Σχεδίαση δικτύων επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής βασισμένη σε περιοχές εκχώρησης πόρων

Abstract

The developments in standardization of digital radio broadcasting systems have introduced new possibilities regarding the methodology of planning terrestrial broadcasting networks. Specifically, it is now possible to plan broadcasting networks based on service areas rather than transmitters. This approach has already been employed in recent broadcasting plans, such as the Maastricht 2002 terrestrial digital audio broadcasting (T-DAB) plan and the Geneva 2006 DVB-T and T-DAB plan. According to the introduced terminology, the service area, as the fundamental planning element of the produced frequency plan, is called an allotment. The present doctoral thesis presents a complete methodology for the planning of digital terrestrial broadcasting networks based on allotments in a total of 7 chapters. Chapter 1 is a short introduction to the contents of the thesis. Chapter 2 introduces the parameters and options that are involved with the allotment area definition. Emphasis is shown on the determination of the minimum required field strength within the area borders in order to guarantee a certain service type in conjunction with the two more widely used propagation models for terrestrial broadcasting. Chapter 3 presents the basis for the performance of interference analysis for an allotment network. Specifically, means to calculate the maximum acceptable interference on the allotment borders are provided. Because of the ambiguity of the final transmitter implementation of the allotment at this point emphasis is given on the modeling of the emitted interference with reference networks. In chapter 4 is given an introduction to the Frequency Assignment Problem (FAP) and more specifically the Fixed Channel Allocation (FCA) problem formulations. Moreover, the general principles of algorithms that have been employed in the past to solve FAP instances are shown. Specifically, the following channel assignment techniques are presented: sequential packing, simulate annealing (SA), taboo search (TS) and genetic algorithms (GA). Finally, the two FAP problems that will be addressed in the remainder of the thesis are formulated. In chapter 5 an original algorithm for the generation of possible solutions is presented. The algorithm is based on the utilization of stochastic algorithms used to solve the Minimum Span Frequency Assignment Problem (MS-FAP). The algorithm has three implementation versions, based on the exploited stochastic optimization technique (SA, TS and GA). The algorithm's performance is evaluated against the basic sequential packing algorithm and observations are made on the spectrum efficiency and the balance of the returned solutions. 19 generated problem instances with different statistical characteristics are employed towards this end. Chapter 6 presents the application of the presented planning methodology for the creation of the Greek allotment plan included in the GE-06 frequency plan for digital terrestrial broadcasting. The main part of this thesis is completed in Chapter 7, where the main conclusions are summarized and possible future extensions are presented.

Οι εξελίξεις στην τυποποίηση συστημάτων επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής δίνουν τη δυνατότητα σχεδιασμού δικτύων που δομικό συστατικό τους δεν αποτελεί η θέση εκπομπής, αλλά η περιοχή εξυπηρέτησης. Αυτή η προσέγγιση χρησιμοποιήθηκε σε πρόσφατα πλάνα επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής, όπως το πλάνο επίγειου ψηφιακού ραδιοφώνου του Μάαστριχτ (2002, Ma-02) και το πλάνο επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης και ραδιοφώνου της Γενεύης (2006, GE-06). Κατά την ορολογία που εισάγεται, η περιοχή εξυπηρέτησης, ως δομικό στοιχείο του πλάνου συχνοτήτων, ονομάζεται περιοχή εκχώρησης πόρων (allotment). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία σχεδιασμού δικτύων επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης βασισμένη σε περιοχές εκχώρησης πόρων σε 7 συνολικά κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μια γενική ολιγοσέλιδη εισαγωγή του αναγνώστη στο γνωστικό πεδίο και το περιεχόμενο της διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι παράμετροι και επιλογές που σχετίζονται με τον ορισμό των περιοχών εκχώρησης πόρων. Έμφαση δίνεται στον προσδιορισμό του ελάχιστου πεδίου που απαιτείται εντός της περιοχής για να επιτυγχάνεται η παροχή ενός συγκεκριμένου τύπου υπηρεσίας και πώς είναι δυνατή η πρόβλεψη του επιτυγχανόμενου πεδίου με τα δυο πιο διαδεδομένα μοντέλα διάδοσης που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό δικτύων ευρυεκπομπής. Στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής δίνεται η βάση για την πραγματοποίησης ανάλυσης παρεμβολών σε ένα δίκτυο allotments. Συγκεκριμένα, υπολογίζεται οι μέγιστη αποδεκτή συνολική παρεμβολή στα όρια ενός allotment με βάση τα χαρακτηριστικά του. Επειδή κατά το σχεδιασμό των περιοχών εκχώρησης πόρων κατά κανόνα δεν είναι γνωστή η ακριβής τελική υλοποίηση τους με δίκτυο πραγματικών πομπών, δίνεται βαρύτητα στη μοντελοποίηση της εξερχόμενης παρεμβολής με δίκτυα αναφοράς. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το πρόβλημα ανάθεσης φάσματος και εξειδικεύεται στις μορφές που θα το αντιμετωπίσουμε στα πλαίσια της διατριβής. Ακόμα, γίνεται επισκόπηση των βασικών αρχών λειτουργίας αλγόριθμων που έχουν χρησιμοποιηθείς τη βιβλιογραφία για την επίλυση παρόμοιων προβλημάτων ανάθεσης φάσματος. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι εξής τεχνικές αντιμετώπισης του προβλήματος ανάθεσης φάσματος: ο ντετερμινιστικός αλγόριθμος διαδοχικής απονομής, καθώς και στοχαστικοί αλγόριθμοι (γενετικοί, προσομοιωμένη ανόπτηση, αναζήτηση με απαγορευμένες καταστάσεις). Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο προτεινόμενος αλγόριθμος κατανομής φάσματος, αναλύεται η υλοποίησή του για τις μορφές του προβλήματος που ορίστηκαν στο τέταρτο κεφάλαιο και αποτιμάται η επίδοσή του σε σχέση με την αξιοποιούμενη τεχνική επίλυσης του προβλήματος ανάθεσης φάσματος. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας σε ένα πραγματικό πρόβλημα σχεδίασης δικτύου επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής και συγκεκριμένα στην κατασκευή του πλάνου συχνοτήτων DVB-T για τον ελλαδικό χώρο. Το κύριο μέρος της διατριβής ολοκληρώνεται με το έβδομο κεφάλαιο, όπου συνοψίζονται τα κυριότερα συμπεράσματα και παρουσιάζονται πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις.