Č e s k é v y s o k é u č e n í t e c h n i c k é v P r a z e F a k u l t a e l e k t r o t e c h n i c k á K a t e d r a r a d i o e l e k t r o n i k y Standard mobilní televize DVB-H Referát - předmět 37MK Student: Petr Hrubý březen 2006-1 -
1. Úvod: 1.1 Co je DVB-H: Zkratka DVB-H doslovně znamená Digital Video Broadcasting Transmission System for Handheld Terminals. Jedná se o mezinárodní projekt systému, který umožní přenos multimediální informace (audio, video a dat) k přenosným kapesním terminálům, jako je mobilní telefon, kapesní počítač, display na palubě automobilu, atd. Jako prvořadý úkol je zajistit přenos televizního vysílání k uživateli vybavenému výše uvedeným mobilním přijímacím zařízením. Přední světové firmy se vývojem tohoto systému intenzivně zabývají, neboť jak dokládají průzkumy v několika zemích, je o mobilní televizi mezi populací značný zájem. Lidé chtějí sledovat pořady v automobilech a dopravních prostředcích, ale i v kavárnách a jiných veřejných místech. Poptávka po nabízených pořadech je žánrově velmi široká, tudíž se s masivním prodejem DVB-H terminálů dá očekávat, že vzniknou televizní stanice sloužící právě jen pro uvedené vysílání. Z průzkumu totiž vyplývá, že ve večerních hodinách je zájem o tuto službu minimální. 1.2 Zavedení systému do sítě: Digitální pozemní vysílání televizního signálu DVB-T je v současnosti masivně zaváděno a do několika let se předpokládá vypnutí stávajícího analogového přenosu televizního signálu. Nabízí se proto využít stávající síť také pro službu DVB-H. Celý systém musí být navržen s ohledem na skutečnost, že přijímač je přenosný. Je tudíž až na výjimky (automobil) bateriově napájený. Tudíž složitý proces demodulace signálu DVB-T je z energetického hlediska nepoužitelný. Handheld systém je proto koncipován jako doplněk digitálního terestriálního vysílání, s odpovídajícím protichybovým zabezpečením usnadňujícím příjem v nepříznivých podmínkách (uvnitř budov, za jízdy, ). Pro nerušený příjem signálu za pohybu přijímače je zajištění bezproblémového přechodu na jinou buňku vysílací sítě, tzv. handover. Základnové stanice tudíž musí být dokonale synchronizované. Jak uvidíme dále, vlastní přenos dat musí být s ohledem na handover vhodně navržen. 1.3 Návrh přenosové sítě: O struktuře sítě pokrytí DVB-H signálem bude pojednáno v kapitole 4. Ukazuje se totiž, že mobilní přijímač pro sledování televizního signálu bude většinou využíván zároveň pro mobilní telekomunikační službu GSM nebo UMTS. Odtud tedy vyplývá značný zájem o technologii DVB-H mezi světovými mobilními operátory. Kýžené masové rozšíření této služby ale způsobí operátorům problém s přenosovými možnostmi dosavadní sítě. Je totiž nasnadě zahlcení a zhroucení mobilní telekomunikační sítě, jestliže (a to zcela jistě) bude současně sledovat televizní přenos velké množství účastníků. Z toho důvodu raději poskytovatelé služeb spustí samostatnou síť věnovanou jednosměrnému TV vysílání na mobilní terminály. Je to vlastně analogie stávajícího analogového přenosu televize ze studia ke koncovému uživateli. 1.4 Výchozí požadavky systému: Systém DVB-H (evropská norma EN 302 304): - bude využívat jak přenosové kanály v TV pásmech (třetí, čtvrté a páté TV pásmo), ale budou zavedeny i kanály mimo TV pásmo. Šířka pásma přenosového kanálu se zmenší ze současných 8 MHz (analogová TV, DVB-T) na 5 MHz. Tato šířka plně pokryje omezenou rozlišovací schopnost terminálu. - 2 -
- bude kompatibilní se systémem DVB-T a bude využívat jeho zavedenou infrastrukturu. Je to doplnění terestriální digitální televizní sítě. - musí pracovat s ohledem na nízkou spotřebu na straně přijímače. - musí zajistit dobré geografické pokrytí signálem, přijatelnou kvalitu a spojitou reprodukci (nikoli přenos viz kapitola 3) video a audio informace. - bude podporovat značnou mobilitu přijímače. 2. Blok zdrojového kódování: 2.1 Schéma DVB-H systému: Koncepce vychází z obecného schématu DVB systémů. Ve vysílači musí být blok zdrojového kódování a blok kanálového kodéru. Obr. 2.1: Obecné schéma systému DVB Blok zdrojového kódování zpracovává digitalizovaný studiový signál. Při formátu vzorkování 4:2:2 a 10-bitové kvantizaci má signál bitový tok 270 Mbit/s. Je zřejmé, že takovou vysokou rychlost nelze přenášet běžnými prostředky radiového přenosu. Proto použijeme kompresi video signálu, audio signálu a doprovodných dat. Pro každý signál používáme jiný algoritmus komprese. Uvedené komprimované signály sloučíme multiplexerem do programového toku (cca 5Mbit/s Packet Elementary Stream). Pak v druhém multiplexu s dalšími TV programy získáme transportní paketový tok (pakety 188B). Ten zpracovává blok kanálového kódování, který k signálu přidá redundanci na ochranu dat proti chybám. Scrambler znáhodní data pseudonáhodnou posloupností, ochranný kodér přidá doplňující informace pro ochranu před chybami na přenosové trase (náhodné a skupinové chyby bitů). Nakonec takto upravený digitální signál modulujeme OFDM a vyšleme. Obr. 2.1: Blokové schéma systému DVB-H (převzato z [1]) - 3 -
2.2 Kompresní metody: Systém DVB-H využívá pro kompresi video signálu metodu MPEG-2, pro kompresi audio signálu pak systém MPEG-1 Layer 2. Za obrazový formát byl zvolen formát CIF s rozlišením 360 x 288 obrazových bodů. Princip kompresních metod lze nalézt např. v [4]. V budoucnu se předpokládá využití některé z pokročilých metod komprese, např. H.264/AVC pro video a AAC pro audio signál. 3. Kanálové kódování 3.1 Časové segmentování Jedná se o stěžejní prvek systému DVB-H, označovaný též jako time-slicing. Princip spočívá v uspořádání datového toku konkrétní služby (video, data, ) do časového multiplexu. Informace není vysílána souvisle, nýbrž po krátkých časových úsecích, tzv. burstech nebo datagramech. Vzhledem k uvedenému přenosu v jednotlivých dávkách lze tento integrovat do společného multiplexu s kontinuálním přenosem sítě DVB-T. Handheld terminál přijímá pouze bursty uživatelem vybrané služby (např. telefonní hovor, TV pořad), zatímco v době vysílání burstů ostatních služeb přejde do úsporného režimu. V každé přijaté datové dávce je informace o době, která ještě zbývá do začátku vysílání následujícího burstu přijímané služby. Obr. 3.1: Princip časového segmentování. Barevně jsou označeny bursty jednotlivých služeb a terminál přijímá např. oranžový burst služby 1 a ostatní ignoruje je v úsporném režimu (převzato z [1]). Doba trvání jednoho burstu je přibližně sto milisekund, doba mezi dávkami stejné služby (např. oranžové služby 1 viz obr. 3.1) je několik sekund. Na uvedeném poměru časových intervalů aktivního příjmu DVB-H přijímače (zde 100 ms) a době úsporného režimu (~1 s) závisí úspora příkonu z baterií. V praxi dosáhneme až 95% času, kdy je přijímač bez napájení. Time-slicing nabízí i další výhodu, a sice zajištění spojitého handoveru, který byl citován v kapitole 1.2. V době, kdy nejsou přijímána data vybrané služby, může přijímač vyhledávat základnové vysílače v sousedních buňkách. Při přemístění uživatele s terminálem do sousední buňky je přijímač snadno přeladěn a pokračuje v reprodukci bez ztráty dat. 3.2 Protichybové zabezpečení MPE-FEC: Transport dat systému DVB-H využívá metodu MPE (Multi Protocol Encapsulating). Její součástí je přenos služeb, založený na protokolu IP. Jak bude řečeno dále (kapitola 4.3), je toto propojení systému DVB-H s IP sítí velmi výhodné. Přidáním dalšího stupě protichybového kódování FEC (Forvard Error Correction) přináší zvýšení potřebného odstupu užitečného signálu od šumu, a to až o 6dB. MPE-FEC - 4 -
využívá speciální maticovou strukturu (obr. 3.2) nazývanou MPE-FEC rámec o 255 sloupcích a maximálně 1024 řádcích. Každá buňka tohoto rámce odpovídá velikosti 1 Bytu a tedy maximální velikost celého rámce je 1024. 255 = 255 kbyte = 2Mbit. Obr. 3.2: Struktura MPE-FEC rámce (převzato z [1]) Levá část rámce (IP sekce) o 191 sloupcích obsahuje vlastní IP datagramy vybrané přijímané služby. Pravá část 64 sloupců nazvaná RS Data Table je vyplněna paritními byty Reed-Solomonova kódu RS (255,191), které jsou vypočítány ke každému řádku rámce. Je tedy ke každému řádku přidáno 64 bytů ochranného RS kódu, lze tak v přijatém datagramu (burstu) opravit na řádku rámce až 32 chybných bytů z celkových 191 bytů. Jak bylo uvedeno, obsah jednoho rámce je přenesen v jednom burstu v přenosovém kanálu. Zápis do a čtení z rámce probíhají ve svislém směru, kódování se děje horizontálně po řádcích. Vzniká tak navíc prokládání dat vhodné pro ochranu před výskytem skupinové chyby. 3.3 Použitá modulace signálu: Jako v systému DVB-T tak i zde v mobilním příjmu se používá OFDM modulace s mnoha nosnými. Ale systém DVB-H umožňuje navíc kromě standardních módů 2k a 8k ještě také mód 4k. Obecně mód 8k připouští 4-krát větší vzdálenost vysílačů díky čtyřnásobné délce ochranného intervalu. Naopak mód 2k připouští 4-krát větší rychlost přenosu a 4-krát větší odstup jednotlivých nosných OFDB modulace, což zajistí větší odolnost proti Dopplerovu posuvu pozic nosných frekvencí. Mód 4k je tudíž jakýsi kompromis mezi oběma módy z hlediska vzdálenosti vysílačů v síti, tak i rychlosti přenosu a odstupu jednotlivých nosných kmitočtů. 3.4 Hloubkové prokládání: Obecně se v systému DVB v bloku kanálového kodéru mimo jiné operace provádí vnitřní prokládání, které je na bitové i symbolové úrovni. Počet mezi sebou prokládaných symbolů (u QPSK 2bity, u 64QAM 6 bitů) závisí na zvoleném FFT-režimu, protože právě FFT princip namapuje tyto symboly na jednotlivé nosné OFDM modulace. Při módu 2k je tedy mezi sebou prokládáno 1512 symbolů, v módu 4k 3024 symbolů a v módu 8k je to 6048 symbolů. Každý terminál podporuje všechny uvedené módy. Lze tak využít velké paměti symbolového prokladače 8k i pro zbývající módy, tedy 6048 symbolů není mapováno do jednoho 8k OFDM symbolu, ale do čtyř 2k OFDM symbolů, resp. dvou 4k OFDM symbolů po sobě následujících. Uvedený princip hloubkového prokládání na úrovni modulace přináší větší odolnost proti impulsnímu rušení v přenosové trase. - 5 -
Obr. 3.3: Princip hloubkového prokládání (převzato z [1]) 4. Technické specifikace přenosu: 4.1 Bitový tok přenosu: V kapitole 2.2 byl zmíněn obrazový formát CIF s rozlišením 360 x 288 obrazových bodů. Datový tok pro televizní službu tak vyžaduje kapacitu přenosu 384 kbit/s. Snímková rychlost byla zvolena 24 30 snímků za sekundu. Jelikož zavedené přenosová síť systému DVB-H umožňuje podle [2] celkovou kapacitu 5 11 Mbit/s, je možno vysílací kanál rozdělit na 40 80 podkanálů pro paralelní vysílání rychlostí 100 250 kbit/s v každém subpásmu. 4.2 Síť pokrytí signálem DVB-H: Fyzická vrstva systému je založená na DVB-T a může tak využívat jeho infrastrukturu. Jako výhodnější se ovšem jeví zavedení nové vysílací sítě DVB-H. Je to jednosměrná síť od vysílače k uživateli a pro kvalitní pokrytí by měla hustota vysílačů odpovídat jejich výkonu a požadované kvalitě příjmu. Konkrétní údaje však dosud nebyly zveřejněny. Frekvenční pásmo vysílání není rovněž pevně stanoveno, pro testovací provoz handheld terminálů bylo zatím vyčleněno pásmo 1670 MHz až 1675 MHz a také pásmo v okolí kmitočtu 1460 MHz. V Evropě se uvažuje v souvislosti se spouštěním DVB-T využití televizních pásem (III., IV. a V. televizní pásmo). Zatím bylo uvedeno pásmo 470 650 MHz. 4.3 Zavedení internetu do DVB-H systému: Tato myšlenka je zatím ve stádiu úvah, neboť by se musela změnit jedna z koncepčních vlastností systému, a sice jednosměrná síť. Pro internet by musel existovat zpětný kanál od uživatele k poskytovateli připojení. Do datového toku by se rovněž musela integrovat další obslužná data. Jedná se o specifikaci DVB IPDC (IP datacast Internet Protocol DataCast), která by umožňovala přenášet video, audio a webový obsah, čímž by se vytvořila skutečná multimediální platforma. S tím souvisí i zamýšlené začlenění normy DVB-H do kompresního systému MPEG-4, část 10. - 6 -
5. Závěr, zavedení DVB-H do praxe: Samozřejmě že projekt DVB-H není jediný pro zajištění mobilního televizního příjmu. Některé hlavně mimoevropské země vyvíjejí vlastní systém. V Americe firma Qualcomm začíná prosazovat svůj projekt MediaFLO, který má být údajně lepší než evropské DVB-H má nabízet lepší kvalitu obrazu za nižší provozní náklady. Zároveň údajně systém vystačí s méně vysílači na pokrytí stejného území. Další technologií je WiMAX (IEEE 802.16e), jejíž specifikace je před dokončením. Má v základu nabízet přístup k internetu (tedy zavádí obousměrný kanál vysílač uživatel) a nejrůznější datové a video služby. V Asii již pracuje systém DMB (Digital Multimedia Broadcasting). Tento systém vychází ze standardu DAB (Digital Audio Broadcasting) pro přenos zvuku, na rozdíl od DVB-H, které vychází ze standardu pro přenos videa. Mobilní operátoři v Evropě připravují spuštění sítě UMTS, jejíž součástí bude právě streamingový přenos video signálu přes klasickou datovou síť. Proti tomuto systému hovoří nižší kvalita přehrávaného pořadu a také častější možnost zahlcení mobilní sítě, na rozdíl od samostatné sítě DVB-H. Obr. 5.1: Příklady DMB mobilních terminálů (převzato z [3]) 6. Použitá literatura: [1]: Sdělovací technika, číslo 5 / 2005, str. 3 5 [2]: http://www.dsl.cz - články Mobilní TV (1 4) [3]: http://www.mobilmania.cz - článek DVB-H pustíme si televizi v mobilu [4]: Přednáška Systém DVB-T předmět 37TE, Prof. Ing. M. Klíma, CSc; katedra radioelektroniky ČVUT FEL, r. 2005 7. Seznam příloh: Příloha 1: Tabulka 1: Parametry OFDM pro DVB-H (kanál 8MHz) (převzato z [1]) Tabulka 2: Informace v TPS (převzato z [1]) - 7 -
Příloha 1: - 8 -