CC BY
63
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА SFN DVB-T
ГОРОДА ВЛАДИВОСТОКА
Ломакин Александр Федорович,
доцент, к.г.н., Дальневосточный Федеральный университет, кафедра электроники и средств связи, Владивосток, Россия, [email protected]
Стеценко Георгий Алексеевич,
аспирант кафедры, Дальневосточный Федеральный университет, кафедра электроники и средств связи, Владивосток, Россия, [email protected]
Ключевые слова: цифровое эфирное телевещание, SFN DVB-T, измерения напряженности электромагнитного поля, качество сигнала в зоне обслуживания.
В г. Владивостоке и прилегающих районах, в условиях сложного рельефа, введена в эксплуатацию одночастотная сеть телевещания SFN DVB-T, в настоящее время осуществляется ее перевод на новый стандарт DVB-T2, поэтому обсуждение вопросов технологии измерений параметров сети актуально. Представлены результаты предварительной оценки качества сети на основе анализа данных измерений величины уровня сигнала DVB-T на входе абонентского устройства, ошибок по битам (BER) и модуляции (MER) в заданных контрольных точках зоны обслуживания SFN.
Первоначально, с использованием модели Лонгли-Райса был произведен расчет зоны покрытия SFN DVB-T г. Владивостока для условий фиксированного приема и существующих параметров сети (кратность модуляции, прямая коррекции ошибок, величина защитного отношения, высоты подвеса передающих антенн). Анализ результатов модельных расчетов подтвердил, что расчетная SFN отвечает заявленным в проекте РТРС параметрам (около 90% покрытия территории), однако в пределах городской застройки выявляются участки с уровнем сигнала ниже требуемого. Эти выделенные по модельным расчетам проблемные участки SFN и приняты в качестве основных областей, в которых в дальнейшем проводились измерения. Полевые измерения напряженности поля DVB-T проводились в соответствии с рекомендациями методики НИИР, использовалось измерительное оборудование Rohde&Schwarz. Результаты обработки данных полевых измерений подтверждают результаты модельных расчетов и показывают, что для сильно пересеченной местности г. Владивостока характерны значительные пространственные вариации напряженности поля DVB-T. Установлено, что даже при высоких мощностях основного и дополнительных передатчиков SFN, внутри зоны покрытия существует несколько участков тени, обусловленных дифракционными потерями, вызванными сложным рельефом города. Расчеты показали -видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преобладанием последнего. В целом, экспериментальные исследования подтверждают тот факт, что использование одночастотных синхронных передатчиков в г. Владивостоке стало эффективным способом обеспечения покрытия наземным телевизионным вещанием в условиях сложного рельефа и плотной городской застройки. Однако, при внедрении цифрового телевизионного вещания нового поколения необходимо заложить запас на эффекты влияния отраженных сигналов, многолучевого распространения и т.п., который может быть реализован применением достаточно длительного защитного интервала.
Для цитирования:
Ломакин А.Ф., Стеценко Г.А. Предварительная оценка качества SFN DVB-T города Владивостока // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №3. - С. 15-20.
For citation:
Lomakin A.F., Stetsenko G.A. A preliminary assessment of the quality SFN DVB-T of Vladivostok. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.3, рр. 15-20. (in Russian)
Развертывание сети цифрового эфирного телевещания в городе Владивостоке осуществлялось при условии обеспечения полного покрытия зоны обслуживания с заданными показателями качества {95% но времени и 95% но местности) для допустимого значения уровня помехи на телевизионные приемники при фиксированном приеме []]. Для достижения этих показателей в условиях сложного рельефа города и вызванного этим наличия переотраженных сигналов спланирована и запущена в эксплуатацию одночастотная сеть телевещания (SFN). В настоящее время осуществляется ее перевод на новый стандарт вещания DVB-T2, в связи с чем, вопросы оценки качества вещания SFN DVB-T весьма актуальны и представляют практический интерес.
Полевые измерения напряженности поля DVB-T проводились по инициативе кафедры ЭиСС ДВФУ и в соответствии с рекомендациями методики ПИИР для определения зоны обслуживания передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T, касающихся только технологии измерений [2]. Задача определения границ зоны обслуживания и принадлежности точки измерений к ней не ставилась, В соответствии с требованиями методики было подобрано и использовалось следующее измерительное оборудование: калиброванная направленная измерительная антенна НЕ-200 с фидером, спектроанализаторы R&S ESMB и R&S ETL. тестовый приемник (для сигналов стандарта DVB-T) R&S EFA40, программный комплекс для обработки результатов измерений АРГУС R&S, GPS приемник. Спектро-анализатор R&S ETL любезно предоставлен Приморским КРТПЦ, остальная часть оборудования - ЗАО «Информационные транковые системы», г. Владивосток. Схема коммутации измерительного оборудования представлена на рис. 1.
V
Ненаправленная
GPS-приемник
jK^j Направленная
Х- :
измерительная антенна H Е-200
Е5МВ К&Я АРГУС ЕРА. ЕТЬ Я&5
Рис. 1. Схема коммутации измерительного оборудования
Известно, что из-за влияния помех и неоднородностей среды распространения радиоволн, параметры сигнала ОУВ-Т в зоне покрытия в нестабильны и подчиняются статистическим законам, в связи с чем, все расчеты и планирование ТВ-сетей осуществляются на основе усредненных за оговоренный период величин. Самым удобным и быстрым является способ определения медианных значений параметров, например, напряженности поля сигнала.
Методика измерений заключалась в следующем: в каждой контрольной точке зоны обслуживания на открытой квадратной площадке со стороной 100 м (малая зона приема) в течение не менее пяти минут спектроанализатором К&й Е5МВ фиксировались уровни напряженности поля принимаемого сигнала (не менее 150 отчетов), дополнительно
тестовым приемником - коэффициенты ошибок по битам (BER) и модуляции (MER), часть измерений с фиксацией этих параметров проводилась анализатором R&S ETL. Данные измерений с привязкой к местности записывались в базу данных для последующей статистической обработки. В процессе полевых работ выяснилось, что во Владивостоке, в условиях плотной застройки, весьма редко удается отыскать площадку по параметрам, близкую к рекомендованной в виде квадрата с размерами ¡00x100 метров [2], чаще всего приходится довольствоваться открытыми участками улиц и дорог. Более достоверные результаты могли быть получены на площадках, расположенных на крышах домов доминирующих по высоте в выбранных малых зонах, по в реальных условиях это практически невыполнимо:
Следуя руководству по эксплуатации, на спектроанализаторы устанавливались следующие параметры: центральная частота, Fc (FREQ) - равная номинальной центральной частоте 37 ТВ-капала - 602 МГц; полоса обзора (SPAN) - 8 МГц; полоса пропускания (RBW) - 40 кГц; тип фильтра полосы пропускания (RBW) - нормальный (Normal); полоса видео фильтра (VBW=3 RBW) - 120 кГц; период развертки (Sweep time): для фиксированного приема: - 2 с; детектор - средне-квадратический (RMS); режим отображения (TRACE) -"очистить/записать" (Clear/Write); единица отображения результата измерения (Unit) - дБ (отн. 1 мкВ). Ширина полосы канала DVB-T (Channel bandwidth) устанавливалась равной 7,61 МГц.
Далее выполнялась процедура измерений напряжения сигнала U„ÎM в дБ (отн. 1 мкВ) и рассчитывалась электрическая составляющая напряженности электромагнитного поля Ей с учетом коэффициента калибровки измерительной антенны по формуле 1 [2]:
Еи=ииш + Кк, (1)
где Кк - коэффициент калибровки, в нашем случае -17 [дБ(1/м)].
Для каждой контрольной точки ансамбль отчетов подвергался стат истической обработке - вычислялась медиана и стандартное отклонение. Стандартное отклонение вычислялось в соответствии с [3], по формуле (2):
=10 log.
(Е^У- +(Е7-л02 +...(En-ju)2 п- !
, (2)
где айр - стандартное отклонение напряженности поля; Еп - напряженность поля п-го отчета; р - среднее арифметическое значение всех нап ряжен ноете й поля в точке.
По величине стандартного отклонения определялся тип канала приема в каждой точке, после чего по формулам 3 или 4 (в зависимости от типа канала) вычислялась поправка к измеренной напряженности поля.
CIN -C/N г - * („
Чт_,рмм ~ j \asp
C/N„,-C/N„
<т pauca
(3)
(4)
где о р*кя — поправка к измеренной напряженности поля в канале Рэлея; Сп^аГ1са- поправка к измеренной напряженно-
T-Comm Том 10. #3-2016
сти поля в канале Раиса; C/N р)ЖЙ, C/N C/N гаусса -поправка к требуемому отношению сигнал шум при различных каналах приема, установленных в ГОСТе [4J.
Все измерения напряженности электромагнитного поля сигнала DVB-T производились на высоте 1.5 метра над землей, что соответствует условиям портативного приема. Для условий фиксированного приема измеренные значения напряженности поля корректировались на высоту 10 метров, согласно рекомендаций МСЭ [51, увеличением на 12 дБ.
Общее количество контрольных точек измерений (малых зон приема) в одночастотной сети DVB-T превысило 900, небольшая часть из которых относится к открытому типу трассы распространения сигнала, а большая часть - к полузакрытому и закрытому.
Во всех точках измерения осуществлялось измерение напряженности поля сигналов всех полезных передатчиков ОЧС формирующих покрытие с использованием направленной измерительной антенны, развернутой в направлении отдельно для каждого полезного передатчика. Фиксировался больший результат, а максимум напряженности поля полезного сигнала определялся путем поворота направленной антенны па 360°.
Контрольные точки измерений задавались исходя из анализа модельных расчетов зоны покрытия SFN г. Владивостока и предпочтение отдавалось измерениям в проблемных зонах. Для выявления возможных проблемных областей рассчитывалась зона покрытия SKN с использованием модели Лонгли-Райса (верифицированный программный комплекс Radio Mobile (версия 11.43)} [6], электронных карт высот с разрешением в 3 арксекунды (90x90 м) и карт растительности с разрешением 600x900 м.
В соответствии с проектом РТРС, существующая SFN г. Владивостока рассчитана для работы в стандарте DVB-T на 37-ом телевизионном канале и фиксированного типа приема сигнала, что подразумевает использование направленных приемных антенн с высотой подвеса не менее 10 метров над уровнем земли. Для расчета покрытия сети использовался процент местоположений равный 95%. Основные характеристики SFN г. Владивостока представлены в табл. 1.
Так как исследуемая SFN г, Владивостока является частью синхронной зоны «Vladivostok» [1], для оптимального учета влияния всех передатчиков одночастотной сети на формирование зоны обслуживания при модельных расчетах необходимо учитывать передающие станции, принадлежащие данной синхронной зоне и расположенные в пределах, ограниченных величиной защитного интервала. Для выбранного режима передачи сигнала DVB-T 8К, 64QAM, FEC = 3/4, Gi = 1/4, величина защитного интервала составляет 224 мке, а максимальное расстояние между пунктами установки цифровых телевизионных передатчиков в синхронной сети не должно превышать 67 км. Тогда область, в шторой находятся все передатчики обязательные для учета в расчетах, представляет собой участок ограниченный с юга островом Русский (широта 42°57'22.82"С), с севера с. Кондрате-новкой (широта 43°35'59.12"С), с востока пос. Стеклянуха (долгота 132°28'43"В) и с запада пос. Славянка (долгота 131°23'06"В). Перечень и характеристики цифровых радиотелевизионных передающих станций исследуемой SFN
г. Владивостока можно найти в 11]. На рисунке 2 приведено местоположение передатчиков исследуемой одночастотной сети. Основной передатчик «Владивосток», мощностью в 5 кВт, расположен на сопке «Орлиная».
Таблица 1
Основные характеристики SFN г. Владивостока
Характеристики Значение
Общие характеристики сети DVB-T
Тип сети Олночастотная (SFN, рекомендация ETS1 EN 101 191 ), синхронная зо на " VI ad i v ostok"
Количество мультип-лексов 1
Номер канала 37
Стандарт цифровог о эфирного вещания DVB-T (ETSI EN 300 744)
Тип цифрового телевизионного сигнала DVB-T
вид модуляции 640AM, без иерархии
защитный интервал Va
система исправления ошибок (ГЕС) %
стандарт кодирования видеосигналов MPEG-4 part 10 (ISO/IEC 14996-10) MP®L30F(MPEG-4)
стандарты кодирования звуковых сигналов MPEG-1 Layer 11 (IS O/lEC 11172-3), M PEG-2 AAC (ISO/IEC 13818-7), MPEG-4 НЕ-АЛС (ISO/IEC 14496-3)
Информационная скорость в телевизионном сигнале 22,39 Мбит/с
Характеристики сети цифровых эфирных станций
Количество Цифровых эфирных станций 21
Тип транспортной сети спутниковая
Информационные характеристики сети
Количество телевизионных программ в муль-типлексе 8
Количество радиопрограмм в мультиплексе 3
Режим передачи телерадиопрограмм Статистическое мультиплексирование
Режим приема Фиксированный прием
Г
^jfr - передающая станция
Рис. 2. Расположение передающих станций исследуемой SFN
Для расчета зоны покрытия г. Владивостока приняты параметры передающих станций, включая диаграммы направленности антенн, в строгом соответствие с проектом ФГУП РТРС (см. соответствующие таблицы в [1]),
Фрагмент зоны обслуживания ЭРМ г. Владивостока и прилегающих территорий рассчитанной по модели Лонг-ли-Райса представлен на рис.3. Красным цветом на рисунке обозначены области, где рассчитанные величины напряженности поля сигнала ЭУВ-Т превышают требуемые в соответствие с ГОСТом для условий фиксированного приема уровни сигнала ОУВ-Т (58 дБмкВ/м).
венные вариации напряженности поля ПУВ-Т. Установлено, что даже в пределах малой зоны приема (100 х 100 м) возможны флуктуации уровня напряжённости поля в 5-10 дБ, а его стандартное отклонение может достигать 8 дБ. Расчеты показали - видами канала приема практически для всего города являются каналы Раиса н Рэлея, с преобладанием последнего. В качестве примера, в таблице 2 представлена выборка результатов измерений напряженности поля и расчетов статистических параметров в направлении основная передающая станция на сопке «Орлиная» - дополнительная передающая станция в поселке Раздольном,
Таблица 2
Результаты измерений напряженности поли в направлении «основной передатчик сопка «Орлиная - Раздольное»
Рис. 3. Фрагмент расчетной зоны обслуживания г. Владивостока и прилегающих территорий
Анализ результатов модельных расчетов подтвердил, что расчетная г. Владивостока отвечает заявленным в проекте РТРС параметрам — процент местоположений для условий фиксированного приема достигает 95%. В то же время в пределах городской застройки выявляются участки с уровнем сигнала ниже требуемого. На рисунке отмечены наиболее явные из них - предполагаемые основные «зоны теней» SFN ГЗУВ-Т, в которых могут наблюдаться проблемы с приемом телевизионного сигнала. Это густозаселенные части города - районы города «Снеговая падь» (1) и Стрелковая надь (2), а также район города «бухта Тихая» (3). Помимо этого, выявляются и другие малые проблемные участки в районах ул. Черняховского и Ватутина, некоторых районах г. Артема. Эти выделенные по модельным расчетам участки БРК и приняты в качестве основных областей, в которых в дальнейшем проводились измерения.
Зона 8РИ г. Владивостока характеризуется сложными условиями распространения сигналов ОУВ-Т. 1 (олавляюшую часть измерений в нашем случае пришлось проводить в условиях плотной застройки. Городская среда создает специфические условия для распространения радиоволн (большие и малые теневые зоны, многократные отражения от стен зданий и рассеяние радиоволн) и формирует многолучевые электромагнитные поля со сложной интерференционной структурой, что вызывает значительное ослабление сигнала вплоть до уровня, на котором становится невозможным корректный прием информации.
Результаты обработки данных полевых измерений показывают, прежде всего, что,тля сильно пересеченной местности г. Владивостока характерны значительные пространст-
Номер малой зоны измерений Долгота Широта Измеренная напряженность поля, сШмкВ/м Расстояние, км а. и С Корректирующий коэффициент (Поправка на тип канала, лБ1 Нормированная напряженность поля, с1ВмкВ/м
410 13Г54'25,1ПЕ 43°0759,9,,1^ 72,53 1,40 4,58 6.65 65.88
17 131°54'56ЛПЕ 43°10'09,0^ 85,17 5,32 3,28 1,19 83,98
24 131°57'18,ГЕ 43°12'49,3ПМ 54.36 10,85 4,04 4,37 49.99
30 131°5Т55.9ПЕ 43°15'10,8"Ы 73,45 15.26 2.18 0,65 72.80
37 131°59'40,6"Е 43°17'55,9И>1 68,61 20,80 2,76 0,96 67.64
42 13Г59'59,8ЯЕ 43°20|20.61^ 64,34 25,18 1,64 0.35 63,94
88 132°00'36,0"Е 43°23'00,0"К 65,68 29.90 2,88 1.03 64.64
Видно, что в данном, «северном» направлении от основной передающей станции на расстоянии более 4 км (малая зона №24) нормированная напряженность поля намного ниже критической, а в пределах 20 км намного выше. Такое явление резких «падений» напряженности поля наблюдается и в некоторых других местах приема. Возможная причина -влияние на характер поля в месте приема явления интерференции двух волн - нижней (переотраженной ровной подстилающей поверхностью) и верхней (прямой) [2}. Их сложение и вычитание при распространении над относительно гладкой поверхностью может сопровождаться изменениями напряженности поля, что и фиксируется при измерениях. Кроме этого плотная городская засгройка и рельеф также являются возможной причиной значительных вариаций напряженности ноля.
Выше отмечалось - в соответствие с требованиями ГОСТа минимальная медианная напряженность поля для капала Гаусса при вероятности охвата мест 95% составляет 58 дБмкВ/м [2]. Данные измерений подтвердили наличие в пределах зоны обслуживания SFN г. Владивостока выяв-
Выводы
1. Полученные предварительные результаты оценки качества зоны обслуживания SKN DVB-T г. Владивостока свидетельствуют о достаточном уровне сигнала при фиксированном приеме при наличии коллективной антенны на крыше здания.
2. Анализ данных измерений в SFN DVB-T г. Владивостока свидетельствует, что внутри зоны обслуживания распределение напряженности поля имеет неравномерный характер, наблюдаются проблемные участки в некоторых районах города и его пригородов. Подтверждено предположение, что даже при высоких мощностях телевизионного передатчика внутри зоны покрытия существует несколько участков тени, обусловленных дифракционными потерями, вызванных сложным рельефом города. Экспериментально установлено — видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преобладанием последнего.
3. Измерения, в целом, подтвердили результаты модельных расчетов .тля открытых и полузакрытых трасс распространения сигнала. В тоже время для закрытых трасс прогноз напряженности ноля по модели Лолгли-Райса демонстрирует завышенные значения уровня сигнала но отношению к измеренным. Полученные результаты могут быть объяснены существенным упрощением модели Лонгли-Райеа при учете некоторых особенностей распространения сигнала на реапь-ных трассах. Очевидно, что в условиях сильнопересеченной местности, методы расчета напряженности электромаг нитного поля, более детально учитывающие рельеф подстилающей поверхности, должны показывать более точный результат.
4. Данные выводы являются предварительными, так как основываются на результатах измерений, проводимых только весной 2014 г. Поскольку планирование цифровой системы вещания требует гарантий качества обслуживания в терминах процентов мест и времени, для более точного определения параметров распределения временных и климатических вариаций сигналов DVB-T требуются дальнейшие исследования, которые должны охватывать, в том числе, и различные сезонные и климатические условия г. Владивостока.
Литература
1. ООО «Телском-проскт-5в. Системный проект: Сеть цифрового наземного пещапия на территории приморского края (первый частотный мультиплекс). - Москва, 2010. - 172 с.
2. ФГУП «Научно-исследовательский институт радио». Методика определения зоны обслуживания одночастотной сети передающих станций наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T. - Москва, 2014.-135 е.
3. 1TU-R SM.1875-0. DVB-T coverage measurements and verification of planning criteria. Geneva, 2012. 29 p.
4. ФГУП НИИР «Ордена трудового красного знамени». Структура цикловой синхронизации, методы кодирования для капала и модуляции, ГОСТ Р-55694-2013. - Москва, 2015. - 50 с.
5. МСЭ-Р Р. 1546-4, Рекомендации. Метод прогнозирования для трасс связи «пункта с зоной» для наземных служб в диапазоне частот от 30 МГц до 3000 МГц.-Женева, 2010. -58 с.
6. http://www.cplus.org/rmw. Дата последнего обращения: 21.11.2015.
A PRELIMINARY ASSESSMENT OF THE QUALITY SFN DVB-T OF VLADIVOSTOK
Lomakin Aleksandr, Far Eastern Federal University, associate professor at the Department of Electronics and Communication
FEFU, Phd., Vladivistok, Russia, [email protected] Stetsenko Georgiy, Far Eastern Federal University, graduate student at the Department of Electronics and Communication FEFU,
Vladivistok, Russia, [email protected]
Abstract. In the city of Vladivostok and the surrounding areas in difficult terrain there is broadcast single frequency network SFN DVB-T introduced, and currently being translated to the new DVB-T2 standard and a discussion of the network measurement technology is on. There are results of a preliminary evaluation of network quality based on the measurement analysis of DVB-T signal data level at the input of the subscriber unit, the bit errors (BER) and modulation (MER) at predetermined control points of the service area SFN. Initially using the Longley-Rice model are made the calculations of coverage SFN DVB-T in Vladivostok for fixed reception conditions and existing network settings (fold modulation, forward error correction, the value of protection ratio, the height of the suspension of transmission antennas). Analysis of the results of model calculations confirmed that the design will meet the SFN project RTRS parameters (about 90% coverage of the territory), but within the urban development some areas are identified with a signal level lower than required. These model calculations on selected problem areas of SFN are adopted as key areas in which further measurements. Field measurements of the DVB-T field strength were carried out in accordance with the recommendations of NIIR methodology and measuring equipment Rohde & Schwarz was used. The results of the data processing field measurements confirm the results of the model calculations and show that for the rugged terrain of Vladivostok is common considerable spatial variation of the field strength DVB-T. It was found that even at high power main and additional transmitters in SFN coverage area, there are several sections of the shadows caused by diffraction losses caused by the difficult terrain of the city. Calculations have shown-forms of the reception channel for almost all of the city are Rice and Rayleigh channels, with a predominance of the latter. In general, experimental studies confirm the fact that the use of single-frequency synchronous transmitters in Vladivostok has become an effective way to provide coverage terrestrial broadcasting in difficult terrain and dense urban areas. However, during the introduction of the new generation digital television broadcasting, there must be a stock put on the effects influence of reflected signals, multipath and so on, which may be implemented using a relatively long guard interval.
Keywords: digital video broadcasting, single-frequency DVB-T network, measurements of intensity of an electromagnetic field, quality of signal in the service zone. References
1. LLC "Telecom-project-5." System project: a network of digital terrestrial broadcasting in the Primorskiy Kray (the first frequency multiplex). Moscow, 2010. 172 p. (in Russian)
2. The Federal State Unitary Enterprise "Scientific-Research Institute of Radio." Methods of determining the coverage area of a single frequency network of transmitting stations of terrestrial digital TV broadcast standard DVB-T. Moscow, 2014. 135 p. (in Russian)
3. ITU-R SM.1875-0. DVB-T coverage measurements and verification of planning criteria. Geneva, 2012. 29 p.
4. FSUE NIIR "Red Banner of Labor." The structure of the frame synchronization, channel coding techniques and modulation GOST-55694-2013. Moscow, 2015. 50 p. (in Russian)
5. ITU-R R.1546-4, Recommendation. Method for predicting routes of communication "point to area" for terrestrial services in the frequency range from 30 MHz to 3000 MHz. Geneva, 2010. 58 p. (in Russian)
6. http://www.cplus.org/rmw. Latest use: 21.11.2015.
T-Comm Том 10. #3-2016
