Способ организации глобальной сети цифрового радиовещания в диапазоне дв

СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ГЛОБАЛЬНОЙ СЕТИ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ДВ

Проведенный ранее автором анализ основ корректного планирования сетей DRM вещания в диапазонах ДВ и СВ в светлое время суток показывает, что на территории РФ применение стандарта DRM энергетически более выгодно, чем традиционного АМ вещания. Использование диапазона ДВ для построения глобальной сети ЦРВ оказывается наиболее экономичным из всех возможных вариантов. Однако в темное время суток, при наличии помех от соканальных станций, зона обслуживания существенно сокращается. Необходимые защитные отношения выполняются при расстояниях между передатчиками около 5000 км. При традиционном построении сети вещания частотно-территориальное планирование на больших территориях не может быть осуществлено, т.к. имеющихся в ДВ диапазоне 15 номиналов радиочастот оказывается недостаточным. По этой причине не все страны в 1 Регионе МСЭ имеют ДВ передатчики, а некоторым предписано снижение мощности в ночное время. Для решения данной задачи предлагается сменить концептуальный подход, отказавшись от привычного принципа частотно-территориального планирования одиночных передатчиков с чередованием частот, и перейти к крупно-кластерному (зональному) планированию, состоящему из зон с одночастотным синхронным вещанием. Для РФ реализация данного предложения позволит организовать покрытие всей территории, включая акватории, двумя программами радиовещания, одна из которых может быть глобальной, а вторая - региональной в пределах кластера. Приводится пример разработанной сети глобального покрытия территории РФ цифровым радиовещанием стандарта DRM в диапазоне ДВ с использованием крупно-кластерных зон с синхронным вещанием. Показано, что для покрытия всей территории РФ достаточно 29 передатчиков с суммарной мощностью 1940 кВт, расположенных в 10 зонах синхронного вещания и использующих 8 номиналов радиочастот.

Данное предложение также позволяет решить проблемы внутри Регионального содружества в области связи (РСС) с распределением оставшихся от СССР синхронных частот между государствами СНГ. Разработанный пример архитектуры сети государственного радиовещания РФ показывает эффективность предложенного способа организации глобальной сети цифрового радиовещания в диапазоне ДВ с использованием крупно-кластерных зон синхронного вещания. Данная архитектура сети позволяет обеспечить круглосуточное покрытие цифровым радиовещанием всей территории РФ при достаточно малой суммарной мощности передатчиков.

Для цитирования:

Варламов О.В. Способ организации глобальной сети цифрового радиовещания в диапазоне ДВ // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №5. - С. 63-68.

For citation:

Varlamov O.V. Method of organization global digital radio broadcasting network in the LW band. T-Comm. 2015. Vol. 9. No.5, рр. 63-68.

(in Russian).

Варламов Олег Витальевич,

к.т.н., старший научный сотрудник НИЛ-6 МТУСИ,

Москва, Россия,

vov@mtuci.ru

Ключевые слова: цифровое радиовещание, DRM, длинные волны, одночастотная сеть, темное время суток, глобальная сеть радиовещания.

Введение

Задача обеспечения информационной безопасности населения является одной из приоритетных для каждого государства. Для РФ эти задачи отражены в «Доктрине информационной безопасности Российской Федерации», утвержденной Президентом РФ в 2000 г. Одним из инструментов обеспечения информационной безопасности является государственное телерадиовещание.

Реализуемая в настоящее время ФГУП РТРС беспрецедентная по своим масштабам ФЦП "Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015 годы" позволит впервые обеспечить население РФ возможностью приема многопрограммного цифрового телевизионного вещания «с охватом до 98,3% населения в местах постоянного проживания» [I].

Тем не менее, остающиеся без возможности приема общедоступных телевизионных каналов 1,7% - это более 2,4 млн. человек, что превышает численность населения таких стран как Словения, Латвия или Эстония. Более того, уточнение в тексте ФЦП про «места постоянного проживания» далеко не случайно. Действительно, строить объекты телевещания (при радиусе их действия от 5 до 50 км) а ненаселенной местности экономически неоправданно. Элементарный анализ покрытия цифровым телевизионным вещанием 9 крупнейших по площади регионов, занимающих 62,7% площади РФ, проведенный на основе опубликованных на сайте РТРС данных по количеству и мощности объектов ЦТВ, показывает, что более половины территории РФ не покрыты телевещанием. На этих территориях могут располагаться дачные и садовые участки (не относящиеся к местам постоянного проживания), на которых в летнее время проживают миллионы граждан РФ, По этим территориям проходят автодороги, по которым проезжают часть водителей из более 50 млн. транспортных средств, зарегистрированных в РФ. На этих территориях работают геологи, охотники, лесозаготовители, старатели, моряки и т.д. Очевидно, что отсутствие объектов вещания РТРС на этих территориях приводит не только к отсутствию телевещания, но и к отсутствию радиовещания в диапазоне УКВ, имеющего в силу схожести законов распространения радиоволн аналогичные радиусы зон покрытия. Очевидно, что при отсутствии инфраструктуры, на этих территориях также нет и мобильной связи, и тем более нет источников доступа к сети интернет. Следует также напомнить, что 20% территории РФ находится за полярным кругом, где прием сигналов телерадиовещания с геостационарных спутников затруднен или невозможен.

Таким образом, более половины территории РФ оказывается неохваченной телерадиовещанием и передачей сигналов массового оповещения, что делает еще более актуальным сказанное в 2001 году в [2]: «Отсутствие доступа к общероссийскому радиовещанию лишает людей оперативной национально-значимой информации, жители окраинных регионов вынуждены порой слушать чужие радиостанции: китайские - на Дальнем Востоке, украинские - на юго-западе России и так далее».

Более того, гарантированная подача сигналов оповещения в зону чрезвычайной ситуации возможна только с

соседних (непострадавших) территорий, поскольку инфраструктура цифрового телевещания в зоне ЧС может быть нарушена. Сделать это можно только с использованием мощного радиовещания в диапазонах ДВ, СВ или КВ.

Именно средствами мощного радиовещания решалась задача информирования населения страны в предыдущие годы. Существовавшая (в настоящее время отключенная) аналоговая сеть внутреннего мощного вещания в 2005 г. насчитывала 30 передатчиков диапазона ДВ с суммарной мощностью более 14 МВт и 224 передатчика диапазона СВ с суммарной мощностью более 28 МВт. В том числе 23 передатчика имели мощность I МВт и более. При этом покрытие всей территории РФ не обеспечивалось, качество сигнала в темное время суток было невысоким, а затраты на электроэнергию (в текущих ценах) приближались к 2 млрд. руб. в год. Даже при использовании сетей синхронного радиовещания, применявшихся на ряде частот, большего результата а аналоговом режиме достичь было практически невозможно.

Переход на цифровое радиовещание стандарта DRM, предусмотренный изначальной редакцией ФЦП [I], теоретически позволял улучшить качество покрытия при одновременном существенном снижении мощностей передатчиков. В частности, планировалось использование 17 передатчиков в диапазоне ДВ, 79 - в СВ и 30 - в КВ. По мере накопления практического опыта использования ЦРВ в различных диапазонах частот, полученного в ряде НИР, проведенных МТУСИ по заказу РТРС, идеология построения сети мощного радиовещания изменялась. Так, в Системном проекте РТРС «Сеть государственного наземного вещания Российской Федерации» (201 I год) в качестве основного принципиального подхода к построению сети вещания было предложено развитие сети длинноволновых передатчиков: 27 - ДВ, 6 - СВ, 17 - КВ. При этом вещание на удаленные и малонаселенные территории планировалось осуществлять в диапазоне КВ, что не могло гарантировать возможность приема в периоды нередких в северных широтах ионосферных возмущений. Также не были в достаточной степени проработаны вопросы одновременной работы 27 передатчиков диапазона ДВ при наличии всего 15 номиналов радиочастот в этом диапазоне в темное время суток, что не позволяло обеспечить круглосуточное покрытие территории.

В результате нехватки средств на ЦТВ из ФЦП был исключен раздел радиовещания, однако возвращение к этой теме не теряет актуальности, а с учетом излагаемого далее позволяет существенно более рационально организовать сеть мощного вещания.

Преимущества использования диапазона ДВ

для ЦРВ в высоких широтах

Разработанные в последние годы автором основы корректного планирования сетей DRM вещания в диапазонах ДВ и СВ в светлое время суток [3, 4] позволили по новому взглянуть на проблему покрытия северных территорий. В частности, показано, что на территории РФ применение стандарта DRM энергетически более выгодно, чем традиционного АМ вещания. Также стандарт DRM предусматривает возможность передачи помимо аудио сервиса еще

T-Comm Том 9. #5-2015

и дополнительной цифровой мультимедийной информации. Такая информация может иметь не только развлекательное значение - передача изображений певцов, но и прикладное - передача карт погоды, ледовой обстановки на Северном морском пути и т.д. Несмотря на рост напряженности поля атмосферных шумов с понижением частоты, наибольшие радиусы зон обслуживания достигаются в диапазоне ДВ, в котором земная волна может распространяться независимо от солнечной активности на расстояния более 600 км над сушей и более 1200 км над морем.

Данные особенности распространения длинных волн позволяют наиболее экономично и надежно обеспечить покрытие больших малонаселенных территорий и морских акваторий, в том числе Северного морского пути. Действительно, в диапазоне УКВ радиус зон покрытия не превышает 50-70 км, и строительство передатчиков в малонаселенных районах оказывается нерентабельным, а в акваториях - невозможным. В диапазоне КВ в северных широтах наблюдаются регулярные нарушения распространения радиоволн, обусловленные солнечной активностью, что не позволяет обеспечить гарантированную надежность. Геостационарные спутники не видны в высоких широтах {от 810 до полюсов), а на широтах выше 75° наблюдаются очень низко над горизонтом, скрываясь за выступающими объектами и рельефом местности. Спутниковые системы на высокоэллиптических орбитах требуют применения нескольких космических аппаратов для обеспечения круглосуточного вещания, что не позволяет окупить систему при малой плотности населения, а также зачастую требуют применения приемной антенны с функцией слежения, что на порядки удорожает абонентский приемник [5].

Таким образом, затраты на систему ЦРВ стандарта DRM в диапазоне ДВ в этом случае оказываются минимальными из всех возможных вариантов и могут быть еще более уменьшены при совместном испопьзовании существующих радиомачт объектов навигационной системы «Чайка» и передатчиков дифференциальной поправки GPS/ГЛОНАСС. Также система ЦРВ в диапазоне ДВ может использоваться как средство распространения программ с последующей ретрансляцией маломощными передатчиками диапазона УКВ в малых населенных пунктах.

При радиусе зоны обслуживания 550-600 км дпя покрытия всей территории РФ теоретически минимально потребуется 16... 18 передатчиков. Учитывая реальную конфигурацию территории РФ, а также необходимость покрытия прибрежных морских акваторий и территорий сопредельных государств с большой долей русскоязычного населения, общее количество передатчиков может составить 27. ..30.

Решение проблемы темного времени суток

В темное время суток при появлении ионосферной волны возникают помехи от соканапьных станций. Прогнозируемая величина напряженности поля ионосферной волны в ночное время для Района I, в который входит территория РФ, определяется в соответствии с [6] следующим образом:

Е = V + Еп - Lt = V + Gs - Lp+ А - 20 log(p) -La-Lt -Lr,

где Е - годовая медиана получасовых медианных значений напряженности поля (дБ(мкВ/м)) для данной симомо-тивной силы передатчика, V, в данное время / относительно захода или восхода Солнца, в зависимости от ситуации. В диапазоне НЧ коэффициент потерь, учитывающий влияние солнечной активности, ¿г = 0. Для трасс, проходящих по территории России, поправка на усиление за счет влияния моря не учитывается (С.ч = 0), так же, как и потери за счет деполяризации (Ц,- 0). Интересующие нас максимальные значения медианной напряженности поля мешающего сигнала достигаются при часовом коэффициенте потерь ¿, =0 и для передатчика с нормированной излучаемой мощностью I кВт {0 дБ кВт) могут быть выражены следующим образом:

Е = А -20 1оф) - Ьа, где А - константа (на НЧ А = 110,2); р - дальность наклонного распространения, км; ¿а - коэффициент потерь, отражающий впияние ионосферного поглощения и связанных с ним факторов:

¿а = к (р/ ¡ООО)1''2, где коэффициент основных потерь к определяется выражением:

к = (2тг + 4.95тп2 Ф),

Ф - геомагнитная широта (диполя) средней точки исследуемой трассы. Если Ф больше +60°, к вычисляется для

Ф = +60°.

Зависимости напряженности поля ионосферной волны от расстояния от мешающего передатчика для различных геомагнитных широт (30°, 40°, 50° и 60°)приведены пунктирными линиями на рис. 1. Как видно из рис. [г ионосферная волна от мешающих станций распространяется на значительные расстояния, сокращая зону обслуживания полезной станции.

кв

1ГТТТТЖГПТПТ

ЭКЮ 4000 50«

расстояние,им

аьолкл - - И 0*м ^ **">: Ийно, - ' Ивч&.ФМО " - И о 1-е ф>вс

Рис. I. Ход напряженности поля земной и ионосферной волн (для передатчика I кВт). Для напряженности поля земной волны показаны 2 варианта - для разных частот или для разных провод имостей почвы

У

Изменения ото дня ко дню и кратковременные изменения уровней напряженности поля в ночное время {вариации напряженности поля ионосферной волны) практически не поддаются строгому расчету и учитываются статистически в [6] для диапазона НЧ следующим образом:

Д( 10) = 6,5 дБ; Д (5) = 11,5 дБ.

Большее значение вариаций приводится в [7], откуда следует, что для достижения надежности приема 98%, необходимо принимать запас на вариации, равный 16 дБ.

Как видно из рис. I, необходимые защитные отношения сигнал/помеха (16 дБ для декодирования + 16 дБ запас на вариации) начинают выполняться для 50° геомагнитной широты при расстояниях между передатчиками около 5000 км. В более высоких широтах это расстояние уменьшается, а ближе к экватору - увеличивается.

В этой ситуации при традиционном построении сети вещания частотно-территориальное планирование не может быть осуществлено на больших территориях, так как имеющихся в ДВ диапазоне 15 номиналов радиочастот оказывается недостаточно (рис. 2), По этой причине не всем странам в 1 Регионе МСЭ было «позволено» иметь ДВ передатчики, а для некоторых предписывалось снижение мощности в темное время суток, В частности, протяжённость территории РФ с севера на юг превышает 4 000 км, с запада на восток — приближается к 10 000 км, и при радиусах зоны обслуживания передатчиков 500-600 км частот ДВ диапазона в ночное время было недостаточно даже для РФ.

Рис. 2. Иллюстрация невозможности осуществления частотно-территориального планирования на больших территориях при традиционном построении сети вещания. Имеющихся в диапазоне ДВ 15 частот недостаточно

Для решения данной задачи предлагается сменить концептуальный подход, отказавшись от привычного принципа частотно-территориального планирования одиночных передатчиков с чередованием частот, и перейти к крупно-кластерному (зональному) планированию, состоящему из зон с синхронным вещанием, что позволяет реализовать все преимущества ЦРВ.

В цифровом радиовещании стандарта РКМ в режиме помехоустойчивости «В» длительность защитного интервала составляет 5,333 мс. В этой ситуации передатчики, находящиеся на расстоянии пути длины волны меньше 1600 км, будут находиться в синхронном режиме, и не будут создавать помех друг другу. Пример зоны с синхронным вещанием для диапазона ДВ приведен на рис. 3.

Из таких крупно-кластерных синхронных зон можно построить глобальную сеть вещания РФ, используя всего 8 радиочастот (рис, 4), Остающиеся частоты можно использовать для организации второго мультиплекса радиовещания - там, где территория суши имеет вытянутый характер по одной из осей (восточная масть РФ), или там, где нет покрытия ЦТВ.

'уХу^ >т< ОСу^ >т< ''''уХу4, У П У V X у у Ху N  у , у  УГУ

уХу ТО У у А у ы, ж у Л у >т? У УЗ V) щ IV, у V л у А у 1 ><=/»=>< У О У ) ч АУ

СТО у ' м^ ж у Л у Ж V X У лгу У У гит)

> 4950 км

Рис. 4. Глобальная сеть вещания из крупно-кластерных синхронных зон. Для РФ используются частоты Л-В

Для РФ реализация данного предложения позволит организовать покрытие всей территории, включая акватории, двумя программами радиовещания, одна из которых может быть глобальной, а вторая - региональной в пределах кластера. Внедрение может быть начато с восточных территорий в рамках имеющихся частотных присвоений.

Обобщенный пример глобального покрытия территории РФ цифровым радиовещанием стандарта ОРМ в диапазоне ДВ с использованием крупно-кластерных зон с синхронным вещанием (без детализации зон обслуживания отдельных передатчиков) приведен на рис. 5. Как видно из рис. 5, для покрытия территории РФ может быть достаточно 9 зон, в которых используется 8 номиналов радиочастот. Количество передатчиков в каждой зоне, с учетом реальной конфигурации территории, может составлять от 2 до 5, с расположением как в треугольной, так и в квадратной сетке.

Т-Сотт Том 9. #5-2015

У

Заключение

Разработанный пример архитектуры сети государственного радиовещания РФ показывает эффективность предложенного способа организации глобальной сети цифрового радиовещания в диапазоне ДВ с использованием крупно-кластерных зон синхронного вещания. Данная архитектура сети позволяет обеспечить круглосуточное покрытие цифровым радиовещанием всей территории РФ при достаточно малой суммарной мощности передатчиков.

Литература

1. Постановление Правительства РФ от 3 декабря 2009 г. N985 "О федеральной целевой программе "Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-20)5 годы" - Москва. - 2009.

2. Засурский Я.Н. Информационная безопасность России и средства массовой информации // Информационное общество. — 2001. - №4. - С. 19-23.

3. Варламов 0.5. Особенности частотно-территориального планирования сетей радиовещания DRM диапазонов НЧ и СЧ II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, - 2013, - №9. - С. 43-46.

4. Варламов О.В, Корректное планирование сетей DRM вещания II Электросвязь. - 2014. - № 6. - С, 26-34.

5. Локшин Б., Орлов Ю. Еще раз о спутниковом вещании с высокоэллиптических орбит II Broadcasting. Телевидение и радиовещание. - 2013. - № 4+5. - С. 48-49,

6. Ree. ITU-R P. I 147-4 - Prediction of sky-wave field strength at frequencies between about I 50 and I 700 kHz.

7. Черное Ю.А. Цифровое радиовещание до 30 МГц: иллюзии и реальность. Часть 2. Длинные и средние волны. Темное время суток II Электросвязь. - 2012. - № 2. - С. 43-47.

8. Варламов О.В., Горегляд В.Д. Расширение полосы согласования передающих вещательных антенных систем диапазона ДВ для работы в режиме DRM II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2013, - NBI. - С. 18-22,

9. Варламов О.В. Разработка алгоритма и программных средств проектирования антенно-согласующих цепей цифровых радиовещательных передатчиков стандарта DRM II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2013. - №2. - С. 47-50.

10. Гайнутдинов ТА, Гаранкина Н.И., Кочержевский В,Г., Гусева АС Простые широкополосные согласующие устройства длинноволновых радиовещатепьных антенн И T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2014. - Nal I, - С. 33-39.

METHOD OF ORGANIZATION GLOBAL DIGITAL RADIO BROADCASTING

NETWORK IN THE LW BAND

Varlamov O.V., Moscow, Russia, vov@mtuci.ru

Abstract

Previously by the author presented foundations analysis of the correct network planning for DRM broadcasting in LW and MW bands in daytime, shows that in the territory of Russian Federation using of DRM standard is energetically more favorable than traditional AM broadcasting. Using the LW band for global DRM broadcast network building is the most economical way of all possible options. However, in the night time, in the presence of interference from co-channel stations, the service area is significantly reduced. Necessary protection ratios are performed at distances between transmitters around 5000 km. Frequency planning over large areas can not be done in the traditional construction of broadcast network because available 15 radio frequencies in the LW band are insufficient. For this reason, not all countries in the Region 1 ITU have LW transmitters, and some transmitters reduce power at night time. To solve this problem it is proposed to change the conceptual approach, abandoning the familiar principle of frequency-territorial planning of individual transmitters with alternating frequencies, and move to the large-cluster (zonal) plan, consisting of areas with single-frequency synchronous broadcasting. Implementation of this proposal will allow organizing the coverage with two radio programs of the entire territory of Russia, including the water areas. One of program may be global, and the second - within a regional cluster. There is an example of the developed DRM digital broadcasting network with global coverage of Russia in the LW band using the large-cluster areas with synchronous broadcasting. It is shown that for the entire territory coverage of the Russian Federation it will be enough to have 29 transmitters with a total power of 1940 kW located in 10 areas with synchronous broadcasting and the using only 8 radio frequencies. This proposal also allows solving problems within the Regional Commonwealth in the Field of Communications (RCC) with the distribution between the CIS states of the remained from the Soviet Union synchronous frequency. Developed example of architecture of state broadcast network of the Russian Federation shows the effectiveness of the proposed method of organizing of global network of digital broadcasting in the LW band using the large-cluster zones with synchronous broadcasting. This network architecture allows having day and night coverage of digital broadcasting throughout the territory of the Russian Federation with a sufficiently small total transmitter's power.

Keywords: digital broadcasting, DRM, long wave, single frequency network, night time, global broadcast network. References

1. RF Government Resolution dated December 3, 2009 N 985 "On the Federal Target Program "Development of broadcasting in the Russian Federation in 2009-2015". Moscow. 2009.

2. ZasurskijJa.N. 2001, Information Security Russia and mass media. Information society. No. 4, pp. 19-23.

3. Varlamov O.V. 2013, Peculiarity of frequency-territorial planning of DRM broadcasting networks for LW and MW bands. T-Comm. No. 9, pp. 43-46.

4. Varlamov O.V. 2014, Correctly planning of DRM broadcasting networks. Elektrosvyaz. No. 6, pp. 26-34.

5. Lokshin B., Orlov Yu. 2013. Once again on the satellite broadcast with highly elliptical orbits. Broadcasting. Television and radio broadcasting. No. 4+5, pp. 48-49.

6. Rec. ITU-R P.1147-4 - Prediction of sky-wave field strength at frequencies between about 150 and 1700 kHz.

7. Chernov Yu.A. 2012, Digital radio broadcasting under 30 MHz. Illusions and reality. Part 2. Elektrosvyaz. No. 2, pp. 43-47.

8. Varlamov O.V., Goreglyad V.D. 2013, Bandwidth extension LW transmitting broadcasting antenna systems for operating in DRM mode. T-Comm. No. 1, pp. 18-22.

9. Varlamov O.V. 2013, Development of algorithm and software tools for antenna matching circuit design of DRM digital broadcast transmitters. T-Comm. No. 2, pp. 47-50.

10. Gajnutdinov T.A., Garankina N.I., Kocherzhevskij V.G., Guseva A.S. 2014, Simple broadband matching devices of long-wave broadcasting antennas. T-Comm. No. 11, pp. 33-39.

Information about author: Oleg Varlamov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D., Moscow, Russia.

T-Comm ^м 9. #5-2015