[发明专利]一种获取与优化DTMB单频网覆盖率的装置及方法

摘要

本发明提供了一种获取与优化DTMB单频网覆盖率的装置及方法，用于地面数字电视单频网网络规划与优化。装置包括台站信息处理模块、台站数据库、电波传播预算模块、干扰分析模块、统计模块、优化模块、GIS模块、地理信息数据库和覆盖结果数据库。本发明定义同步门限以体现单频网增益，采用K‑LNM法对接收地点的有用功率和干扰功率进行合成，利用匹配相关矩法求合成有用信号功率和合成干扰功率的相关系数，使覆盖小区的地点概率的预测考虑单频网自干扰以及阴影衰落引起的相关性，利用CCDF函数计算栅格的地点概率。本发明预算结果更实际、准确，且计算量小，在不改变发射机其他参数的条件下使单频网自干扰最小，且无需增加成本。

主权项

一种获取与优化DTMB单频网覆盖率的装置，其特征在于，包括：台站信息处理模块、台站数据库、电波传播预算模块、干扰分析模块、统计模块、优化模块、GIS模块、地理信息数据库和覆盖结果数据库；台站信息处理模块，用于收集单频网内各个发射台站的信息，发射台站的信息包括：站址名称、经纬度、发射功率、天线方向图、信号调制方式、发射频率、发射时延、状态、网络编号，并将各发射台站分类存储在台站数据库中；地理信息数据库用于存储电子地图，GIS模块加载电子地图，并根据设置的计算精度生成栅格网图层，将结果存储在地理信息数据库中；电波传播预算模块从台站数据库中获取激活状态的各发射台站的信息，从GIS模块中获取选定区域的栅格中心点的地理信息，计算激活状态的各发射台站到选定范围内栅格中心点的链路损耗、接收功率、场强值、传播时间以及到达时间，并将结果发送给GIS模块、干扰分析模块和统计模块；GIS模块根据各栅格的最大场强值计算栅格颜色值并逐个着色，将输出结果覆盖在电子地图上；干扰分析模块实现的功能为：首先，设置参考时间t₀的选择标准、帧头和帧体长度、接收机本底噪声N₀、同步门限载噪比Margn、同步门限P_syn、最小中值场强E_med和射频保护率PR，选择或设置加权函数w(Δτ_i)，选择非欲收接收机和分析变量，分析变量为载噪干比CNIR值或覆盖地点概率；其次，确定参考时间t₀，确定各发射机在选定范围内各栅格中心点的到达时间相对于参考时间t₀的时延差，并获得各栅格有用功率和干扰功率的加权函数w(Δτ_i)的值，Δτ_i表示第i个发射机的到达时间ToA_i与t₀的时延差；然后，设置信号电平在同步门限以上的信号被接收机同步，根据加权函数w(Δτ_i)计算各发射机在各栅格中心点的有用功率和干扰功率，运用K因子对数正态法，获取各栅格中心点的合成有用功率U和合成干扰功率I的dB值的均值和方差；最后，若分析变量为CNIR值，计算覆盖场强大于等于最小中值场强的区域的CNIR值，其他区域的CNIR值用255表示，将计算的CNIR值发送给GIS模块和统计模块；若分析变量为覆盖地点概率，计算覆盖场强大于等于最小中值场强的区域中各栅格的合成有用功率和合成干扰功率的相关系数及覆盖地点概率，其他区域中栅格的覆盖地点概率为0，将栅格的地点概率发送给GIS模块和统计模块；其中，参考时间t₀有两种选择标准：第一种是以最早到达且功率大于同步门限P_syn的信号的到达时间为基准，第二种是以电平最强信号的到达时间为基准；同步门限P_syn＝N₀+Margn，N₀为接收机本底噪声，Margn为同步门限载噪比；GIS模块根据各栅格的覆盖地点概率值或CNIR值与系统定义的颜色对照范围比较，进行各栅格颜色值计算并逐个着色，输出结果覆盖在电子地图上；所述的加权函数w(Δτ_i)为：$w\left({\mathrm{\Δ\τ}}_i\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_i\<-T_{GI}\\ 1,-T_{GI}\≤{\mathrm{\Δ\τ}}_i\≤T_{GI}\\ 0,\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_i\>T_{GI}\end{array}\right.,$其中，T_GI表示帧头长度；所述的干扰分析模块获取的栅格中心点的合成有用功率U和合成干扰功率I分别为：$U=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_i=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ri}w\left({\mathrm{\Δ\τ}}_i\right),I=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i+\underset{j=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j+\underset{k=1}{\overset{N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{ri}\[1-w\left({\mathrm{\Δ\τ}}_i\right)\]+\underset{j=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{rj}+\underset{k=1}{\overset{N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{rk};$其中，N₁为单频网内接收功率大于P_syn的发射台站数目，N₂为单频网内接收功率小于P_syn的发射台站数目，N”为单频网外部同频发射机数目，U_i为第i个发射机在接收地点产生的有用信号功率，P_ri为第i个发射机接收的本地功率，I_i为第i个发射机在接收地点产生的干扰信号功率；P_ri统计特性服从对数正态分布，转换的dB值为W_ri＝10·log₁₀(P_ri)；W_ri的均值标准方差其中，是阴影衰落的标准方差，在地面数字电视广播中取5.5dB；表示第i个发射机接收的本地均值功率；U_i转化的dB值X_i＝10·log₁₀(U_i)的均值和标准方差分别为：$m_{X_i}=m_{W_{ri}}+10\·{\log }_{10}\left(w\right({\mathrm{\Δ\τ}}_i\left)\right)=10\·{\log }_{10}\left(\stackrel{\‾}{P_{ri}}\right)+10\·{\log }_{10}\left(w\right({\mathrm{\Δ\τ}}_i\left)\right),{\mathrm{\σ}}_{X_i}={\mathrm{\σ}}_{W_{ri}}=5.5dB;$I_i转化的dB值Y_i＝10·log₁₀(I_i)的均值和标准方差分别为：$m_{Y_i}=m_{W_{ri}}+10\·{\log }_{10}(1-w({\mathrm{\Δ\τ}}_i\left)\right)=10\·{\log }_{10}\left(\stackrel{\‾}{P_{ri}}\right)+10\·{\log }_{10}(1-w({\mathrm{\Δ\τ}}_i\left)\right),{\mathrm{\σ}}_{Y_i}={\mathrm{\σ}}_{W_{ri}}=5.5dB;$合成有用功率U和合成干扰功率I转化的dB值X和Y分别为：X＝10log₁₀(U)，Y＝10log₁₀(I)；其中，干扰分析模块运用K因子对数正态法，获取各栅格中心点的合成有用功率U和合成干扰功率I的dB值的均值和方差的实现方法是：(1)将的值分别代入X_dB，利用下面式子转化为奈培值；X_Neper＝1/10log₁₀(e)·X_dB≈0.23X_dB；(2)利用奈培值计算X的均值m_X和方差$m_X=ln\[\underset{i=1}{\overset{N_1}{\Σ}}\exp (m_{X_i}+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{X_i}}^2}{2})\]-\frac{{{\mathrm{\σ}}_X}^2}{2};$${{\mathrm{\σ}}_X}^2=ln\[1+k\frac{\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\{\exp \left({{\mathrm{\σ}}_{X_i}}^2\right)-1\}\exp (2m_{X_i}+{{\mathrm{\σ}}_{X_i}}^2)}{{\left(\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right(m_{X_i}+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{X_i}}^2}{2}\left)\right)}^2}\];$k是校正因子；(3)计算得到Y的均值m_Y和方差σ_Y²：$m_Y=ln\[\underset{i=1}{\overset{N_1+N_2+N^{\′\′}}{\Σ}}\exp (m_{Y_i}+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{Y_i}}^2}{2})\]-\frac{{{\mathrm{\σ}}_Y}^2}{2};$${{\mathrm{\σ}}_Y}^2=ln\[1+k\frac{\underset{i=1}{\overset{N_1+N_2+N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}\{\exp \left({{\mathrm{\σ}}_{Y_i}}^2\right)-1\}\exp (2m_{Y_i}+{{\mathrm{\σ}}_{Y_i}}^2)}{{\left(\underset{i=1}{\overset{N_1+N_2+N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}\exp \right(m_{Y_i}+\frac{{{\mathrm{\σ}}_{Y_i}}^2}{2}\left)\right)}^2}\];$(4)将得到的m_X、σ_X、m_Y、σ_Y的奈培值分别代入X_Neper，依据下式转化为dB值；X_dB＝10log₁₀(e)X_Neper；所述的干扰分析模块利用匹配相关矩法计算各栅格的合成有用功率和合成干扰功率的相关系数，具体是：首先，令X_i'＝ln(U_i)，则X_i'＝λX_i，参数则X_i'的均值和标准方差分别为：同理，令Y_i'＝ln(I_i)，X'＝ln(U)，Y'＝ln(I)，则Y_i'与Y_i、X'与X、Y'与Y均具有X_i'与X_i之间相同的关系，且X_i'与Y_i'的相关系数等于X_i和Y_i的相关系数X'与Y'的相关系数r_X'Y'等于X和Y的相关系数r_XY；令变量φ＝X'+Y'，则φ的均值m_φ＝m_X'+m_Y'，方差σ_φ²＝σ_X'²+2r_X'Y'σ_X'σ_Y'+σ_Y'²；匹配U与I的相关矩$E\[UI\]=E\[e^{X^{\′}}{e}^{Y^{\′}}\]=E\[e^{X^{\′}+Y^{\′}}\]=E\[e^{\mathrm{\φ}}\]=e^{{}_{m_{\mathrm{\φ}}+{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\φ}}}^2\mathrm{/2}}},$相关矩E[UI]还能表示为：$\begin{array}{c}E\[UI\]=E\[e^{X^{\′}}{e}^{Y^{\′}}\]=E\[e^{X^{\′}+Y^{\′}}\]\\ =E\[(e^{{X_1}^{\′}}+e^{{X_2}^{\′}}+...+e^{{X_{N_1}}^{\′}})(e^{{Y_1}^{\′}}+e^{{Y_2}^{\′}}+...+e^{{Y_{N_1+N_2+N^{\′\′}}}^{\′}})\]\\ =\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_1+N_2+N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}E\[\left(e^{{X_i}^{\′}+{Y_i}^{\′}}\right)\]\\ =\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N_1+N_2+N^{\′\′}}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{m_{{X_i}^{\′}}+m_{{Y_i}^{\′}}+1/2\·({\mathrm{\σ}}_{X_i^{\′}}^2+{\mathrm{\σ}}_{Y_i^{\′}}^2+2r_{X_i^{\′}{Y}_i^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{X_i^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{Y_i^{\′}})}\\ =v\end{array}$由此得到：$r_{XY}=r_{X^{\′}{Y}^{\′}}=\frac{2\[\ln \left(v\right)-(m_{X^{\′}}+m_{Y^{\′}})\]-({{\mathrm{\σ}}_{X^{\′}}}^2+{{\mathrm{\σ}}_{Y^{\′}}}^2)}{2{\mathrm{\σ}}_{X^{\′}}{\mathrm{\σ}}_{Y^{\′}}},$和分别为Y_i'的均值和标准方差；所述的干扰分析模块，利用互补累积函数CCDF计算各栅格的覆盖地点概率，具体是：第i个栅格的覆盖地点概率P_c(x_i,y_i)为：P_c(x_i,y_i)＝P{γ＞PR}＝P{γ_dB＞PR_dB}；(x_i,y_i)表示第i个栅格中心点的坐标；γ为CINR值，γ_dB和PR_dB表示取γ与PR的dB值；令ψ＝X‑Y，则ψ的均值m_ψ＝m_X‑m_Y，方差σ_ψ²＝σ_X²+σ_Y²‑2r_XYσ_Xσ_Y；设N₀、I相互独立，则m_X和σ_X为X的均值和标准方差，m_Y和σ_Y为Y的均值和标准方差；对于合成有用场强小于最小中值场强的栅格，该栅格的覆盖地点概率P_c＝0；对于合成有用场强大于等于最小中值场强的区域，如果合成干扰场强存在，则该栅格的覆盖地点概率：$P_c=Q\left(\frac{{\mathrm{PR}}_{dB}-(m_X-m_Y)}{\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_X}^2+{{\mathrm{\σ}}_Y}^2-2r_{XY}{\mathrm{\σ}}_X{\mathrm{\σ}}_Y}}\right)\×Q\left(\frac{{\mathrm{PR}}_{dB}-(m_X-N_0)}{\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_X}^2}}\right)$否则，$P_c=Q\left(\frac{{(C/N)}_{dB}-(m_X-N_0)}{\sqrt{{{\mathrm{\σ}}_X}^2}}\right);$其中，函数(C/N)_dB为载噪比门限的dB值；统计模块根据设置的统计条件，在统计区域内筛选出满足统计条件的栅格，并将筛选结果发送给GIS模块，计算满足统计条件的栅格所占统计区域内总栅格数目的百分比，并发送给优化模块；GIS模块将满足统计条件要求的栅格的预算结果覆盖在电子地图上，不满足统计条件要求的栅格的预算结果不予显示；优化模块基于遗传算法计算出能使优化区域覆盖率达到最高的单频网内各发射机的发射延时最优组合及覆盖率；在遗传算法的每一代进化过程中，将当代种群中每个延时向量的取值发送给台站数据库，在台站数据库修改各发射台站的发射时延，从GIS模块中获取优化区域内各栅格中心点的地理信息，通过电波传播预算模块重新计算激活状态的各发射台站到优化区域内各栅格中心点的到达时间，通过干扰分析模块选择状态为激活与非激活的发射机作为非欲收发射机，并计算优化区域中各栅格的覆盖地点概率或CNIR值，通过统计模块计算满足统计条件的栅格所占优选区域内总栅格数目的百分比；优化模块基于遗传算法计算出能使优化区域覆盖率达到最高的单频网内各发射机的发射延时最优组合及覆盖率，具体实现步骤为：步骤401：初始化遗传算法参数，包括：种群规模P_s、最大遗传代数G_max、单频网内处于激活状态的发射机数N_opt、编码位数l、代沟GGAP、变异概率P_m和交叉概率P_cr；其中，设置l＝20，GGAP＝0.9，P_m＝0.01，P_cr≥0.7；步骤402：选择单频网内部且处于激活状态的N_opt个发射机发射延时，作为遗传算法的决策变量，N_opt个决策变量组成延时向量delay：步骤403：确定决策变量的取值范围及约束条件；设置第i个发射机发射延时delay_i的取值范围为：0≤delay_i≤T_GI，且delay_i＝n×0.1μs，1≤i≤N_opt，n为正整数；步骤404：采用格雷码对delay_i进行编码；步骤405：随机生成P_s个长度为l×N_opt的延时向量作为初始种群；步骤406：将当代种群中每个延时向量的取值发送给各发射台站，计算各发射台站到优化区域内各栅格中心点的到达时间，选择状态为激活与非激活的发射机作为非欲收发射机，计算优化区域中覆盖场强大于等于最小中值场强的栅格的覆盖地点概率，最后计算目标函数值f(delay)：$f\left(delay\right)=(1-\underset{j=1}{\overset{M^{\′}}{\Σ}}{\mathrm{Cov}}_j/M^{\′})\×100\%$其中，M'为优化区域内总栅格数；步骤407：使用基于线性排序的适应度分配算法分配适应度值，选择压差为2，目标函数值越小，适应度值越大；将当代目标函数值最小的延时向量作为最优延时向量，并保存最优延时向量所对应的覆盖率；步骤408：判断是否满足终止条件，如果是，输出最优延时向量以及对应的覆盖率，最优延时向量也就是发射延时最优组合；如果否，继续执行步骤409；终止条件是指：达到了最大遗传代数或者最优延时向量在进化过程中无改变时；步骤409：采用随机遍历抽样算子；步骤410：采用单点交叉算子；步骤411：采用离散变异算子；之后，使用基于适用度的重插入确保P_s×(1‑GGAP)个最适应的延时向量总是被连续传播到下一代；然后转步骤406执行；覆盖结果数据库用于存储电波传播预算模块、干扰分析模块和统计模块的计算结果。