«Анализ возможности внедрения технологии мобильного цифрового телевизионного вещания»

В западных странах уже в течение многих лет ведутся работы по переходу на полностью цифровое радиовещание, как звуковое, так и телевизионное. Цифровое телевидение все больше вытесняет аналоговые платформы распределения телевизионных программ, не только обеспечивая потребителям возможность получения широкого спектра услуг, но и позволяя использовать радиочастотный спектр более эффективно. По сравнению с аналоговыми системами цифровое наземное телевизионное вещание, в зависимости от качества передаваемых программ, позволяет повысить эффективность использования спектра в 4-8 раз.

В настоящее время в Российской Федерации с ростом спроса на новые и высококачественные услуги телевизионного вещания, заметно проявляется необходимость расширения полос радиочастот, отведенных для телевизионного вещания. Уже практически исчерпаны возможности размещения телевизионных каналов в метровом диапазоне волн, и быстро развивается вещание в дециметровых диапазонах - IV (470...662 МГц) и V (662...960 МГц).

На сегодняшний день, когда возможности расширения использования метрового диапазона телевещания практически исчерпаны и когда назрела необходимость расширения возможностей телевизионного вещания в дециметровом диапазоне волн, как никогда остро стоит проблема обеспечения электромагнитной совместимости средств телевещания с наземными и бортовыми радиоэлектронными средствами Министерства обороны Российской Федерации, Федеральной службы охраны  Российской Федерации и Министерства транспорта Российской Федерации.

Описание стандарта цифрового телевизионного вещания DVB-H

Стандарт цифрового телевизионного вещания DVB-H является Европейским стандартом наземного цифрового телевизионного вещания. Основные принципы системы передачи данных цифрового телевещания сформированы в документе Европейского института по стандартизации ETSI EN 302 304.

Передаваемые данные представляют собой информацию об изображении и звуковом сопровождении, а также любые дополнительные сведения. Изначально предполагалось, что система DVB-H будет встраиваться в существующее аналоговое окружение и работать совместно с сетями цифрового наземного ТВ вещания DVB-T, поэтому следует обеспечить защиту от интерференционных помех соседнего и совмещенного каналов, в которых работают передатчики PAL/SECAM.

Проект цифрового радиовещания (DVB) начал исследования связанные с  подвижным приемом сигналов наземного цифрового радиовещания (DVB-T) в 1998 г, одновременно с введением в Европе коммерческих служб цифрового телевидения.

В 2000 г. проект Motivate (Mobile Television and Innovative Receivers), поддерживаемый Европейским Союзом, пришел к выводу, что мобильный прием DVB-T возможен, но требует специально созданных радиовещательных сетей, так как такие подвижные службы требуют более устойчивой работы (т.е., более сложных схем кодирования), чем радиовещательные сети, спланированные для фиксированного приема  DVB-T.

Позже, в 2002 г., проект Multimedia Car Platform (MCP), поддерживаемый Европейским Союзом,  изучил отличные характеристики приема с разнесенными антеннами, при котором, за счет применения пространственного разнесения в дополнение к частотному и временному разнесению, обеспечиваемым передатчиками уровня DVB-T, качественные показатели приемника были улучшены настолько, чтобы подвижный пользователь смог принимать сигналы DVB-T, передаваемые для фиксированных приемников. Через пять лет после начала вещания, DVB-T демонстрирует достаточную гибкость, позволившую разрешить использование служб вещания на подвижные приемники в Германии или в густонаселенных городах типа Сингапура.

Но за эти годы изменились привычки пользователей, уже в начале 2002 г. пользователи DVB высказывали пожелания о необходимости создания технической спецификации, которая позволила бы вести вещательную передачу на портативные терминалы мультимедийной информации, то есть возможности, которая не закладывалась в исходное оборудование DVB-T. Такое решение позволит принимать услуги телевизионного вещания на небольшие портативные устройства типа мобильного телефона.

Этот подход требует особых возможностей от передающей системы, которая обслуживает такие устройства. Во-первых, система должна иметь возможность обслуживания большого числа сценариев приема – внутри зданий, вне зданий и сооружений, в условиях движения со скоростью пешехода, для пользователя, находящегося внутри передвигающегося транспортного средства; и, следовательно, передающая система  должна обладать достаточной гибкостью и масштабируемостью для обеспечения приема на различных скоростях, обеспечивая при этом оптимальное покрытие передатчика. Кроме того, система должна допускать использование в различных частях мира, то есть  быть достаточно гибкой в том, что касается используемых диапазонов частот и для каналов с различной шириной занимаемой полосы. Все это должно быть достигнуто для системы, основанной на DVB-T, для того, чтобы обеспечить максимальную совместимость с существующими сетями и системами DVB-T. Во-вторых, поскольку технология предназначена для подвижных пользователей, передающая система должна иметь возможность простого доступа к услугам, когда приемники покидают зону обслуживания одного передатчика и входят в зону обслуживания другого передатчика.  В-третьих, поскольку эти устройства питаются от аккумулятора, передающая система должна позволять им регулярно отключать какие-либо части цепи приема для увеличения срока работы от аккумулятора. В-четвертых, поскольку, как ожидается услуги будут предоставляться в условиях приема, где наблюдается сильная многолучевость и высокий уровень шумов искусственного происхождения, передающая система должна иметь дополнительные средства для ослабления этого влияния на параметры приемника.

Кроме того, она должна успешно бороться с типичными для наземного телевидения эхо-сигналами и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн в городских условиях. Эти требования и обусловили применение системы модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex- частотное уплотнение с ортогональными несущими). Однако применение только этого способа не позволяет полностью избавиться от потери информации при многолучевом распространении сигналов. Для решения этой проблемы дополнительно производится кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных. В системе DVB-Н используется сочетание двух видов кодирования - внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры. Кодирование превращает OFDM сигналы в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).

Чтобы избежать межсимвольных искажений, возникающих при многолучевом распространении, вводится защитный интервал перед каждым символом, но это работает только в том случае, когда эхо-сигнал приходит не позже, чем величина защитного интервала. Необходимо также учитывать тот факт, что введение защитного интервала снижает максимальную скорость передаваемого потока данных. Поэтому стандарт допускает изменение величины защитного интервала. Относительная величина защитного интервала выбирается в соответствии с конкретной ситуацией из следующего ряда значений: 1/4, 1/8, 1/16 или 1/32.

Для осуществления внутреннего кодирования используется внутренний (свёрточный) код. Скорость свёрточного кода, обнаруживающего и исправляющего ошибки, также может изменяться в зависимости от конкретной ситуации распространения. Относительная скорость кода может быть установлена равной одной из величин следующего ряда значений: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8.

В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов.

Ширина полосы частот сигнала стандарта DVB-Н в РФ нормируется национальным нормативным документом – Нормы 19-02 «Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского назначения» дополнение  № 1 «Системы цифровой передачи данных с использованием модуляции COFDM», введенным Решением Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 04.07.2005 № 05-07-04-001.

DVB-H - Система и стандарты

Система DVB-H определяется на основе существующего стандарта DVB-T для фиксированного приема сигналов цифрового наземного телевизионного вещания и приема в движущемся автомобиле.

Стандарт DVB-H построен на тех же принципах, что и стандарт стационарного наземного цифрового телевидения DVB-T. И в DVB-H, и в DVB-T используются одни и те же физические принципы, и устройства стандарта DVB-H могут быть совместимыми с устройствами стандарта DVB-T. Как и DVB-T, DVB-H использует транспортный поток, компрессированный в формате MPEG-2 и точно такой же передатчик с OFDM модуляторами для формирования вещательного сигнала. В одном мультиплексированном потоке может передаваться до 50 телевизионных программ, причем в одном и том же потоке могут одновременно передаваться и сигналы DVB-T, и сигналы DVB-H.

Однако, каждая система имеет свои специфические требования, и DVB-H содержит дополнительные функции, необходимые для качественного приема на портативные устройства в движении. Первым отличием является например, функции, позволяющие экономить расход энергии аккумулятора, что очень важно для любых портативных устройств. Для снижения энергопотребления в стандарте DVB-H используется специальная функция, называемая квантованием времени.

В основе этой функции лежит тот факт, что данные, относящиеся к определенной услуге, доставляются на приемное устройство в виде пакетов, приходящих с известными интервалами времени. В одном пакете (1-2 Мбит/с), как правило, содержится информация, которая будет воспроизводиться в течение 1 – 5 секунд. Когда приемник не принимает пакеты полезных на данный момент данных, его тюнер переходит в «пассивный» режим и потребляет меньше энергии. Пользователь, конечно, не замечает разницы между активными и пассивными периодами приемника, поскольку пакеты сохраняются в памяти и воспроизводятся без перерывов. Функция разделения во времени позволяет сократить энергопотребление на 95% по сравнению с обычными DVB-T тюнерами, находящимися в активном режиме постоянно.

Вторым отличием DVB-H является то, что антенны у портативных приемников достаточно малы, а прием на них надо обеспечить в самых разных условиях, поэтому необходимо создать устойчивую систему передачи с эффективной коррекцией ошибок. Для выполнения этого требования предложена функция MPE-FEC (Многопротокольное пакетирование / Упреждающая коррекция ошибок), обеспечивающая повышение устойчивости к ошибкам за счет добавления к традиционной схеме упреждающей коррекции ошибок еще одного уровня многопротокольного пакетирования. Однако, использование этой новой схемы остается на усмотрение вещателя.

Третье отличие DVB-H заключается в том, что стандарт позволяет вести вещание аудио, видео и другой информации с использованием Интернет-протокола (IP). Эта возможность реализована в виде функции IP Datacast (Радиовещательная передачи данных с использованием Интернет-протокола) При этом, информационное содержание доставляется в виде пакетов данных с использованием тех же методов, что применяются для передачи цифровых потоков в сети Интернет. Применение Интернет-протокола для передачи данных Интернета в виде так называемых IP пакетов, позволяет DVB-H использовать стандартные компоненты и протоколы для формирования, хранения и передачи контента. Мало того, кроме передачи видео и аудио потоков, функция IP Datacast позволяет осуществлять пересылку файлов в сети DVB-H.
Главным дополнением на канальном уровне (т.е. уровень, который расположен выше физического уровня) является квантование времени  и дополнительное кодирование с упреждающей коррекцией ошибок (FEC). Квантование времени существенно уменьшает среднюю мощность на входе приемника – примерно на 90%–95% и, кроме того, позволяет выполнять плавный и незаметный для пользователя переход на другой частотный канал, когда пользователь покидает зону обслуживания одного передатчика и входит в другую. Для DVB-H применение схем с квантованием времени является обязательным условием успешной работы.

Кодирование с упреждающей коррекцией ошибок (FEC) для многопротокольных инкапсулированных данных (MPE-FEC) позволяет значительно улучшить показатели по отношению сигнал/шум (C/N) и  показатели качества с учетом эффектов Допплера в каналах подвижной связи и, кроме того, также повышает и сопротивляемость пакетным помехам. Применение MPE-FEC в системах DVB-H не является обязательным.

Следует подчеркнуть, что ни квантование времени, ни технологические элементы MPE-FEC (поскольку они применены на канальном уровне) никоим образом не затрагивают физический уровень DVB-T.

Это означает, что существующие приемники DVB-T не будут подвержены вредному влиянию сигналов DVB-H, поскольку система DVB-H полностью совместима «назад» с системами и стандартами DVB-T. Также важно отметить, что полезной нагрузкой, передаваемой в каналах DVB-H являются IP-датаграммы или датаграммы иного сетевого уровня, инкапсулированные в блоки MPE. Учитывая,  что для отдельных услуг DVB-H будут наложены ограничения по объемам и скоростям передачи данных, а также то, что сигналы DVB-H будут просматриваться на небольших экранах обычного портативного терминала (мобильного телефона), классические схемы аудио и видео кодирования, используемые в цифровом вещании, совершенно не подходят для DVB-H.

Физический уровень имеет четыре расширения, относительно существующего физического уровня DVB-T. Во-первых, изменены биты сигнализации о параметрах передатчика (TPS). Куда теперь включены два дополнительных бита, указывающих наличие услуги DVB-H и возможности использования MPE-FEC для улучшения обслуживания и увеличения скорости передачи и обнаружения службы [10]. Во-вторых, для обеспечения подвижности в обмен на уменьшение размеров сот одночастотных сетей (SFN) утвержден новый режим 4K мультиплексирования с ортогональным разделением частот (OFDM), позволяющий вести прием на одну-единственную антенну в одночастотной сети среднего размера, при перемещении с высокими скоростями. Это делает проектирование сети намного более гибким. Режим 4K в системах DVB-H не является обязательным, он дополняет режимы 2K и 8K, которые также доступны. Кроме того, в DVB-H можно использовать все другие форматы модуляции - QPSK, 16QAM и 64QAM с неиерархическими и  иерархическими режимами. В-третьих, для DVB-H сформирован новый способ использования перемежения символов, отличный от того, что применен в DVB-T. Для режимов 2K и 4K оператор может выбирать вариант перемежения. Такой подход значительно повышает базовый уровень толерантности этих режимов к пакетному шуму до уровня, достигаемого в режиме 8K, а также улучшает робастность в условиях подвижного приема. И, наконец, четвертое добавление к физическому уровню DVB-T – это то, что в не радиовещательных полосах будет использоваться  ширина канала 5 МГц. Например, в США, где такая сеть развернута в диапазоне примерно 1.7 ГГц, ширина канала DVB-H составляет 5 МГц.

Концептуальная структура оборудования пользователя DVB-H показана на рис. 1. Она включает DVB-H приемник (DVB-T демодулятор, модуль квантования времени и дополнительный модуль MPE-FEC) и терминал DVB-H. DVB-T демодулятор восстанавливает пакеты транспортного потока (TS)  MPEG-2 из принятого радиочастотного сигнала DVB-Tl. Он обеспечивает три режима передачи 8K, 4K и 2K с передачей соответствующих служебных сигналов.

Модуль квантования времени управляет работой приемник по декодированию полезного сигнала и отбрасыванию битов других служб.

Рисунок. 1 Концептуальная структура приемника DVB-H

Его предназначение – уменьшить энергопотребление приемника, обеспечивая при этом гладкий и бесшовный переход из соты  в соту. Модуль MPE-FEC выполняет дополнительную коррекцию ошибок на физическом уровне передачи, это - дополнительная функция FEC, которая позволяет приемнику работать в особенно сложных условиях приема.

Пример использования DVB-H для передачи сигналов IP-услуг приведен на рисунке 2. В этом примере, в одном и том же мультиплексированном потоке передаются и традиционные сигналы MPEG-2 и сигналы служат DVB-H с квантованием времени. Портативный терминал декодирует/использует только сигналы IP служб. Отметим, что в тех случаях, когда  мультиплексированный поток используется совместно  и приемниками DVB-T, и терминалами  DVB-H, из соображений необходимости обеспечения совместимости ни режим 4K, ни глубокое перемежение не используются.

Некоторые основные параметры физического уровня DVB-H приведены в таблицах 4.17, 4.18, 4.18. В таблице 1 приведены параметры частотной области для канала шириной 8 МГц. Для каналов другой ширины выполняется – масштабирование параметров для более узких полос частот, при этом увеличивается длина символа. Отметим, что число активных несущих меньше, чем прямо предлагается размером быстрого преобразования Фурье (FFT). Как и в DVB-T, это происходит из-за наличия некоторой защитной полосы частот, в которой несущие имеют амплитуду, равную нулю. В таблице 2 указаны длительности символов OFDM во временной области как с, так и без защитных интервалов.

Важно отметить, что, используя наибольший защитный интервал и режим 4K, можно создать одночастотную сеть на передатчиках  с радиусами действия примерно 33 – 35 км. Максимальное расстояние ограничивается задержкой на передаче между сайтами передачи. Она должна быть меньше, чем длина защитного интервала.

В таблице 3 приводятся некоторые примеры достижимых размеров пропускной способности мультиплексированных потоков с различными схемам модуляции и скоростями конволюционного кодирования. В указанных цифрах предполагается, что используется MPE-FEC с  коэффициентом кодирования 3/4. Следует отметить, что стандарт DVB-H позволяет использовать различные скорости кодирования, или даже вообще отказаться от применения MPE-FEC.

Рисунок 2.
Концептуальное описание использования системы DVB-H (совместное использование мультиплексированного потока с услугами MPEG-2).

Таблица 1

Параметры частотной области для сигнала DVB-H OFDM (для канала
8МГц)

Таблица 2

Длительности символов OFDM во временной области

Таблица 3

Чистые скорости передачи полезных битов (Мбит/с) для систем DVB-H с шириной канала 8 МГц, в предположении, что весь мультиплексированный поток занят сигналом DVB-H, скорость кодирования MPE-FEC = 3/4

Опять же цифры, при необходимости, можно прямо пропорционально менять с изменением коэффициентов кодирования и/или ширины полосы канала. Из практических соображений, в сетях, обслуживающих подвижные портативные терминалы, в основном применяются наиболее строгие требования по коэффициентам кодирования (т.e., 1/2 или 2/3) для конволюционного кодирования, что позволяет создать сеть с хорошими общими качественными показателями и хорошим покрытием.

Режим 4K и устройства глубокого перемежения

Целью применения режима 4K является увеличение гибкости при планировании сети за счет обмена мобильности и размера зоны покрытия. Для дальнейшего повышения надежности DVB-H режимов 2K и 4K в условиях подвижного приема и пакетного шума, в стандарт добавлены устройства глубокого перемежения.

Дополнительный режим передачи 4K – это масштабированный набор параметров, определенных для режимов 2K и 8K, как видно из таблиц 1 и 2. Его цель – найти возможность дальнейшего обмена  размера зоны покрытия одночастотной сети (SFN) и качественными показателями  подвижного приема, при условии добавления гибкости для планирования сети.

Условия такого обмена можно выразит следующим образом.

• Режим DVB-T 8K может использоваться как для сетей с одним передатчиком (многочастотная сеть –MFN), так и для малых, средних и больших одночастотных сетей. Он обеспечивает устойчивость к эффекту Допплера при приеме на высоких скоростях движения абонента.
• Режим DVB-T 4K может использоваться как для сетей с одним передатчиком, так и для малых и средних одночастотных сетей. Он обеспечивает устойчивость к эффекту Допплера при приеме на очень высоких скоростях движения абонента.
• Режим DVB-T 2K пригоден для сетей с одним передатчиком и для малых одночастотных сетей с ограниченной зоной обслуживания передатчика. Он обеспечивает устойчивость к эффекту Допплера при приеме на чрезвычайно высоких скоростях движения абонента.

Для режимов 2K и 4K добавленные устройства глубокого перемежения повышают гибкость в перемежении символов за счет исключения внутреннего устройства перемежения из используемого режима передачи. Такая гибкость позволяет сигналам в режимах 2K или 4K использовать преимущества наличия памяти устройства перемежения символов 8K для эффективного учетверения (для 2К) или удвоения (для 4 К) глубины работы  устройства перемежения  для улучшения приема в затухающих каналах. Это также обеспечивает дополнительный уровень защиты от коротких шумовых пакетов, создаваемых, например,  помехами от системы зажигания и помехами от различных электротехнических устройств.

Концептуальный принцип работы устройства глубокого перемежения показан на рисунке 2, где изображена ситуация для режима 4K с устройством перемежения 8. На рисунке показаны символы OFDM во временной и частотной областях. Каждый символ OFDM в данный момент времени является набором несущих, каждая несущая имеет фазу и амплитуду, определенные множителем для данного числа битов. Величина множителя определяется форматом модуляции несущей и составляет 2 - для QPSK, 4 - для 16QAM и 6 - для 64QAM. Отметим, что для упрощения изложения на рисунке показано только восемь несущих для каждого символа OFDM. Для обычного устройства перемежения эти множители будут перераспределены между несущими внутри одного символа OFDM. Для устройства глубокого перемежения множители двух последовательных символов OFDM в данный момент времени берутся и переносятся, как показано в нижней части рисунка 2.

Таким образом, ошибки в канале, сконцентрированные либо во временной области, либо в частотной, распределяются более равномерно и повышают возможности конволюционного кодирования по правильному декодированию исходных битов. В режиме 2К система работает аналогично, выполняя перемежение для четырех символов. А не для двух.

Режим 4K и устройства глубокого перемежения влияют на физический уровень, однако, вариант их реализации не приводит к большому увеличению сложности оборудования  приемников и передатчиков (например, логических шлюзов или вычислений) по отношению к более ранней версии стандарта EN 300 744 для DVB-T. Типичный демодулятор подвижной связи уже содержит достаточно оперативной памяти и логических цепей для работы  сигналами 8К, и эти возможности превышают требования для работы 4K.

Излучаемый спектр в  режиме 4K аналогичен спектру режимов 2K и 8K; следовательно изменений  в фильтрах передатчиков не требуется.

Особенности стандарта DVB-H по сравнению с DVB-T

А. Квантование времени

Способом передачи IP- датаграмм в стандарте DVB является MPEG-2 TS, в котором используется многопротокольная инкапсуляция (MPE).
При использовании MPE каждая IP датаграмма инкапсулируется в один блок MPE. Поток блоков MPE затем помещается в элементарный поток (ES), т.e., поток пакетов MPEG-2 TS с конкретным идентификатором программы (PID). Каждый блок MPE содержит 12- байтовый заголовок, 4-байтовую проверочную сумму циклического контроля избыточности (CRC-32), остаток и длину полезной нагрузки, которая идентична длине IP датаграммы, которая передается данным блоком MPE.

Рисунок. 2.
Режим 4k с перемежением глубиной 8k, концептуальное изображение с 8 несущими.

(a) Порядок следования символов до глубокого перемежения и после перемежения

(b) Порядок следования символов после перемежения в канале.

Затененные области на рисунке (b) показывают, каким образом помехи в канале, сконцентрированные в частотной области (косые линии) и во временной области (точки), становятся равномерно распределенными после перемежения.

В будущем типовой ситуацией для портативных DVB-H устройств может быть прием аудио/видео  сигналов, передаваемых по IP протоколу в ES, которые имеют довольно малую скорость передачи, рядка 250 кбит/с. Однако, транспортный поток MPEG-2 TS может иметь скорость, например, 10 Мбит/с. Таким образом, интересующий пользователя ES занимает только часть (в этом примере, 2.5%) от общей скорости передачи   транспортного потока MPEG-2 TS. Для того, чтобы существенно снизить потребление мощности, наилучшим вариантом может быть приемник, который демодулирует и декодирует только интересующие пользователя 2.5% от общего потока, а не весь транспортный поток MPEG-2 TS. Это вполне возможно, когда применяется квантование времени, поскольку блоки MPE данного конкретного ES передаются в виде пакетов с высокими скоростями, а не с постоянной малой скорость. Во время паузы между пакетами – время выключения – не передается ни один блок из данного конкретного ES. Это дает приемнику возможность полностью отключить питание на это время; см. рис. 3. Однако, приемник должен знать, когда снова надо включить питание для того, чтобы принять следующий пакет. В конкретном пакете указывается  время начала следующего пакета этого же ES при помощи параметра delta_t в заголовках всех блоков пакета,  что позволяет сделать передачу этой информации очень устойчивой к ошибкам передачи. 

Пиковая скорость пакетов может, в принципе, быть равной полной скорости MPEG-2 TS, но может быть и любым другим меньшим значением, распределенным для данного ES. Если это значение меньше пиковой скорости, то пакеты транспортного потока MPEG-2 TS определенного пакета могут перемежаться с пакетами транспортного потока MPEG-2 TS, принадлежащего другим ES (например, DVB-H или иным  аудио/видео служба - SI или MPEG-2).

Рисунок 3 Принцип  квантования времени.

Благодаря гибкости блока передачи служебной информации  delta_t, не накладывается никаких требований относительно необходимости иметь пакеты или интервалы между пакетами   строго определенной длины. Видеопоток, кодированный с переменной битовой скоростью, может, следовательно, использовать переменный размер пакета и/или переменные интервалы между пакетами. Следует отметить, что в одном пакете могут содержаться сигналы различных служб, т.е полоса частот будет использоваться как для передачи сигналов DVB-H, так и для передачи сигналов DVB-T или иных систем вещательной передачи (например, мультимедийной информации).

Если средняя скорость передачи для ES равна 500 кбит/с, то пиковая скорость передачи равна 10 Мбит/с, а размер пакета составляет 2 Мбит (максимально допустимая величина), то продолжительность пакета становится равной 200 мс, и период пакетов равен 4 с. Однако, приемник, должен включиться немного раньше появления пакета для того, чтобы синхронизироваться и подготовиться к приему информации. Предположив, что общее время подготовки составит 200 мс, включая некоторый запас на дрожание величины delta_t, экономия энергопотребления в данном примере составит 90%. Вероятно, что реальные параметры, используемые для режима квантования времени, будут представлять собой компромиссное решение между необходимостью экономии энергопотребления и рядом других факторов, таких как время доступа к услуге и качественные показатели радиочастотного сигнала. На рисунке 4 приведены примеры того, как экономия энергии зависит от пакетной скорости передачи и скорости передачи ES. Отметим, что предположительное общее время подготовки на рисунке 5 несколько больше, чем 200 мс (260 мс).

В. Схема защиты от ошибок MPE-FEC

При использовании схемы защиты от ошибок MPE-FEC IP-датаграммы в каждом квантованном во времени пакете защищены данными контроля четности с применением кода Рида-Соломона (данные RS), рассчитанными из IP датаграмм пакета. Данные RS инкапсулируются в блоки MPE-FEC, которые являются частью пакета и передаются непосредственно после последнего блока MPE в данном пакете, в том же самом ES, но с идентификатором table_id, который отличается от блоков MPE, что позволяет приемнику различать два этих типа блоков в ES.
Для расчета данных RS используется кадр MPE-FEC. Кадр MPE-FEC состоит из прикладной таблицы данных (ADT), которая содержит IP-датаграммы (и, возможно, биты заполнения), и таблицы данных RS,  которая содержит данные RS; см. рис. 5.

Число строк в кадре MPE-FEC указывается в служебной информации (SI) и может принимать одно из значений 256, 512, 768 или 1024. Число столбцов составляет 191 для ADT и 64 – для таблицы данных RS. IP-датаграммы конкретного пакета вводятся в ADT вертикально столбец за столбцом, начиная с верхнего левого угла. Если IP-датаграмма не заканчивается точно внизу столбца, то оставшиеся байты продолжают вводиться, начиная сверху следующего столбца. Если IP-датаграммы не заполняют ADT, то оставшиеся байтовые позиции заполняются нулями. Затем для каждой строки вычисляются 64 байта контроля четности для таблицы данных RS из 191 байта IP-датаграммы (и, если есть с учетом байтов заполнения) той же самой строки, используя код Рида – Соломона RS(255 191). Это требует большого времени на перемежения, так как все байты RS данных вычисляются из IP-датаграмм, распределенных по пакету.

Рисунок 4.
Зависимость экономии энергии от пакетной скорости передачи и скорости передачи ES.

Рисунок 5  Кадр с защитой от ошибок MPE-FEC

Каждая IP-датаграмма передается в блоке MPE, а каждый столбец из таблицы RS данных передается в блоке MPE-FEC. Все заголовки блоков MPE и MPE-FEC содержат 4-байтовое поле параметров реального времени, которое включает в себя 12-битовый стартовый адрес, указывающий номер байта (отсчитываемый от начала таблицы) начальной позиции соответствующей IP-датаграммы или столбца данных RS, а также 18-битовый параметр delta_t и 1-битовые флаги для указания конца таблицы и конца кадра. Результирующий стек протокола для DVB-H (когда используется MPE-FEC) изображен на рисунке 6.

Рисунок 6 Стек протокола для DVB-H

Одна из возможных стратегий декодирования приемника может быть следующей: Приемник проверяет сумму циклического контроля избыточности CRC-32 для каждого принятого блока выбранного ES. Как указано выше, CRC-32, как правило, позволяет обнаружить блоки, пораженные ошибками, которые затем могут быть отброшены приемником. Таким образом, на схему декодирования MPE-FEC проходят только полностью конкретные блоки. Каждая правильно принятая IP-датаграмма или колонка RS данных затем может быть введена на правильное место кадра MPE-FEC при помощи стартового адреса каждого блока. При наличии ошибок передачи, в кадре MPE-FEC будет оставаться несколько незаполненных пробелов, соответствующих утерянным блокам.

Приемник будет воспринимать все принятые им байты, как «надежные», а все другие позиции как «ненадежные». Следовательно, для каждой строки кадра MPE-FEC известно, какие позиции байтов приняты корректно («надежные»), а какие утеряны («ненадежные»).

Следовательно, приемник может выполнить декодирование с исправлением ошибок с кодом RS(255 191), который позволяет исправить вдвое больше байтовых ошибок, что в нашем случае составит до 64 в каждой строке. Предполагая, что в каждом столбце сдержится целая датаграмма, это будет соответствовать возможности коррекции до 64 утерянных столбцов в кадре, т.е теряется каждый четвертый блок. Далее, предположив, что вероятность потери блока равна 10%, получаем результирующий коэффициент приема нескорректированных кадров после декодирования MPE-FEC=10 .

Эта мощная возможность коррекции ошибок, совместно с виртуальным перемежением во времени, позволяет существенно уменьшить требуемое отношение несущая-шум (C/N) в каналах подвижной связи. Измерения показывают, что результирующие показатели C/N аналогичны тем, что достигаются с использованием разнесения антенн, хотя признано, что в случае использования варианта MPE-FEC имеется недостаток, заключающийся в том, что уменьшается пропускная способность из-за заголовка, внесенного блоками MPE-FEC. Однако, использование более слабого коэффициента конволюционного кодирования DVB-T может компенсировать это, когда скорость кодирования 2/3 используется вместе с MPE-FEC (скорость кодирования 3/4) качественные показатели намного лучше, чем при коэффициенте конволюционного кодирования 1/2 без MPE-FEC, даже, когда передается точно такая же нагрузка IP.

В случае, когда ADT не полностью заполняется IP-датаграммами, оставшаяся часть байтов заполняется нулями. Это заполнение используется только для расчетов данных RS, и не передается.

В заголовке блоков MPE-FEC можно передать информацию о числе полностью заполненных столбцов. В приемнике эти полностью заполненные столбцы могут быть введены заново о отмечены как «надежные», поскольку их содержание известно.

Использование столбцов заполнения, в действительности, укорачивает код Рида-Соломона, это сокращает эффективный скорость кодирования и некоторым образом улучшает возможность коррекции ошибок, но кроме того вносит большой (в процентном отношении) заголовок для данных RS. Это можно компенсировать, прореживая некоторые из столбцов RS. Прореживание означает, что некоторые из последних столбцов RS не передаются и это приводит к ослаблению кода (т.e., к более высокому  эффективному коэффициенту кодирования) и сокращению заголовка данных.

Операции по укорачиванию и прореживанию могут выполняться независимо друг от друга и могут выполняться в динамическом режиме, т.e., в соседние кадрах  MPE-FEC выполняются различные операции по сокращению. Уменьшение размера пакета/кадра от максимальной величины может быть выполнено двумя способам, которые могут быть скомбинированы.

Первый вариант – уменьшить число строк от 1024 до 768, 512 или 256. Число строк – это квази-статический параметр, обозначаемый как SI, он может меняться несущественно. Второй вариант – вводить столбцы заполнения и выполнение прореживания.
Число заполняемых столбцов может меняться от 0 до 190. Соответствующий диапазон прореживания составляет от 0 до 63 прореженных столбцов.

С точки зрения параметров кодирования, эти два метода практически эквивалентны. Чем больше и эффективнее кадр MPE-FEC, тем более эффективным становится схема MPE-FEC. Уменьшение размера кадра вполовину соответствует сокращению вдвое глубина перемежения. Для получения наилучшего качества подвижного приема, наиболее подходящим вариантом может быть кадр с наибольшим размером.

C. Учет хэндовера

Стандарт DVB-H поддерживает очень эффективный хэндовер, который включает в себя бесшовный хэндовер. Это – результат наличия периодов отключения в квантовании времени, где приемник может сканировать другие частоты для того, чтобы найти наилучшую из возможных частот, или в действительности, выполнить переход.

Следует подчеркнуть, что возможность “тихо” оценивать возможные частоты  без нарушения работы существующих приемников является чрезвычайно важной особенностью системы DVB-H.

Если один и тот же транспортный поток доступен в нескольких соседних сот, то передачу TS предпочтительно вести с синхронизацией во времени. Этого, в принципе, нетрудно достичь, поскольку могут использоваться те же методы, что и в  одночастотных сетях, и требования к точности времени намного менее строгие, чем в случае одночастотных сетей (SFN).

Если передача транспортных потоков на различных частотах синхронизирована во времени, приемник будет принимать следующий пакет в момент времени, указанный параметром delta_t также и на любой новой частоте, на которой передается этот транспортный поток. Поскольку транспортный поток это тот же самый поток, то и содержание пакетов – то же самое, это означает, что хэндовер будет выполнен незаметно для пользователя.

Качественные показатели стандарта DVB-H

Радиовещательные системы передачи должны предусматривать простые способы противостояния наличию многочисленных копий сигнала, достигающих приемника. В наземной версии стандартов DVB передачи, такое эхоподавление достигается путем введения “защитного интервала” между всеми модулированными символами, которые четко определяют «межсимвольный» переходный период, в течение которого сигнал в канале просто игнорируется приемником, что минимизирует межсимвольные помехи, возникающие из-за задержанного приема предыдущих модулированных символов.

С такими помехами от эхо-сигналов легко бороться таким образом, когда радиовещательный сигнал предназначен для стационарных приемников, которые принимают сигнал на антенну хорошего качества, установленную на крыше здания и направленную на передающий центр. Однако, когда радиовещательный сигнал предназначен для автомобильных или портативных приемников, которые принимают сигнал на ненаправленную антенну, располагающуюся примерно на высоте 1 м от уровня земли, эту проблему, естественно, решать намного сложнее.

A. Эффект Допплера:

Для  приемников, находящихся в движении, сложность ситуации обусловлена не только наличием множества принимаемых отражений сигнала, с различной задержкой во временной области, то также и тем, что каждое отражение сдвинуто по частоте.

Согласно эффекту Допплера, описываемого следующей формулой (1) сигналы, принимаемые в процессе движения, подвержены влиянию «Допплеровского сдвига частоты», который зависит от скорости перемещения приемника и относительного угла  между направлением движения приемника и направлением прихода сигнала
                                                                   (1)
где V –скорость перемещения приемника

f_Tf – несущая частота передаваемого сигнала

С – скорость света (в вакууме 299.792.458 м/с)

Φ – угол между направлением движения приемника и направлением прихода сигнала

В то время, как  угол между направлением движения приемника и направлением прихода сигнала обуславливает знак и взвешивающий коэффициент для  допплеровского сдвига частоты, несущая частота передаваемого сигнала и  скорость перемещения приемника будут влиять на его величину.

Отражения, подверженные воздействию допплеровского сдвига частоты, воспринимаются приемником как шум, увеличивающий взаимные помехи между различными несущими  сигналами (перекрестные помехи). Помехи между различными несущим могут быть уменьшены в приемниках, где применены специальные методы обработки сигнала.

Другими словами, учитывая, что сигнал, принимаемый в процессе движения, представляет собой сумму отражений, каждое из которых испытывает свое влияние   допплеровского сдвига частоты (т.е. cos Ф ), результирующий уровень шума из-за помех между различными несущими пропорционален скорости движения приемника (т.е., V ) и несущей частоте принимаемого радиовещательного канала (т.е., f_Tf).

В. Условия работы

Стандарт DVB-T для каждой используемой кодовой группы определяет порог отношения несущая-шум (C/N), необходимый для достижения значения критерия квази безошибочного приема (quasi-error-free (QEF)) при различных условиях распространения радиоволн. Для этой цели используется три модели каналов (Гауссовский канал, канал Рисса и Рэлеевский канал), в которых не учитываются шумы, создаваемые благодаря существованию допплеровского сдвига частоты. Однако, для радиовещательных служб, сигналы которых предназначены для приема на подвижный приемник, должны использоваться иные модели каналов и иные критерии.

Моделирование канала

В 1989, Проект EU-COST207 (1984–1988 годы) тщательно изучил модели  распространения радиоволн, которые должны использоваться для подвижной радиосвязи. В таблице 4 [6] показана Типовая модель для городских условий, учитывающая 6 путей прихода сигнала (TU6). Эта модель доказала свою пригодность для оценки условий мобильного приема с  допплеровским сдвигом частоты более 10 Гц.

Таблица 4

Типовая модель распространения сигнала для городских условий TU6

Для оценки качественных показателей мобильного приема требуется создать воспроизводимые условия оценки. Модель TU6 была многократно использована как в процессе моделирования, так и в ходе лабораторных испытаний (с применением симулятора канала), и результаты. Полученные с ее использованием результаты очень хорошо коррелируются с многочисленными результатами, полученными в ходе натурных испытаний.

Тем не менее, существуют сомнения в пригодности модели TU6 для оценки качественных показателей приема в условиях мобильного приема с  допплеровским сдвигом частоты менее 10 Гц (т.е., при приеме со скоростью пешехода и приеме внутри зданий и сооружений).

Критерий качества восстановления (QoR)

Вместо критерия «качество обслуживания» (QoS), который учитывает множество субъективных аспектов, включая интеллектуальную обработку сигнала в приемнике, была определена «объективная» точка срыва приема или критерий  качества восстановления - QoR для того, чтобы характеризовать эксплуатационный предел для мобильного приема.

В том случае, когда сигналы службы DVB-T принимаются на мобильные устройства, при непрерывном обслуживании, показано, что значение коэффициента секунд, пораженных ошибками (ESR)¹, равное 5% хорошо коррелируется с субъективной оценкой воспринимаемого качества.
Для DVB-H, где сигналы доставляются в пакетах с квантованием времени и защитой MPE-FEC, были определены другие критерии: FER и MFER.

Коэффициент кадров, пораженных ошибками (Frame error ratio (FER)) – это отношение таблиц ADT, содержащих ошибки, когда не применяется коррекция ошибок MPE-FEC, к общему числу таблиц ADT на протяжении  периода наблюдения. Следовательно, FER5 соответствует тому, что 5% таблиц ADT содержат ошибки. MPE FER (MFER) – это отношение нескорректированных кадров MPE-FEC на протяжении  периода наблюдения. Следовательно, MFER5 соответствует тому, что на протяжении  периода наблюдения осталось 5% нескорректированных кадров MPE-FEC.

Доказано, что FER (для приема без коррекции ошибок MPE-FEC) и MFER (для приема с коррекцией ошибок MPE-FEC) являются чрезвычайно хорошими показателями качества восстановления - QoR для каждой службы.

Прием сигналов DVB-T и DVB-H в процессе движения

Европейский проект сотрудничества (MOTIVATE—ACTS318) в 1998 – 2000 одах изучал возможность стандарта DVB-T по обслуживанию подвижного приема. Натурные испытания подтвердили результаты лабораторных испытаний и показали сильную взаимосвязь между режимами передачи DVB-T и QoR приемников, достигаемое в процессе движения. Эта зависимость показана на рис. 5 в виде кривой «зависимости отношения сигнал/шум (C/N) от допплеровского сдвига частоты».

На оси Y показано отношение C/N, требуемое для того, чтобы приемники могли демодулировать сигнал, подвергшийся влиянию помех и искажений в канале подвижного приема; на оси Х отложены значения допплеровского сдвига частоты, зависящие от скорости движения приемника.

Во-первых, в ситуации перехода от стационарного приема к медленному движению требования к  величине отношения C/N мгновенно возрастают (точка T4) так называемые  «потери на мобильность». С увеличением допплеровского сдвига частоты (скорости движения приемника) требуются лишь небольшие улучшения отношения C/N (точка T2) до тех пор, пока величина  допплеровского сдвига частоты не достигнет значения (T1), при котором демодуляция становится невозможной.

Рисунок 5.
Зависимость отношения сигнал/шум (C|N) от допплеровского сдвига частоты

В ходе множества лабораторных экспериментов и натурных испытаний для систем DVB-T показано, что минимальное значение отношения C/N для подвижного приема сильно связано с применяемым способом кодирования (т.е., «сильные» коды, такие как QPSK CR 1/2,  снижают «потери на мобильность») тогда как максимальная скорость движения связана непосредственно с помехами между различными несущими в сигнале с несколькими несущими (т.е., в полосе канала шириной 8 МГц, при режиме передачи 8K допускаются помехами между различными несущими в интервале шириной 1 кГц, а  в режиме передачи 2K допускаются помехами между различными несущими в интервале 4 кГц).

Другими словами, минимальная величина отношения сигнал-шум относительно независима от варианта реализации приемника, и зависит от устойчивости кодирования, тогда как  максимальная скорость движения сильно зависит от используемых методов оценки/коррекции ошибок в канале, а также от методов снижения отрицательного влияния  помех между различными несущими, но, C/N для всех случаев остается пропорциональной расстоянию между несущими частотами.

Для систем DVB-H предусмотрена дополнительная защита для каждой службы DVB-H, помимо тех механизмов защиты, которые предусмотрены для всего мультиплексированного потока, в котором передаются как сигналы DVB-H, так и сигналы DVB-T. Схема MPE-FEC для каждого пакета сигнала DVB-H или для кванта времени, выделенного каждой службе  DVB-H,  набор кодовых слов Рида-Соломона, которые позволяют приемникам выполнить дополнительную коррекцию IP-датаграмм, которые были приняты с ошибками.
Вторая кривая (между точками H1 и H6) на рисунке 5 иллюстрирует влияние коррекции с использованием дополнительного кода Рида-Соломона, которая дополняется виртуальным перемежением во временной области.

Для мобильного приема с допплеровским сдвигом частоты более 10 Гц, схема защиты MPE-FEC еще более понижает требуемое значение величины C/N , при одновременном увеличении скорости движения приемника сигнала, и, более того, схема MPE-FEC позволяет повысить максимальную скорость (точка H1), при которой приемник еще способен выполнят демодуляцию без применения MPE-FEC.
Для приема со скоростью пешехода с допплеровским сдвигом частоты менее 10 Гц, влияние виртуального перемежения во временной области менее эффективно, и качество приема сигналов DVB-H увеличивается, главным образом, благодаря устойчивости защиты Рида-Соломона. Но здесь, ожидается, что некоторый выигрыш будет получен от абсолютной длительности пакетов сигнала.

Короче, применение системы MPE-FEC в передатчиках DVB-H существенно повышает надежность и устойчивость работы службы, вне зависимости от скорости передвижения абонента, поскольку сокращается значительная часть «потерь отношения C/N на мобильность», которые как правило испытывает приемник, находящийся в движении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Digital video broadcasting (DVB); transmission system for handheld terminals (DVB-H), ETSI EN 302 304 V1.1.1 (2004-11), European Telecommunications Standards Institute.
[2] Digital video broadcasting (DVB); DVB specification for data broadcasting, ETSI EN 301 192 V1.4.1 (2004-11), European Telecommunications Standards Institute.
[3] Digital video broadcasting (DVB); Specification for service information (SI) in DVB systems, ETSI EN 300 468 V1.6.1 (2004-11), European Telecommunications Standards Institute.
[4] Digital video broadcasting (DVB); framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television, ETSI EN 300 744 V1.5.1 (2004-11), European Telecommunications Standards Institute.
[5] Digital video broadcasting (DVB); DVB mega-frame for single frequency network (SFN) synchronization, ETSI TS 101 191 V1.4.1 (2004-06), European Telecommunications Standards Institute.
[6] COST207 (under the direction of M. Failly), “Digital land mobile radio communications (final report),” Commission of the European Communities, Directorate General Telecommunications, Information Industries and Innovation, 1989, pp. 135–147.
[7] Digital video broadcasting (DVB); transmission to handheld terminals (DVB-H); validation task force report VTF, ETSI TR 102 401 V1.1.1 (2005-04), European Telecommunications Standards Institute.
[8] Digital video broadcasting (DVB); DVB-H implementation guidelines, ETSI TR 102 377 V1.1.1 (2005-02), European Telecommunications Standards Institute.
[9] U. Ladebusch and C. Liss, “Terrestrial DVB (DVB-T): A broadcast technology or stationary portable and mobile use,” Proc. IEEE vol. 94, no. 1, pp. 183–193, Jan. 2006.
[10] U. Reimers, “DVB—The family of international standards for digital video broadcasting,” Proc. IEEE vol. 94, no. 1, pp. 173–182, Jan. 2006.
[11] DVB—The Family of International Standards for Digital Video Broadcasting, 2nd ed. Berlin, Germany: Springer, 2005, 408 pp..
[12] ITU-R Recommendations BT.1368-4 Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands
[13] G. Faria, J. A. Henriksson, E. Stare, and P. Talmola, “DVB-H: Digital Broadcast Services to Handheld Devices,”  Proc. IEEE, vol. 94, no. 1, pp. 194-209, Jan. 2006.