DVB-H Digital Video Broadcasting Transmission System for Handheld Terminals Úvod Systém DVB-H byl navržen jako doplněk standardu DVB-T (pozemní digitální vysílání) s ohledem na přenosné kapesní terminály (handheld terminals) typu mobilní telefon, PDA atd., jejichž energetické rezervy jsou neslučitelné s vysokými nároky na demodulaci signálu a dekódování transportního toku DVB-T. Příkon standardního demodulátoru DVB-T se pohybuje v rozmezí 0,6W 0,8W, cíl pro mobilní aplikace DVB-H je cca 0,1W. Systém DVB-H zároveň poskytuje dostatečné protichybové zabezpečení pro příjem za nepříznivých podmínek (za jízdy, uvnitř budov, v přítomnosti impulsního rušení atd.). Prostřednictvím tohoto systému lze přenášet služby poskytující nejrůznější typy informací. Specifikace DVB-H dosud nepředepisuje konkrétní kompresní algoritmus pro audio/video služby. Nepředpokládá se však využití algoritmů MPEG-2. Možnými kandidáty jsou pokročilejší kompresní algoritmy typu H.264/AVC a VC-9 pro video a HE ACC pro audio. Formát vhodný pro zobrazení na displeji mobilního zařízení je CIF s rozlišením 360x288 obrazových bodů. Typická služba přenášená pomocí DVB-H tak bude vyžadovat přenosovou kapacitu do 384 kbit/s. Type of DVB reciever H.264/AVC-Level Video resolution Max. bitrate Application A 1 QCIF (180x144) 128 kbit/s UMTS Tel. B 1.2 CIF (360x288) 384 kbit/s UMTS Tel., PDA C 2 CIF (360x288) 2 Mbit/s Pocket reciever D 3 SDTV (720x576) 10 Mbit/s TV set E 4 HDTV (1920x1080) 20 Mbit/s TV set Tabulka 1 - Bitové toky H.264/AVC Výchozí požadavky Zde jsou uvedeny některé výchozí požadavky na systém DVB-H, které byly stanoveny v roce 2002 v rámci projektu DVB: Využití kanálů v klasických TV pásmech (III, IV a V), ale použitelné budou i kmitočty mimo tato pásma (zavádí se možnost využití kanálu o šířce 5 Mhz) DVB-H bude zpětně kompatibilní se systémem DVB-T, což usnadní využití již existující infrastruktury Nízká spotřeba na straně přijímacího zařízení Nabízené služby audio/video streamingu budou mít přijatelnou kvalitu Systém bude schopen zajistit dobré geografické pokrytí Bude zajištěna podpora značné mobility přijímacích zařízení Základní charakteristiky systému Prostřednictvím signálu DVB-T se přenáší transportní tok MPEG-2. Z hlediska systému DVB-T, představují tedy služby DVB-H data, která se musí pomocí tohoto transportního toku přenést některou z podporovaných metod. Pro DVB-H byla zvolena metoda MPE (Multi Protocol Encapsulation) doplněná o vlastnosti vyžadované novým systémem. Přenášené služby jsou přitom založeny na protokolu IP. Možnost propojení s jinými IP-sítěmi je důležitou vlastností tzv. IP Datacast systému, na jehož vývoji se v současnosti v rámci projektu DVB pracuje. Systém DVB-H rozšiřuje systém DVB-T, na kterém je vybudován, o prvky, které umožňují dosažení nových požadovaných vlastností. Tyto nové prvky reprezentuje na spojové vrstvě časové 1
segmentování (time-slicing) a protichybové zabezpečení MPE-FEC, na fyzické vrstvě pak 4k-mód, hloubkové vnitřní prokládání (in-depth interleaving) a signalizace DVB-H v TPS (Transmission Parameter Signalling) viz obr. 1. IP Programy MPEG-2 (DVB-T) MPE- FEC IP-Encapsulator MPE Time Slicing MUX DVB-T TS DVB-T vysílač DVB-T modulátor In-depth TPS DVB-H 2k 4k 8k Koncový stupeň DVB-T demodulátor In-depth TPS DVB-H 2k 4k 8k TS MPE- FEC IP-Decapsulator MPE Time Slicing IP Displej Obrázek 1 Blokové schéma systému DVB-H Časové segmentování (time-slicing) Tato metoda je stěžejním prvkem v systému DVB-H. Její princip spočívá v uspořádání jednotlivých datových toků, příslušných konkrétním službám (programům), do časového multiplexu. Data jednotlivých služeb nejsou přenášena souvisle, ale v periodicky se opakujících krátkých časových úsecích (burstech) viz Obr. 2. Obrázek 2 Časové segmentování Jak je patrné, časově segmentované služby mohou být umístěny do společného multiplexu spolu s běžnými službami DVB-T. Přijímač DVB-H přijímá pouze bursty požadované služby a během vysílání burstů ostatních služeb přejde do úsporného režimu, tj. vypne obvody, které v této době nepotřebuje. Pro zajištění znovu zapnutí obvodů přijímače v určený čas je v každém burstu přenášena informace o době, která ještě zbývá do začátku vysílání následujícího burstu vybrané služby. Doba trvání jednoho burstu se pohybuje v rozsahu stovek milisekund, doba mezi bursty téže služby okolo několika sekund. Na poměru obou časových intervalů, tedy i na dobách trvání aktivního a úsporného režimu přijímače, závisí také úspora přijímače. 2
Burst Duration Off-time Burst Size Constant Bandwidth Burst Bandwidth Obrázek 3 Princip úspory příkonu Druhou velkou výhodou vysílání časově segmentovaných dat je možnost provádět spojitý handover. V době, kdy nejsou přijímána data vybrané služby, může přijímač vyhledávat vysílače v sousedních buňkách, které nabízejí stejnou službu. Při přemístění do sousední buňky se přijímač snadno přeladí a pokračuje v nepřerušeném příjmu beze ztráty dat. Protichybové zabezpečení MPE-FEC Na úrovni MPE může být přidán další stupeň protichybového zabezpečení označovaný MPE-FEC (Multi Protocol Encapsulation Forward Error Correction). To je druhá hlavní inovace DVB-H. Cílem důkladné ochrany je snížení potřebného odstupu užitečného signálu od šumu pro příjem handheld-terminály. Testy prokázaly, že použití MPE-FEC přinese zisk 5-6dB. Kodér využívá speciální maticovou strukturu zvanou rámec MPE-FEC o 255 sloupcích a maximálně 1024 řádcích viz. Obr. 4. 1024 řádků Obrázek 4 Struktura protichybového zabezpečení MPE-FEC Každá buňka rámce odpovídá 1 bajtu a maximální velikost celého rámce je asi 2 Mb. Levá část rámce o 191 sloupcích zvaná Application Data Table je vyplněna IP-datagramy zabezpečované služby. Pravá část o 64 sloupcích zvaná RS Data Table je vyplněna paritními bajty Reed- Solomonova kódu RS (255,191), které jsou vypočítány ke každému řádku rámce. Po zakódování jsou IP-datagramy z Application Data Table vkládány do sekcí transportního toku MPE a následně jsou do samostatných sekcí FEC vložena po sloupcích paritní data. Obsah jednoho rámce je přenesen v jenom burstu. Protože zápis a čtení z rámce probíhají ve svislém směru, zatímco kódování v horizontálním směru, uplatňuje se navíc virtuální prokládání. Protože jsou IP-data a paritní data v každém burstu oddělená, může přijímač zpracovávat pouze aplikační data, zatímco paritní informace budou ignorovány. 3
Mód OFDM 4k Kromě OFDM módů 2k a 8k běžných v DVB-T je v systému DVB-H možné nově využívat mód 4k. Jeho parametry v porovnání s oběma předchozími módy jsou uvedeny v tab. 2. Mód 2k 4k 8k Počet bodů IFFT 2048=2 11 4096=2 12 8192=2 13 Počet nosných 1705 3409 6817 Počet aktivních nosných 1512=12x126 3024=24x126 6048=48x126 Počet kontinuálních nosných 45 89 177 Počet rozptýlených nosných 131 262 524 Počet nosných TPS 17 34 68 Užitečná část u [ms] 224 448 896 Rozteč nosných [khz] 4,464 2,232 1,116 Ochranný interval 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32 1/4 1/8 1/16 1/32 Doba trvání ochr. int. [ms] 56 28 14 7 112 56 28 14 224 112 56 28 Trvání u [ms] 280 252 238 231 560 504 478 462 1120 1008 952 924 Max. vzdálenost vysílačů [km] 16,8 8,4 4,2 2,1 33,6 16,8 8,4 4,2 67,2 33,6 16,8 8,4 Tabulka 2 Prametry OFDM módů pro DVB-H (kanál 8MHz) Mód 4k je interpolací mezi 2k a 8k. Všechny tři nabízejí stejné přenosové kapacity, které závisí pouze na použité modulaci, kódovém poměru a délce ochranného intervalu. Z odlišností obou starších módů vyplývá jejich rozdílné praktické využití: Velikost sítě SFN mód 8k připouští 4x větší vzdálenost vysílačů (67km oproti 17km u módu 2k) díky čtyřnásobné době trvání ochranného intervalu Možnost mobilního příjmu maximální možná rychlost při mobilním příjmu je zhruba 4x větší u módu 2k, který má 4x větší odstup nosných než 8k a tím pádem 4x větší odolnost proti Dopplerovu posuvu Mód 4k je tedy kompromisem vyplňujícím mezeru mezi 2k a 8k. Je určen pro sítě vysílající pouze samostatný multiplex DVB-H. Hloubkové prokládání (in-depth interleaving) V DVB-T je vstupní datový tok na straně vysílače mohutně protichybově zabezpečen. Po vnějším Reed-Solomonově kódování, vnějším bajtovém prokládání a po vnitřním konvolučním kódování následuje vnitřní prokládání, které se skládá z bitově orientovaného a ově orientovaného prokládání. Počet ů (u QPSK 2bity, u 16-QAM 4 bity a u 64-QAM 6 bitů), které jsou mezi sebou prokládány, závisí na zvoleném FFT módu, protože v následujícím kroku jsou namapovány na jednotlivé nosné. Při módu 2k je mezi sebou prokládáno 1512 ů, při módu 4k 3024 ů a při módu 8k 6048 ů. Protože každý DVB-H terminál podporuje v souladu se specifikacemi mód 8k, je možné využít poměrně velké paměti ového prokladače 8k i pro módy 2k a 4k. Celkem 6048 proložených ů je potom v módu 2k namapováno do čtyř OFDM ů a v módu 4k do dvou OFDM ů. Použití tohoto tzv. hloubkového vnitřního prokládání přináší větší odolnost proti impulznímu rušení. 8k OFDM 4k OFDM 4k OFDM - paměť 8k ového prokladače Obrázek 5 Princip hloubkového prokládání 4
Signalizace DVB-H v TPS Systém DVB-H stejně jako DVB-T využívá pro přenos informací o parametrech vysílání bity TPS, které umožňují přijímačům rychlé naladění, přičemž 68 bitů TPS se přenese v průběhu jednoho OFDM rámce. Nově jsou zde využity bity 48 a 49. Nastavení bitu 48 na 1 signalizuje, že alespoň jeden elementární tok je časově segmentován (tj. jedná se o DVB-H). Nastavení bitu 49 na 1 signalizuje, že alespoň jeden elementární tok využívá MPE-FEC. Vysílání v módu 4k a hloubkové prokládání je signalizováno pomocí dosud rezervovaných nevyužitých kombinací ve starých bitech (bity 38 a 39, resp. 27). Přítomnost identifikátoru buňky Cell Identificator v bitech 40 až 47 je na rozdíl od DVB-T již povinná. Standardizace DVB-H Systém DVB-H není definován jediným, samostatným dokumentem, nýbrž celou skupinou specifikací viz Obr. 6. Obrázek 6 Skupina specifikací DVB-H Tato skutečnost je dána předchozí existencí různých specifikací DVB, u nichž muselo nezbytně dojít k jisté modifikaci: Základním dokumentem je specifikace systému DVB-H, která byla vydaná jako nové evropská norma EN 302304. Specifikace fyzické vrstvy byla začleněna do standardu DVB-T (EN 300744), čímž došlo k vydání nové verze tohoto dokumentu obsahujícího přílohu s popisem doplňků fyz. vrstvy pro DVB-H. Popis časového segmentování a metody MPE-FEC byl začleněn do nové kapitoly specifikace DVB pro přenos dat (EN 301192), jejíž součástí je též vlastní definice MPE. Záležitosti týkající se signalizace v DVB-H byly zahrnuty do specifikaci služebních informací SI (EN 300468) Určité modifikace se též dotkli DVB- specifikace SFN Megaframe popisující synchronizaci v pozemských jednofrekvenčních sítích (TS 1011191). Specifikace systému DVB-H stanovuje povinné a volitelné prvky/vlastnosti. Časové segmentování je povinné u všech služeb DVB-H a stává se proto jejich charakteristickou vlastností. Specifikace systému je doplněna doporučením pro implementaci (DVB-H Implementation Guidelines) obsahujícím návody k použití a praktické implementaci standardu. Toto doporučení bylo vydané projektem DVB na podzim 2004 a nyní se očekavá jeho vydání v ETSI. Použitá literatura [ 1 ] Sdělovací technika 5/2005 Nový přenosový standard DVB-H (Ing. Zummar, Ing. Křišťál) [ 2 ] Ing. Dušan Líška Rádiové systémy - přednášky 2005 5