CC BY
27
ТРАНСЛЯЦИЯ МУЛЬТИМЕДИА КОНТЕНТА В ЗОНЕ ВЕЩАНИЯ С МНОГОНАЦИОНАЛЬНЫМ НАСЕЛЕНИЕМ
Елисеев Сергей Николаевич,
профессор, д.т.н., зав. кафедрой Радиосвязи,
Радиовещания и Телевидения,
Поволжский Государственный Университет
Телекоммуникаций информатики (ФГОБУ ВПО ПГУТИ),
Самара, Россия,
eliseev-sn@psuti.ru
Ключевые слова: каналы вещания, замирания, иерархическая модуляция, отображение модуляционных символов, вероятность ошибки.
Рассматриваются вопросы организации вещания по радиоканалам (одновременной передачи из центра неопределённо большому числу приёмников пользователей) сообщений мультимедиа. Условия передачи предполагают, что из центра по параллельным каналам одновременно передаются несколько потоков сообщений, каждый из которых состоит из двух частей: базовой (ВЬ) и дополняющей (ЕЬ). Базовая часть одинакова во всех передаваемых потоках, а дополняющая в каждом потоке индивидуальна. Такая структура может быть например в потоке мультимедиа сообщений передаваемых на разных языках, в зоне с проживанием многонационального населения. Предлагаемый метод модуляции, названный композитным, использует такой вид отображения бит в символы многопозиционной модуляции, который позволяет улучшить характеристики помехоустойчивости приёма передаваемых сообщений за счёт согласованного использования иерархической модуляции для разных частей информационных потоков и разнесённого приёма для ВЬ части. Аналитические выражения для вероятностей ошибки и численные оценки получены для случая передачи по каналам с гладкими Релеевскими замираниями двух потоков сообщений, разнесённого приёма с ИКС комбинированием и модуляцией по методам рРвК и 16РДИ. Рассмотренные в статье методы и результаты теоретических расчётов целесообразно реализовать на практике в таких важных ситуациях, как передача сообщений оповещения о чрезвычайных ситуациях.
Для цитирования:
Елисеев С.Н. Трансляция мультимедиа контента в зоне вещания с многонациональным населением // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №7. - С. 11-15.
For citation:
Eliseev S.N. Translation multimedia content in coverage area with multilingual population. T-Comm. 2015. Vol 9. No.7, pp. 11-15.
(in Russian).
Быстрое развитие беспроводных радиотехнологий сопровождается отчётливой конвергенцией прежде отдельных видов телекоммуникаций: в телерадиовещании предлагаются услуги дополнительных видов информационного обслуживания, сотовые операторы помимо голосового трафика развивают потоковые услуги, видео и аудио по запросу, мобильное телевидение. Процессам сближения способствует общая технологическая платформа передачи и обработки сигналов {многопозиционная модуляция, OFDM, способы эффективного кодирования с исправлением ошибок) в цифровом телевещании DVB-T2, радиовещании DRM, беспроводном доступе WiMAX, сотовой связи стандартов LTE и LTE-A. Среди множества методов повышения помехоустойчивости целесообразно выделить те из них, которые учитывают специфику каналов в режиме вещания и применимые всеми вышеприведёнными системами.
Наиболее общим видом транслируемых сообщений являются мультимедийные сообщения, включающие в себя изображения, видео, различной природы текстовые и аудиосообщения, в том числе на разных языках.
По своему предназначению канал вещания (broadcasting) должен транслировать сообщения от одного или, в более общем случае нескольких, взаимосвязанных источников для неопределённо большого числа приёмников, возможно мобильных терминалов (ИТ), находящихся в пределах территории обслуживания (зоны покрытия вещанием). В соответствии с современными взглядами на построение системы вещания, базирующихся на теоретико-информационном под ходе [I], она должна реализо-вываться через масштабируемое кодирование источника сообщений совместное и согласованное с модуляцией многократного разрешения сигнала-переносчика [2]. Основную идею такого подхода иллюстрирует рис. I.
мультимедиа вещания предполагает передачу некоторого общего базового контента, например изображения и текста-дополнения на разных языках как это показано на рис. 2.
КОМ I LI I I 1 1 [III! [I
11|i<>i pu ivGpnOo I ки
ÎlTJ»*.""" V 1 22
1 1
\ j. H «Il
1 1
Рис. 2
В отличии от схемы рис. I, в которой предполагается обеспечить помехозащищённость В1_ только за счёт перераспределения мощности в схеме иерархической модуляции, в данном случае дополнительное увеличение помехозащищённости обеспечивается применением разнесения на приёме т.к. данные В1. совпадают для обоих вариантов сообщений. Общая схема вещания иллюстрируется рис, 3. Вещание осуществляется одновременно по двум параллельным каналам любой природы, В качестве примера показано вещание по двум частотно разнесённым каналам. Приём на МТ работающие в обычном режиме одиночного приёма {в зоне «хороших условий приёма» показан на рис. За). МТ выполняющие разнесённый приём показаны на рис. 36).
II.'Е1.1
[ р
ь
к>ш —>
Tj
tr=
ч
loi
I_,
'-I'""- I I
hi tl
МсбгАНЫ» терминал
Рис. i
На выходе источника с масштабируемым кодированием создаются два потока: базовый поток с «грубым» разрешением и большей помехозащищённости ВЬ, данные которого МТ способны принимать в пределах всей зоны покрытия и лоток с «улучшенным» разрешением и меньшей помехозащищённости ЕЦ детально представляющий сообщение, данные которого совместно с данными потока В|_ принимаются только в пределах части зоны покрытия с «хорошими» условиями приёма. Потенциал заложенный в таком подходе к организации вещания может быть использован для решения широкого круга задач. Рассмотрим его применение в ситуациях многоязычного вещания в районах с многонациональным населением. Такой вариант
Рис. За,б
Зоны «хороших условий» и зоны «плохих условий» определяются в зависимости от величины отношения сигнал/шум (БЫК). Возможно использование любого вида разнесения (частотного, пространственного или временного). Комбинирование сигналов отдельных ветвей приёма выполняется по методу максимальных отношений БЫК (МКС) и для сложения этих сигналов достаточно иметь только «достаточные статистики» характеризующие достоверность принимаемых символов [3]. Обобщённые структурные схемы передающей и приёмной частей системы даны на рис. 4а,б, Алгоритм работы передающей части
системы: по двум радиоканалам передают параллельно два потока сообщений в виде равновероятных случайных битовых потоков. Каждый поток для передачи по радиоканалу модулирует OFDM поднесущие по закону иерархической модуляции с многократным разрешением.
sitai
ELI rXJÍQK__ Mod. M'PSK 06ПФ1МЦ1
(HMI ОШ1
*4 ад , Мод. M-PSK ОЕЛФМ
гчиок ™ И» OFDM
al Структурная (Май передающей ча(Ги
k -jf
РЧ У С [рвда íyíep" ELI
Тюнер] Of DM Я г Ml-РЖ
ll
Схема MRC ачжейия Dwon- I_. KU-PSK [ *
\ t
РЧ БПФ(раэаел.| буфер«. Цени
Тюнер 2 Of DM Я Ml-PSK
приёмном части Рис. 4а,б
В начале рассмотрим случай иерархической двойной фазовой модуляции (ОРЭК-НМ) Сигнальное созвездие которого изображено на рис. 5.
a¡ bi
Рис. 5
Каждые два соседних бита поступают на квадратурный модулятор, и в зависимости от значений этих бит (дибита) фаза несущей принимает одно из четырех значений: { в,-в, п-вг п + в], где э < 45°, п = 180е. Модулирующие пары бит (дибиты аД) в обоих потоках формируются следующим образом: старшие биты о, определяют в какой полуплоскости будет фаза несущей, они одинаковы в обоих потоках {базовый поток), а младшие биты Й: для каждого потока свои {смотри рис. 5). Как видно из рисунка отображение дибитов в символы QPSK-НМ для минимизации битовых ошибок производится по Грею [4]. На приеме в процессе демодуляции вычисляют компоненты I, Q принятого вектора и затем определяет к
какому из четырех возможных вариантов значений фазы этот вектор у (п) ближе по метрике евклидова расстояния. Значение I проекции будет определять старший бит а. Значение Q проекции будет определять младший бит Ь,. Так как а: в обоих потоках одинакова / проекции обоих сигналов перед решении суммируют по правилу MRC комбинирования. Демодуляция сигнала QP5K-HM может осуществляться при отображении бита в символ в два этапа демодулируя QPSK символ как два ортогональных BPSK символа. Следовательно характеристики помехоустойчивости могут рассматриваться для независимых двоичных BPSK синфазной и квадратурной компонент. Синфазная компонента переносит биты потока 8L, а квадратурная компонента - биты потоков EL
При этом Еьэнергия, одного бит информационного потока, для НМ:
Е^1 = л. sin в,
Еъ1 = hcosO, где h - коэффициент передачи канала, 9 - угол, определяющий НМ.
Для определения вероятности ошибки битов потока BL в канале с постоянными параметрами и белым шумом необходимо учесть, что энергия сигналов суммируется когерентно, а шумов некогерентно, в результате получаем:
В канала с Релеевскими замираниями полагаем мощность передаваемого сигнала равной I, тогда мощность принимаемого сигнала:
Р = |hj2, где hn - коэффициент передачи канала.
Распределение Релееаских замирания может быть выражены через мгновенную величину SNR:
далее следуя результатам [4] усредняя величину (I) по закону замираний получим значение вероятности ошибки е канале Релеевскими замираниями:
ps = С \e-'n¡s * erfe UW)dY =4(1-д> (2)
(1)
величи-
где и. — а 5 — М[уп\ - ^г - усреднённая
на 5МК.
Плотность вероятности выходной величины г по статистической природе сдвоенного МКС разнесённого приёма является суммой N=2 независимых случайны величин имеющих, как мы уже определили экспоненциальное распределение и, следовательно имеет вид: Л(У) = для N=2
Теперь можно определить среднюю величину вероятности ошибки сигналов BPSK системы с разнесением и MRC сложением для радиоканала с Релеевскими замираниями [4]:
р.шс =. /; WfsWr = /; erfc - {iff [(2 + „)]. <3)
В случае использования иерархической QPSK модуляции с параметром в последней формуле для Ре должно
COMMUNICATIONS
Учитывая свойство аддитивности математического ожидания (2) выражения (7а) и (76) для одиночного приёма в Релеевском канале преобразуются к виду:
= 1-7(1% + На);
2 *
BERl = i-i(2iitt - Из + ji4);
(8а) (86)
а для сдвоенного MRC разнесённого приёма к виду:
BERH = ~ 1(1 - щ)2(2 + (Ц) + (1 - И2)г(2 + и,)]; (9а)
ВЕЯ,=¿[2(1- Ц0)г(2 + ц0) - (1 - + ц3) + (1 - ^(2 + ц4)]; (96)
_ I SKR,
где ц
Графики зависимостей В£КН и ВЕ^ в зависимости от $N11 приведены на рис. 9. В качестве независимой переменной взята величина 5 из (6), а значения показателя: к = 0.5; I; 2 выступают в роли параметра.
ОДИНОЧНЫЙ Прием
Слннй'.ныЙ приём
WRC сдвоенный прием
-10 0 10 20 SI«. дБ
MRC сдвоенный прием
-k=0 5 ---■-k-,1 k=2
Предлагаемый способ сложной модуляции, называемой композитной, используемый при трансляции в вещательном режиме мультимедиа сообщений позволяет обеспечить эффективную одновременную передачу нескольких информационных потоков, имеющих разные уровни приоритета. Задавая индивидуальные уровни приоритета для каждого информационного потока можно обеспечить для каждого из них требуемую степень помехоустойчивости.
Примером практического использования этого способа может служить передача сообщений оповещения о чрезвычайной ситуации для районов с многонациональным населением, в которых вещание осуществляется на разных языках.
Литература
1. Т. Cover Comments on broadcasting channels, IEEE Trans, on Information Theory vol. 44, №6, 1998. Pp. 2524-2530,
2. Pursley MB., Chea J.M. Adaptive nonuniform PSK modulation for multimedia traffic in Wireless networks. IEEE Journal on SAC vol. 18 №8, 2000. Pp. 1394-1407.
3. Cfiose D. Code combining - A maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets / IEEE Trans. Commun. Vol. COM-33. Pp. 385-393, May 1985.
4. Прокис Дж, Цифровая связь, - M.; Радио и связь, 2000. - 800 с.
5. Vit tha la de vu ni P, A/ouni M-S. A new look at the exact BER evaluation of РАМ. QAM and PSK constellations. Teletronikk. -№1. - 2002. - Pp. 92-105.
о in
SNR.jlB
10 20 3№).дБ
Рис. 9
TRANSLATION MULTIMEDIA CONTENT IN COVERAGE AREA WITH MULTILINGUAL POPULATION
Sergey Eliseev, Povolzhsky State Universiy of Telecommunication and Informatics, Head of the chair radiocommunication, broadcasting and television, Samara, Russia, eliseev-sn@psuti.ru
Abstract. The article considers the issues of broadcasting on radio channels (simultaneous transmission from the center indefinitely large number of receivers (users) of multimedia messages. The conditions of the transfer assume that the centre for parallel channels simultaneously transmitted to multiple message streams, each of which consists of two parts: baseline(BL) and the complementary (EL).The basic part is the same in all transmitted streams, and complementary to each individual flow. This structure istipical for example, the media stream of messages transmitted in different languages, in the area with accommodation multiethnic population. The proposed modulation technique called composite, uses type of display bits into symbols multi-position modulation, which allows to improve the noise immunity characteristics of the reception of messages transmitted through the consistent use of hierarchical modulation for different parts of the information streams and receive diversity for BL part. Analytical expressions for the bit errors rates and numerical estimates are obtained for the case of transmission over channels with Raleigh fading two message streams, receive diversity with MRC combining and modulation techniques QPSK and I6QAM. In the article the methods and results of theoretical calculations it is advisable to put into practice in such important situations, such as messaging alerts about emergencies.
Keywords: broadcasting channels, fading, hierarchical modulation, mapping of modulation symbols, bit error rate. References
1. Cover, T, Comments on broadcasting channels. IEEE Trans.on Information Theory vol.44, no. 6, 1998, pp. 2524-2530.
2. Pursley,M & Chea, J, Adaptive nonuniform PSK modulation for multimedia traffic in Wireless networks. IEEE Journal on SAC vol.18, no. 8, 2000, pp. 1394-1407.
3. Chase, D, Code combining - A maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets," IEEE Trans. Commun., vol. COM-33, no.5, pp. 385-393.
4. Proakis, J, Digital communication, Mc Graw-Hill, New York, USA, 1995, p. 778.
5. Vitthaladevuni P, Alouni, M-S, A new look at the exact BER evaluation of PAM, QAM and PSK constellations, Teletronikk no.I, 2002, pp. 92-105.
