ANALYSIS OF METHODS FOR REGIONAL SFN BROADCASTING SERVICEABILITY ASSURANCE

Abstract


SFN serviceability depends on synchronization availability between transmitters. In this paper we performed analysis of SFN network algorithms, and it shows the probability of loss synchronization between transmitters rises strongly without time delay calibration between network signal and transmitter modulator, that leads to SFN outages. Regional SFN serviceability under transmitter synchronization depends on gain margin defining by BER threshold. Nowadays guard band inconsistency is the main issue limiting effective application of SFN in Russia due to the same setting of this parameter for all regions by Federal Center of Multiplexing Formation. SFN serviceability should be provided by correction of emission time delay in transmitters. Therefore, all echo signals should be set inside of guard band due to emission time delay correction over broadcasting area. This work is concerned with possible options for regional SNF broadcasting serviceability. We analyzed advantages and disadvantages of Sweden program «Plan PROGIRA®», which is based on additional emission time delay correction in transmitters.

Full Text

Введение Работоспособность одночастотных сетей цифрового телерадиовещания SFN (Single Frequency Network) при наличии синхронизации передатчиков зависит от запаса устойчивости, определяемым допустимым отклонением коэффициента битовых ошибок BER (Bit Error Rate) от порогового значения. Брак в работе сети SFN и ее технические остановки возникают при значениях коэффициента BER близких к пороговым значениям. В этой связи количественной оценкой работоспособности сети SFN является запас устойчивости по коэффициенту BER, который зависит от выбранных параметров вещания в зоне обслуживания. В статье [1] отмечалось, что недостатком применяемых в РФ технических решений по реализации задачи доставки региональной версии Первого мультиплекса является необходимость вещания потоков T2-MI в различных регионах с едиными параметрами, устанавливаемыми в Федеральном Центре Формирования Мультиплексов (ФЦФМ). Единые параметры, устанавливаемые в ФЦФМ, приводят к ряду проблем, связанных с различными условиями вещания по территориальному расположению передатчиков, по виду и интенсивности воздействия помех, а также благодаря различным климатическим и географическим условиям вещания на территории РФ. Стандарт вещания DVB-T2 [2-3] позволяет обеспечить широкий выбор параметров создаваемых сетей SFN для их адаптации к условиям работы. Необходим выбор защитного интервала под конкретную топологию размещения передатчиков. Для обеспечения синхронной работы передатчиков одночастотной сети устанавливается метка времени исходя из результирующих временных задержек информационного сигнала. От вида и интенсивности помех, географических условий вещания зависит выбор шаблона распределенных в кадре несущих, вид модуляции скорость кодирования. Целью статьи является анализ методов обеспечения работоспособности региональных SFN сетей телерадиовещания. Алгоритмы настройки сети SFN Работоспособность сети SFN, прежде всего, зависит от наличия или отсутствия синхронизации передатчиков. В [4] предлагается алгоритм настройки сети SFN, который включает измерение и калибровку задержек информационного сигнала от Центра мультиплексирования до антенн передатчиков. В случае, когда выполнена указанная калибровка, синхронизм осуществляется на первой или на второй секунде. На первой секунде синхронизм осуществляется, если метка времени соответствует задержкам информационного сигнала. Когда задержки превышают значение установленной метки времени, синхронизм осуществляется на второй секунде в момент прихода очередной метки времени. В противном случае, когда калибровка задержек информационного сигнала не выполнена, при определенных условиях может быть синхронизм. Условия работы заключаются в том, что задержки информационного сигнала должны быть меньше одной секунды, а метка времени больше максимального значения результирующих задержек в канале передачи данных и в модуляторе. Однако в этом случае возможна потеря синхронизации, например, если время задержки информационного сигнала по одному из каналов передачи данных превышает одну секунду или задержка сигнала в одном из передатчиков превышает значение метки времени. Кроме того, потеря синхронизации возможна при изменении параметров метки времени в потоке T2-MI, формируемым в настоящее время в ФЦФМ. Выбор защитного интервала В алгоритме настройки сети SFN, предложенном в [4], указывается, что калибровка задержек информационного сигнала является необходимым, но недостаточным условием работоспособности одночастотной сети SFN. Важно также обеспечить соответствие защитного интервала топологии сети. В [5] рассмотрена методика экспериментальной оценки качества работы цифрового телерадиовещания по эхо-диаграмме при условии предварительной калибровки передатчиков по задержкам информационного сигнала. Оценка качества работы цифрового телерадиовещания включает проверку соответствия установленного защитного интервала задержкам эхо-сигналов в зоне обслуживания. С помощью эхо-диаграммы (см. рис. 1) можно дать оценку качества работы одночастотной сети при воздействии эхо сигналов от передатчиков 2-5 в зоне обслуживания первого передатчика, а также отраженных от соседних зданий эхо-сигналов 6-8. Рис. 1. Эхо-диаграмма сигналов в зоне обслуживания первого передатчика в режиме предварительной проверки качества работы SFN За нулевой уровень принят уровень сигнала первого передатчика. Нижняя граница защитного интервала соответствует нулевой задержке. Установленная верхняя граница защитного интервала в данном случае равна 84 мкс. Задержки эхо-сигналов от второго, третьего и четвертого передатчиков равны, соответственно, 10, 40 и 66 мкс, то есть находятся в пределах установленного защитного интервала. Задержка эхо-сигнала от пятого передатчика составляет 94 мкс, что превышает верхнюю границу защитного интервала. Задержки, отраженных от соседних зданий эхо-сигналов 6-8, не превышают 5 мкс. Из анализа задержек эхо-сигналов в зоне обслуживания первого передатчика следует увеличить защитный интервал. Защитный интервал G выбирается из условия G > 3,3 L, где L - максимальное расстояние между передатчиками в зоне вещания, измеряемое в км, 3,3 мкс/км - параметр, учитывапющий скорость распространения сигнала. Рис. 2. Эхо-диаграмма сигналов в зоне обслуживания первого передатчика в режиме проверки качества работы SFN после коррекции ее параметров Расширение защитного интервала до 99 мкс (см. рис. 2) позволило обеспечить ее работоспособность, поскольку эхо-сигналы от передатчиков SFN сети (2-5) не выходят за его границу. Однако, следует отметить, что коррекция параметров сети возможна только в случае формирования потока T2-MI в Региональном Центре мультиплексирования. Если поток T2-MI формируется в Федеральном Центре мультиплексирования, то коррекция параметров одночастотной сети путем изменения защитного интервала в Регионах в настоящее время невозможна. В этой связи возникают проблемы работоспособности сети SFN в Регионах. В частности, с такими проблемами столкнулись специалисты филиалов РТРС в Самарской и Оренбургской областях. 3 Коррекция задержек времени излучения передатчиков Работоспособность сети SFN может быть обеспечена коррекцией времени излучения передатчиков путем изменения статических задержек излучения передатчиков, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения (рис.3). Рис. 3. Диаграммы временных задержек в сети SFN Благодаря коррекции времени излучения в удаленных передатчиках зоны обслуживания все эхо-сигналы должны находиться в пределах защитного интервала. В частности, если в пятом передатчике (см. рис.1) ввести статическую задержку равную -50 мкс, то эхо-сигнал от этого передатчика окажется внутри защитного интервала и будет равен 44 мкс. Очевидно, что при коррекции времени излучения возможно появление новых областей интерференции в зоне вещания. Удобным инструментом предварительного планирования сетей SFN, в которых защитный интервал не соответствует топологии размещения передатчиков в зоне вещания, является программа «План PROGIRA®» компании PROGIRA Radio Communication AB, находящейся в Швеции. Планирование сетей SFN с применением программы «План PROGIRA®» Программа «План PROGIRA®» создана на платформе пакета геоинформационных программных продуктов [6-7] ArcGIS американской компании ESRI. Основой оптимизации программы «План PROGIRA®» [8-9] является алгоритм обеспечения работоспособности сети SFN при несоответствии величины защитного интервала фактической топологии расположения передатчиков, то есть при некорректном выборе защитного интервала. сети SFN. Некорректный выбор защитного интервала сети SFN приводит к проблемам приема телерадиовещания в пределах зоны обслуживания. Это объясняется временными задержками эхо-сигналов от удаленных передатчиков, превышающими величину защитного интервала. Такая постановка оптимизационной задачи справедлива для сетей стандарта DVB-T, а также в случае задания защитного интервала в потоке T2-MI, формируемого в Федеральном Центре мультиплексирования, единым для всех Регионов независимо от топологии размещения передатчиков в зонах вещания. В сетях SFN первого поколения стандарта DVB-T максимальный защитный интервал составлял 224 мкс, что соответствует максимальному расстоянию между передатчиками в зоне вещания 67,9 км. Здесь следует подчеркнуть, что максимальная длительность защитного интервала в стандарте DVB-T2 превышает 500 мкс. Следовательно, параметры защитного интервала во втором поколении позволяют проектировать крупные региональные одночастотной сети, размер которых превышает 150 км. Недостатком оптимизации с применением программы «План PROGIRA®», основанной на дополнительной коррекции задержек излучения в передатчиках, является увеличение числа интерференционных областей. Кроме того, зоны обслуживания и области интерференции оцениваются по напряженности электрического поля, что не позволяет количественно оценить работоспособность сети SFN по коэффициенту BER. Методы борьбы с интерференционными искажениями В первом поколении SFN стандарта DVB-T борьба с интерференционными искажениями решалась путем смещения проблемных областей от мест проживания населения с помощью дополнительного подбора задержек в передатчиках, изменением мощности передатчиков и направленных свойств передающих антенн. Эти методы используются в программе «План PROGIRA®». Решение проблем борьбы с интерференционными искажениями во втором поколении стандарта DVB-T2 является более технологичным [2-3; 10], не требующим значительных компьютерных ресурсов. В [5] рассмотрена методика выявления проблемных областей вещания, в которых интерференционные искажения приводят к потере работоспособности сети SFN. На эхо-диаграмме, представленной на рис. 1 и рис. 2, выделена область интерференции, граница которой определяется экспериментально по допустимым искажениям информационного сигнала. Интегральная оценка интерференционных искажений в области пересечения зон обслуживания первого и второго передатчиков осуществляется с помощью коэффициента битовых ошибок BER. Из анализа рис. 1 следует, что в зоне интерференции находится второй передатчик. В [5] предлагаются методы уменьшения влияния интерференции на работу одночастотных сетей в соответствии с рекомендациями [2-3] стандарта DVB-T2. Коррекция параметров одночастотной сети позволяет обеспечить ее работоспособность, понизить уровень интерференционных искажений (см. рис. 2) в области пересечения зон обслуживания передатчиков. Заключение 1. Работоспособность одночастотных сетей цифрового телерадиовещания SFN при наличии синхронизации передатчиков зависит от запаса устойчивости, определяемым допустимым отклонением коэффициента битовых ошибок BER от порогового значения [10]. 2. Анализ алгоритмов настройки сети SFN показывает, что вероятность потери синхронизации передатчиков, приводящей к техническим остановкам сетей SFN, значительно возрастает при отсутствии калибровки временных задержек информационного сигнала в сетях передачи данных и модуляторах передатчиков. 3. Несоответствие защитного интервала топологии расположения передатчиков является в настоящее время определяющим фактором отсутствия работоспособности одночастотных сетей в регионах РФ, поскольку этот параметр установлен единым для всех регионов в ФЦФМ. 4. Работоспособность сети SFN при несоответствии защитного интервала топологии расположения передатчиков может быть обеспечена коррекцией задержек по времени излучения передатчиков. Благодаря коррекции времени излучения в удаленных передатчиках зоны обслуживания все эхо-сигналы должны находиться в пределах установленного защитного интервала. 5. Программа «План PROGIRA®» предназначена для обеспечения работоспособности сети SFN путем подбора задержек по времени излучения передатчиков в том случае, когда защитный интервал не соответствует топологии размещения передатчиков в зоне обслуживания). 6. Параметры защитного интервала сетей SFN стандарта DVB-T2 позволяют проектировать крупные региональные одночастотной сети, размер которых превышает 150 км, что позволяет установить защитный интервал, соответствующий топологии сети SFN, во всех Регионах РФ. В этом случае работоспособность сетей SFN обеспечивается методом (см. рис. 2), не требующим значительных компьютерных ресурсов. 7. Недостатком программы «План PROGIRA®», основанной на дополнительной коррекции задержек излучения в передатчиках, является увеличение числа областей с интерференционными искажениями, борьба с которыми ведется методом смещения проблемных областей от мест проживания населения, применяемым в сетях первого поколения стандарта DVB-T, с помощью дополнительного подбора задержек в передатчиках. Важно подчеркнуть, что программа «План PROGIRA®» не позволяет количественно оценить работоспособность сети SFN по коэффициенту BER, поскольку оценка границ областей вещания осуществляется по напряженности электрического поля. 8.Корректный выбор защитного интервала (см. рис.2) значительно уменьшает количество проблемных областей, кроме того, решение проблем борьбы с интерференционными искажениями во втором поколении стандарта DVB-T2 является более технологичным [2; 10] по сравнению с методами, применяемыми в программе «План PROGIRA®» компании PROGIRA Radio Communication AB, находящейся в Швеции.

About the authors

Vladimir Leonidovich Karyakin

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: vl@karyakin.ru

Dmitry Vladimirovich Karyakin

Juniper Networks, Inc. (Russia)

Email: dm@karyakin.ru

Lyudmila Alexandrovna Morozova

Povolzhsky State University of Telecommunications and Informatics

Email: morozova@rcf.ru

References

  1. Карякин В.Л., Карякин Д.В., Морозова Л.А. Проблемы организации вещания в стандарте DVB-T2 со вставкой регионального контента. // ИКТ. Т.14, № 1, 2016. - С. 70-76.
  2. ETSI EN 302 755 V1.4.1 (2015-07) Digital Video Broadcasting (DVB). Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2) // Цифровое телевизионное вещание (DVB). Структура кадра канального кодирования и модуляции для второго поколения системы цифрового наземного телевизионного вещания (DVB-T2).
  3. ETSI TR 101 290 V1.3.1 (2014-07). Digital Video Broadcasting (DVB). Measurement guidelines for DVB systems // Цифровое телевизионное вещание (DVB). Рекомендации по измерению для систем DVB.
  4. Карякин В.Л., Карякин Д.В., Морозова Л.А. Синхронизация информационного сигнала в передатчиках одночастотных сетей цифрового ТВ-вещания// -М: Электросвязь, № 9, 2014. - С. 24-28.
  5. Карякин В.Л., Карякин Д.В., Морозова Л.А. Карякин В.Л. Оценка качества работы одночастотной сети цифрового телерадиовещания по эхо-диаграмме //Научные труды SWorld. Вып. №2 (39), Т.4, 2015. - С. 18-23.
  6. ArcGIS Platform - Esri // URL: // http: www.esri.com/software/arcgis (д.о.: 12.05.2016).
  7. Progira-product-broschure-2016-WEB // URL: // http:www.progira.com/getmedia/7ace7254-6de3-4b61-b71b-835101818fc6/Progira-product-broschure-2016-WEB.pdf (д.о. 12.05.2016).
  8. How to reach the full potential of your SFNs? // URL: // http: www.progira.com/en-gb/news/how-to-reach-the-full-potential-of-your-sfns (д.о. 12.05.2016).
  9. New release of GiraPlan 4.12.1 // URL: // http: www.progira.com/en-gb/news/new-release-of-giraplan-4-12-1 (д.о. 12.05.2016).
  10. Карякин В.Л. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов. М.: Солон-Пресс, 2013. - 448 с.

Statistics

Views

Abstract - 18

PDF (Russian) - 4

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2016 Karyakin V.L., Karyakin D.V., Morozova L.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies