Пособие Тарасов Дотолев Планирование сетей 2014

-реализация условного доступа к телерадиопрограммам;

-управление, контроль и мониторинг систем, входящих в региональный и местные узлы.

Упрощенная функциональная схема Центра формирования региональных мультиплексов приведена на рисунке 1.3 [2].

Система приема телерадиопрограмм, компрессии и формирования мультиплексов осуществляет прием и дескремблирование транспортных потоков федеральных мультиплексов (для первого мультиплекса – потока из 8 ТВ программ и 3 программ радиовещания) и служебной информации.

Сигналы федеральных мультиплексов поступают на приемники, осуществляющие их преобразование в транспортные потоки TS MPEG-2 и дескремблирование. В зависимости от типа используемых каналов связи

приемники оснащаются входными демодуляторами DVB-S2 (при использовании спутниковых магистральных каналов связи) и/или входными интерфейсами SDH/PDH или IP (при использовании наземных магистральных каналов связи).

Выходными сигналами системы являются многопрограммные транспортные потоки TS MPEG-2, которые поступают на Систему автоматического замещения блоков федеральных программ для выполнения модификации ТВ программ, а также на подсистему мониторинга и записи входных сигналов.

Оборудование системы предназначено для круглосуточной эксплуатации и зарезервировано по схеме N+M. При выходе из строя основного оборудования система обеспечивает автоматический его обход и подключение резервного оборудования. При сбоях в основном магистральном канале связи система обеспечивает автоматическое подключение к приемному оборудованию, установленному на резервном магистральном канале связи.

Подсистема компрессии и формирования мультиплексов включает оборудование компрессии ТВ программ и оборудование формирования региональных мультиплексов цифрового ТВ вещания.

Подключение скремблера системы условного доступа, выполненного в виде отдельного устройства, осуществляется с использованием интерфейса ASI

или Ethernet 100/1000 Base-T.

11

Система управления и мониторинга

Рис.1.3. Упрощенная схема центра формирования региональных мультиплексов

12

Наиболее привлекательным с точки зрения построения сети цифрового телевизионного вещания является использование для распределения федеральных и региональных мультиплексов спутниковых систем связи (рис.1.4). В этом случае в состав сети цифрового наземного эфирного вещания на территории региона входят:

- центр кодирования и мультиплексирования программ (включая приёмную и передающую спутниковые станции);

- сеть цифровых радиотелевизионных передающих эфирных станций (РТПС);

- спутниковые линии передачи цифрового контента;

- радиорелейные линии связи (резервные);

- волоконно-оптические линии связи (резервные);

- системы дистанционного управления и мониторинга;

Рис.1.4. Схема сети вещания региона В задачи регионального центра кодирования и мультиплексирования

входит:

прием со спутника федерального пакета программ (федерального мультиплекса);

замена некоторых федеральных программ на программы с местными информационными материалами;

организация «бесшовной» вставки региональной рекламы в федеральные программы;

13

Формирование регионального пакета программ (регионального мультиплекса) путем объединения модифицированных федеральных и региональных программ в единый транспортный поток MPEG-2 TS.

Связь между региональным центром кодирования и мультиплексирования программ на рис.1.4 и районными станциями цифрового ТВ вещания осуществляется с использованием спутникового канала связи. Мультиплекс региональных программ, сформированный в региональном центре, с помощью земной станции спутниковой связи передается на бортовой ретранслятор основного космического аппарата. Сигнал со спутника принимается земными станциями районных и локальных передающих центров (РТПС), оснащенных приемниками стандарта DVB-S2. Приемник имеет два выхода электрического последовательного интерфейса (ASI) цифрового компрессированного сигнала MPEG-2 (MPEG-4) для его последующей подачи на основной и резервный комплекты передатчиков. Задачей районных и локальных радиотелевизионных передающих центров (РТПС) является:

Передача регионального пакета программ в эфир сети DVB-T2;

Передача в региональный центр информации об основных параметрах работающего приемопередающего оборудования для системы контроля и управления сетью, которую также целесообразно осуществлять с помощью спутниковой сети VSAT (рис.1.4).

Радиорелейные и волоконно-оптические линии связи линии связи используются как резервные на случай пропадания сигналов, транслируемых через спутниковую линию связи.

При организации одночастотной сети ТВ вещания по стандарту DVB-T2 функции обработки входных данных, поступающих от источников программ, разделяют между головной станцией сети, расположенной в региональном центре, и модуляторами передатчиков, образующих сеть наземного телевизионного вещания (рис.1.5).В региональном центре с помощью специального блока, так называемого «DVB-T2 шлюза» (сокращенно T2шлюза на рис. 1.5), централизованно выполняются операции по предварительной обработке входных данных. На выходе Т2-шлюза формируются пакеты последовательного цифрового интерфейса модулятора

DVB-T2 (T2-MI), предназначенные для связи между Т2-шлюзом и

14

модуляторами передатчиков ТВ сети. Местоположение интерфейса T2-MI показано на рис.1.5.

Рис.1.5. Структурная схема одночастотной сети наземного телевизионного вещания стандарта DVB-T2

В пакеты интерфейсаT2-MI, упаковываются входные данные вместе с синхронизирующей информацией (специальной временной меткой). Спутниковая или наземная распределительная сеть на рис.1.5 обеспечивает передачу пакетов интерфейса T2-MI от выхода Т2-шлюза до входа модуляторов передатчиков сети ТВ вещания.

При использовании спутниковой распределительной сети, передающий сетевой адаптер инкапсулирует данные пакетов интерфейса T2-MI в пакеты транспортного потока MPEG-2, которые на приемной стороне с помощью сетевых адаптеров обратно преобразуются в пакеты интерфейса T2-MI, поступающие на входы модуляторов передатчиков. Моменты излучения символов OFDM различными передатчиками одночастотной сети должны совпадать с погрешность не превышающей доли микросекунды. Для этого тактовые частоты Т2-шлюза и модуляторов передатчиков ОЧС синхронизируются по сигналам систем глобального позиционирования GPS или ГЛОНАСС, обеспечивающих опорную частоту 10 МГц и метки времени— 1pps (один импульс в секунду). Метки времени 1pps имеют длительность 100нс и формируются делением сигнала опорной частоты 10 МГц. Метки времени вводятся в каждый передаваемый кадр в шлюзе системы DVB-T2. С их помощью определяется момент излучения передатчиками синхронной сети одного и того же элемента входного сигнала.

2.ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ЦТВ

2.1.Система цифрового наземного телевизионного вещания DVB-T2

15

В России эфирное цифровое вещание будет осуществляться в стандарте DVB-T2, с поддержкой стандарта сжатия видеосигнала MPEG4 и режима

Multiple PLP [3].

Стандарт DVB-T2 является вторым поколением европейского стандарта эфирного цифрового телевизионного вещания [2, 5-9]. Он призван, как минимум на 30% улучшить емкость телевизионных сетей по сравнению с DVB- T при той же инфраструктуре сети и частотных ресурсах.

Система DVB-T2 предназначена для приема ТВ сигналов на стационарные и переносные приемные устройства, в том числе установленные на транспорте. В системе DVB-T2 применяется ряд новых технических решений, которые позволили увеличить ее помехоустойчивость, частотную эффективность и пропускную способность по сравнению с системой первого поколения DVB-Т. В таблице 2.1 приведены основные характеристики систем

DVB-T и DVB-T2 [6, 8].

Таблица 2.1

В систему DVB-T2 введены следующие изменения.

Система DVB-T2 способна транслировать входные данные не только в формате транспортных пакетов MPEG-2, но также в форматах обобщенных транспортных потоков (Generic Transport Stream - GS), использование которых позволяет снизить объем передаваемой служебной информации и сделать более гибкой адаптацию потоков к сети. Цифровая информация в обобщенных транспортных потоках GS может быть представлена как в форме непрерывного

16

потока битов, так и в форме пакетов фиксированного или переменного размеров.

В системе DVB-T2 возможна передача каждого вида входных данных (сигналов ТВ программ стандартной и высокой четкости, программ радиовещания и данных других служб) в своем индивидуальном канале физического уровня (Physical Layer Pipe - PLP) со своим типом модуляции, скоростью кодирования и защитным интервалом. В системе DVB-T весь частотно-временной ресурс кадра используется для передачи одного транспортного потока в одном канале физического уровня (одном PLP), который занимает всю выделенную полосу частот. В отличие от этого, в системе DVB-T2 можно разделить частотно-временной ресурс кадра между несколькими логическими потоками, выделяя для каждого из них определенные группы несущих и символов OFDM в зависимости от требуемой скорости передачи для конкретного логического потока. Выделенные группы несущих в кадре системы DVB-T2 образуют индивидуальные каналы физического уровня (PLP0, PLP1, PLP2… PLPN), в которых на приемную сторону передаются свои логические потоки данных. Каждый PLP может переносить и обрабатывать весь или часть входного транспортного потока в форматах MPEG-2TS или GS. Приемник имеет возможность декодировать только выбранный PLP, в котором, например, передается одна или несколько ТВ или РВ программ, и отключаться на время передачи других PLP, не интересующих в данный момент абонента, что обеспечивает энергетическую экономию.

Добавлены два новых размера преобразования Фурье 16К и 32К. Работа в режимах 16К и 32К позволяет увеличить расстояние между соседними передатчиками и зону покрытия сети по сравнению с работой в режиме 8К. Например, при работе в режиме 8К и защитном интервале ТG=ТU/8 максимальный разнос между передатчиками в одночастотной сети равен 33,6 км. Это расстояние можно увеличить в четыре раза до величины 33,6 км∙4=154,4км при переходе в режим 32К и таком же защитном интервале, поскольку во столько же раз увеличивается абсолютная длительность активной части символа OFDM ТU и его защитного интервала ТG.

Добавлены три новых значения защитных интервалов 1/128, 19/128 и 19/256, что позволяет увеличить пропускную способность канала ТВ вещания на величину от 2 до 17% [6]. Например, защитные интервалы 1/128 в режиме 32К и 1/32 в режиме 8К имеют одинаковую абсолютную длительность, равную ТG=28мкс, но их доли в общем объеме передаваемых данных различаются в

17

четыре раза. При этом в обоих случаях степень защиты от межсимвольных искажений одинакова, но относительные потери пропускной способности при уменьшении защитного интервала от 1/32 до 1/128 уменьшаются в четыре раза.

В системе DVB-T2 применено эффективное каскадное BCH+LDPC кодирование, которое по сравнению с каскадным кодированием в системе DVB-T обеспечивает выигрыш в несколько децибел в отношении сигнал-шум

[7,8].

Применен оригинальный способ увеличения помехоустойчивости системы путем поворота сигнального созвездия в комплексной плоскости и сдвига Q координаты. Получаемый при этом выигрыш в отношении сигналшум в режиме модуляции QPSK достигает 6дБ [7].

Добавлен режим модуляции 256-QAM, что стало возможным благодаря увеличению помехоустойчивости системы DVB-T2 по сравнению с системой DVB-T. Использование модуляции 256-QAM позволяет увеличить частотную эффективность и пропускную способность системы DVB-T2 на 33% по сравнению с системой DVB-T с режимом модуляции 64-QAM.

Введен режим повышенной эффективности с увеличенным количеством модулированных поднесущих в OFDM - символе для размеров преобразования Фурье 8К, 16К и 32К. При увеличении количества поднесущих спектр сигнала имеет более крутой спад на краях и добавление новых поднесущих не приводит к выходу за пределы границы маски. Поэтому, при работе в режимах 8К, 16К и 32К, используемая ширина полосы ТВ канала может быть расширена с 7,61МГц до 7,77МГц. Добавление поднесущих при работе в расширенном режиме позволяет выиграть 1%-2% в пропускной способности системы.

Применен расширенный интерливинг (перемежение) битов и ячеек по времени и частоте. В системе DVB-T интерливинг осуществляется только в пределах длительности одного OFDM-символа. Для усиления защиты от импульсных помех и изменений характеристик канала связи в системе DVB-T2 вводится расширенный интерливинг по времени, при котором данные могут перемешиваться не только внутри одного OFDM-символа, но и внутри одного суперкадра. При этом пакеты данных могут перемежаться по временной шкале с интервалом 50-70 мс и более [7].

Введена опция пространственно-временного кодирования передаваемого сигнала в режиме MISO 2х1 по модифицированной схеме Аламоути. Применение этой технологии позволяет уменьшить эффекты интерференции сигналов в области перекрытия зон обслуживания соседних передатчиков одночастотной сети и, как следствие, улучшить качество принимаемых

18

сигналов, уменьшить требуемую мощность передатчиков или расширить зону их покрытия.

Снижена доля пилотных сигналов в общем цифровом потоке. Если в системе DVB-Т распределенные пилот-сигналы занимают 8% всех поднесущих и схема их размещении фиксирована, то в системе DVB-Т2 предусмотрено 8 вариантов размещения с разным количеством распределенных пилот-сигналов, занимающих 1%, 2%, 4% и 8% поднесущих. Выбор схемы размещения зависит от величины защитного интервала и размерности преобразования Фурье.

Предусмотрена возможность передачи наряду со стандартными кадрами системы DVB-Т2 специальных FEF (Future Extension Frames) кадров для размещения информации, которая может появиться в будущем.

Таблица 2.2 Сравнение максимальной скорости передачи и допустимого отношения сигналшум в системах DVB-T и DVB-T2

Большая часть технических решений, использованных при создании стандарта DVB-T2, направлена на максимальное увеличение скорости передачи

19

данных, и, соответственно, пропускной способности системы. В таблице 2.2 [8] приведены данные о максимальной скорости передачи и допустимом отношении сигнал-шум в системах DVB-T и DVB-T2, которые достигаются при максимальной размерности преобразования Фурье и минимальном защитном интервале. Для системы DVB-T это режим 8К, защитный интервал 1/32. Для системы DVB-T2 - режим 32К, защитный интервал 1/128. Абсолютные значения защитных интервалов при этом одинаковы.

Из сравнения значений скорости передачи в таблице 2.2 для отношений сигнал-шум 6 дБ и 20 дБ видно, что соответствующие максимальные скорости передачи для стандарта DVB-T2 (15 и 45,2 Мбит/с) более чем в полтора раза выше соответствующих скоростей для стандарта DVB-Т (9 и 31.7 Мбит/c). Это означает, что в системе DVB-T2 при той же мощности передатчика и его зоны покрытия, количество передаваемых в одном радиочастотном канале программ можно увеличить примерно в полтора раза, т.е. передавать до 12 программ стандартной четкости или до 4 программ высокой четкости (вместо 8 и 2 соответственно в системе DVB-T).

Из данных таблиц 2.1 и 2.2 также видно, что в системе DVB-T2 при одинаковой скорости передачи данных требуемое отношение сигнал-шум на 5– 6 дБ меньше, чем в системе DVB-T. Поэтому, при переходе от системы DVB-T к DVB-T2, мощности передатчиков в сети ТВ вещания можно уменьшить в 3–4 раза при сохранении радиуса их зон покрытия или же значительно увеличить зону уверенного приема при прочих равных условиях. Самый большой вклад в повышение эффективности системы DVB-T2 вносит применение принципиально нового каскадного BCH+LDPC-кодирования, что позволило повысить ее помехоустойчивость и почти в полтора раза увеличить пропускную способность, приблизив ее к теоретическому пределу Шеннона.

2.2.Построение сетей наземного цифрового вещания

Задача построения передающих сетей наземного цифрового вещания может быть разделена на две взаимосвязанные части - выбор параметров сети и частотно-пространственное распределение передающих станций на заданной территории.

Если в сетях аналогового вещания соседние передающие станции во избежание взаимных помех обязаны иметь различные частоты, то в сетях цифрового вещания стандарта DVB-T2 возможен синхронный режим работы на одной рабочей частоте нескольких передающих станций. Такие сети

20