счет каналов, не используемых для аналогового вещания, либо путем замены аналоговых передач цифровыми на работающих станциях.

В любом случае на начальном этапе внедрения цифрового ТВ в полосах, используемых аналоговыми системами, каналы, очевидно, будут выделять с двумя основными ограничениями: использование существующей сетки каналов и обеспечение защиты существующих аналоговых систем радиосвязи. Эти предположения еще больше ужесточают условия планирования сетей НЦТВ, которые просто обязаны будут “прогибаться под условно враждебное окружение”.

Концепции и методики

Разработанный в 2007 году проект “Частотно-территориального плана наземного цифрового вещания Российской Федерации с учетом ограничений, накладываемых РЭС правительственного и специального назначения” (далее план) фактически является тем (пока еще даже не первым) приближением, в котором в той или иной степени реализованы основные требования Концепции.

Этот проект Плана территориально опирается на существующую сеть телевизионных антенных опор, учитывает загруженность конкретной территории аналоговыми каналами и предусматривает минимизацию взаимного влияния спланированных каналов для цифрового ТВ.

Однако План не учитывает, что действующие передатчики аналоговых ТВК продолжают работать. На практике это означает, что частотно-территориальное планирование ЦТВ и расчет зон их обслуживания придется делать в довольно жестких помеховых условиях.

Следующим важнейшим методическим вопросом, с которым необходимо хотя бы предварительно определиться, является выбор модели распространения радиоволн для расчета уровней полезных и мешающих сигналов при расчете потенциальных зон обслуживания.

Со студенческой скамьи из теории нам известно, что модель считается адекватной в том случае, если заложенные в ее характеристиках модели и законы распределения случайных величин (ошибок) соответствуют объективным данным, имеющим место в реальности. Если говорить о радиочастотах, то здесь выбор модели распространения определяется диапазоном частот, условиями распространения радиоволн (город, пригород, село, открытая местность), а также (как это ни парадоксально звучит) имеющейся в распоряжении разработчика геоинформационной системой (ГИС) - информационная система, обеспечивающей сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных. ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых и иных), а также разрешение, степень подробности отображения, содержание и расчетное программное обеспечение.

Для современных систем телевизионного вещания, сигналы которых предназначены для приема как на стационарные, так и на подвижные приемники, условия распространения радиоволн могут варьироваться от простейшей ситуации однолучевого распространения в пределах прямой видимости до многолучевого распространения при многократных отражениях в условиях допплеровского изменения частоты при движении объекта.

Мало того, специалистам известно, что сегодня не существует единой общепринятой модели расчета напряженности поля радиосигнала в городских условиях. Используемые рекомендации международных организаций и отечественные методики порой довольно заметно отличаются друг от друга.

Отдельной проблемой является распространение радиоволн в зданиях. До сих пор не разработан даже приблизительно достоверный подход к такому расчету. Все известные формулы и рекомендации носят исключительно эмпирический характер и являются прямым обобщением экспериментальных данных.

Планы на заказ

Не вдаваясь в подробности и технические тонкости процесса планирования сетей радиосвязи и радиовещания, обратим внимание читателя на то, что существующую электромагнитную обстановку менять пока никто не собирается, и это значит, что для частотно-территориального планирования сетей ЦТВ требуется максимально точно знать агрегированный мешающий сигнал, попадающий в типовой приемный тракт приемника. Причем учитывать необходимо все “потенциально опасные” передатчики - аналоговые и цифровые, военные и гражданские, телевизионные и связные - находящиеся в радиусе 200 км от предполагаемой точки размещения передатчика и работающие не только в тех 8 МГц, которые будет занимать канал, но и по соседству.

Получить такую матрицу совокупного помехового воздействия можно двумя путями: на основании данных, полученных в ходе натурных измерений, или на основании расчетов.

Если первый вариант влечет за собой сложную организацию всего процесса, беспрерывную работу станций радиоконтроля, привлечение большого количества людских и финансовых ресурсов, то второй потребует точного знания пространственных и спектроэнергетических характеристик всей совокупности потенциальных источников помех в данном районе. Мало того, берясь за решение этой задачи, необходимо отдавать себе отчет в том, что проблема частотно-территориального планирования сетей НЦТВ стандарта DVB-T в России с учетом всех факторов не будет задачей “с чистого листа”, а станет сложнейшей проблемой ЭМС, которой еще никто никогда не решал. Вернее - не решил.

Что потребуется

Решение любых многомерных задач невозможно без применения современных средств вычисления и математического моделирования. Если же говорить о вписывании новых телепередатчиков в существующую электромагнитную обстановку и об учете всех “вводных” - со стороны физических законов (распространение радиоволн), международных (приграничная координация), финансовых (все это стоит немалых денег), военных (частоты используются совместно), то сложность требуемого программно-аппаратного продукта может испугать даже видавших виды системщиков. Здесь нужен симбиоз ГИС и совокупности программно-реализованных расчетных моделей распространения радиоволн различных диапазонов частот, математическое описание приемных и передающих трактов, компьютерные модели самых разных антенно-фидерных устройств -- от вещательных до радиолокационных.

Опыт - сын ошибок трудных

При работах по планированию ЦТВ нами использован программный комплекс “Контур 2.0.1” как инструмент решения инженерно-технических задач управления использованием радиочастотного спектра, оценки параметров ЭМС и проектирования систем и сетей радиосвязи различного назначения.

Технология проведения расчетов мало чем отличается от традиционной и на подготовительном этапе предусматривает несколько последовательных шагов:

В итоге этого самого наукоемкого процесса получаем массив исходных данных, включая пространственные и спектроэнергетические параметры передатчиков, диаграммы направленности антенн, пороговые уровни напряженности поля, критерии обеспечения заданных параметров качества обслуживания как при отсутствии помех, так и в условиях их наличия.

Далее на основании полученных данных выполняется расчет потенциальных и реальных зон обслуживания для выбранных классов модуляции, результаты расчета отображаются на экране компьютера и передаются в модуль расчета совместимости. Полученные данные позволяют провести тщательный анализ полученных результатов и определить необходимость внесения изменений в проект частотно-территориального плана сети на данном канале.

Картинки с экрана

В качестве примера приведем результаты предварительного расчета одночастотной сети для Республики Карелия, выполненные в ходе решения одной из прикладных задач.

Расчеты проводились с учетом двух условий. Первое - необходимость минимизировать стоимость оборудования, используемого для строительства сети, второе - необходимость обеспечить максимально возможные зоны обслуживания в населенных пунктах, население которых в совокупности составляет более 80% населения республики.

Места размещения и мощности передатчиков изначально выбирались исходя из характеристик сигнала стандарта DVB-T, плотности населения в каждой заданной географической территории, наличия поблизости существующих соответствующих областных радиотелевизионных передающих центров (ОРТПЦ) или возможности размещения оборудования небольшой мощности на крышах технологических зданий населенных пунктов или вышках облегченной установки.

Для проведения расчетов была сформирована матрица высот с шагом 50 м по всей территории республики. Фрагмент сформированного рельефа приведен на рис. 1.

На рис. 2-5 в качестве примеров представлены результаты расчетов зон обслуживания передатчиков ЦТВ для отдельных населенных пунктов территории Республики Карелия. Уровни напряженности ЭМП, полученные для конкретного частотного канала на основании исходных данных и используемые при расчете зон, приведены в таб. 1.

Применение современных программных средств, учитывающих не только рельеф местности и климатические условия, но и взаимное влияние новых телевизионных передатчиков на существующие и наоборот, позволяет минимизировать временные и финансовые затраты на разработку и проектирование систем цифрового телевидения, исключая необходимость сложных натурных испытаний при достаточной для большинства случаев точности расчетов параметров ЭМС.

Любой представленный сегодня на рынке инструментарий потребует дополнительной “заточки”, которую можно сделать по результатам набора статистики в процессе развертывания сетей НЦТВ.

Может быть, после получения некоторого опыта создания и эксплуатации реальных сетей потребуется разработка новых методических механизмов, однако уже сейчас имеющийся математический задел позволяет приступить к решению задач частотно-территориального планирования с “открытыми” глазами.

Рис. 1. Зона обслуживания передатчика ЦТВ в г. Петрозаводске

Рис. 2. Зона обслуживания передатчика ЦТВ в г. Кондопога

Рис. 3. Зона обслуживания передатчика ЦТВ в г. Лахденпохья

Рис. 4. Зона обслуживания передатчика ЦТВ в г. Сортавала

Рис. 5. Фрагмент интегральной планируемой зоны обслуживания сети НЦТВ в южной части Республики Карелия

	Напряженность, дБмкВ/м	Зоны
	33,9	Зона, в которой обеспечивается требуемое качество приема на внешнюю коллективную антенну с коэффициентом усиления Gа = 14 дБ, высотой На = 10 м (фиксированный прием вне помещения, тип модуляции 16QAM, СК 2/3)
	46,1	Зона, в которой обеспечивается требуемое качество приема на внешнюю индивидуальную антенну с коэффициентом усиления Gа = 6дБ, высотой На = 10 м (фиксированный прием вне помещения, тип модуляции 16QAM, СК 2/3)
	62	Зона, в которой обеспечивается требуемое качество приема на комнатную антенну (фиксированный прием внутри помещения, тип модуляции 16QAM, СК 2/3)