Сотовые системы телевидения (Технология мобильного телевидения стандарта DVB-H)

Содержание:

Введение

Мы живем в мире информации, которая удваивается каждые 3-4 года. Любая информация, получаемая и создаваемая человеком, нуждается в быстром распределении. Запоздалая информация обесценивается и не представляет никакого интереса. Распространение информации всегда сдерживалось техническими возможностями. Нужны были носители информации. Затем появилась бумага. Курьеры, почтальоны и голуби были долгое время главными разносчиками почтовой корреспонденции. Коренной перелом в развитии средств связи внесла электроника. В качестве носителей информации выступили магнитные волны. Наступила новая эпоха в развитии средств связи. Телеграф (1841 – Якоби Б.С.), телефон (1876 – Белл А.Г.), радио (1895 – Попов А.С.) совершили революцию в информационном мире и технике связи. Человечество движется по пути создания глобального информационного общества. Его основой станет глобальная информационная структура, составляющие которой будут мощные транспортные сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и её персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) – вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые в настоящее время.

Высокие скорости, интеллектуальность, мобильность, доступность – главные особенности и качества современной связи.

Инфокоммуникационные технологии в радиосвязи и телевещании включают широкий круг вопросов формирования, передачи и приема сигналов. При этом проблема доставки информации потребителю приобретает первостепенное значение. Для этой цели используются широко известные каналы радиосвязи, спутниковые, кабельные (коаксиальные и оптоволоконные) и многие другие линии связи.

По характеру среды распространения сигналов принято телерадиовещательные системы называть наземными (эфирными), спутниковыми и кабельными. Следует отметить, что выше указанное деление телерадиовещания в некоторой степени условно, так как имеет место тесное взаимодействие между ними в процессе доведения информации до пользователя. Кроме того, в настоящее время наблюдается тенденция взаимодействия различных систем передачи цифровой информации, когда в общий цифровой поток вводятся ТВ и радиовещательные программы, телефония, передача данных, пакетная передача информации (IP, Frame Relay, ATM). Происходит процесс конвергенции отраслей телевидения и телекоммуникаций, означающий внедрение в ТВ вещание информационных технологий.

Основные достоинства радиосистем широкополосного доступа

По мнению многих специалистов в области телевидения для организации многопрограммного телевидения считается целесообразной замена традиционного наземного способа передачи телевизионных сигналов, в том числе и цифровых, микроволновой распределительной телевизионной системой с низким уровнем излучения электромагнитных волн. На практике используются различные варианты микроволновых распределительных телевизионных систем, которые соответственно имеют следующие названия: MMDS – Multichannel Microwave Distribution System – многоканальная микроволновая система распределения; LMDS – Local Multipoint Distribution System – локальная многоточечная система распределения; MVDS – Multipoint Video Distribution System - многоточечная система распределения телевизионных программ. Часто подобные системы называются сотовыми системами телевещания (системы Cellular Vision). Следует заметить, что разница в названиях данных систем весьма условна, поскольку рекомендации для них разрабатывались в разных странах, находящихся на различных континентах. Особенно эффективным является использование микроволновых распределительных систем в районах со слабо развитой инфраструктурой линейно-кабельных сооружений и на территориях с малой плотностью жилой застройки.

С внедрением цифровых методов передачи и организацией обратных каналов в системах MMDS, LMDS и MVDS появилась возможность предоставления полного набора телекоммуникационных услуг широкополосного радиодоступа абонентам. Причем архитектура подобных распределительных систем может быть двух типов: «точка-точка», либо представлять собой «звезду», т.е. «точка - много точек». В данном случае в центре «звезды» находится головное (центральное) приемо-передающее радио-, модемное и компьютерное (провайдерное) оборудование, способное непосредственно принимать радиосигналы звукового и телевизионного вещания, передаваемые по эфиру или с помощью спутниковых систем связи. По выделенным каналам связи головное оборудование принимает сигналы программ звукового и телевизионного вещания напрямую из радио- и телевизионных студий, соединяется с магистралью Интернета, с телефонной сетью общего пользования, с сетью передачи данных, с компьютерными сетями различных уровней, с сетями сбора данных телеметрии (инженерно-коммунальные службы, УВД, ДОБДД, МЧС, пожарные и охранные службы, органы гражданской обороны и т.д.).

Частным случаем радиосистем широкополосного доступа (сотовых систем телевещания) является система MMDS, которая представляет собой широкополосный передающий комплекс, осуществляющий трансляцию передаваемой на его вход информации в полосе частот шириной 200 МГц. Она аналогична радиорелейной линии, но отличается тем, что предназначена для охвата телекоммуникационными услугами больших территорий. В России для систем MMDS выделена полоса частот 2,5…2,7 ГГц при условии использования амплитудной модуляции. В состав передающего комплекса входит один или несколько радиопередатчиков, сумматоры, линии связи между радиопередатчиками и передающей антенной, одна или несколько передающих антенн.

В практике проектирования и монтажа систем MMDS используются два варианта построения структурных схем: одноканальный и многоканальный.

В одноканальном варианте для передачи n телевизионных программ применяются n передающих устройств, включающих модулятор и собственно радиопередатчик, а суммирование мощности разных передатчиков осуществляется непосредственно в антенне (рис.15.14).  

М – модулятор; П – передатчик; А – антенна

Функциональная схема системы MMDS при использовании одноканальных радиопередатчиков

В многоканальном варианте передаваемые n телевизионных сигналов различных программ сначала поступают на свои модуляторы, далее из них формируется групповой сигнал, который модулирует широкополосный радиопередатчик, работающий на общую антенну (рис.15.15).

Многоканальные, или групповые, передатчики целесообразно использовать в небольших городах и поселках городского типа, где радиус зоны покрытия не превышает 6 км.

По сравнению с передатчиками традиционного наземного телевидения мощность передатчиков MMDS значительно ниже. Ее типовое значение в области частот 2,5 ГГц не более 100 Вт. Возможен как индивидуальный прием сигнала в пределах прямой видимости с помощью малогабаритных приемных антенн, совмещенных с конвертором, который переносит принимаемый групповой сигнал в область более низких частот, так и через антенные устройства SMATV (Satellite Master Antenna TV – телевизионная система коллективного пользования), обеспечивающие телевизионными сигналами жилые массивы. В случае невозможности обслуживания необходимой территории с одной точки, в теневых зонах устанавливаются автономные ретрансляторы.

М – модулятор; П – передатчик; А – антенна

Функциональная схема системы MMDS при использовании многоканальных радиопередатчиков

Непосредственно к сотовым системам телевидения относится очень перспективная система LMDS, работающая в полосе частот более 23 ГГц, т.е. на почти миллиметровых волнах, и использующая помехоустойчивый вид модуляции QPSK, применяемый в спутниковом вещании.

Система сотового телевидения LMDS работает по следующему принципу: в пределах зоны охвата устанавливается сеть радиопередатчиков (базовых станций – БС) с радиусом действия около 5…6 км. Приемное устройство использует плоскую небольшую по размерам антенну, которая может устанавливаться как в помещении, так и вне его. В системе LMDS телезритель получает сигналы сразу с нескольких спутников. Специальные устройства, установленные на БС, улавливают сигналы различных программ с разных ИСЗ и ретранслируют их абонентам. Такая система обеспечивает возможность абонентам принимать в среднем до 100 телевизионных программ, причем отпадает необходимость иметь дешифратор (как в случае с обычной спутниковой системой) – к телезрителям телевизионные сигналы с различных спутников поступают уже в расшифрованном виде. Система LMDS удобна еще и тем, что может работать в интерактивном режиме и включать в себя целый набор телекоммуникационных услуг.

Сотовые системы телевещания MVDS работают в полосе частот 40,5…42,5 ГГц и используют радиопередатчики мощностью около 1 Вт. В данном случае один радиопередатчик с ненаправленной антенной или группа передатчиков с антеннами секторной направленности, имеющими большой коэффициент усиления, составляют БС. Радиопередатчик БС передает в эфир сигнал с несколькими несущими в диапазоне частот миллиметровых волн. Излучаемый сигнал имеет ширину спектра 1…2 ГГц и содержит информацию большого числа региональных программ, а также принимаемых со связных ИСЗ. Многоканальный сигнал может поступать на вход радиопередатчика уже скомпонованным на специальной региональной станции, либо непосредственно формироваться на БС с помощью соответствующих мультиплексоров.

С помощью системы MVDS в полосе частот 2 ГГц можно организовать от 96 до 128 аналоговых телевизионных каналов с предоставлением интерактивных услуг (или в несколько раз больше цифровых), причем каждый из них будет занимать полосу частот от 29,5 до 39 МГц. Однако максимального значения число частотных каналов достигает лишь при работе одиночной БС. При наличии в сети множества сот применяются БС с четырехсекторными антеннами. Частотное планирование сети осуществляется благодаря использованию различных радиочастот или поляризации излучаемого сигнала в каждом секторе. Фиксирование абонентской антенны в такой системе позволяет использовать сигналы с различной поляризацией. В результате выполнения указанных условий, исключающих влияние соседних БС друг на друга, возможное число транслируемых программ уменьшается в 4 раза.

Современные системы такого типа обеспечивают передачу радиосигналов на экологически безопасных уровнях мощности – 100…300 мВт на один канал.

Следует особенно отметить, что подобные системы хорошо работают именно в городах, где СВЧ-сигнал доходит до абонентов, не находящихся в зоне прямой видимости, после многократного отражения от стен домов. Для улучшения приема в особо затененных местах применяют сравнительно недорогие устройства – пассивные ретрансляторы.

Абонентское оборудование сотовых систем телевидения представляют собой традиционный спутниковый тюнер, работающий в диапазоне частот 950…2050 МГц. Антенна выполняется вместе с СВЧ-приемником, осуществляющим первое преобразование частоты с целью ее понижения, в едином блоке, представляющим собой легкое компактное устройство диаметром около 150 (в диапазоне 40 ГГц) или 250 мм (в диапазоне 23 ГГц).

Технология мобильного телевидения стандарта DVB-H

Проведенные исследования показали, что по сравнению со стандартом DVB-Т работа в стандарте DVB-H требует дополнительных технических качеств, поскольку производится мобильный прием на ручные устройства. Отсюда следует, что доступная энергия ограничена (DVB-Т требует в 7 раз больше энергии), антенна встроена и имеет небольшие размеры, в этом стандарте могут быть задействованы небольшие соты, то есть потребуется применять принципы сотовой связи. В стандарте DVB-H, в отличие от DVB-Т, введен режим разделения времени (time slicing), что дает 80-90 % экономии энергии, поскольку тюнер включается только на периоды приема временных слотов, соответствующих выбранной услуге, остальное время он выключен. (Временные слоты, соответствующие разным услугам, могут различаться по длительности.) Кроме того, в DVB-H производится проверка смежных сот (процедура hand-over - перенастройка на работу с новой сотой), здесь произведены улучшения методов кодирования и модуляции для работы в условиях мобильности и импульсных помех. В качестве транспортной среды в DVB-H используется IP. Тем не менее, DVB-H создан как продолжение достижений DVB-Т.

Существуют и другие стандарты мобильного ТВ, являющиеся кандидатами на использование. Три из них уже очевидны, это:

DMB (корейская разработка, основанная на европейской системе DAB).

Запатентованный Qualcomm MediaFLO.

Усовершенствованные разработки индустрии мобильных операторов (mbms, HSDPA).

В настоящее время оценка аргументов за и против этих систем производится на различных форумах, особенно в Европе: EBU, bmco forum, национальные форумы. Предварительные исследования позволяют предположить, что если будут найдены свободные полосы в диапазоне дециметровых волн (UHF), то более сильным кандидатом по сравнению с DMB остается DVB-H (при условии, что передается больше 10 услуг). Также маловероятно, что mbms и HSDPA смогут обеспечить удовлетворительную среднюю загрузку существующих сетей мобильных операторов.

Система DVB-H создана, чтобы решать проблему, которую не могут решить сети мобильной телекоммуникации, это одновременная доставка одного и того же контента многим пользователям. При этом система цифрового вещания адресуется на мобильные и ручные устройства. Однако многие из устройств - это мобильные телефоны, которые часто субсидируются мобильными операторами. Телевещание на такие устройства может оказать влияние на трафик мобильных операторов. Выход из данной ситуации - это заключение с вещателями обоюдовыгодных соглашений по разделению доходов или же другие меры, например, развитие интерактивности. Важно отметить, что система DVB-H работает в частотных диапазонах, отведенных под вещание (обычно это диапазон UHF). Пока у мобильных операторов доступа в эти диапазоны нет.

При подготовке рабочей бизнес-модели следует учитывать технические аспекты мобильного вещания: целью системы является передача на ручные устройства, которые находятся на высоте 1,5 м от поверхности земли, также возможен прием в помещении или мобильный прием. Поэтому мощность передачи должна быть значительно выше, чем обычно требуется для DVB-Т., следовательно, стоимость сети будет существенно выше (сеть будет плотнее, но гораздо менее плотной, чем сети мобильных операторов). Однако такая сеть сможет доставлять гораздо больше услуг, чем сеть DVB-Т. Обычная цифра - это 30 услуг, в то время как для DVB-Т это 6 каналов в цифровом пакете. Поскольку сеть DVB-H должна быть более плотной, чем сеть DVB-Т, будет необходимо строить новую сеть.

Может существовать три бизнес-модели предоставления услуг:

- Бесплатные услуги (как в Корее). Но при этом появляются вопросы - достаточно ли доходов от рекламы для финансирования услуг и в чем состоит заинтересованность мобильных операторов, особенно если они субсидируют телефонные трубки.

- Финансирование за счет платы за доступ, с разделением доходов между вещателями и мобильными операторами (такая бизнес-модель применяется в финском пилотном проекте мобильного ТВ).

- Финансирование за счет вспомогательных услуг, приносящих доход (японская модель). Здесь бесплатные услуги, предоставляемые пользователю, будут активировать поток услуг.

Что касается нормативных вопросов, прежде всего, желательно использовать цифровые пакеты, основанные исключительно на услуге DVB-H. Дело здесь в том, что у мобильных ручных приемников антенны гораздо меньше, чем у стационарных или портативных телевизоров. При одинаковых уровнях мощности площадь покрытия для DVB-H оценивается как в 5 раз меньшая, чем площадь покрытия для портативного DVB-Т., следовательно, сосуществование услуг DVB-Т и DVB-H в одном канале технически возможно, но оно будет далеко не идеальным. Для того чтобы получить требуемую площадь покрытия для ручных устройств с нужной мощностью сигнала, потребуется особый подход к планированию для DVB-H, похожий на создание плотных сотовых сетей для телекоммуникационных услуг.

Поэтому существует другой вариант, это использование всего канала под услуги DVB-H. Тогда появляется дополнительная выгода - возможность одновременно предлагать 30-50 услуг больше привлекает и заинтересовывает пользователя. Те, кто планируют сеть, теперь могут более продуктивно использовать спектр в тех местах, где используются ручные устройства.

Что касается диапазонов для работы, то разработчики систем DVB-H высказывают предпочтение частотам в диапазоне IV (470-650 МГц, UHF). Это близкий к оптимальному диапазон для любых беспроводных радио услуг. Это достаточно низкие частоты для того, чтобы получить достаточную дальность распространения сигнала, и достаточно высокие частоты в смысле минимизации индустриальных помех. Для разработчиков ресиверов, совмещенных с мобильными телефонами, этот диапазон удобен тем, что при работе в нем минимальна возможная интерференция в ресивере между приемом DVB-H и передачей GSM/UMTS.

В ближайшей перспективе рассматриваемые услуги следует предлагать на национальном уровне, чтобы охватить большие сегменты населения. Существует острая необходимость в общеевропейской координации, чтобы создать на европейском рынке условия для производителей оборудования, особенно на уровне пользователя (мобильные телефоны, КПК, ресиверы в автомобилях и т.д.), в ситуации, когда доступность частот в диапазоне UHF существенно отличается от одной страны к другой.

В более отдаленной перспективе, после первой стадии развития мобильного вещания, для дальнейшего развития услуг понадобятся дополнительные частоты. Можно будет задействовать спектр, высвобождаемый при переходе на цифровое вещание (в тех странах, где такое высвобождение происходит). Таким образом, прежде чем будет отключено аналоговое вещание, совершенно необходима координация в масштабах Европы, для того чтобы предотвратить в Европе фрагментацию, и чтобы создать нужные условия для производителей оборудования, поддерживающего данные услуги хотя бы на европейском рынке. Конечно, крайне желательна кооперация в мировом масштабе.

Основные выводы таковы:

Мобильное телевидение является естественным развитием телевизионного бизнеса. Если с одной стороны мы движемся к ТВЧ 16:9, то с другой стороны находятся мобильные и ручные устройства, которые позволяют достичь наших зрителей везде и в любое время.

Первые запуски ТВ услуг в сетях 3G (в кооперации вещателей и мобильных операторов) выявили интерес потребителя.

Пришло время массового внедрения данных услуг, а путь предоставления населению привлекательного сервиса по доступной цене - это сотрудничество вещателей и мобильных операторов.

Области приложения для мобильного ТВ

1. Доставка вещательных программ в реальном времени. Для этого требуется сеть не сотовой структуры (стандарт DVB-H), трансляция ведется по принципу "точка-многоточка" (one-to-many), телевизионные программы просматриваются в реальном времени один раз, и нет возможности "перезапросить" пропущенную программу. Такой вариант характеризуется невысокой стоимостью и высоким качеством.

2. Потоковое видео (streaming). Здесь требуется сотовая сеть, вещание ведется адресно на каждое абонентское устройство (one-to-one, "точка-точка"), абонент выбирает заранее записанные клипы. Обычно просмотр на абонентском устройстве производится один раз, и редко, когда просмотр производится многократно (тогда процедура выполняется снова). Существуют ограничения по пропускной способности сотовой сети, могут возникнуть проблемы, если все абоненты будут скачивать контент одновременно.

3. Загрузка видео. Требуется сотовая сеть, загрузка ведется адресно на каждое абонентское устройство (one-to-one, "точка-точка"), абонент выбирает заранее записанные клипы, может их просматривать на абонентском устройстве много раз. Обычно контент загружается ночью, когда меньше загрузка сети, затем контент просматривается с карточки памяти.

Именно применение IP в DVB-H позволило сделать телевидение мобильным. Если в DVB-T, где в пакете передается 3-5 телеканалов на большой телеэкран, скорость на одну программу составляет 4-5 Мбит/с, то при передаче данных по IP технологии в DVB-H на маленький экран передается 10-55 каналов, и скорость составляет 200-500 кбит/с на одну программу.

Поскольку вещательное ТВ во всем мире является наиболее популярным развлечением в домашних условиях, оно должно стать движущей силой для развития мобильного ТВ. Происходит цифровая конвергенция, то есть мобильные телефоны становятся не только устройством для коммуникации, но и приспособлением для развлечений, для игр, а также для получения информации (путешествия, погода, спортивные результаты).

Мобильное ТВ можно использовать во время поездок в транспорте, в периоды ожидания, в течение перерывов на работе и на отдыхе. В качестве контента для мобильного ТВ могут быть использованы новости, спорт, комедии, музыка, реалити-шоу, мультфильмы, мыльные оперы. Потребитель ожидает от мобильного ТВ определенного качества изображения и звука, хорошей доступности услуг, большой зоны покрытия. При этом люди не должны думать, что цена слишком высока.

Предлагается такая классификация услуг мобильного ТВ:

- "ТВ по запросу" предполагает выбор контента и времени просмотра, оно интерактивное и персонализированное.

- "Push TV" - это просмотр событий в тот момент, когда они происходят, участие абонентов в тематических группах (местная, спортивная, новости и т.д.). Вещание наполнено всяческими событиями (голы, важные новости), оно интерактивное и персонализированное (заказ темы производится предварительно, подтверждать его не надо).

- "Live TV" - это "обычное" телевидение с просмотром по расписанию. Контент такой же, как в обычном телевидении, или же модифицированный, вещание интерактивное и персонализированное.

В качестве бизнес-моделей мобильного ТВ предлагаются модели:

Рекламная - модель бесплатного телевидения.

Подписка - модель кабельного (платного) ТВ.

Интерактивная - модель "голосуй и передавай приветы".

Транзакция - "плата за просмотр".

Качество изображения у мобильного ТВ пока недостаточно, выбор каналов достаточен (неограниченное количество "каналов" в технологии MBMS+HSDPA).

Анализ аудитории по результатам маркетинговых исследований показывает довольно большой интерес. Наиболее интересными для абонентов услугами оказались:

- футбольные обзоры, например, счет матчей;

- новости (общие и спортивные);

- мультфильмы;

- реалити-шоу, например, Big Brother.

Телевизионные продукты класса В2С (busyness to client) для мобильного ТВ можно разбить на три категории. Первая категория - это "классический" продукт, сюда относится стандартное телевещание, телевидение по интересам, телевидение "pay per view". Такой продукт предназначен для вещания, потребитель не может как-либо повлиять на содержание программ, и распределяется он по технологии "точка-многоточка", поэтому наиболее предпочтительной здесь будет технология DVB-H.

"Push" продукты - это файлы, загружаемые по расписанию. Если контент компилируется провайдером и автоматически загружается в память конечного устройства, то, очевидно, здесь используется распределение "точка-многоточка" и хорошо подойдет технология DVB-H.

Если же пользователь подписывается на контент, который затем автоматически загружается в память конечного устройства, и используется распределение "точка-точка", то более предпочтительной оказывается технология UMTS. Точно так же технология UMTS более предпочтительна для продуктов категории "Pull" (загрузка файлов и потоковое видео (streaming) по запросу). Здесь пользователь принимает решение о содержании программ, которые он будет получать на свое устройство, и используется распределение "точка-точка".

Хотя в настоящий момент существует определенная стандартизация в сфере DVB-H, надо еще решить массу вопросов, они сейчас прорабатываются группой DVB-CBMS. Например, не ясны некоторые протоколы доставки контента, форматы кодировки видео, вопросы роуминга. Данный рынок в конечном итоге может финансировать только конечный клиент, контент должен кодироваться.

Вывод

Мобильное телевидение (Mobile TV) – это одна из наиболее стремительно развивающихся сфер телевидения. Аналогично наземному цифрового ТВ вещанию DVB-T для мобильного телевидения был принят стандарт DVB-H, хотя у него есть серьезные конкуренты.

В мобильном телевидении присутствуют такие важные сферы как интерактивность и платная услуга. А поскольку сотовый телефон уже подключен к сотовой связи, то информация о владельце содержится в базе данных оператора сети сотовой связи. Кроме того, эта сеть одновременно является каналом обратной связи. На рисунке 9.11 представлена обобщенная схема мобильного телевидения.

Мобильное ТВ требует от передающей системы соблюдения особых условий. Первым в ряду этих условий является энергосбережение, поскольку даже самые современные батареи питания мобильных терминалов обеспечивают довольно короткий срок работы аппарата при использовании его в активном режиме.

Системы спутникового, кабельного, сотового и мобильного телевидения прочно вошли в жизнь. Они обеспечивают телевизионным вещанием все население нашей страны, является так же неизбежным спутником в производственной деятельности, облегчают нашу работу и повышают производительность труда.