(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

В настоящей главе рассматриваются принципы построения систем мобильного радиовещания DVB-H, MediaFLO, T-DMB/T-DAB, РАВИС и DRM+.

Система DVB-H (Digital Video Broadcasting — Handheld) — технология мобильного вещания, позволяющая передавать цифровой видеосигнал на мобильные устройства, такие как КПК, мобильный телефон или портативный телевизор [9.1–9.5]. Формально, этот стандарт был принят ETSI в ноябре 2004 года.

Стандарт DVB-H является логическим продолжением стандарта DVB-T с поддержкой дополнительных возможностей, отвечающих требованиям для переносных мобильных устройств с автономным питанием.

Главное нововведение — циклическая передача пакетов информации, принадлежащих всем транслируемым программам по очереди (time slicing). Приемник включается только в определенные моменты, когда необходимо загрузить очередную порцию видеопотока. Это позволило увеличить функциональную продолжительность работы портативных приемников до 10 часов от одного заряда батареи. Другая особенность стандарта — высокая помехоустойчивость за счет дополнительного введения механизма коррекции ошибок. Еще одной особенностью стандарта DVB-H является использование IP-протокола, что значительно упрощает и удешевляет построение вспомогательной инфраструктуры, позволяет применять готовые и недорогие программные решения. Стандарты и технические отчеты по DVB-IPDC приведены в [9.6–9.14].

Упрощенная структурная схема системы DVB-H изображена на рис. 22.1. Зеленым цветом помечены элементы, добавленные к системе DVB-Т.

На физическом уровне система DVB-H максимально приближена к DVB-T. К основным дополнительным возможностям DVB-H необходимо отнести нижеследующие.

Во-первых, к режимам модуляции 2К и 8К добавлен еще один — 4К, что обеспечило реализацию дополнительной возможности увеличения максимальной скорости передвижения приемника в области охвата одной соты. Очевидно меньшее количество ортогональных несущих при COFDM-модуляции обеспечивается при большем частотном интервале между соседними несущими и, соответственно, повышается возможность увеличения скорости движения терминала, при котором прием информации может срываться из-за допплеровского смещения частот.

22.1. Система мобильного телевизионного вещания DVB-H

С другой стороны, чем меньше несущих, тем короче период, выделенный для передачи каждого COFDM-символа и, соответственно, короче защитный интервал. Сокращение же защитного интервала снижает возможности отстройки от многолучевого приема, т. е. уменьшает допустимый радиус соты. Для сетей DVB-T, рассчитанных в основном на стационарный прием, значительно более важным фактором является зона охвата. Что же касается сетей DVB-H, то там большую значимость приобретает возможность приема сигнала на скорости, а зона охвата в сильной мере ограничивается уровнем сигнала на входе тюнера.

Вторым дополнением на физическом уровне стала возможность более глубокого перемежения данных в режимах 4К и 2К. Канальное кодирование DVB-T предусматривает перемежение данных внутри одного COFDM-символа. Оно в основном предназначено для компенсации селективных замираний несущих при многолучевом приеме. В то же время мобильные терминалы с большей вероятностью могут оказаться в зоне действия широкополосных импульсных помех. И допплеровское смещение частотного спектра при приеме информации при быстром движении терминала также приводит к искажениям сигнала. Поэтому в стандартах мобильного вещания на базе COFDM (DМB, ISDB-T) для борьбы с последствиями длительных помех в цикл канального кодирования введено перемежение длинных серий данных, охватывающее десятки, а то и сотни OFDM-символов.

Очевидно, что борьба с последствиями искажений сигналов при приеме тем эффективнее, чем длиннее последовательность участвующих в перемежении данных. Однако восстановление длинных последовательностей в системе DVB-Н

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

потребовало бы непрерывного приема, что невозможно при использовании энергосберегающего импульсного режима приема и противоречит требованию совместимости с системой DVB-T. Поэтому было выбрано компромиссное решение. Для режима модуляции 8К, наиболее актуального для DVB-T, в DVB-H сохранено перемежение битов в рамках одного символа, а в режимах 4К и 2К введена возможность временного перемежения: для режима 4К перемежение выполняется с глубиной в 2 COFDM-символа, а для режима 2К — с глубиной в 4 COFDM символа. В таких опциях совместная передача трансляций DVB-H и DVB-T невозможна.

Одно из основных отличий DVB-H от DVB-T, обеспечивающих дополнительную помехозащиту, заключается в том, что вся информация передается в форме IP-дейтаграмм, инкапсулируемых в транспортные пакеты MPEG-2 с использованием метода многопротокольной инкапсуляции (MPE — Multi Protocol Encapsulation), единственно пригодного для передачи потоковых услуг (рис. 22.2). IP-па- кеты инкапсулируются в MPE-секции, а те, в свою очередь, — в транспортные пакеты MPEG-2, переносящие элементарные потоки. Каждый IP-пакет занимает одну MPE-секцию. В одном пакете может передаваться множество MPE-секций, и, наоборот, одна секция может занимать несколько транспортных пакетов.

Данные, относящиеся к одной услуге, инкапсулируются в транспортные пакеты MPEG-2 с постоянным идентификационным номером PID. Использование такого стека в системе DVB-H обусловлено тремя причинами:

–ТВ-потоки могут компрессироваться не в формате MPEG-2, а в более эффективных форматах (например, в H.264/AVC), для которых процесс инкапсуляции компрессированных аудио и видео может быть реализован через IP/MPE;

–DVB-H потенциально рассматривается как составная часть гибридной системы доставки мультимедийных услуг (IPDC), и в связи с этим понятие элементарного потока в DVB-H определяется иначе, чем в стандарте MPEG-2 (в DVB-H — это просто поток, передаваемый в пакетах с одним PID-ом);

–снята жесткая корреляция элементарного потока с данными определенного типа — в одном элементарном потоке могут передаваться все данные, относящиеся к определенной ТВ-программе или даже к нескольким программам; в этом случае потоки разных ТВ-программ будут передаваться в дейтаграммах с разным мультикастовым IP адресом и заключаться в MPE-секции с разными MAC-адресами.

Остальные механизмы внешнего и внутреннего канального кодирования, используемые в DVB-T, без изменения перенесены в DVB-H.

Еще одно дополнение касается транспортной сигнализации (TPS — Transmission Parameter Signalling), в которую добавлены два бита, индицирующие наличие в потоке услуг, передаваемых в формате DVB-H, а также наличие дополнительной кодозащиты, реализуемой на базе IP-дейтаграмм.

Предусмотрена также возможность использования полосы частот 5 МГц при условии, что она выделяется вне вещательного диапазона. Ее применение предусматривается при развертывании сетей DVB-H в США в L-диапазоне (1670– 1675 МГц).

22.1. Система мобильного телевизионного вещания DVB-H

Возможности MPE-секций используются для организации временн´ого разделения услуг внутри транспортного потока (англ. название Time Sliced Multi Protocol Encapsulation). Транспортные пакеты MPEG-2 с одним идентификационным номером (PID) — по существу, определенная услуга или пакет услуг,

22.1. Система мобильного телевизионного вещания DVB-H

таблицы (рис. 22.2в). Затем обе таблицы инкапсулируются в пакеты MPEG-2 TS и транслируются в одном слоте. Вначале — информационная часть, а затем — контрольная. Причем байты сформированной таблицы при инкапсуляции считываются не рядами, как формируются, а колонками. Так создается виртуальное перемежение контрольных байтов, требующее минимальных ресурсов приемника для восстановления их последовательности. Этот метод помехозащитного кодирования получил название MPE-FEC.

MPE-FEC-декодирование проводится на базе модели канала со стиранием, включаюшем два этапа:

–на первом этапе с помощью циклического (СRС-32) кода выявляются искаженные пакеты и локализуются пораженные части потока;

–на втором этапе выполнятся восстановление пораженных пакетов, что при предварительной локализации искажений происходит более эффективно.

При использовании MPE-FEC незащищенными остаются служебные таблицы. Но с учетом того что их содержание в большинстве случае довольно статично, после несколько циклов передачи приемнику удается получить нужную информацию даже в сложных условиях.

Особенности канального уровня формата DVB-H не препятствуют приему трансляций приемниками стандарта DVB-T. Они просто будут принимать их неоптимальным образом, различными будут и условия приема трансляций DVB-T и DVB-H. Так для достижения передатчиками DVB-H и DVB-T одинаковой зоны охвата мощность первого должна быть на 20 дБ больше. В то же время требуемый для устойчивого приема уровень несущая/шум в DVB-Н в среднем на 30% ниже, а максимально возможная скорость движения приемника — на 40% выше.

Транспортная система DVB-H рассматривается в DVB как потенциальная часть более общей системы передачи мультисервисных услуг, в которой используется транспортный IP-протокол, а в качестве приемников — карманные терминалы с небольшой мощностью аккумуляторов и ограниченными компьютерными возможностями. Это платформа для создания гибридных сетей, в которых однонаправленные вещательные каналы передачи предоставляются системой DVB-H, а двунаправленные каналы — системами сотовой телефонии (IPDC — IP-Data Cast).

Поэтому в рамках платформы IPDC специфицируется необходимая сигнализация в потоках DVB-H, передаваемая в таблицах SI/PSI, порядок формирования электронной программы передач ESG (Electronic Service Guide) для мультисервисных услуг, стеки протоколов передачи, используемые на верхних уровнях модели ISO/OSI, форматы кодирования видео и аудио, иерархическая система защиты услуг от несанкционированного доступа, включающая контроль за воспроизведением, и даже схемы предоставления платных услуг. Эти механизмы в рамках платформы должны быть едиными и поддерживаться комплексами для создания и администрирования приложений, аппаратурой формирования транспортных потоков и приемными терминалами.

Втабл. 22.1 приведены основные параметры стандарта DVB-H в трех режимах COFDM-модуляции.

Втабл. 22.2 приведены параметры защитных интервалов и полной символьной длительности в системе DVB-H.

22.2. Система мобильного телевизионного вещания MediaFLO

–определение минимальной напряженности электрического поля Emin, при которой еще возможен прием сигнала с заданной вероятностью ошибки (BER);

–оценка напряженности поля в любой точке приема при известной эффективно излучаемой мощности передатчика PЭИМ, высоте подъема передающей антенны, имеющемся ландшафте, времени года, погодных условиях и т. п.

Минимальная напряженность поля для дециметрового диапазона зависит от коэффициента шума мобильного терминала F , коэффициента удаления приемной антенны Ga, несущей частоты f и требуемого отношения сигнал/шум C/N :

Emin [дБмкВ/м] = −24 [дБ] + 20 lg(f [МГц]) + C/N [дБ] − Ga [дБ]. (22.1)

Коэффициент усиления приемной антенны мобильного терминала имеет типовые значения −5 . . . − 10 дБ. Для расчета зоны покрытия различают также портативный и мобильный прием, внутриили внешнедомовой прием, допустимую скорость перемещения мобильного терминала, вероятность приема и т. п.

В силу этого различают четыре класса приема:

–класс А — внешнедомовой портативный прием;

–класс В — портативный прием внутри помещения;

–класс С — внешнедомовой мобильный прием;

–класс D — внутридомовой мобильный прием.

В табл. 22.4–22.7 приведены только расчетные значения минимально допустимой медианной напряженности поля Emed для коэффициента шума мобильного терминала F = 6 дБ.

Таблица 22.4. Класс А. Городские условия приема, 3-я категория приемного терминала

Наиболее близкой к DVB-H по своей идеологии является американская система MediaFLO — это корпоративный формат фирмы Qualcom, разработанный для поставки услуг телерадиовещания на переносные приемники и использующий модуляцию СOFDM в области частоты 700 МГц в Соединенных Штатах [9.15– 9.18]

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Таблица 22.5. Класс В. Городские условия приема, 3-я категория приемного терминала

Таблица 22.6. Класс С. Сельские условия приема, 1-я категория приемного терминала

Система MediaFLO, будучи схожей DVB-H, оптимизирована за счет снятия требования совместимости с DVB-T. При обработке информации используется режим 4К, турбокодирование и перемежение данных. В MediaFLO, как и в DVB- H, реализован режим энергосбережения за счет импульсной передачи информации. Кроме того, в MediaFlo применяется система мультиплексирования CDMA, позволяющая в одном канале передавать множество услуг, каждая из которых занимает часть СOFDM мультиплексированных несущих. В связи с этим имеется возможность кодового сегментирования канала.

Полезным свойством MediaFLO, как и DVB-T, является способность объединения в одном мультиплексе сервисов, предполагающих разные зоны покрытия, т. е. сервисов с заложенными разными уровнями помехозащиты и схемами модуляции. Это в сочетании с одночастотным режимом работы передатчиков позволя-

22.2. Система мобильного телевизионного вещания MediaFLO

Таблица 22.8. Параметры системы MediaFlo для канала с полосой 6 МГц

ет объединять в одном канале индивидуальные или местные услуги, актуальные в небольшой зоне покрытия, и общенациональные программы для вещания на большие территории.

Формат разрабатывался специально для мобильных телефонов, поэтому разрешение ограничено параметрами QVGA (320 × 240 пикселов). Стандарт обеспечивает передачу 20 потоковых ТВ-программ, передаваемых со скоростью до 30 кадров в секунду, 10 стереофонических аудиопрограмм (формат HE-AAC), а также загрузку клипов общей продолжительностью до 800 минут в день в одном мультиплексе (в полосе 5 МГц). При работе в полосе 6 МГц число каналов может быть увеличено еще на 20% и составляет до 11 Мбитов/с.

MediaFLO — комплексная система, включающая разработку платформы для предоставления услуг, схему закрытия контента и контроля за его воспроизведением. Более того, MediaFlow задумана как составляющая более широкой системы передачи медиа — Media Distribution System (MDS), в состав которой войдут и сотовые сети третьего поколения EV-DO CDMA 2000. Очевидна аналогия MDS c европейской системой IPDC (IP DataCast), в которой для вещательных услуг предполагается использовать сети каналы DVB-H, а для интерактивного взаимодействия с абонентом и предоставления индивидуальных услуг — каналы UMTS.

Помимо поддержки трансляции потокового видео в MediaFLO добавлена функция фоновой передачи видеофрагментов, пересылаемых в периоды времени, когда трафик загружен минимально. Некоторые параметры системы MediaFLO приведены в табл. 22.8.