Реализуемость в России технологии мобильного цифрового телевизионного вещания DVB-H

Сложность системы DVB-H больше связана со сложностью всей системы передачи, чем с отдельными методами, применяемыми для обеспечения эффективной доставки сигнала цифрового телевизионного вещания на портативные терминалы.

Для оценки параметров DVB-H (т.е. для определения зависимости отношения сигнал/шум (C|N) от допплеровского сдвига частоты) в различных странах за последние годы были проведены лабораторные и натурные испытания.

Все испытания проводились с использованием кадра передачи структурой “8K GI 1/4”, которая предполагает схему передачи, наихудшую для приемников с точки зрения допустимой скорости перемещения. Основные результаты, полученные в этих испытаниях, уже были изложены в серьезных научных статьях, отчетах и диссертациях на соискание ученых степеней кандидатов и докторов технических наук. Достаточно перелистать некоторые соответствующие авторефераты диссертаций для того, чтобы удостовериться в том, что действительно, режим 8K допускает наименьшие помехи между различными несущими и, таким  образом, наименьшие значения  допплеровского сдвига частоты. Кроме того, наибольший защитный интервал (1/4) позволяет максимально увеличить зону покрытия передатчика  (т.е., иметь максимально задержанные отраженные сигналы) и приводит к тому, что  увеличивается продолжительность символа, что снижает допустимые скорости передачи.

Получены различные результаты. Далее приведены основные. Цветами обозначены различные типы приемников, использованные в испытаниях.

Правила построения и архитектура сетей DVB-H

В то время, как сеть DVB-T создавалась, главным образом, для приема на антенны, установленные на крышах зданий, сеть DVB-H должна разрабатываться так, чтобы ее сигналы могли приниматься на портативные терминалы не только вне зданий, но и за бетонными стенами. Это значит, что плотность потока мощности (ППМ) вещательного сигнала должна быть намного больше. Для создания требуемых значений ППМ можно использовать различные варианты сетевой архитектуры, выбор которых будет зависеть от рабочего диапазона частот, допустимых значений максимальной мощности передатчика и высот установки антенны. Возможны следующие сценарии:

Что касается топологии сети, то наиболее простая архитектура сети – это сеть, в которой работает один главный передатчик и несколько ретрансляторов, которые повышают уровень сигнала на границах ячейки. Эти ретрансляторы необходимы, когда, например, нет возможности подвесить антенну основного передатчика достаточно высоко, либо для заполнения зон радиотени в зоне приема.

Такая топология может быть не очень удобной, она, как правило, имеет область обслуживания в виде круга, и опыт показывает, что для охвата вещанием требуемой территории может потребоваться несколько передатчиков с расширением их зон покрытия при помощи ретрансляторов (см рис. 1)

Рисунок 1
Возможные варианты топологи сети DVB-H

Очень эффективным решением для широкомасштабного приема сигналов DVB-H может оказаться вариант одночастотной сети. В такой сети несколько передатчиков работают на одной и той же частоте, охватывая вещанием довольно крупные районы без необходимости использования очень мощных передатчиков и высоких антенных опор. Все передатчики одночастотной сети передают идентичные сигналы и жестко синхронизированы, проще всего при помощи сигналов точного времени, получаемых с GPS спутников. Для расширения зоны покрытия и для повышения качества приема в сложных условиях (в машине или внутри зданий) могут использоваться дополнительные ретрансляторы. Такой тип сети иногда называют одночастотной сетью высокой плотности.

Если требуется обеспечить вещание на территории целого государства, на площадях в сотни и тысячи квадратных километров, то потребуется несколько радиочастотных каналов. Теоретически, для обеспечения непрерывного покрытия области любого размера достаточно трех каналов. Однако, практическое планирование сетей показывает, что в реальности требуется 5-6 каналов.

Система  вещательной передачи IP- данных (IPDC)

Типичное применение системы DVB-H – это вещательная передача IP- данных на портативные терминалы, подобные мобильным телефонам. На рисунке 2  изображена система вещательной передачи IP- данных с различными элементами и составляющими частями. Сначала используется служебная система для создания различных потоков (например, потоков видеосигналов) и передачи их в сеть. Затем эти потоки распределяются по внутренней сети многоадресного вещания и подаются на IP инкапсуляторы, на выходе которых создаются транспортные потоки DVB-H TS с квантованием времени и защитными кодами MPE-FEC. Затем эти транспортные потоки распределяются между передатчиками DVB-T/H вещательной сети. Система  вещательной передачи IP- данных (IPDC) может выполнять и иные функции, ведя передачу по сетям пакетной радиосвязи общего пользования (GPRS) или универсальной мобильной связи (UMTS).

Рисунок 2
Система вещательной передачи IP- данных (IPDC) 

Специальные сети для вещания DVB-H

Если для сигналов DVB-H может быть зарезервирован полный мультиплексированный поток, то резко возрастает гибкость в планировании сетей. Специальная сеть DVB-H показана на рисунке 3.

Рисунок 3
Специальная сеть DVB-H вещания

Типовая сеть состоит из нескольких областей одночастотных сетей, в каждой из которых используются собственные частотные назначения. Максимальный размер одной области SFN зависит от скорости кодирования, защитного интервала и географических особенностей сети, но, как правило, достигает порядка десятков километров. В каждой области SFN, вероятно, будет расположено несколько передатчиков, синхронизированных при помощи GPS, работа этих передатчиков поддерживается множеством ко-канальных ретрансляторов, которые  предназначены для обслуживания некоторых небольших «белых пятен». Поскольку требуемая напряженность поля в сети DVB-H довольно высока, а допустимая мощность помехи от всех частотных мешающих присвоений ограничена параметрами скоординированного плана назначений, количество синхронизированных основных передатчиков должно быть больше, а мощности передатчиков и высоты подвеса антенн меньше, чем в традиционных сетях наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T. Такая сеть может быть названа одночастотной сетью высокой плотности. Очевидно, что стоимость такой сети будет намного выше, чем стоимость традиционных сетей наземного цифрового телевизионного вещания DVB-T, но и количество услуг, предоставляемых в одном мультиплексированном потоке будет в десять раз больше.

Совместное  использование спектра вместе со службой DVB-T

Сеть, обеспечивающая совместное  использование спектра может выглядеть, как показано на рисунке 4. Сеть передатчиков DVB-T обслуживает и терминалы DVB-H, и терминалы DVB-T. Однако, при этом, существующая сеть DVB-T должна быть спроектирована так, чтобы обеспечивался прием внутри зданий на портативные приемники, то есть, она должна создавать напряженность поля, достаточную для того, чтобы сигнал принимался  портативными приемниками, находящимися  внутри зданий в пределах целевой области обслуживания. Единственная модификация для передатчиков DVB-T будет заключаться в том, чтобы к информации TPS (Transmission Protocol Specific  - специальной информации для используемого протокола передачи) передатчика были добавлены служебные биты сигналов DVB-H и биты идентификации соты (Cell ID).

Рисунок 4
Совместное  использование сети вместе со службой DVB-T путем совместного мультиплексирования.

Реальное совместное использование выполняется на уровне мультиплексированного потока. Система DVB-H не накладывает никаких ограничений на выбор требуемой части мультиплексированного потока для передачи информации службы DVB-H. Ключевым компонентом DVB-H в сети является инкапсулятор IP-данных, в котором реализуется кодирование IP-данных (MPE), квантование времени и коррекция ошибок MPE-FEC.

Другой возможностью обеспечить совместное использование сети является применение иерархической модуляции DVB-T. В этом случае услуги передачи сигналов MPEG-2 и сигналов  DVB-H IP будут вводиться в транспортный поток независимо на раздельные входы передатчиков DVB-T. Для передачи сигналов DVB-H будет использоваться часть с наивысшим приоритетом, что повысит устойчивость относительно входного сигнала с меньшим приоритетом, который будет предназначен для обычных стационарных передач программ цифрового телевидения.

Спектр для  DVB-H радиовещания

Система DVB-H должна использовать тот же самый спектр вещательных служб, что сегодня используется системами DVB-T. Фактически, физический уровень системы DVB-H в точности соответствует физическому уровню системы DVB-T и, следовательно, между этими системами существует полная совместимость по спектру.

Система DVB-H может работать как в виде специальной сети DVB-H или может использовать существующий мультиплексированный поток DVB-T, который при этом используется совместно службами DVB-H и DVB-T. Когда выбиралась окончательная концепция DVB-H, одним из факторов, повлиявших на принятие решения была возможность совместной передачи в мультиплексированном потоке и сигналов DVB-T, и  сигналов DVB-H, поскольку было отмечено, что такая возможность расширит выигрыш от коммерческого использования данной услуги в переполненных полосах радиочастот, выделенных для радиовещания. Технически, почти все частотные выделения и назначения, сделанные для DVB-T, могут быть использованы также и для DVB-H; единственным ограничением является необходимость взаимодействия терминала DVB-H с сотовыми сетями GSM900.

Если требуется одновременная работа сетей DVB-H с сотовыми сетями GSM900 в одной географической зоне и с возможностью организовать обратный канал по сети GSM, то предпочтительным участком спектра для DVB-H является диапазон 700–750 МГц.

С точки зрения радиовещателей, служба DVB-H может быть просто новым средством предоставления услуги радиовещания для новой группы пользователей. Если эта услуга представляется достаточно перспективной, то спектр будет использован теми же вещателями, которые сегодня используют его для цифрового телевидения в формате  DVB-T. В любом случае, ожидается, что ситуация с загруженностью спектра станет менее напряженной после того, как начнут закрываться аналоговые передающие телевизионные станции. Следует отметить также, что стандарт DVB-H использует спектр очень эффективно по сравнению с традиционными услугами телевизионного вещания на стационарные приемник. В одном канале шириной 8 МГц стандарт DVB-H позволяет доставлять до 30–50 потоковых видео услуг, предназначенных для приема на маленький экран мобильного устройства. Это в десять раз больше, чем в системах с стандартным разрешением со схемой компрессии MPEG-2 или в 20 больше, чем в системах высокой точности (ТВЧ)  со схемой компрессии AVC.

Рисунок 5 – Технологическое решение, позволяющее системам стандарта DVB-H и DVB-T работать в одном участке спектра

Определение размеров сети

Вне зависимости от реальной архитектуры сети, требуется подробно рассмотреть некоторые параметры планирования для того, чтобы рассчитать планируемую требуемую напряженность поля. В последующих примерах показан этот процесс расчета, который начинается с уточнения характеристик приемника. Добавляя коэффициент шума и требуемое отношение несущая-шум (C/N) к фоновому уровню шума в канале шириной 7.61 МГц, получаем чувствительность приемника для определенных условий работы канала. В децибелах, получаем:

                                                           (1)

Для целей планирования такая величина может быть получена от эталонного приемника, спецификация которого определена в руководстве по применению DVB-H. Например, если F=5 дБ и для модуляции QPSK CR = 1/2 требуемое отношение C/N в канале подвижного приема составляет 6.4 дБ (предполагая, что потери на аппаратную реализацию составляют 2.5-дБ), то чувствительность получается равной 93.8 дБм.
Следующий важный параметр – это коэффициент усиления антенны подвижного терминала - Ga. Он требуется для расчета минимальной напряженности поля в соответствии с формулой:

                                                     (2)

где η = 120 πΩ

Предположив, что в маленьком портативном терминале используется встроенная антенна, подобная той, что используется в мобильных телефонах, можно утверждать, что в УКВ диапазоне коэффициент усиления такой антенны будет маленьким. В руководстве по созданию сетей DVB-H и проекте Рекомендации МСЭ 1368 приведены значения коэффициентов усиления от 5 дБи (для частоты 862 МГц) до 10 дБи (для частоты 470 МГц). Возьмем среднее значение 7 дБи на частоте 700 МГц, можно  рассчитать минимальную напряженность поля для нашего примера следующим образом:

                          (3)

При планировании приема внутри зданий, эта величина определяет минимальную напряженность поля внутри здания, при которой терминал продолжает работать. Однако, при планировании сети необходимо знать требуемую напряженность поля для внешнего приема. Поскольку напряженность поля – это случайная переменная с логонормальным распределением, при планировании сети необходимо учесть эффект медленных замираний и принять решение о том, каково целевое значение вероятности покрытия данной области. При планировании радиовещательных сетей область обслуживания, как правило, определяется границами области покрытия, и для приема внутри задний, может быть, например 90%, что означает, что напряженность поля является достаточно большой в 90% точках, расположенных на границах  области покрытия, что дает общее покрытие области обслуживания соты, равное примерно 97%. Для расчета необходимого запаса для медианного значения напряженности поля (которое обеспечивается в 50% области покрытия), необходимо знать стандартную девиацию сигнала (STD). Как правило, для радиовещательных сигналов в УКВ диапазоне эта величина составляет 5.5 дБ. Эта цифра была получена при довольно большой сетке планирования с ячейками примерно 500 м на 500 м, и при меньших ячейках сетки планирования (скажем 10 м на 10 м) может получиться меньшее значение.

В результате расчета можно получить распределение сигнал вне зданий и сооружений, но нам необходимо учесть также и влияние потерь на проникновение сигнала сквозь стены зданий. Это - один из наиболее сложных параметров модели, и когда его измеряют в естественных условиях, отмечаются большие отклонения в полученных значениях даже при измерениях для одного-единственного здания, и еще более значительные отклонения при измерениях для зданий различных видов. Полученное распределение также считается логонормальным и может быть охарактеризовано средним значением и стандартной девиацией (STD). Стандартная девиация для суммарного сигнала внутри здания может быть рассчитана как сумма квадратов стандартной девиации сигнала вне здания и стандартной девиации потерь на проникновение сигнала сквозь стены зданий, то есть формула имеет вид:

                                                   (4)

где    σсумм   – стандартная девиация для суммарного сигнала,
σ         – стандартная девиация для сигнала вне здания
σbpl      – стандартная девиация потерь на проникновение сигнала сквозь стены

Используя это значение суммарной стандартной девиации, можно посчитать требуемый запас на изменение местоположения, применяя кумулятивное распределение напряженности поля. Если предположить, что σbpl = 6 дБ, то получим σсумм = 8.1 дБ, тогда запас на изменение местоположения получается равным 10.3 дБ, как показано на рисунке 6.

Предполагая, что среднее значение потерь на проникновение сквозь стены составляет 11 можно рассчитать примерный бюджет линии, который приведен в таблице 1.

В результате этих расчетов получаем необходимый для планирования уровень напряженности поля на уровне, пригодном для приема сигнала в условиях городской улицы (высота антенны 1.5 м). Иногда требуется предсказать величину напряженности поля с антенной, расположенной на высоте 10 м, тогда потери на высоту считаются зависящими от окружающих условий работы (город, пригород, сельская местность) и частоты. В руководстве по созданию сетей DVB-H для таких случаев приводятся цифры от 11 до 24 дБ.

Рисунок 6
Логонормальное распределение и кумулятивное напряженности поля л

Таблица 1

Расчет бюджета канала