CC BY
125
К вопросу об оптимизации сетей телевизионного вещания стандарта DVB-T/T2
Статья посвящена оптимизации сетей цифрового телевидения DVB-T/T2. Предлагается постановка задачи оптимизации, производится выбор и обоснование существенных для решения задачи оптимизации параметров сети. Приводится описание механизма синхронизации приемника OFDM в одночастотных сетях, а так же влияние задержки на Кптевые слова-. ОРШ, цифровое качественные характеристики сигнала в точке приема. Обсуждаются некоторые
телевидение, DVB-T2, одночасготые сящ существующие подходы отечественных и зарубежных авторов к решению зад ачи оптимизации
оптимизация, оюю Шф, ^таэ^ои4^ сетей цифрового телевидения. Предлагаются возможные уточнения эвристических алгоритмов
алгоришы- для их использования в выборе параметров одночастотной сети.
Школьный С.И., аспирант кафедры ЭиСС ДВФУ, nimagt@gmail.com
Введение
Год назад завершился первый этап строительства сети цифрового телевидения стандарта ОУВ-Т в большинстве регионов Российской Федерации и это событие по важности своей, безусловно, может быть поставлено в один ряд с первым выходом в эфир телевизионной передачи либо с началом цветного телевещания на территории нашей сграны. Однако время не стоит на месте и новый цифровой стандарт 1)УВ-Т2 готовится заменить собой еще не устаревший стандарт ОУВ-Т. Новый стандарт отличается более высокой спектральной эффективностью, а также обеспечивает расширение зоны покрытия за счет использования более совершенных методик коррекции ошибок и борьбы с помехами. Таким образом, при переходе к новому стандарту, с учетом требования максимального использования топологии существующих сетей, возникает актуальная необходимость проведения работ по их оптимизации.
К настоящему времени Европейским вещательным союзом были разработаны общие рекомендации по планированию сетей ОУВ-Т2[1], которые, однако, не содержат алгоритма выбора оптимальных значений ряда существенных параметров вещательной сети. С учетом этого, а так же небольшого количества теоритических и практических исследований по данной проблеме, мы можем утверждать, что проблема оптимизации сетей ОУВ-Т2 требует дальнейшего исследования.
В статье обсуждаются некоторые существующие подходы к решению задачи оптимизации сетей цифрового телевидения и предлагаются возможные уточнения эвристических алгоритмов для их использования в выборе параметров одночастотной сети ОУВ-Т2.
Постановка задачи оптимизации сети ЭУВ-Т2
Целью оптимизации вещательной сети является увеличение размеров зоны обслуживания и повышения качества приема внутри зоны, а так же снижение эксплуатационных расходов. Задача оптимизации сети имеет место при модернизации существующей сети и не включает в себя проектирование и строительство новых точек вещания. Таким образом, под задачей оптимизации мы понимаем повышение эффективности сети без существенных капитальных затрат.
Задача оптимизации вещательной сети имеет смысл в большей степени для одночастотных сетей (8Р>1). Многочастные сети лишены многочисленных проблем, связанных с синхронизацией передатчиков. В большинстве случае оптимизация многочастных сетей сводится к расчету зоны об-
служивания для нескольких вариантов размещения передатчика и выбора наилучшего. Проектирования одночастной сети представляет собой сложную, комплексную задачу. В этом случае засветка проблемных зон не может быть решена простым увеличение мощности передатчика либо увеличением высоты подвеса антенн, так как в этом случае увеличивается перекрытие зон обслуживания соседних передатчиков и снижаются качественные характеристики сигнала в этих зонах. Однако, не смотря на сложность проектирования и оптимизации одночастотных сетей, высокая спектральная эффективность позволяет не сомневаться в перспективности данной технологии.
Инструментом оптимизации является подбор ряда параметров передатчиков и сигнала DVB-T2, в том числе: мощности сигнала, ориентации и высоты подвеса антенн, временной задержки. В общем случае выбор параметров кодирования и модуляции не входит в задачу оптимизации. Эти параметры определяются при проектировании сети в зависимости от топологии сети, передаваемого контента и свойств подстилающей поверхности.
Изменение мощности сигнала является наиболее очевидным способом изменения размеров зоны обслуживания. Однако повышение мощности ограничено административно, а в случае SFN приводит к увеличению перекрытия зон обслуживания соседних передатчиков и деградации сигнала. Более эффективным инструментом оптимизации может быть перераспределение мощности между отдельными панелями антенн.
В случае использования направленных антенн, либо антенн с диаграммой направленности, отличной от круговой, оптимизация может достигаться за счет изменения азимутального направления и угла наклона антенн.
В одночастных сетях качество приема и размер зоны обслуживания зависит от временной задержки, которая устанавливается для каждого передатчика, входящего в синхронную зону [1]. Для понимания данного парамегра необходимо рассмотреть особенности OFDM модуляции, которые позволяют бороться с многолучевым распространением и организовывать одночастотные сети [2]. Это достигается путем введения защитного интервала — циклического префикса - повторно передаваемого фрагмента конца предыдущего символа. При этом окно БПФ (FFT, быстрое преобразование Фурье), то есть период времени, в течение которого осуществляется демодуляция OFDM-сигнала, располагается таким образом, чтобы добиться минимизации меж-символьной интерференции.
На рис. 1 представлены три последовательных символа, обозначенные п-1, п, п+1 и положение окна БПФ приемника.
В этом примере не используется защитный интервал и длительность окна БПФ равна длительности символа.
Окно БПФ
-ЗІ
Символ N-1
х\\\чч^\чч
Символ N+1
Рис. I. Символ OFDM и окно БПФ
В том случае, когда на приемник поступает несколько полезных сигналов, как от передатчиков SFN, так и отраженных от объектов окружающей среды, картина становится более сложной. Как правило, сигналы поступают на приемник с разной временной задержкой, что, при отсутствии защитного интервала, делает невозможным корректную синхронизацию всех сигналов. Пример такой ситуации с двумя сигналами изображен на рис. 2. Синхронизация с символом п сигнала 1 приводит к попаданию в окно БПФ предыдущего символа п-1 сигнала 2. Поскольку символы пип-1 содержат различную информацию, такое перекрытие приводит к межсимвольной интерференции (ISI) при приеме символа п.
Сигнал 1
Символ N-1
Сигнал 2
Окно БПФ
Символ N+1
Символ
Jii . ... . . .|1
Символ N+1
Сигнал 1
Окно БПФ
Символ N-1
Сигнал 2
Символ N-1
Символ N+1
Ч\хч\\\хччж\чкі
Символ N-«-1
ных. Отраженные сигналы обычно значительно отличаются как по фазе, так и по амплитуде. В многочастотных сетях, где каждый передатчик работает на собственной частоте, на приемник может поступать один прямой и большое количество отраженных сигналов. Прямой сигнал не обязательно будет самым сильным, особенно в случае портативного или мобильного приема. С другой стороны, есть также случаи, когда на приемник поступает только прямой сигнал. В SFN все передатчики в сети используют один частотный канал. В этом случае на приемник поступает несколько прямых и большое количество отраженных сигналов. Все сигналы с большим временем задержки, которые не могут быть поглощены защитным интервалом, вызывают деградацию принимаемого сигнала, как показано на рис. 2. Согласно [1], вклад этих сигналов может быть полностью или частично полезным, либо мешающим. Для оценки влияния каждого эхосигнала может быть использована формула (1).
Т-1
(1)
Рис. 2. Межсимвольная интерференция
Для борьбы с межсимвольной интерференцией в DVB-T и DVB-T2 используется защитный интервал - копия окончания сигнала, которая размещается впереди символа, увеличивая его продолжительность. Полученный увеличенный символьный интервал обозначается Ts, а первоначальный
символьный интервал обычно называется полезным символьным интервалом т, ■ Размер окна БПФ, в течение которого происходит демодуляция символа, сохраняет первоначальное значение т, ■ Ортогональность сохраняется только в
оригинальном символьном интервале 7J,, но не в увеличенном тх- На рис. 4 проиллюстрировано, как увеличение
длинны символа OFDM позволяет избежать межсимвольной интерференции.
I, 0 <!йТ
T..+T-I ,
— 1. T'<t*Tp
О, в других случаях
где т - полезная длина символа, т — длинна защитного
" X
интервала и т — интервал, в течение которого принимаемые
сигналы вносят полезный вклад, I - относительная задержка. Обычно принимается Тр = 1Ти /24 [2].
Если одночастотная состоит из А = {1, А'} передатчи-
ков и есть М передатчиков других сетей, работающих на той же частоте В = {1, М), соотношение несущая-шум (С/Г)
может быть описана в терминах предыдущей функции (1), как представлено в (2),
С 2.,,,
(2)
Рис. 3. Использование защитного интервала
На практике на приемную антенну поступает множество сигналов как прямых, от передатчиков 8БМ, так и отражен-
где Рп - мощность, принимаемая от n-го передатчика, (оп — значение весовой функции, 8п — величина задержки сигнала п-го передатчика по отношению к синхроимпульсу £0, М> - уровень фонового шума.
Кроме того, принимаемый сигнал может быть полезным или мешающим в зависимости от стратегии синхронизации, выбранной для позиционирования окна БПФ в приемнике. Синхронизация приемника OFDM осуществляется в два этапа:
- первичная синхронизация, когда приемник настраивается на символьную скорость
— вторичная синхронизации, когда приемник позиционирует окно БПФ для демодуляции сигналов.
В реальных условиях многолучевого распространения на приемник поступает множество сигналов, что усложняет вторичную синхронизацию, то есть нахождение лучшей позиции окна БПФ. К сожалению, информация о стратегии синхронизации, используемой в приемниках, является закрытой и не раскрывается производителями. 1 фактические исследования показали, что наиболее часто производителями используется стратегия, называемая «первый сигнал вы-
У
ше порогового уровня» [2]. В этой стратегии позиционирование окна БПФ осуществляется относительно первого принятого сигнала. При этом, как правило, устанавливается минимальный пороговый уровень, при превышении которого происходит синхронизация. Импульсная характеристика, соответствующая этой стратегии, представлена на рис. 4, пороговый уровень обозначен пунктирной линией.
Пороговый уровень
Рис. 4. Стратегия синхронизации «первый сигнал выше порогового уровня»: импульсная характеристика
В данном примере сигнал 2 — первый сигнал выше порогового уровня. Он служит здесь в качестве триггера для начала синхронизации БПФ окна. Если порог выбран правильно, то можно ожидать, что до сигнала не будет других достаточно мощных сигналов и, следовательно, логично привязать окно БПФ к концу сигнала 2 (рис. 5). При этой стратегии синхронизации сигналы 2 и 3 будут полностью полезными.
{ Символ* 1:|
Сигнал 3
N-1
11-" о—™:
N+1
Рис. 5. Стратегия синхронизации «первый сигнал выше
порогового уровня»: позиционирования окна БПФ
Для каждого передатчика, входящего в синхронную зону может быть установлена временная задержка. Задержка выбирается таким образом, чтобы максимизировать полезный вклад от каждого передатчика одночастотной зоны в каждой точке приема. При правильном подборе величины временной задержки можно добиться существенного увеличения размеров зоны обслуживания и качества сигнала внутри зоны. Однако при этом необходимо учитывать то, что реальная задержка складывается из постоянной временной задержки передатчика и времени пути сигнала до точки приема. Естественно, что для каждой точки зоны обслуживания второе слагаемое будет отличаться.
Подходы к решению задачи оптимизации сети ОУВ-Т2
В настоящее время можно выделить два подхода к решению задачи оптимизации сетей цифрового телевиденья. В России в большинстве случаев применяется подход, описан-
ный в работах Носова В.И. и др. [3-5]. Необходимо отметить, что работы этих авторов в большей степени касаются оптимального проектирования новых сетей, а не оптимизации существующих.
Для оценки оптимальности предполагаемого решения Носова В.И. и др. вводят два критерия оптимальности. В качестве первого критерия оптимизации, связанного с высотой подвеса передающей антенны и излучаемой мощностью станции, предлагается коэффициент удельных капитальных затрат, зависящий от капитальных затрат на антенную башню К(И|), на передатчик К(Рпи от площади зоны покрытия, определяемой радиусом зоны обслуживания /?
КМ + К(Р„)
-5..................КО
тт.
(3)
При этом оптимальным значением высоты подвеса антенны будет такое её значение, при котором обеспечивается минимум удельных капитальных затрат.
В качестве второго критерия оптимизации, связанного с площадью зоны вещания станции предлагается коэффициент использования станции, определяемый отношением площади зоны вещания станции к максимальной площади зоны обслуживания
V ». / \ ? 111иХ .
^«ахсКрЛ)
(4)
> 151
где — максимально возможная зона обслуживания,
радиус которой равен дальности прямой видимости для гладкой сферической земной поверхности, а 5 - площадь
расчетной зоны обслуживания с учётом реального рельефа. Мощность передатчика Носов В.И. и др. рекомендуют выбирать таким образом, чтобы обеспечить минимально допустимый уровень сигнала на границе зоны £ . Для рас-
чета зоны обслуживания производится расчет напряженности поля в 720 радиальных направлениях от передающей станции.
В случае многочастотной сети, оптимизация сводится к расчету зоны обслуживания для нескольких точек вещания и выбору наилучшей позиции исходя из критериев (3) и (4). Подбор оптимальных значений высоты подвеса антенны и мощности передатчика при этом не возможны, так как мощность передатчика определяется исходя из высоты подвеса антенны. Автором утверждается: исходя из критерия (3), оптимальная высота антенны будет составлять 80 метров для всех случаев.
В случае одночастотной сети, предлагаемая Носовым В.И. и др. методика позволяет решить задачу оптимизации высот подвеса антенны, излучаемой мощности и местоположения группы планируемых станций в сети цифрового ТВ вещания с учетом рельефа местности. Задача оптимизации одночастотной сети сводится к нахождению минимума целевой функции:
. . Кг(РуА) .
Р(РТЛ) =— -—Ц->шт,
VI’'1/ с р I. р \
£ V I’ 1 м,ш /
(5)
где /Сч - суммарные затраты на планируемую сеть
и М передатчиков сети 5,; 51(/>1,Л,,£'НН1|) = 5терр - площадь, обслуживаемая сетью & и N передатчиками сети 5|.
Задача определения необходимых высот подвеса антенн, мощностей передатчиков и местоположения станций решается путем многопараметрической оптимизации целевой функции
(6)
При проведении такой многопараметрической оптимизации предлагается использовать градиентный метод.
Подход, описанный в работах Носова В.И. и др., позволяет рассчитывать оптимальные параметры для многочастотных сетей с регулярной структурой. Однако он не учитывает некоторые особенности одночастотных сетей, в том числе проблему синхронизации и влияние длинны защитного интервала на максимальный размер одночастотной зоны. Реальные сети в большинстве случаев имеют нерегулярную структуру, что приводит к появлению локальных минимумов целевой функции. В этом случае использование градиентного метода приведет к сваливанию в локальный экстремум и невозможности нахождения оптимальных параметров сети. Таким образом, применение данного подхода для оптимизации реальных одночастотных сетей DVB-T2 не позволит достичь оптимальных, либо близких к ним, параметров вещания.
Другой подход представлен в [6], где предлагается использовать эвристические алгоритмы для того, чтобы определить оптимальные значения нескольких выбранных пользователем параметров одночастотной сети. Этот подход получил дальнейшее развитие в работах испанских исследователей М. Lanza, I. Barriuso, J. R. Perez и др. [7, 8]. Необходимо отметить, что в данном подходе, в отличие от предыдущего, предлагаемые решения оцениваются только с точки зрения достигнутых размеров зоны обслуживания. Для оценки полученного решения используется фитнесс-функция (7). Фитнесс-функция оценивает долю обслуживаемой территории, при этом расчётные характеристики сигнала в каждой точки исследуемой области сравниваются с заданными пользователем значениями г и г/ N (8).
v nun ^ 1 ntlta ' '
II, (C>C,„)&(—>— ) Cov. =•! nJ
(7)
(8)
0, otherwise
ной функции в нелинейном, многомерном и мультимодальном пространстве решений и их легко реализовать. Результаты исследования показывают, что 8А и РБО, позволяют повысить эффективность применительно к оптимизации таких параметров, как статическая задержка, или усиление и/или ориентация секторных антенн. В результате оптимизации было достигнуто увеличение зоны обслуживания на 17,5%. Такое повышения эффективности работы сети является существенным и позволяет говорить о высокой практической ценности рассматриваемой методики.
Рассматриваемая методика может быть улучшена за счет учета наличия застройки в расчетной точке. В отличие от густонаселенной Европы, для России характерны очаговые формы расселения и отсутствие дифференциации точек приема приведет затрате существенных усилий на засветку обширных необжитых пространств. Для решения данной проблемы можно ввести весовые коэффициенты для каждой точки исследуемой области. В простейшем случае можно выделить три типа точек с различными весами: с наличие застройки, с отсутствие застрой, и принципиально не заселяемые (поверхности водоемов, горы и т.д.). В этом случае функция(8) примет вид(9)
Cov =
a, (C>C„J&(£>£ )
N N mi,I
0, otherwise
(9)
где а - весовой коэффициент, характеризующий тип подстилающей поверхности:
1, застройка
0,5, незаселенные территории
0,1, водная поверхность
(10)
Возможность применения данного подхода для оптимизации реальных одночастотных сетей показана на примере сети ОУВ-Т, обслуживающей регион Кантабрия, находящийся на севере Испании [7, 8]. В исследовании применялись эвристические алгоритмы имитации отжига (БА) и роя частиц (Р80), широко применяющиеся для решения реальных задач [9]. Основным отличием между ними является то, что метод ЯА развивается из одного решения без сохранения прошлой и текущей информации о процессе, в то время как алгоритм Р80 имеет индивидуальную и коллективную память и использует начальную популяцию. Тем не менее, оба они позволяют получить квази-оптимальные решения дан-
Для автоматизированного определения весового коэффициента могут быть использованы общедоступные электронные карты.
Кроме того, с нашей точки зрения, перспективным является применение гибридных алгоритмов для определения оптимальных значений параметров вешания сети. Такие алгоритмы обеспечивают высокое качество решений, не требуя при этом больших вычислительных ресурсов [10].
Выводы
Задача оптимизации сетей цифрового телевидения ОУВ-Т/Т2 имеет высокую актуальность в свете предстоящего перехода на стандарт второго поколения. Целью оптимизации вещательной сети является повышение размеров зоны обслуживания и качества приема без капитальных затрат. Инструментом оптимизации является подбор ряда параметров, в том числе мощностей передатчиков, азимутального направления и наклона направленных передающих антенн, временной задержки сигнала передатчиков синхронной сети. Критерием оптимальности, в общем случае, является достигнутый размер зоны обслуживания сети. Для оценки этого критерия должна быть введена функция оптимальности, или фитнесс функция. Эта функция осуществляет связь физической проблемы и математического аппарата эвристических алгоритмов, которые предлагается использовать для нахождения оптимальных значений параметров работы сети. По
нашему мнению, эффективным инструментом поиска оптимальных параметров могут служить гибридные алгоритмы. В целом проблема оптимизации сетей DVB-T/T2 в настоящее время является не достаточно изученной и требует дальнейших исследований.
Литература
1. EBU, “Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2", Status: Report, Geneva, 2011 - 89 p.
2. R. Brugger, and D. Hemingway, “OFDM receivers - impact on coverage of inter-symbol interference and FFT window positioning,”/ EBU Tech. Review, pp. 1-12, 2003.
3. Носов В.И. Оптимизация параметров сетей телевизионного и звукового вещания: Монография. - Новосибирск: СибГУТИ, 2005.-257 с.
4. Бактеев В.В. Оптимизация параметров радоителевизион-ных передающих станции на основе геоинформационной системы/ Российская НТК «Информатика и проблемы телекоммуникаций». -Новосибирск, 2011. - С .472-473.
5. Носов В.И., Бактеев В.Н., Штанюк Л.А. Оптимизация местоположения радиотелевизионных передающих станций / Вестник СибГУТИ. 2009.-№ 4.-С. 11-16.
6. Guide on SFN Frequency Planning and Network Implementation with regard to T-DAB and DVB-Т/ BPN 066, Issue 1.0, July 2005.
7. M. Lanza, A.L. Gutierrez, 1. Barriuso, M. Domingo, J.R. Perez, L. Valle, and J. Basterreehea, "Optimization of Single Frequency Networks for DVB-T Services Using SA and PSO" European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2011), pp. 702-706, April 2011.
8. Anedda, М., Morgade, J., Murroni, М., Angueira, P., Arrinda, A., Perez, J.R., Basterreehea, J., "Heuristic optimization of DVB-T/H SFN coverage using PSO and SA algorithms", Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), 2011 IEEE International Symposium on. Pp. I -5.
9. Dreo J. Metaheuristics for hard optimization. Methods and case studies / J. Dreo, A. Petrowski, P. Siarry, E.Taillard - Berlin: Springer, 2006. 369 p.
10. Лавыгина A.B. Алгоритмы и программные средства идентификации нечетких моделей на основе гибридных методов / Диссертация кандидата технических наук, 2010. - 179 с.
Optimization of DVB-T/T2 Networks
Shkolniy S.I., postgraduate student, FESU
Abstract
Article focuses on optimization of DVB-T/T2 networks. Optimization problem is formulated, SFN network parameters are selected and substantiate according to their importance for solving optimization problem. General overview of the possible strategies for FFT window synchronization in OFDM receivers, as well as delay influence on signal quality is given. Several existing approaches of national and international authors are compared solving digital TV networks optimizing problem. Several tools are proposed to improve the heuristic algorithms to be used in selecting the parameters of a single frequency network.
References
1. EBU, "Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2", Status: Report, Geneva, 2011. 89 p.
2. R. Brugger, and D. Hemingway, "OFDM receivers - impact on coverage of inter-symbol interference and FFT window position-ing," / EBU Tech. Review, Pp. 1-12, 2003.
3. V I. Nosov. Optimization of the parameters of network television and audio broadcasting: Monograph. Novosibirsk: SibSUTI, 2005. 257 p.
4. V V Bakteev Optimization parameters radoitelevizion transmitting station based on GIS / Russian STC "Computer science and telecommunications problems." Novosibirsk, 2011. Pp .472-473.
5. V I. Nosov, V N. Bakteev, L. A Shtaniuk. Optimizing the location of radio and television broadcasting stations / West nickname SibSUTI 2009. № 4. Pp. 11-16.
6. Guide on SFN Frequency Planning and Network Implementa-tion with regard to T-DAB and DVB-T / BPN 066, Issue 1.0, July 2005.
7. M. Lanza, A.L. Gutierrez, I. Barriuso, M. Domingo, J.R. Perez, L. Valle, and J. Basterreehea, "Optimization of Single Frequency Networks for DVB-T Services Using SA and PSO" European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2011). Pp. 702-706, April 2011.
8. Anedda, M, Morgade, J., Murroni, M., Angueira, P., Arrinda, A., Perez, JR, Basterreehea, J., "Heuristic optimization of DVB-T / H SFN coverage using PSO and SA algorithms", Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), 2011 IEEE Interna-tional Symposium on. Pp. 1-5.
9. Dreo J. Metaheuristics for hard optimization. Methods and case studies / J. Dreo, A. Petrowski, P. Siarry, E.Taillard — Berlin: Springer, 2006. 369 p.
10. A. V Lavygina. Algorithms and software for the identification of fuzzy models based on hybrid methods / Dissertation of the candidate of technical sciences, 2010. 179 p.
