Применение технологии «Tower overlay over LTE-A» для трансляции телевизионного сигнала

Увеличение трафика в сетях с мобильным доступом (рис.1) и ограниченность спектрального ресурса приводят к тому, что размеры сот таких сетей постоянно уменьшаются. Такой подход представляется весьма неэкономичным всякий раз, когда речь идет об услугах одноадресной (Unicast) передачи одного и того же контента множеству пользователей на одной и той же территории: например, потоков данных, содержащих видео-трансляции спортивных событий. В этом случае объем необходимого радиочастотного ресурса и стоимость доставки в пределах одной распределительной сети линейно возрастают с увеличением числа пользователей. Этот недостаток можно было бы устранить применением принципов телерадиовещания при распространении контента.

Рисунок 1 – Экспоненциальный рост трафика мобильных данных

В настоящее время технология мобильной связи LTE-Advanced (LTE-A) предлагает использовать вещательную многоадресную (Multicast) услугу eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Service – улучшенная услуга многоадресного вещания мультимедийных данных), однако она имеет определенные ограничения. eMBMS поддерживает только смешанный режим работы путем совместного использования ресурсов с Unicast услугами и ограничена небольшими размерами сот LTLP базовых станций (Low Tower Low Power – Маломощные базовые станции небольшой высоты), что требует значительного количества базовых станций и многократной ретрансляции для покрытия больших площадей.

Технология «LTE Mobile Offload» (LMO), также известная как «Tower Overlay over LTE-A+» (TOoL+), разработана профессором Ульрихом Реймерсом в Брауншвейгском техническом университете. Она предоставляет совместимые с LTE-A+ вещательные услуги на специально выделенных несущих посредством традиционной инфраструктуры вещательных станций HTHP (High Tower High Power – Высокие вещательные станции большой мощности). Поскольку стандарт LTE-A оптимизирован для среды LTLP сотовых сетей, новая среда HTHP требует модификации стандарта LTE-A и включения новых функций, которые определяются стандартом LTE-A+.

Система «TOoL+» действует по методу «наложения» на существующие сотовые сети (рис.2).

Рисунок 2 – Метод «наложения» TOoL+

По сравнению с сетью LTLP, «TOoL+» позволяет снизить энергетические и аппаратные затраты сети. Кроме того, существующая вещательная HTHP инфраструктура может быть повторно использована посредством передачи LTE-A+ через кадры DVB-T2, зарезервированные для будущего использования (FEFs –Future Extension Frames). Хотя стандарт DVB-T2 предусматривает прием на мобильные терминалы, внедрение встроенных радиоприемных модулей DVB-T2 в мобильные устройства еще не произошло. Таким образом, LTE-A+ предлагает ограничить внесение изменений в конструкцию существующих чипсетов LTE, исключая необходимость установки тюнеров радиоприемных модулей DVB-T2 смартфоны и планшеты.

                                              а)

                                               б)

Рисунок 3 – Схема передачи сигнала по технологии «Tower Overlay (а)» и мультиплексированный сигнал «DVB-T2 и LTE-A+» (б)

Техническая реализация системы TOoL+, включая дополнения к LTE-A, была успешно продемонстрирована в лабораторных условиях. Чтобы оценить предлагаемые изменения и эффективность TOoL+ при различных сценариях HTHP за пределами контролируемой лабораторной среды, были развернуты полевые испытания в Париже (Франция) и Валле-д'Аоста (Италия).

Для увеличения покрытия в TOoL+ вводится дополнительный физический уровень и опции сигнализации LTE-A с использованием более длинного CP (циклического префикса), подходящего для HTHP среды. Во избежание дополнительных расходов, связанных с увеличением CP, OFDM символ и полезная длительность OFDM символа также увеличивается за счет уменьшения расстояния между OFDM поднесущими. Чтобы сохранить структуру формирования кадра LTE, уменьшение интервала поднесущей ограничивается целым делителем.

 Рисунок 4 – Схема частотно-временного распределения DVB-T2/P2MP

 Вследствие увеличения длительности символа, каждый подкадр LTE (1 мс) будет состоять только из двух OFDM символов вместо 12-ти. Поэтому разработчики технологии «Tower Overlay» решили сопоставить опорные сигналы MBSFN (Multicast Broadcase Single Frequency Network - одночастотная сеть многоадресной и широковещательной передачи) для каждого OFDM символа. Разнос между двумя опорными несущими сигнала в частотной области был выбран равным шести поднесущим, со смещением в три поднесущих в каждом втором символе.

Предполагается, что уменьшение расстояния между поднесущими в TOoL+ увеличивает восприимчивость к Доплеровскому сдвигу частоты, тем самым ухудшая качество мобильного приема. Технологию TooL+ предлагается применять в диапазоне УВЧ, где Доплеровский эффект, обусловленный приемом на высоких скоростях, вероятно, будет некритичным. При этом следует отметить, что по результатам испытаний было выявлено, что даже меньший разнос между поднесущими обеспечивает возможность мобильного приема.

Одной из ключевых особенностей технологии TooL+ является совместная передача вещательного сигнала LTA-A+ и обычного DVB-T2 сигнала на одном УВЧ канале.

Рисунок 5 – Частотный спектр LMO 

Сигнал DVB-T2 содержит так называемые кадры FEFs, позволяющие интегрировать во временной области сигналы произвольных форм, в нашем случае LTE-A+ в вещательный сигнал. Любой существующий приемник DVB-T2 способен декодировать телевизионную (DVB-T2) часть, игнорируя LTE-A+ часть сигнала (ранее определенную как FEF-кадры, не используемые телевизионным приемником). Устройствам LTE-A+, в свою очередь, необходимо обнаружить и декодировать LTE-A+ сигнал, игнорируя DVB-T2-часть. Канал во временной области может гибко делиться между LTE-A+ и DVB-T2 услугами.

Мобильная сеть обеспечивает дополнительную сигнализацию, которая позволяет устройствам получать доступ к несущим TOoL+ данных, указывая на то, что данная несущая P2MP LTE присутствует в сигнале и может быть принята и декодирована. Возможно совместное использование несущих TOoL+ данных между различными мобильными операторами для предотвращения параллельной передачи одних и тех же данных, например, в случае трансляции популярного видео контента в режиме реального времени.

Во время полевых испытаний, как передача, так и прием TooL+ сигнала были реализованы с помощью технологии SDR (Software Defined Radio – программно – управляемая радиосистема) из-за ее высокой гибкости и ограниченных сроков тестирования. Целесообразность такого подхода была доказана несколько раз. Передатчик и приемник, использованные в полевых испытаниях, базировались на первом физически реализованном образце TooL+. В отличие от лабораторного образца, модулятор LTE-A+ был связан с расширенной версией возбудителя GatesAir M2X DVB-T2 для мультиплексирования DVB-T2 и LTE-A+ сигналов и контроля полезного сигнала и внеполосных излучений.

Главной целью полевых испытаний была оценка параметров системы TooL+ при различных реальных сценариях – в Париже, Франция (телевизионный канал TDF) и в Валле-д'Аоста, Италия (телевизионный канал RAI). В Париже испытания проходили в условиях плотной городской застройки, вещание осуществлялась посредством одного передатчика, расположенного на Эйфелевой башне, а в Валле-д'Аоста была использована сложная одночастотная сеть (SFN – single frequency network) с оценкой возможности приема на мобильные терминалы, движущиеся с высокой скоростью.

При испытаниях в Париже условия приема менялись от территорий с высотными зданиями и узкими улицами до открытых городских площадей – при сложных условиях приема с чередованием прямой видимости и ее отсутствия и отраженных от зданий эхо-сигналов. Передатчик располагался на Эйфелевой башне, главный лепесток диаграммы направленности антенны покрывал юго-восток Парижа. LTE-A+ часть гибридного сигнала включала в себя мультиплекс из четырех физических каналов многоадресной рассылки Physical Multicast Channels (PMCH) (подход, аналогичный понятию Multiple Physical Layer Pipes (M-PLP) в DVB-T2). Это позволило синхронно оценить различные услуги, каждая из которых предоставлялась индивидуальной модуляцией и схемой кодирования (MCS –  modulation and coding scheme), с различной надежностью при использовании одной и той же LTE-A+ несущей. Параметры DVB-T2 вещания опробованы в ходе полевых испытаний в северной Германии. При тестировании в Париже общая излучаемая мощность была ограничена набором рабочих параметров, в том числе определяющих использование спектральных составляющих, а для расширения зоны покрытия в пригородах Парижа были выбраны подходящие параметры для LTE-A+. Измерения в условиях мобильного приема проводились с использованием ненаправленной штыревой антенны, установленной на крыше подвижной станции. Вследствие высокой плотности трафика, средняя скорость приема составляла около 30 км/ч, максимальная скорость составила 70 км/ч. Сбор данных по I/Q созвездиям без их обработки проводился в течение 18 часов.

Валле-д'Аоста была выбрана в качестве испытательной площадки вследствие наличия многочисленных склонов гор, что позволяет провести проверку в режиме SFN с большим числом передатчиков. Первоначально, для испытания TooL+ были доступны два передатчика: Aosta-Gerdaz и St. Vincent-Salirod, покрывающие главную часть Валле-д'Аоста и города Аоста. Использовалась существующая антенная система с горизонтальной поляризацией, хотя она, как известно, не является идеальной для автомобильного приема. Поскольку для испытаний были доступны некоммерческие SFN TOoL+ модуляторы, SFN калибровка представляла собой выбор комбинации модулированного TOoL+ сигнала и цифровой линии задержки, позволяющей точно настроить задержку SFN между двумя передатчиками.  

Максимальная скорость приема составила 110 км/ч. Данные собирались на протяжении более чем за 3.5 часов в 22 направлениях при различных режимах вещания (MFN и SFN) и в различных типах местности (город, пригород, автомагистрали).

Параметры DVB-Т2, применяемые при испытаниях TooL+, были аналогичны параметрам, используемым для полевых испытаний DVB-T2-Lite. Параметры LTE были аналогичны используемым при лабораторных испытаниях. Как и в Париже, измерения в условиях мобильного приема осуществлялись с использованием ненаправленной антенны, установленной на измерительный фургон.

Рисунок 6 – Коэффициент пакетных ошибок для LTE-A+ и DVB-T2 при измерениях в ходе испытаний в Париже (DVB-T2 режим: 16К, защитный интервал 19/128, схема распределения пилот-сигналов 2, 64-QAM  скорость кодирования 1/2  LTE-A+: кодово-модуляционная схема 4, 7, 14, 18)

 На рис.6 показана зависимость коэффициента пакетных ошибок от уровня входной мощности приемника для одного измерения в Париже как для DVB-T2, так и для LTE-A+.

В Париже зоны покрытия DVB-T2 и LTE-A+ сигналов оказались практически идентичны. Из-за значительно менее надежной конфигурации DVB-T2 в испытаниях в Валле-д'Аоста зона покрытия DVB-T2 была значительно меньше, чем зона обслуживания системы LTE-A+.

В настоящее время система TooL+ проходит процедуру стандартизации, после чего может быть начато массовое производство терминалов.