Koexistence služeb digitálních televizních vysílacích sítí se systémy mobilních komunikací ve sdílených frekvenčních pásmech

Transkript

1 Konference RADIOKOMUNIKACE 2014 Koexistence služeb digitálních televizních vysílacích sítí se systémy mobilních komunikací ve sdílených frekvenčních pásmech Ondřej Kaller, Ladislav Polák, Lukáš Klozar, Jan Prokopec, Jiří Šebesta, Tomáš Kratochvíl Výzkumné centrum SIX a Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2 Abstrakt příspěvku V posledních letech rostou požadavky na dostupnost, rychlost a kvalitu téměř všech současných komunikačních systémů, včetně jejich mobilních verzí. Řada těchto systémů může pracovat v sousedních nebo dokonce shodných frekvenčních pásmech. V nich dochází logicky ke koexistenci těchto systémů a vzniku řady kritických koexistenčních scénářů. Příspěvek přehledně shrnuje analýzu koexistenčních scénářů služeb digitálních televizních vysílacích sítí (DVB-T/H/T2/T2-Lite) se systémy mobilních komunikací (2G/3G/4G), resp. (GSM/UMTS/WiMAX/LTE). Kromě základních frekvenčních kolizí v kmitočtovém spektru jsou v referátu také představeny scénáře, kdy dochází k rušení pilotních nosných kmitočtů zemské digitální televize, k rušení mobilních sítí ve funkci kognitivního rádia (CR) a využití nových způsobů vysílání mobilní digitální televize ve standardu DVB-T2 v systémech SISO/MISO. kratot@feec.vutbr.cz strana 2

3 Digitální televizní vysílací sítě 1/1 Terestrické/pozemní/zemské vysílání standardy DVB-T/H/T2/T2-Lite Použití multiplexu COFDM v módech 2k/4k/8k/16k/32k/32k-Extended Volba stavů vnitřní modulace QPSK/16QAM/64QAM/256QAM a nastavení její konstelace (rotovaná a hierarchická vs. standardní) Kombinace vysílání SISO/MISO (Single/Multiple Input Single Output) Provoz v sítích SFN/MFN (Single/Multi Frequency Network) Modely přenosových kanálů AWGN, F1 (Fixed), P1 (Portable), RA6 (Rural Area), TU6 (Typical Urban), PI (Portable Indoor), PO (Portable Outdoor), VU30 (Vehicular Urban), MR100 (Motorway Rural) a další. Měření: BER před a po opravě chyb, analýza konstelace a MER, hledání hranice QEF (Quasi Error Free) a dále subjektivní (MOS) i objektivní (VQM, SSIM, PSNR, DVQ) testy kvality obrazu, zvuku a služeb DVB. kratot@feec.vutbr.cz strana 3

4 Systémy mobilních komunikací 1/1 Standardy pro 2G/3G/4G (GSM/UMTS/WiMAX/LTE/LTE-Advanced) Long Term Evolution (LTE) pásma (2,5-2,7) GHz MHz DL - OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) UL - SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) Vnitřní modulace QPSK/16QAM/64QAM a kanál od 1,4 do 20 MHz Měření: Přenosová rychlost DL, EVM, CQI (Channel Quality Indicator) Vliv systémů 2G/3G/4G na DVB? Vliv DVB na systémy 2G/3G/4G? kratot@feec.vutbr.cz strana 4

5 Sdílená frekvenční pásma 1/3 IV. a V. TV pásmo ( ) MHz + ( ) MHz První digitální dividenda - kanály 61. a výše ( ) MHz Druhá digitální dividenda - kanály ( ) MHz Zdroj: Coexistence Digital TV and LTE Application Note, Rohde & Schwarz, 2010, 1MA176_3e.pdf Alokace frekvenčních pásem služeb DVB-T/H/T2/T2-Lite a LTE kratot@feec.vutbr.cz strana 5

6 Sdílená frekvenční pásma 2/3 Zdroj: Coexistence Digital TV and LTE Application Note, Rohde & Schwarz, 2010, 1MA176_3e.pdf Sdílené spektrum DVB-T2-Lite (kanál 8 MHz) a LTE (10 MHz) kratot@feec.vutbr.cz strana 6

7 Sdílená frekvenční pásma 3/3 Kmitočtové pásmo Mobilní operátor Šířka přiděleného pásma [MHz] Duplexní odstup [MHz] Downlink [MHz] Uplink [MHz] 800 MHz DL: MHz UL: MHz T-Mobile 2x O2 2x Vodafone 2x MHz UL: MHz DL: MHz O2 2x17 95 T-Mobile 2x20 95 Vodafone 2x ,4-1822,2 1822,4-1839,2 1858,0-1880,8 1710,4-1727,2 1727,4-1744,2 1763,0-1785, MHz UL: MHz DL: MHz O2 2x T-Mobile 2x Vodafone 2x Tabulka přidělených kmitočtů pro LTE v ČR a pásmech 800, 1800 a 2600 MHz kratot@feec.vutbr.cz strana 7

8 Experimentální měřicí pracoviště 1/2 ZDROJE SIGNÁLU MĚŘICÍ ZAŘÍZENÍ Aktuálně provozované služby Měření DVB příjmu DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite LNA LNA DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite GSM, UMTS, WiMAX, LTE DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite ETL-TV Analyzátor Analyzátor transnportního toku (Stream Analyzer) GSM, UMTS, WiMAX, LTE Laboratorně generované služby Master SFU Tx DVB-T2/T2-Lite Testovací vysílač Slučovač/ Rozbočovač Anaylzátor kvality videa R&S DVQ Monitorování mobilních služeb T2-MI 10 MHz 1pps Slave SFU Tx DVB-T2/T2-Lite Testovací vysílač DVB-T/H Testovací vysílač GSM, UMTS, WiMAX, LTE FSQ Analyzátor PC s R&S Drive Test ROMES 4 GSM, UMTS, WiMAX, LTE Signálový generátor Spektrální analyzátor Obecné blokové schéma pro měření intra/inter kanálové koexistence standardů DVB-T/H/T2/T2-Lite a GSM/UMTS/WiMAX/LTE kratot@feec.vutbr.cz strana 8

9 Experimentální měřicí pracoviště 2/2 Set-up pro měření intrakanálové koexistence LTE CR a DVB-T2 MISO/SISO kratot@feec.vutbr.cz strana 9

10 Koexistenční scénář a typ koexistence 1/1 kratot@feec.vutbr.cz strana 10

11 Koexistence č. 1 (vliv rušení UMTS) 1/2 Vliv rušících signálů na kvalitu služeb v sítích 3G (Klozar a kol., 2011) DL MHz, UL MHz, duplexní odstup 190 MHz UMTS s šířkou kanálu 5 MHz, datové služby HSDPA, komerční provoz Rušení s různou šířkou pásma (200, 400, 1400, 2800, 5000) khz Změna úrovně rušivého signálu vůči UMTS (-61 dbm), frekvence DL 2162,4 MHz a UL 1972,4 MHz, sledován výpadek služby při rušení Analyzována přenosová rychlost DL [kbit/s] pro řídící signály a uživatelská data vs. poměr výkonu rušeného a rušivého signálu [db], resp. CQI (Channel Quality Indicator) Parametr CQI [-] popisuje kvalitu rádiového spojení mezi uživatelem a základnovou stanicí kratot@feec.vutbr.cz strana 11

12 Koexistence č. 1 (vliv rušení UMTS) 2/2 Závislost přenosové rychlosti DL [kbit/s] na poměru výkonu rušeného a rušícího signálu [db] (vpravo) a parametru CQI [-] (vlevo) pro různé šířky rušícího signálu, měřeno při úrovni signálu UMTS -61 dbm. kratot@feec.vutbr.cz strana 12

13 Koexistence č. 2 (rušení DVB-T/H) 1/2 Vliv rušení pocházejícího ze systémů GSM a LTE na kvalitu příjmu signálu digitální televize DVB-T/H (Polák a kol., 2012) DVB-T/H, nosný kmitočet 778 MHz, 8k COFDM, 64QAM, kanál 8 MHz Proměnná robustnost zabezpečení FEC s CR = 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Rušení signály GSM a LTE s proměnnou šířkou pásma až do 4 MHz Analyzován vliv rušivého signálu na nosné DVB-T s proměnnou šířkou pásma a úrovní rušení vůči užitečnému signálu, resp. poměru k nosné DVB-T/H s úrovní 48 dbuv (-60,8 dbm) a hodnocení SSIM (Structural Similarity) na hodnotě 50% - Error Visibility (def. Wang & Bovik, 2004) Součástí experimentu bylo rovněž rušení TPS sub-nosných u DVB-T/H řadou skládaných úzkopásmových signálů s šířkou pásma 1 khz Analyzována ztráta synchronizace přijímače, opět však přes SSIM! kratot@feec.vutbr.cz strana 13

14 Koexistence č. 2 (rušení DVB-T/H) 2/2 Závislost poměru výkonu rušeného a rušícího signálu (DVB-T/H a LTE) na šířce rušícího signálu pro hodnotu SSIM = 50 %, při úrovni signálu -60,8 dbm. Vymizení TPS nosných v konstelačním diagramu DVB-T/H kratot@feec.vutbr.cz strana 14

15 Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite) 1/5 Koexistence DVB-T2-Lite a LTE v přilehlých a překrývajících se frekvenčních pásmech (Polák a kol., 2013) Pro hodnocení QoS (Quality of Service) televizního vysílání DVB-T2 použito kritérium chybovosti QEF (Quasi Error Free) BER po kanálovém dekódování LDPC < 1E-7 (příjem bez viditelných zkreslení) Druhým kritériem byl počet iterací LDPC dekodéru v přijímači při dekódování (více iterací vyšší kódový zisk snížení chybovosti vyšší MER avšak vyšší spotřeba přijímače! ) Pro hodnocení QoS u LTE použito univerzální měření EVM v [%] (limity 17,5% pro QPSK, 12,5% pro 16QAM a 8% pro 64QAM) Poměr SDR (Spectral Density Ratio) [db] je definován jako poměr výkonů mezi LTE a DVB-T2-Lite vztažený na jednotku šířky pásma kratot@feec.vutbr.cz strana 15

16 Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite) 2/5 Měřicí pracoviště pro koexistenci LTE a DVB-T2-Lite kratot@feec.vutbr.cz strana 16

17 Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite) 3/5 LTE: 64QAM 16QAM+QPSK 16QAM+QPSK QPSK Žádný LTE DVB-T2-Lite B LTE = 1,4 MHz B LTE = 20 MHz M ěřené hodnoty Mapová reprezentace koexistence systémů DVB-T2-Lite a LTE v kanále AWGN a C/N > 40 db. V prostoru daném šířkou pásma překrytí spekter služeb a poměrem jejich výkonů jsou barevně vyznačeny stavy LTE (nejvyšší použitelná modulace) a šrafováním oblast použitelnosti DVB-T2. kratot@feec.vutbr.cz strana 17

18 Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite) 4/5 Závislost počtu iterací LDPC dekodéru DVB-T2-Lite na hodnotě MER [db] s vyznačenou hranicí QEF příjmu (Quasi Error Free příjem je zaručen při hodnotách chybovosti BER 1E-7) kratot@feec.vutbr.cz strana 18

19 Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite) 5/5 Překrytí aktivní části pásma [khz] SDR= 6.5dB; QPSK LTE 1.4MHz SDR= -1.8dB; QPSK LTE 10 MHz SDR= -5.0dB; QPSK LTE 20MHz SDR= 6.5dB; 16QAM LTE 1.4MHz SDR= -1.8dB; 16QAM LTE 10MHz 5 SDR= -5.0dB; 16QAM LTE 20MHz SDR= 6.5dB; 64QAM LTE 1.4 MHz SDR= -1.8dB; 64QAM LTE 10MHz EVM for 64QAM = 8.0 % SDR= -5.0dB; 64QAM LTE 20MHz EVM [%] EVM for 16QAM = 12.5 % EVM for QPSK = 17.5 % Závislost EVM u LTE na šířce pásma překrytí užitečných nosných signálem televizního vysílání DVB-T2-Lite. EVM je měřeno pro zdrojové bloky (Resource Blocks) s vnitřními modulacemi QPSK, 16QAM a 64QAM kratot@feec.vutbr.cz strana 19

20 Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2) 1/4 Koexistence DVB-T2 SISO/MISO a LTE v případě použití techniky CR - kognitivního rádia (Polák a kol., 2014) LTE CR v pásmu TVWS (TV White Spaces) může zvyšovat kapacitu mobilní sítě, podmínkou je však fungující algoritmus snímání spektra Scénář předpokládá v síti SFN1 dálkový příjem sítě SFN2, která je provozována dvěma vysílači SISO nebo MISO (8 MHz kanál, nosný kmitočet 842 MHz, výkon vysílačů stejný nebo se liší o 10/20/30 db) LTE CR rovněž na kmitočtu 842 MHz se šířkou kanálu 1,4 nebo 10 MHz Analyzovány BER křivky kanálové chybovosti (před opravou LDPC) a následné vyhodnocení opět QEF (Quasi Error Free), kdy BER < 1E-7 SISO postihuje mazání nosných, MISO je vždy odolnější o cca 1-2 db Analyzován rovněž vliv šířky pásma rušícího signálu LTE, kdy 10 MHz kanál postihuje všechny sub-nosné DVB-T2, kanál 1,4 MHz ne kratot@feec.vutbr.cz strana 20

21 Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2) 2/4 Spektrum DVB-T2 SISO (nahoře) a MISO (dole) při rušení LTE s šířkou pásma BLTE = 1,4 MHz kratot@feec.vutbr.cz strana 21

22 Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2) 3/4 Závislost kanálové chybovosti DVB-T2 na poměru výkonů koexistujících služeb. DVB-T2 používá monofrekvenční (SFN) síť se dvěma vysílači v módu SISO (vlevo) a MISO (vpravo). Parametrem křivek je poměr výkonů TV vysílačů. Šířka kanálu LTE je rovna vždy 10 MHz. kratot@feec.vutbr.cz strana 22

23 Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2) 4/4 Závislost kanálové chybovosti DVB-T2 na poměru výkonů koexistujících služeb pro MISO mód se dvěma vysílači stejného výkonu. Parametrem křivek je šířka kanálu LTE (B LTE ). kratot@feec.vutbr.cz strana 23

24 Reference 1/1 POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., SEBESTA, J., KRATOCHVIL, T. Koexistence služeb DVB-T2 Lite a LTE ve sdílených frekvenčních pásmech, Sdělovací Technika, roč. 2014, č. 8, pp POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., SEBESTA, J., KRATOCHVIL, T. Mobile Communication Networks and Digital Television Broadcasting Systems in the Same Frequency Bands: Advanced Co- Existence Scenarios. Radioengineering, vol. 23 (2014), no. 1, pp POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Exploring and measuring the co-existence between LTE and DVB-T2-Lite services. In Proc. of the 36 th Telecommunications and Signal Processing (TSP) International Conference. Rome (Italy), 2013, p KLOZAR, L., POLAK, L., KALLER, O., PROKOPEC, J. Effect of Co-Existence Interferences on QoS of HSPA/WDCMA Mobile Networks. In Proc. of the 23 rd Radioelektronika International Conference. Pardubice (Czech Republic), 2013, p POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Measuring of the interactions between mobile and DVB-T broadcasting networks. In Proc. of the 22 nd Radioelektronika International Conference. Brno (Czech Republic), 2012, p POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Influence of Mobile Network Interfering Products on DVB-T/H Broadcasting Services. In Proc. of the 5 th Wireless Days 2012 International Conference. Dublin (Ireland), 2012, p kratot@feec.vutbr.cz strana 24

25 Poděkování ARTEMOS (Agile RF Transceivers) EU projekty MŠMT č. 7H11097 a ENIAC JU no (řešení 04/ /2014) CORTIF (Coexistence of RF Transmissions in the Future) EU projekty MŠMT č. LF14033 a CATRENE noč. CA116 (řešení 07/ /2017) Wireless Communication Teams -operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK), reg. č. CZ.1.07/2.3.00/ Výzkumné centrum SIX -operační program Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI), reg. č CZ.1.05/2.1.00/ Interní grantový projekt PEKOS -VUT v Brně, reg. č. FEKT-S a celému koexistenčnímu týmu na SIX-UREL, FEKT VUT v Brně. kratot@feec.vutbr.cz strana 25

26 Kontakt doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. a kol. kratot@feec.vutbr.cz Vysoké učení technické v Brně Výzkumné centrum SIX a Ústav radioelektroniky FEKT Technická 12, Brno (Budova E, 6. patro) Tel: Fax: kratot@feec.vutbr.cz strana 26