基于空间传播模型的微波组网选址研究.pdf

82影视制作系统网络System Network基于空间传播模型的微波组网选址研究文/厦门广播电视集团 徐亮摘要：微波组网是厦门马拉松赛事直播电视信号无线采集的前提和基础研究，对“信道”在时域和频域等维度特性的深入挖掘和精确描写有助于提升无线通信的传输质量，增加通信系统的有效性和可靠性，也是无线组网研究的重点和热点。通过对厦门马拉松赛道的空间传播模型评估，创新了节目制作样式，丰富了无线通信信道建模理论，促进电视转播技术发展。关键词：空间传播；信道模型；马拉松；微波组网2022 年 11 月 27 日，厦门广电再度携手央视团队，对 2022 建发厦门马拉松赛进行了两个半小时的全程直播，并在看厦门 APP、厦门广电视频号等多个新媒体平台同步直播，全方位展示了比赛的盛况，这也是厦门广电第 21 次携手央视团队对厦门马拉松赛进行直播。21 年来，从模拟、标清、高清到 4K，伴随着技术的不断升级，马拉松赛事转播的设备越来越轻量化、智能化。现在，厦门广播电视集团的马拉松直播团队已经拥有了完整的 4K制作体系，摸索总结了成熟的制作流程。从最初央视团队的手把手带着干，到独当一面，再到发展成为具备国内马拉松直播领先水平的技术团队，厦马 21 年，也是这支直播团队探索和成长的 21 年，目前这支直播团队已经处于国内大型户外直播技术领域的领先地位。马拉松转播需要通过无线组网，完成整个赛道的摄像机采集信号无线通信全覆盖，也只有这样，才能保证随时随地的无缝节目制作。在过去的很长时间里，我们都是通过传统方法完全无线覆盖组网，即通过广泛的测量赛道的选点无线电场强，微波接收基站的高度和坐标，通过路测获取无线传输信道的统计性拟合参数，组合成最简单的统计型经验模型，基于统计型经验模型逻辑推理和完成全赛道的无线组网。系统网络System Network83影视制作系统网络System Network 图1 关于设备因素分析 图2 厦门赛道覆盖示意图 图3 调制配置参数随着计算机算力和软件算法的迭代发展，我们基于无线电波传播机理的分析方法研究其主要传播路径，列举直射、反射、绕射、散射等现象作为可能的随机变量，通过无线电传播模型算法和计算机仿真，输入输出调整信道特性参数，计算传播损耗，建立简化但具备确定性的信道模型。传统的统计型经验模型依赖大量的人力物力进行前期参数采集，路测的算法逻辑相对简单，具备形而上学的特点而且计算结果吻合度有可能偏差较大。通过算法拟合和计算机仿真的确定性模型，节省人力物力的同时，具备广泛的可复制特征，而且仿真的结果较为精确，前提是需要对当地地形进行周全的勘测或者具有详细的高程地图精确 建模。在 ITU 的定义里，无线组网的传播途径可以理想化为天线周围为无限大真空的自由空间，不会被反射、散射和吸收。根据自由空间传播模型 Rec.ITU-R P.525-2 自由空间无线通信距离计算公式：Loss（dB）=32.44+20logD（Km）+20logF（MHz）其中：Loss 指传输损耗，单位为 dB；D 指传输距离，单位为 Km；F 值载波频率，单位为 MHz。1.变量因素分析影响微波通信距离的因素主要从两个方面来分析，一是收发自身的性能；二是外界环境因素的影响。其中：鞭状天线增益 0-3.5db吸盘天线增益 5.5-7db全向天线增益 8.5-10db定向天线增益 10-12db理想的情况是，找到无线传输路径，使直射信号和反射信号不会互相削弱，传输的距离就能更接近理论的最远值。厦门的地理环境和无线电环境，很好满足了实测要求。我们选取了西牯岭高点作为微波接收站中继 测试。2022 年 11 月 22 日 10:00，第一次技术测试，参数如表 1 所列。84影视制作系统网络System Network根据 DVB-T2 定义可计算出传输码率为 14.467 Mbps，因此分体编码器设置 HEVC 4:2:2 8bit 编码，最大输出码率 14M，预留码率 0.1M，视频码率CBR13.5M，音频立体声 MPEG Layer II 192kbit；一体机码率设置为自动（实际视频码率约 12M，音频192k*2），统一发射机稳定输出后发射功率为 13W（41dbm），接收站与发射机最远地理距离 15KM，临界 CNR 为 12。如图 4 所示。2.空间衰减推导Longley-Rice 模型结合了上千组实测数据基于自由空间传播模型 Rec.ITU-R P.525-2 传播理论从理论角度创新得到经验公式，鉴于此，Longley-Rice模型通常也被认为归属于半经验预测模型。Longley-Rice 模型包括：（1）以反射传播机制为主的视距传播覆盖；（2）以绕射传播机制为主的绕射传播覆盖；（3）以前向散射传播机制为主的散射传播覆盖。基于 Longley-Rice 模型的自由空间传输损耗参考中值表达公式为：max（0，A e1+K 1d+K 2ln（d/d Ls），d min d dLsAref=A ed+m dd，d Ls d dxA es+m s d，d x d其中，视距传播的分段区间为d min d d Ls；绕射传播的分段区间为 d Ls d d x；散射传播的分段区间为 d d x。Longley-ice 信道模型对不同传播区间的传输损耗进行分段计算。其中充分考虑了传播途经地形横剖面、地面空间的传输介电特性，其计算结果反映了当地气候类型以及自然环境和楼宇地面折射率的影响因子。3.基于理论+经验传播模型的覆盖方案选址规划在实际地形中，不同情况电波适应不同的传播机制，对 ITU 及其各子模型的对比分析，Longley-Rice 模型较符合，最为重要的是该模型具备开源的算法模型，可以减轻技术研究的前期重复性工作。Longley-Rice 模型高度依赖准确无误的地形高程图，鉴于某种原因，我们没有办法取得我国公开的数字高程地图，对于国外卫星拍摄的地形图，因国防而设置 GPS 坐标偏移过大、不给出楼宇高度。鉴于此，我们使用国产合法的测绘无人机，对局部地区采用 RTK坐标定位测量，生成含楼宇信息的 3D 地形图，并通过基于 Longley-Rice 模型开源算法重新编写软件，把楼宇在模型中虚拟化为自然界高山，同时适配国产无人机的测绘 OSGB 数据转化为 DEM 国际通用高程数据。在选址规划研究过程中，本人牵头的研发小组依据Longley-Rice 模型开发的“基于 GIS 的全空间数据IoT 全栈式智能平台 V1.0”，导入厦门的无人机航拍测绘图，推算出厦门马拉松 15KM 内的微波组网接收选址，输入 CNR 为 12。图4 编解码参数表1 技术测试频率及天线参数男马女马直升机备用（女马）306（MHZ）570（MHz）810（MHz）330（MHz）105.6763（LOSS：15KM）111.0793（LOSS：15KM）114.1315（LOSS：15KM）106.3321（LOSS：15KM）鞭状吸盘吸盘吸盘微波接收：全向天线85影视制作系统网络System Network“基于 GIS 的全空间数据 IoT 全栈式智能平台V1.0”控制微波接收设备的内部局域网与接收 GIS 信息的外网通过点对点串行通讯和自定义的通讯协议进行数据呈现。在厦门马拉松赛道开展了不同频率、带宽、天线、高程、分赛段区间的传播试验，根据试验结果统计出大量具备参考意义的数据，并基于数理的统计性传播模型和经验的确定性传播模型进行了理论比较和路测验证。Longly-Rice 实测数据与基于自由空间的大气传播模型较为接近，与基于统计的传统路测结果相比具有较好的一致性。因此，基于 Longly-Rice 模型具有基础模型的确定性以及统计性特征，虽然理论模型可能会导致实际传输损耗值被低估甚至产生较大偏差，但是仍然可以认为计算通信系统无线组网的传输损耗具备实践意义上的研究价值和应用价值。图5 厦门马拉松赛道无线组网覆盖热力图4.结束语根据模型选址，本次马拉松转播提出建行大厦、艺术学院、江山帝景为最佳选址点，已知发射功率（41dbm）和接收灵敏度（70dbm）固定，假设空气损耗为 25db，按照模型公式推导，可提升方面在于天线增益和调制 映射。该研究成果投入使用以来，先后在众多的大型户外体育赛事、重要活动的电视直播中发挥了重要作用。特别是在多场马拉松赛事的电视直播中，该系统极大地提高了移动微波系统搭建的整体工作效率，确保移动信号高质量的微波无线传输，取得了很好的电视直播效果，大幅提升了厦门电视直播技术水平，得到了央视直播团队及群众的高度好评，并确定了厦门广电技术团队在国内大型户外直播技术领域的领先地位。该研究是近年来厦门广电技术团队先后完成 150 余场国际马拉松及环中国自行车赛等大型户外赛事直播的技术积累和探索，具备一定的社会效益和经济效益。【参考文献】1 徐凯.城市环境中广播电视信号非视距微波传输测试J.影视制作,2022,28(12):58-63.2 张殷希.远距离移动微波专网传输系统的设计与实现J.现代电视技术,2023,(01):136-140.3 解顺.微波传输中的信号衰落与控制策略J.电子世界,2021,(23):71-72.4 Longley,A.G.,and Rice,P.L.,Prediction of Tropospheric Radio Transmission Loss Over Irregular Terrain:A Computer Method,ESSA Technical Report,ERL 79-ITS 67.20185 张利军,王红光,康士峰,赵振维.近海面电波传播试验与损耗模型分析J.微波学报,2017,(23):53-54.