基于GA的地面数字电视单频网覆盖率优化.pdf

2 0 1 3 年1 2 月 第3 9 卷第1 2 期 北京航空航天大学学报 J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s D e c e m b e r2 0 1 3 V 0 1 3 9N o 1 2 基于G A 的地面数字电视单频网覆盖率优化 李彩伟张晓林李辰于志坚 ( 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京1 0 0 1 9 1 )( 北京跟踪与通信技术研究所，北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要：提出了一种地面数字电视单频网覆盖率预算方法，该方法考虑实际接收机 干扰模型，采用I | L N M 法进行信号合成，利用C C D F 函数计算覆盖小区的地点概率，预算结果 更实际，计算量小单频网本身产生“人工多径”，为最小化自干扰区域，基于遗传算法求解单 频网中各个发射机附加延时的最优组合，该方法无需改变发射台功率、站址、天线等参数，成本 为0 ，克服了发射机数目较多时人工调整发射机附加延时的难点，且准确度高将该方法应用 于我国某地区地面数字电视单频网规划的实际场景中，优化后覆盖率明显提高，验证了该方法 的有效性和可行性 关键词：地面数字电视；单频网网络规划；网络优化；遗传算法 中图分类号：T N9 4 9 1 9 7 文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 5 9 6 5 ( 2 0 1 3 ) 1 2 - 1 6 3 3 - 0 6 G A - b a s e do p t i m i z a t i o no fS F Nc o v e r a g ep r o b a b i l i t yf o rD T M B L iC a i w e i Z h a n gX i a o l i n L iC h e n ( S c h o o lo fE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g1 0 0 1 9 1 ，C h i n a ) Y uZ h i j i a n ( B e i j i n gI n s t i t u t eo fT r a c k i n ga n dT e l e c o m m u n i c a “o nT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 9 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：Am e t h o dt op r e d i c ts i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ( S F N ) c o v e r a g ep r o b a b i l i t yf o rt e r r e s t r i a ld i g i t a l m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( D T M B ) w a sp r e s e n t e d I tc o n s i d e r sa c t u a lr e c e i v e ri n t e r f e r e n c em o d e l T h es i g n a l s u m m a t i o nm e t h o di s 矗- L N M T h el o c a t i o np r o b a b i l i t yf o rc o v e r a g ec e l li sc a l c u l a t e db yc o m p l e m e n t a r yc u m u 。 l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( C C D F ) I th a sl e s sc a l c u l a t i o na n dm o r ep r a c t i c a lr e s u l t s S F Nc a u s e sa r t i f i c i a l m u l t i p a t h A no p t i m i z a t i o na p p r o a c hb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( G A ) w a sp r o p o s e d ，w h i c hd e a l tw i t ht h e o p t i m a la d j u s t m e n to fi n t e r n a ld e l a y sa tt h et r a n s m i t t e r st o m i n i m i z es e l f - i n t e r f e r e n c ea r e a I td o e s n tn e e dt o c h a n g ep o w e r ，s i t ea n da n t e n n ao ft r a n s m i t t e r s T h ec o s ti s z e r o I to v e r c o m e st h ed i f f i c u l t yw i t hm a n u a la d j u s t m e n to ft h ed e l a y sw i t hl a r g en u m b e r so ft r a n s m i t t e r sa n dh a sh i g hd e g r e eo fp r e c i s i o n I tw a sa p p l i e dt or e a l i s t i cs c e n a r i o so fD T M BS F Np l a n n i n gi nac e r t a i na r e ao fC h i n a T h ec o v e r a g ep r o b a b i l i t yi sg r e a t l yi m p r o v e da f t e ro p t i m i z a t i o n ，w h i c hv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d K e yw o r d s ：t e r r e s t r i a ld i g i t a lt e l e v i s i o n ；S F N ；n e t w o r kp l a n n i n g ；n e t w o r ko p t i m i z a t i o n ；G A 单频网( S F N ，S i n g l eF r e q u e n c yN e t w o r k ) 最大 的优点是频谱利用率高，因此成为主要的地面数 字电视D T M B ( D i g i t a lT e r r e s t r i a lT e l e v i s i o nM u l t i m e d i aB r o a d c a s t i n g ) 覆盖网络部署形式，单频网 中所有发射机使用相同的频率同时发射同一信 号除自然多径外，单频网本身产生“人工多径”， O F D M ( O r t h o g o n a lF r e q u e n c y D i v i s i o n M u l t i p l e x i n g ) 使单频网成为可能，O F D M 中保护间隔的大 小决定了单频网中发射机之间的最大距离，当发 射机的距离大于保护间隔对应的距离时，产生自 干扰，发射机工作模式下要求的载噪比门限将变 为载噪干比( C N I R ，C a r r i e rt oN o i s eP l u sI n t e r f e r - 收稿日期：2 0 1 3 - 0 1 1 4 ；网络出版时间：2 0 1 3 - 0 4 - 2 21 0 ：1 1 网络出版地址：W W W c n k i n e t k c m s d e t a i l 1 1 2 6 2 5 V 2 0 1 3 0 4 2 2 1 0 1 1 0 0 1 h t m l 基金项目：北京市重点学科基金资助项目( X K l 0 0 0 6 0 6 2 5 ) 作者简介：李彩伟( 1 9 8 4 一) ，女，河北石家庄人，博士生，l i c a i w e i 8 8 8 s i n a c o m 万方数据 1 6 3 4 北京航空航天大。：、二报 e n c eR a t i o ) 减小单频网自干扰区域的方法有很多，如调 整发射台站址、发射功率、天线参数以及发射机延 时旧。1 ，这些方法中调整发射机延时的成本为0 目前工程中采用人工方式调整发射机延时，准确 度差；在全国范围内单频网建设中，发射机数目较 多，发射机附加延时的可能组合数目巨大H 。且具 有依赖性，这使人工调整很复杂不可能实现可见 调整各发射机附加延时从而提高单频网覆盖率是 一个多参数、高度非线性、复杂的组合优化问题， 因此寻求一种高效的求解发射机附加延时最佳组 合的算法成为必要文献 2 3 中利用粒子群 ( P S O ，P a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o n ) 优化算法遗 传算法( G A ，G e n e t i cA l g o r i t h m ) 和P S O 算法都是 仿生算法，但是P S O 主要应用于连续问题，一旦 粒子过分集中，就有可能陷入局部极小值G A 还 可以应用于离散问题，且克服了传统搜索方法陷 入局部最优解的缺点，具有较好的全局搜索性 能。5 1 ，其独特的运行机理使其以有限的代价解决 搜索空间大、复杂的组合优化问题，被广泛应用与 工程优化中、6 1 因此本文基于遗传算法对单频网 覆盖率进行优化研究单频网覆盖率预算模型的 准确建立是遗传算法实现的前提和基础目前，专 业的D T M B 单频网覆盖预测系统几乎没有，文献 7 采用蒙特卡罗法计算栅格点的地点概率，计 算的准确度取决于抽样点数，抽样点数越多计算 量越大；其次，该文献采用功率和方法进行信号合 成，造成过估计场强强度；再次，只要信号到达时 延差大于保护间隔，该文献就视为干扰信号，有别 于实际发射机干扰模型本文提出一种地面数字 电视单频网覆盖率预算方法，考虑实际发射机干 扰模型，利用j 因子对数正态法( k - L N M ) 进行信 号合成，求得覆盖小区中心点的正态分布参数，从 而利用互补累积分布函数计算该覆盖小区的覆盖 地点概率，信号强度估计更实际，计算量小，将优 化方法应用于某地区D T M B 单频网规划实际场 景中，优化后覆盖率明显提高，优化方法有效 1 单频网覆盖率预算方法 一个由个发射机组成的单频网实现对某 区域的覆盖，系统模型见图1 其中丁；表示发射 机，i = 1 ，2 ，坐标为( 菇。，Y 。) ，R ，表示接收地 点，J = 1 ，2 ，M ，坐标为( 戈，y i ) ，阴影区域表示重 叠覆盖区域覆盖率预算方法原理如图2 所示，由 电波传播预测模型、干扰计算模型与覆盖率计算 模型三部分组成 图1系统模型 电波传播预测模型 干扰计算模型 覆盖率计算模型 对丁每个接收j F F T 窗口位置 汁算覆盖牟 地点，计算毋及l 只：1 0 0 羔旦 t i ，i = l ，2 ， 角M f 干扰功率和 电波传播模型 有用