CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

Od krucijalne važnosti za uspešno funkcionisanje SFN mreža je istovremeno postizanje sinhronizacije na više nivoa, u unapred zadatim granicama tolerancije. U ovom tekstu je dat generalni prikaz sinhronizacije u SFN mrežama, uz osvrt na klasični DVB-T i savremeni DVB-T2 standard. Izvršeno je istraživanje na bazi računarskih simulacija, sa ciljem određivanja kritične vrednosti relativnog međusobnog kašnjenja signala prilikom emisije na predajnicima u okviru iste SFN ćelije, i dobijeni rezultati su prikazani i diskutovani. Predložena su rešenja za poboljšanje performansi SFN mreža, sa aspekta neidealne sinhronizacije predajnika prilikom emisije.

KLJUČNE REČI: SFN, sinhronizacija, DVB-T, interferencija, ćelijski sistemi.

1. UVOD

DVB (Digital Video Broadcasting) predstavlja efikasno rešenje u pogledu optimizacije zauzeća spektra i ostvarenja zadovoljavajućeg protoka u DVB-T (Terrestrial) i DVB-H (Handheld) sistemima. Pomenutu optimizaciju omogućava upotreba modulacione tehnike COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), na kojoj je zasnovan rad DVB sistema koji operišu u tzv. SFN (Single Frequency Network) konfiguracijama. Topologija SFN mreže se suštinski razlikuje od tradicionalnih MFN (Multiple Frequency Network) mreža, u okviru kojih svi predajnici vrše emisiju na različitim frekvencijama. Sa druge strane, u SFN mrežama u okviru bilo koje SFN ćelije, svi predajnici vrše emisiju na identičnoj frekvenciji, što direktno omogućava da optimalna vrednost zauzetog spektra / propusnog opsega bude postignuta. Primeri topologija MFN i SFN mreža prikazani su na Slici 1: u slučaju MFN mreža koriste se tri različite frekvencije za emitovanje, pri čemu je zauzeto 24 MHz propusnog opsega, dok se u slučaju SFN mreža koristi samo jedna frekvencija, uz ukupno zauzeće od samo 8 MHz propusnog opsega.

Slika 1. Topologije MFN i SFN ćelija

SFN mreže omogućavaju izuzetno efikasnu distribuciju digitalnih sadržaja na širokim geografskim područjima. Ova tehnologija je specificirana u DVB-T i DVB-H standardima ([1]-[5]). S obzirom da koriste usklađene radio-predajnike, pogodnosti SFN mreža leže u tome što je one mogu jednostavnije i jeftinije opsluživati određena geografska područja nego mreže sa metalnim i optičkim kablovima. Uspešno pokrivanje koje se postiže rezultat je istovremenog rada više predajnika koji šalju identične digitalne informacije na identičnoj frekvenciji, i to u identičnim vremenskim trenucima, posmatrano sa stanovišta prijemnika.Visok stepen sinhronizacije treba da bude istovremeno zadovoljen na više nivoa: u tekstu koji sledi biće dat generalni prikaz problema sinhronizacije u SFN mrežama, čije uspešno rešavanje predstavlja fundamentalni preduslov za svaku praktičnu implementaciju sistema ovog tipa.

2. SINHRONIZACIJA U SFN MREŽAMA

2.1. Potrebe za sinhronizacijom

Sinhronizacija koju u isto vreme karakterišu visok stepen preciznosti i visoka pouzdanost, je neophodan element za funkcionisanje SFN mreža. Ovo važi iz razloga što korisnik tokom redovnog rada prima signale sa više predajnika u isto vreme. Ukoliko primljeni signali nisu sinhronizovani, moguća je pojava destruktivne interferencije – ovaj efekat je poznat kao feding, i pri njemu se amplitude radio-talasa međusobno različitih faza oduzimaju jedne od drugih u tački prijema. Mogući su i drugi problemi, na primer – podaci koji dolaze iz jednog predajnika mogu imati vremensko kašnjenje u odnosu na podatke koji dolaze iz drugog predajnika, iako su sami nosioci međusobno sinhronizovani, pa da signal koji korisnik prima bude skremblovan. Ukoliko vrednosti dodeljenih frekvencija nisu korektne, signali sa susednih frekvencija se međusobno preklapaju, što takođe rezultuje pojavom interferencije. Pomenute pojave mogu se izbeći samo ukoliko su svi postupci, uključujući kodiranje, modulaciju i transmisiju, međusobno sinhronizovani do nivoa jedne mikrosekunde u svim uređajima koji se nalaze u Glavnoj stanici (Head End), kao i duž svih predajnih stanica. Put svakog pojedinačnog paketa podataka od pošiljaoca do primaoca je stoga u ovakvom sistemu preciziran skupom pravila, i odvija se na osnovu niza događaja koji su međusobno povezani i odigravaju se po istom obrascu tokom vremena.

Dakle, generalno posmatrano, da bi SFN mreža mogla ispravno da funkcioniše neophodno je da budu zadovoljena tri uslova [6]; DVB-T/H predajnici koji pripadaju istoj ćeliji treba da vrše emisiju:

1) na istoj frekvenciji,

2) u istim trenucima vremena,

3) sa identičnim OFDM simbolima.

Prvi uslov je u osnovi lako ispuniti, jednostavnim podešavanjem svih predajnika na identičnu predajnu frekvenciju (na nivou modulatora). Drugi i treći uslov implicira potrebu za prosleđivanjem dodatnih informacija predajnicima: tzv. signala za sinhronizaciju i transmisionih parametara.

Distribucija transmisionih parametara je zadatak namenjen SFN adapteru – uređaju koji se nalazi u Glavnoj stanici SFN mreže (Slika 2.) i do kog se dovodi odgovarajući TS (MPEG2 Transport Stream) signal, tj. kodirani multipleks audio, video i signala podataka na više različitih kanala istovremeno, a ovaj signal SFN adapter dodatno proširuje informacijama neophodnim za sinhronizovani rad predajnika. Signali formirani od strane SFN adaptera se prosleđuju predajnicima u SFN ćeliji putem tzv. mreže za distribuciju.

2.2. Sinhronizacija emisije radio-talasa

Slanje podataka se u SFN mreži putem radio-talasa standardno obavlja korišćenjem COFDM modulacione tehnike. COFDM predstavlja glavni razlog zašto susedni predajnici koji funkcionišu sa istom predajnom frekvencijom ne interferiraju međusobno: različiti delovi istog signala se dodeljuju različitim podkanalima, u okviru istog segmenta propusnog opsega. Svaki podkanal je razdvojen od ostalih frekvencijskim džepom koji štiti kanale od uzajamne interferencije. Dodatno, svaki bit podataka koji pripadaju istom podkanalu je razdvojen od susednih bita vremenskim džepom, tj. zaštitnim intervalom. Ovaj interval omogućava da svaki eho određenog bita stigne u prijemnik pre nego što usledi naredni bit korisne informacije. Pomenuti eho signali mogu biti poslati od strane drugih predajnika u okviru SFN mreže, ili biti posledica pojave višestruke propagacije.

Teorijski, COFDM sistemi su dizajnirani tako da imaju koristi od eho signala, sve dok se oni pojavljuju u okvirima zaštitnog intervala. Ovaj uslov zahteva vremensku sinhronizaciju različitih predajnika, jer simbol mora biti emitovan u istom trenutku sa različitih lokacija, bez obzira koliko je vreme propagacije kroz mrežu za distribuciju. Zahtevani nivo preciznosti u vremenu je ograničen, zbog tolerancije koju omogućava prisustvo zaštitnog intervala. Maksimalna vrednost širine zaštitnog intervala u SFN mrežama jednaka je jednoj četvrtini trajanja korisnog simbola.

Primera radi, u mrežama za pokrivanje velikih površina sa 8K podkanala i zaštitnim intervalom vrednosti 1/4 (tj. četiri puta kraćem od trajanja korisnog signala – 224 µs), praksa je pokazala da do degradacije performansi ne bi trebalo da dođe pri vremenskoj toleranciji od ±5 µs, što potvrđuje opravdanost uzimanja polazne vrednosti tolerancije od ±1 µs prilikom projektovanja (standardna vrednost tolerancije prilikom analiza i proračuna u procesu planiranja SFN mreža) [3]. Da bi se ispunio uslov u pogledu tačnosti frekvencija nosilaca, potrebno je da svaki predajnik emituje k-ti nosilac na frekvenciji , gde je sa označeno rastojanje između susednih nosilaca a sa idealna RF pozicija k-tog nosioca [3]. Ukoliko se postavljene granice koje se odnose na vreme i frekvenciju ne poštuju sa dovoljnom tačnošću, dolazi do degradacije kvaliteta signala. Za uniformno raspoređivanje podkanala duž odgovarajućeg opsega, i to na više predajnika pozicioniranih istovremeno na različitim lokacijama u okviru SFN mreže, potreban je adekvatan izvor signala željene frekvencije. Takođe, neophodan je adekvatan izvor takt signala kako bi svi predajnici znali tačno u kom trenutku treba da nastupi emisija bita, a u kom odabiranje.

2.3. Sinhronizacija u mreži za distribuciju

Mreža za distribuciju podrazumeva kompletnu infrastrukturu koja povezuje SFN adapter sa predajnicima koji se nalaze u okviru SFN mreže. Vreme potrebno da TS signal upućen od strane SFN adaptera stigne do pojedinačnih predajnika zavisi od udaljenosti izvora i odredišta signala: uvodi se tzv. maksimalno kašnjenje u mreži za distribuciju koje predstavlja razliku u vremenima putovanja od multipleksera u Glavnoj stanici, kroz mrežu za distribuciju, do najbližeg predajnika sa jedne, i vremena putovanja signala kroz istu mrežu za distribuciju, do najudaljenijeg predajnika, sa druge strane. Smatra se da ova veličina u praksi nije veća od jedne sekunde.

S obzirom na to da u SFN mrežama podaci od multipleksera do modulatora dolaze putem mreže za distribuciju sa različitim kašnjenjima, vremenska referenca koja će se koristiti u modulatorima se ne može zadavati od strane multipleksera. Neophodno je koristiti neku eksternu vremensku referencu, koja će biti globalnog karaktera, tj. dostupna svim predajnicima, i koja zadovoljava zahtev za tačnošću boljom od .

2.4. Globalna vremenska referenca - GPS

Upotreba GPS-a (Global Positioning System) kao globalne reference u SFN mrežama deluje kao odličan izbor: prikladni GPS sistemi danas predstavljaju standardno rešenje u pomenutim aplikacijama, budući da istovremeno obezbeđuju i frekvencijsku referencu (u vidu takt-signala frekvencije 10 MHz) i referencu apsolutnog vremena. Izuzetna tačnost prilikom merenja vremena jedna je od osnovnih karakteristika GPS sistema: ispod 50 ns u odnosu na UTC (Coordinated Universal Time – međunarodni standard) [7]. GPS se koristi u svim tačkama SFN mreže kao globalni izvor takt-signala i referentne frekvencije, koji obezbeđuje potpunu sinhronizovanost ovih referenci u svim pojedinačnim uređajima, videti Sliku 2. [2].

Alternativno upotrebi GPS-a, podsistem za formiranje globalnog takta se može realizovati u vidu posebne mreže za podršku (backhaul) između predajnika. Klasična TDM (PDH ili SDH) mreža se može upotrebiti u te svrhe. Interesantan apsekt predstavlja mogućnost upotrebe paketske mreže u pomenute svrhe, pre svega iz razloga značajno niže cene instaliranja i održavanja [8]. U IEEE standardu 1588 specificiran je otvoreni protokol za prenos informacija za sinhronizaciju posredstvom paketskih mreža. U zavisnosti od implementacije, postignuta tačnostu mrežama po standardu 1588 može se kretati između one koja karakteriše GPS sistem, i već pomenute granice tačnosti od 1µs.

Slika 2. Struktura SFN predajničke mreže

2.5. Sinhronizacija predajnika

Kao što je već rečeno, informacije za sinhronizaciju predajnika koji operišu u okviru iste SFN mreže obezbeđuje SFN adapter, koji formira megafrejm na osnovu pristiglih TS paketa. SFN adapter smešta podatke vezane za sinhronizaciju i transmisiju upućene predajnicima u TS paket pod nazivom MIP paket (Megaframe Initialization Packet), ili MIP tabela. Svaki megafrejm sadrži tačno jedan MIP paket. Pozicija ovog paketa može varirati od megafrejma do megafrejma. Na Slici 3. je prikazana struktura megafrejma, koji uključuje i MIP paket [2]. Početak megafrejma je definisan tako da se poklopi sa početkom DVB-T superfrejma, odnosno početkom sinhro bajta na startu superfrejma, u sklopu adaptacija multipleksa koji se prenosi. Pozicioniran bilo gde u okviru megafrejma sa indeksom M, MIP tog megafrejma, MIP_M, ima ulogu da na jedinstven način identifikuje početak (tj. poziciju prvog paketa) megafrejma M+1. Ovo se postiže pomoću pokazivača koji je sadržan u okviru samog MIP_M, i čija je vrednost relativna u odnosu na početak tekućeg megafrejma. Vremenska razlika između poslednjeg impulsa u okviru tzv. 1pps (1 pulse per second) referentnog signala koji se formira na osnovu stanja GPS generatora takta (u modernim GPS prijemnicima namenjenim za rad u SFN mrežama sam GPS prijemnik formira 1pps signal) koji prethodi početku M+1 megafrejma, i stvarnog početka (tj. prvog bita prvog paketa) megafrejma M+1, se smešta u MIP_M. Ovaj parametar se naziva sinhroni zapis vremena ili STS (Synchronous Time Stamp) zapis, i služi za opisivanje početka narednog megafrejma u odnosu na globalnu referencu.

Na Slici 2. su, pored SFN adaptera, odvojeno prikazani Tx/Rx adapteri, čija je uloga da obezbede konekciju MPEG-2 TS signala na fizičkom nivou. Maksimalno kašnjenje signala kroz mrežu koje podsistem za sinhronizaciju (SYNC) može da kompenzuje iznosi 1s. Ovaj podsistem upoređuje utisnuti STS zapis sa lokalnom vremenskom referencom i izračunava dodatno kašnjenje neophodno za sinhronizaciju SFN predajnika.

Slika 3. MIP paket u okviru megafrejma

Procedura uspostavljanja sinhronizacije prilikom emisije signala na predajnicima u okviru SFN mreže prikazana je na Slici 4. [6]: u predajnicima se iz MIP paketa izdvajaju vrednosti STS zapisa i maksimalnog kašnjenja signala kroz mrežu za distribuciju (maximum network delay, koji je, za razliku od STS zapisa, statična promenljiva i treba da bude veoma pažljivo određena, na osnovu tehnologije primenjene u mreži za distribuciju), izražene u jediničnim intervalima od 100ns. U svakom od predajnika se vreme transmisije T_trans određuje po sledećoj relaciji:

T_trans = (STS + maximum_network_delay) mod 10⁷ (1)

Vreme se računa po modulu 10⁷ iz razloga što je osnova referentnog vremenskog signala 1s. Kao što se može uočiti sa Slike 4, kašnjenje signala kroz mrežu za distribuciju za svaki prijemnik ima drugačiju vrednost, ali ona ne može nadmašiti poznatu vrednost maksimalnog kašnjenja, što je elementarni uslov za ispravan rad SFN mreže.

Globalni takt signal frekvencije 10 MHz se koristi u svakom od predajnika za formiranje odgovarajućih frekvencija podnosilaca, čime se postiže i globalna sinhronizacija po frekvencijama, uporedo sa vremenskom.

Slika 4. Sinhronizacija predajnika u SFN mreži

2.6. Sinhronizacija u prijemnicima

U okviru prijemnika je neophodno izvršiti precizno lociranje primljenog signala i po vremenu i po frekvenciji, kako bi dalja ekstrakcija poslatih informacija bila moguća. Nakon što se inicijalno uspostavi, ostvarena sinhronizacija se kontinualno prati i održava tokom rada prijemnika. DVB-T2 signali su formirani tako da ovaj proces bude maksimalno efikasan. Sinhronizacija DVB-T2 signala se u okviru prijemnika ostvaruje na osnovu specifičnih segmenata signala: simbola P1 i P2, rasprostranjenih (scattered) i kontinualnih pilot signala [5].

Po jedan P1 simbol se nalazi u svakom T2 frejmu, kao marker početka samog frejma. P1 signal je formiran tako da se može detektovati uprkos eventualnom prisustvu frekvencijskog ofseta (pomaka); ova mogućnost postoji zahvaljujući delovima P1 signala koji predstavljaju frekvencijski pomerene replike „glavnog” dela P1 (koji predstavlja 1k OFDM simbol), što je prikazano na Slici 5 [5]. Kod simbola P1 ukupno 384 podnosilaca se koristi za transmisiju u okviru nominalnog opsega (od ukupno 853), dok se ostali postavljaju na vrednost nula. Nosioci se popunjavaju nulama po unapred definisanom rasporedu, što može biti od koristi za grubu sinhronizaciju po frekvenciji. Svih 384 „korisnih” nosilaca se moduliše u skladu sa DBPSK tehnikom uz skremblovanje – što omogućava uspešnu ekstrakciju sadržanih informacija čak i u slučaju interferencije (niskog odnosa signal-šum). Prisustvo replika C i B povećava robustnost sistema na pojavu pogrešne detekcije simbola P1, kao i na potencijalni gubitak uspostavljene sinhronizacije.

Slika 5. Struktura simbola P1

Detekcija P1 signala se obavlja u vidu korelacije dva segmenta dodata na krajeve »glavnog« signala. Uz odgovarajuće adaptacije prozora korelacije i iznosa ofseta, ove korelacije daju maksimalnu vrednost pika ukoliko je signal P1 detektovan. Pored potvrde da signal u okviru prijemnika zaista odgovara simbolu P1, ovim procesom se postavlja referenca za vremensku sinhronizaciju i ispravlja frekvencijski ofset sa tačnošću od ±0,5 MHz razmaka između kanala. Po obavljenom procesu validacije se pristupa dekodovanju sadržaja signala P1, koji prijemniku pruža informaciju o FFT modu prenosa koji se koristi. Samo dekodovanje se obavlja na bazi detekcije (korelacije) poznatih sekvenci upotrebljenih za kodovanje sadržaja signala P1.

Kao dodatak (ili alternativa) proceduri sinhronizacije po vremenu i frekvenciji pomoću simbola P1, i za postizanje robusnije sinhronizacije, dodaje se sekvenca PN na pseudo-slučajnu sekvencu (PRBS) rasprostranjenih pilot signala. Pilot signali su modulisani tzv. referentnom sekvencom. Ova sekvenca se formira iz PRBS na nivou simbola i PN-sekvence na nivou rama. Referentna sekvenca se primenjuje na pilot signale. Sinhronizacija se u okviru prijemnika obavlja unakrsnom korelacijom primljenog signala i talasnog oblika sekvence rasprostranjenih pilot signala. Ukoliko se prethodno ne obavlja sinhronizacija po simbolima P1, neophodno je na alternativni način obezbediti informaciju o FFT modu koji se koristi. Rezultati kompleksne korelacije se koriste za uspostavljanje sinhronizacije takta odabiranja, zatim sinhronizacije simbola, potom sinhronizacije po frekvenciji i, na kraju, sinhronizacije rama. Zahvaljujući primenjenom algoritmu, maksimalno vreme akvizicije pri najlošijim uslovima prostiranja je veoma kratko (ispod 0,2 sekunde), prag ispravne detekcije ide do C/N=2 dB u SFN kanalu (-12 dB u AWGN kanalu), frekvencijski ofset koji se može kompenzovati iznosi 500 kHz u kanalu opsega 8 MHz, i nema gubitka sinhronizacije rama u slučaju promene dominantne putanje signala u uslovima višestruke propagacije.

Za početak regularnog rada (ekstrakciju informacionog sadržaja) nakon inicijalnog uspostavljanja sinhronizacije u prijemniku, neophodno je još i poznavanje parametara sadržanih u okviru simbola P2: tzv. signalizacije L1 u signalu DVB-T2. Signalizacijom L1 se prijemniku dostavljaju preostale informacije potrebne za kompletno opisivanje radnog režima.

3. ISTRAŽIVANJE: UTICAJ NEIDEALNE SINHRONIZACIJE PREDAJNIKA U SFN ĆELIJI NA PERFORMANSE SISTEMA

Za potrebe istraživanja simuliran je rad jedne hipotetičke SFN ćelije sa 3 predajnika, u različitim konfiguracijama. Cilj istraživanja je bio: pronaći kritične vrednosti ukupnog međusobnog kašnjenja predajnika tokom emisije pri kojima se prelazi definisani funkcioni prag (usled odstupanja globalnih vremenskih referenci, kao i usled neadekvatnog određivanja vremena emisije u pojedinačnim predajnicima), za različite konfiguracije SFN ćelije.

Kao kriterijum za ocenu napred pomenutog usvojen je odnos C/I u osnovnim jedinicama površine terena: zahteva se vrednost C/I veća od minimuma propisanog standardom za različite konfiguracije sistema, u najmanje 95% površine zone od interesa (ZOI). Iz razloga jednostavnosti tokom simulacija nije uziman u obzir profil terena, već se nivo signala u pojedinačnim tačkama (osnovnim jedinicama površine) određuje na osnovu aproksimativnog izraza za propagaciju signala u slobodnom prostoru [9]. U svakoj pojedinačnoj tački oblasti koja je obuhvaćena simulacijom određuje se snaga signala koji potiču od pojedinačnih predajnika, a zatim se određuje vreme propagacije od predajnika do tačke koja se analizira. Ukoliko je izračunato vreme propagacije kraće od širine zaštitnog intervala Tg, signal se smatra korisnim, dok se u suprotnom slučaju smatra izvorom interferencije. Potom se pristupa formiranju ukupnih veličina korisnog i interferirajućeg signala u vidu proste sume snaga odgovarajućih komponenti, i izračunati odnos C/I poredi sa preciziranom vrednošću praga odlučivanja.

3.1. Scenario 1: standard DVB-T , ZOI oblika trougla, Tg=56µs (2k 1/4 mod, ili 8k 1/16 mod)

U prvom posmatranom scenariju analizira se oblast dimenzija 78 km x 78 km, sa rezolucijom 1 km x 1 km. Predajnici su postavljeni na fiksnim koordinatama (u km): (30, 30), (41, 30) i (35,5, 39,515). Zona od interesa (ZOI) definisana je temenima trougla: (26, 26), (45, 26), (35,5, 44,515). U svakoj tački teritorije se računa odnos C/I. Međusobno rastojanje predajnika d=11 km određeno je kao maksimalno rastojanje pri kom je pokrivenost ZOI 100% za maksimalnu vrednost C/I od interesa u okviru simulacije (39,9 dB za 64-QAM 7/8 po DVB-T, za 95% pokrivanja), u slučaju bez međusobnog kašnjenja na predajnicima tokom emisije signala.

Za različite odnose praga C/I (koji odgovaraju različitim konstelacijama i kodnim količnicima) ispituje se vrednost unetog relativnog međusobnog kašnjenja predajnika τ pri kojoj dolazi do pada pokrivenosti ZOI na 95%. Vrednosti C/I su propisane standardom, korigovane za preporučenu vrednost margine prilikom projektovanja od 3 dB i dodatno za još 9 dB (korekcija za 95% pokrivanja) [10]. Ispitivani su različiti uslovi propagacije (propagacionog kanala), a dobijeni rezultati su prikazani u Tabeli 1.

Tabela 1. Rezultati simulacija u Scenariju 1

Za izabrani oblik ZOI i dato rastojanje između predajnika, maksimalno kašnjenje u slučaju najrobustnije konstelacije pri kom su parametri kvaliteta zadovoljeni ide do 17 µs. Povećanjem kompleksnosti konstelacije (tj. vrednosti praga C/I) vrednost maksimalnog kašnjenja koju sistem može da kompenzuje se smanjuje, sve do vrednosti 6,1 µs, koja predstavlja graničnu vrednost – pri ovoj vrednosti oblast „bez interferencije“ (u koju svi signali sa predajnika stižu za vreme kraće od Tg) zauzima tačno 95% ZOI. Granice ove zone, a samim tim ni granična vrednost kašnjenja, ne zavise od vrednosti C/I.

3.2. Scenario 2: standard DVB-T2, ZOI oblika trougla, Tg="56" µs (2k 1/4, 8k 1/16)

U ovom scenariju analizirana je ZOI oblika i dimenzija istih kao u Scenariju 1, ovaj put pri vrednostima praga C/I propisanim za različite konstelacije/kodne količnike po standardu DVB-T2. Dobijeni rezultati su prikazani u Tabeli 2.

Rezultati simulacija pokazuju da su sistemi DVB-T2 osetno otporniji na pojave interferencije usled kašnjenja signala u poređenju sa klasičnim sistemima DVB-T. Uz širi opseg maksimalnih vrednosti τ koje se mogu kompenzovati, karakteristično je da i složenije konstelacije tolerišu odstupanja veća od granične vrednosti τ (zaključno sa 64-QAM). Granična vrednost je, očekivano, ista kao u prethodnom scenariju: τ=6,1 µs.

3.3. Scenario 3: standard DVB-T2, ZOI oblika šestougla, Tg="56" µs (2k 1/4, 8k 1/16)

Sa ciljem da se analizira uticaj oblika ZOI na rezultate dobijene simulacijom, u ovom scenariju se testovi ponavljaju sa ZOI u obliku šestougla (koji odgovara obliku ćelije kakav se koristi prilikom planiranja ćelijskih sistema u praksi). Zona od interesa definisana je temenima šestougla, odabranim tako da rastojanje od temena do centra opisanog kruga ZOI bude isto kao u slučaju Scenarija 1. Međusobno rastojanje predajnika d=10 km određeno je po istom kriterijumu kao u Scenariju 1. Testovi se ponavljaju za vrednosti C/I formirane u skladu sa standardom DVB-T2, kao u Scenariju 2, i dobijeni rezultati su prikazani u Tabeli 3.

Tabela 2. Rezultati simulacija u Scenariju 2

Tabela 3. Rezultati simulacija u Scenariju 3

U slučaju kada se ZOI SFN ćelije modeluje u formi šestougla, vrednosti maksimalnog kašnjenja koje sistem može da kompenzuje opadaju. Takođe, smanjuje se i granična vrednost maksimalnog kašnjenja, koja sada iznosi τ=3,3 µs i dostiže se još za QPSK signale u slučaju kanala sa Rejlijevim fedingom. Analizirani slučaj verodostojnije oslikava situaciju u praksi nego Scenario 1, i pokazuje da postoji jaka zavisnost između odabrane forme ZOI i vrednosti kašnjenja koje se mogu tolerisati.

3.4. Scenario 4: varijacije parametara sa ciljem poboljšanja performansi

U završnom setu simulacija razmatrane su mogućnosti manipulacije globalnim parametrima koje vode povećanju tolerancije sistema na pojave interferencije usled kašnjenja signala. Simulacije su izvedene pod istim uslovima kao u Scenariju 3. Konstatovano je da postoje najmanje dva pristupa koji mogu dovesti do poboljšanja performansi sistema: 1) korekcije fizičkih pozicija (prostorni raspored predajnika), i 2) korekcije međusobnog odnosa snaga predajnika.

Korigovanjem prostornog rasporeda predajnika moguće je direktno uticati na snagu kako korisnog signala, tako i interferirajućih komponenti u pojedinim segmentima ZOI. Pri tom, konstatovano je da izvesne korekcije vode povećanju maksimalne vrednosti kašnjenja za robustnije modulacione postupke, ali istovremeno vode i smanjenju granične vrednosti kašnjenja za složenije modulacije, što u nekim slučajevima ne predstavlja zadovoljavajuće rešenje. Izvesne korekcije vode ka istovremenom poboljšanju obe ove veličine, pa se može zaključiti da je pozitivan efekat moguće postići pomenutim pristupom, ali mu treba prići sa oprezom i uz detaljne analize. Ovakav pristup karakteriše jedna bitna odlika: promene fizičkih pozicija predajnika su najčešće u praksi vrlo teško izvodljive, tj. predajnici se montiraju na statičnim lokacijama, prema rasporedu koji je unapred definisan projektom. Stoga opisani pristup ima punu upotrebnu vrednost samo tokom procedure planiranja sistema, dok je za korekcije pri uslovima formirane infrastrukture SFN ćelije neophodno razmotriti neke fleksibilnije metode za poboljšanje performansi sistema.

Ukoliko bi se emisija vršila različitim snagama sa pojedinačnih predajnika, rezultujući odnos C/I ne bi zavisio samo od rastojanja između posmatrane lokacije i pojedinačnih predajnika [11], već bi i međusobni odnosi snaga predajnika predstavljali bitan faktor prilikom proračuna odnosa C/I. Samim tim, korekcije snaga predajnika mogu poslužiti kao sredstvo za manipulaciju vrednostima veličine C/I u pojedinim oblastima ZOI. Izvedeni su eksperimenti sa korekcijama međusobnih odnosa snaga predajnika pod uslovima kao u Scenariju 3: zaključeno je da je manipulacijama međusobnih odnosa snaga predajnika u ćeliji moguće postići kako poboljšanja maksimalne vrednosti kašnjenja koje sistem može da kompenzuje pri određenim radnim parametrima, tako i do istovremenog povećanja granične vrednosti kašnjenja, definisane granicama zone bez interferencije.

Korekcije snaga predajnika po svojoj prirodi predstavljaju jednostavan, fleksibilan proces, bez fizičkih ograničenja koja karakterišu proceduru promene lokacija predajnika u ćeliji. Dalje, sva uočena poboljšanja mogu biti rezultat smanjenja predajnih snaga u odnosu na projektovane vrednosti, pa je moguće predvideti ih prilikom projektovanja u vidu ostavljanja određene „rezerve“ u snazi predajnika. Sve korekcije snage, koje eventualno slede, tada rezultuju čistom uštedom u potrošnji. Na kraju, simulacije pokazuju da je nivo performansi sistema, u smislu vrednosti relativnog kašnjenja između predajnika koje se mogu tolerisati tokom emisije, ovakvim pristupom moguće višestruko poboljšati.

4. ZAKLJUČAK

Opisani aspekti problema sinhronizacije SFN mreža rešavani su kroz odgovarajuće studije, standardi su propisani preporukama regulacionih tela, a neka pitanja su i danas interesantna za naučna razmatranja. Usvojena rešenja za postizanje neophodne sinhronizacije danas su sastavni deo koncepta SFN mreža koje uspešno funkcionišu u praksi, čime se ideja o mrežama za radio emitovanje signala na identičnoj frekvenciji za potrebe difuzije potvrđuje na najdirektniji mogući način. Neposredna veza problematike SFN mreža sa pitanjem digitalnog emitovanja TV signala u sistemima DVB-T i DVB-H čini SFN mreže veoma aktuelnim, pre svega u svetlu tekućih aktivnosti globalne translacije difuznih sistema u sferu digitalnih telekomunikacija. Metod korišćen prilikom simulacija opisanih u ovom tekstu se može koristiti kao idealistički metod, čiji rezultati predstavljaju minimum zahteva koje treba zadovoljiti prilikom planiranja i projektovanja sistema. Red veličine maksimalnih vrednosti kašnjenja koje sistem može da kompenzuje, dobijenih u simulacijama, u potpunosti odgovara realnim vrednostima ovih veličina (±1 µs tolerancije prilikom projektovanja, ±5 µs po rezultatima u praksi). Navedeni podaci u potpunosti potvrđuju validnost optimističkog modela primenjenog u opisanom istraživanju, i upućuju na korektnost predloženih mehanizama za poboljšanje performansi sistema.

Literatura

[1]Rec. ETSI EN 300 744 V1.4.1, January 2001.

[2]Rec. ETSI TS 101 191 V1.4.1, June 2004.

[3]Rec. ETSI TR 101 190 V1.2.1, July 2004.

[4]Rec. ETSI EN 302 304 V1.1.1, November 2004.

[5]Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2), DVB Document A133, February 2009.

[6]Technical Overview of Single Frequency Network, White paper, Enensys Technologies, www.enensis.com (23.09.2009.).

[7]D. Lovrie and R. Cronk: “Single Frequency Networks Require Robust Time and Frequency Synchronization”, White paper, Symmetricom Inc., May 2007.

[8]SFN Synchronization over a Packet Backhaul Network, White paper, Channelot Ltd.

[9]M.P. Clark: Networks and Telecommunications, John Wiley, 1997.

[10]ECC REP004 Annex – Criteria for planning DVB-T, 2002.

[11]T.S. Rappaport: Wireless communications: Principles & Practice, Prentice-Hall Inc., 2002.

Autori

Vladimir D. Orlić je diplomirao 2007. godine na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, Odsek za elektroniku, telekomunikacije i automatiku, smer Telekomunikacije. Tokom 2007. zaposlen u IMTEL Mikro-opt D.D, a od 2008. u preduzeću IMTEL Komunikacije A.D, na poziciji inženjera za istraživanja i razvoj. Trenutno obavlja dužnost rukovodioca Odeljenja za digitalnu obradu signala preduzeća IMTEL Komunikacije A.D. Autor je više radova objavljenih u domaćim i međunarodnim časopisima i na konferencijama. Član je IEEE Communications Society, IEEE Circuits and Systems Society i IEEE Instrumentation and Measurement Society. Dobitnik je nagrade „Blažo Mirčevski” za najbolji rad mladog autora na konferenciji TELFOR 2007.

Radoslav K. Simić je diplomirao 1979. godine na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu. Magistrirao je na istom fakultetu 2001. godine sa radom na temu Sinhronizacija IDN mreža. Od 1979. do 2006. godine bio je zaposlen u Zajednici JPTT, gde je od prvog dana radio na problemima vezanim za digitalizaciju i modernizaciju nacionalne telekomunikacione mreže. Uradio je brojne tehničke propise iz različitih oblasti telekomunikacija. Dao je koncept digitalizacije magistralne telekomunikacione mreže, autor je Generalnog plana telefonske mreže i knjige „Digitalne telekomunikacione mreže”, kao i brojnih stručnih i naučnih radova koji su objavljeni u domaćim i inostranim časopisima. Mr Simić je više puta bio predavač na domaćim i međunarodnim konferencijama, kao i na ITU-T seminarima. Od 2006. godine zaposlen je u RATEL-u gde radi na problemima koji se odnose na javne telekomunikacione mreže. Od 2006. godine aktivni je učesnik u radu ITU-T Studijske grupe XV, po pitanju Q.13 koje se odnosi na sinhronizaciju digitalnih mreža sa komutacijom paketa. Profesionalni interes mu je sinhronizacija digitalnih telekomunikacionih mreža.