Способ модернизации SFN DVB-T

СПОСОБ МОДЕРНИЗАЦИИ SFN DVB-T

Школьный Станислав Игоревич,

аспирант кафедры ЭиСС ДВФУ, ФГОБУ ВПО МТУСИ, Москва, Россия, nimagt@gmail.com

Проектирование и модернизация одночастотных сетей представляет собой нетривиальную задачу. Увеличение размеров зоны покрытия и решение проблемы теневых зон не могут быть достигнуты простым увеличением мощности передатчика либо увеличение высоты подвеса антенны, так как в этом случае увеличивается перекрытие зон обслуживания соседних передатчиков и снижаются качественные характеристики сигнала в этих зонах. Представлены теоретические и практические аспекты одного из способов модернизации SFN DVB-T. Рассмотрены особенности моделирования одночастотных сетей DVB-T. Предложена модель одночастотной сети вещания, состоящая из четырех блоков: модель распространения радиоволн, модель передающей станции, модель приемной станции, геоинформационная система. В качестве модели распространения радиоволн предполагается использовать модель Лонгли-Райса и ее модификации, которые обеспечивают удовлетворительную точность для условий сложного рельефа и плотной городской застройки. Подробно рассмотрена модель приемной станции. Приведены формулы, которые позволяют достоверно оценить характеристики сигнала в том случае, когда на приемную антенну поступает несколько копий сигнала от разных передатчиков. Предложена целевая функция, позволяющая количественно оценить конфигурацию сети с точки зрения оптимальности. Для повышения качества предлагаемого решения, в целевую функцию введены весовые коэффициенты, учитывающие тип подстилающей поверхности. Обсуждаются особенности программного комплекса, реализующего представленную методику модернизации сети. Приведена обобщённая схема программного комплекса, обсуждаются основные детали его реализации. Проведена верификация программного комплекса по данным измерений сети DVB-T города Владивостока, а так же по данным, полученным в ПО RadioMobile. Проведены эксперименты по оптимизации зоны обслуживания Владивостокской сети DVB-T, а так же специально разработанной эталонной сети. При этом было достигнуто увеличение зоны обслуживания на 6-10%, в зависимости от конфигурации сети. Таким образом, была подтверждена работоспособность разработанного комплекса, а так же возможность добиться существенного роста зоны обслуживания при модернизации SFN DVB-T.

Для цитирования:

Школьный С.И. Способ модернизации SFN DVB-T // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №5. - С. 57-62. For citation:

Shkolniy S.I. Method of DVB SFN optimization. T-Comm. 2015. Vol 9. No.5, pp. 57-62. (in Russian).

Введение

Известно, при планировании многочастных сетей РУВ-Т могут быть использованы простые модели с регулярным расположением передающих станций и регулярным распределением каналов, так как они лишены большого количества проблем, связанных с синхронизацией передатчиков [I]. Корректное планирование одночастотных сетей (ЗРГЧ) предполагает обязательный учет взаимного влияния передатчиков синхронной зоны - так называемого эффекта сетевого усиления. Если эффекты сетевого усиления не были в достаточной степени учтены при проектировании сетей, либо практические исследования действующей сети демонстрируют проблемы с приемом в зонах с высоким уровнем сигнала, необходимы работы по оптимизации сети. За счет правильного выбора некоторых параметров сети возможно добиться увеличения размеров зоны обслуживания, а также качества приема внутри зоны без существенных затрат [2].

В работе обсуждаются особенности одного из способов оптимизации существующих БРЫ ОУВ-Т. Рассматриваются вопросы выбора возможных показателей качества вещания в зоне БРЫ на основе параметров, изменение которых не потребует существенных капитальных вложений. Обсуждаются особенности программного комплекса, разработанного для выбора оптимального варианта сети.

Моделирование сети ОУВ-Т

Определим цель модернизации действующей ЭРЫ РУВ-Т как повышение эффективности ее работы без существенных капитальных затрат, понимая при этом под эффективностью обобщенный критерий, характеризующий размер зоны обслуживания - процент охвата при заданных численных значениях критерия надежности и качества сигнала в точке приема. Тогда эффективность работы сети будет определяется через совокупность таких параметров, как уровень сигнала, отношение сигнал/шум во всех точках приема. Оценка названных величин, а значит и эффективность работы сети, возможна либо проведением непосредственных полевых измерений, либо методами математического моделирования. Особенности расчета обобщенного критерия эффективности рассмотрим на основе модели эфирной сети вещания, которую можно представить в виде нескольких блоков:

Модели распространения радиоволн

На практике для моделирования зоны обслуживания эфирных сетей, в том числе сетей РУВ-Т2, используются

двумерные модели распространения для дальней зоны. Стандартом является модель, изложенная в рекомендациях ITU Р. 1546 [3]. Рекомендации Р. 1812 [4] дополняют рекомендации Р. 1546 и позволяют учесть особенности конкретной трассы. Изложенная в вышеназванных рекомендациях методика является в большей степени компромиссной и не отличается высокой точностью. В том случае, когда профиль трассы определяется одним или несколькими изолированными препятствиями, расчет оспаб-ления сигнала проводится в соответствии с рекомендациями ITU Р.526[5]. Данные рекомендации содержат ряд моделей, позволяющих оценить влияние дифракции на ослабление сигнала для различных типов трасс и препятствий. Вышеназванные модели рекомендованы МСЭ, однако список ими не ограничивается [6].

В ряде работ приводятся положительные результаты исследований по возможности использования модели Лонгли-Райса в задачах расчета зон покрытия цифровых передатчиков [6,7]. Данная модель учитывает ослабление в свободном пространстве, дифракционные эффекты, тропосферное рассеивание, что обеспечивает достаточно высокую точность расчета для сложных трасс различной длины. Оригинальная модель Лонгли-Райса имеет два режима использования: точка-область и точка-точка. Первый предполагает использование усредненных параметров, характеризующих нерегулярность рельефа. В режиме точка-область используются точные профили трасс для каждой из расчетных точек приема, что обеспечивает приемлемую точность прогноза для территорий со сложным рельефом. Кроме того, на базе модели Лонгли-Райса была разработана уточненная модель ITWOM[7]. По заявлениям авторов, модель ITWOM обеспечивает повышенную точность прогноза по сравнению с оригинальной моделью. Проведенные натурные измерения характеристик сигнала DVB-T показали, что модель Лонгли-Райса обеспечивает удовлетворительную точность для условий сложного рельефа и плотной городской застройки [8,9].

Таким образом, для расчета профилей трасс и зон об-луживания в блок моделей распространения радиоволн включены модель Лонгли-Райса в вариантах точка-область и точка-точка, модель ITWOM и методики, изложенные в рекомендациях [10].

В модели передающей станции описываются параметры, существенные для определения напряженности поля и отношения сигнал-шум в точке приема, в том числе географическое положение и мощность передатчика, высота подвеса и диаграмма направленности антенн. Все передатчики DVB-T7T2, работающие в одночастотных сетях, снабжены приемниками GPS/ГЛОНАС, который обеспечивает возможность синхронного вещания передатчиков одной сети. Для каждого передатчика может быть установлена задержка вещания оп (далее - предустановленная задержка). Правильный выбор предустановленной задержки позволяет снизить уровень межсимвольной интерференции, повысить качество приема и увеличить зону обслуживания. Обычно выбор величины задержки ограничивается длинной защитного интервала.

Модель приемника, важнейшая составляющая модели сети создание адекватной модели работы которого в одно-частотной сети представляет определенные трудности.

Моделирование приемника в многочастотной сети основано на предположении, что основной вклад в напряженность поля на входе приемной антенны вносит единственный сигнал от единственного передатчика, т.е. наличие либо отсутствие приема определяется только уровнем и отношением сигнал-шум наиболее сильного сигнала. Граничные значения этих величин для различных параметров модуляции можно найти в ГОСТе по цифровому телевидению [11].

Работа приемника в одночастотной сети соответствует режиму многолучевого приема, когда на приемную антенну поступает несколько примерно равных по уровню сигналов. Сигналы от разных источников принимаются с различной временной задержкой, что приводит к появлению межсимвольной интерференции (ISI) и деградации сигнала. Система OFDM может эффективно работать в условиях многолучевого приема благодаря введению защитного интервала Д - циклического префикса, копии окончания сигнала, размещаемого перед полезным символом.

При этом общая длительность символа Ts увеличивается на длину защитного интервала, а полезная часть и окно БПФ сохраняют первоначальный размер т„- Благодаря тому, что размер окна БПФ, то есть период времени, в течение которого осуществляется демодуляция OFDM-сигнала, меньше длительности символа, приемник имеет возможность расположить окно БПФ внутри символа так, чтобы добиться минимизации межсимвольной интерференции. Выбор положения окна БПФ в приемнике называется синхронизацией. Тот сигнал, относительно которого была произведена синхронизация, будет основным. Основной сигнал всегда является полностью полезным. Остальные сигналы могут быть полностью полезными, частично полезными, либо полностью интерференционными в зависимости от относительной задержки t. Относительная задержка t представляет собой разность между временем прибытия данного сигнал и временем прибытия основного сигнала. В том случае, когда относительная задержка t не превышает длину защитного интервала, сигнал будет полностью полезным.

В системах DVB-T/T2 для когерентного детектирования используется частотный интерполяционный фильтр. Полоса пропускания этого фильтра тя всегда превышает защитный интервал Д = Тг/4 [12]. Максимальное теоритиче-ски допустимое значение Тг составляет т,, /3. в реальных

приемниках j = . В том случае, если относительная

" 24 v

задержка сигнала превышает Д, но не превышает Тр, сигнал оказывается частично полезным. Любой сигнал, относительная задержка которого превышает т у считается

помехой. В таком случае полезный вклад л-ого сигнала можно выразить в виде весовой функции{1):

(A-Tp)<t<0

О, в других случаях

где Ти ~ полезная длина символа, Д - длинна защитного интервала и т ~ интервал, в течение которого принимаемые

сигналы вносят полезный вклад, t - относительная задержка.

Если одночастотная сеть состоит из А = {I, ..., N} передатчиков и есть М передатчиков других сетей, работающих на той же частоте В = {!, „., М}, соотношение несу-щая-шум {С/1) может быть описана в терминах предыдущей функции (I):

£=___(2)

где р - мощность, принимаемая от п-го передатчика, fy - значение весовой функции, г - задержка сигнала п-ного передатчика, у - задержка основного сигнала, N0 — уровень фонового шума.

Очевидно, что большое знание имеет выбор главного сигнала, относительно которого происходит синхронизация. К сожалению, информация о стратегии синхронизации, используемой в приемниках, не раскрывается производителями. Практические исследования^ 2] показали, что наиболее часто производителями используется стратегия, называемая «первый сигнал выше порогового уровня». В этой стратегии позиционирование окна БПФ осуществляется относительно первого принятого сигнала. При этом устанавливается минимальный пороговый уровень, при превышении которого происходит синхронизация. При моделировании приемника в одночастотной сети допустимо использование вышеназванной стратегии во всех приемниках, что и принято в нашей работе.

Геоинформационная система - автоматизированная система, осуществляющая сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных в нашем случае содержит информацию о рельефе в зоне обслуживания, типе подстилающей поверхности, плотности проживания, координаты расположения РПС и другие данные, В связи с ограниченной точностью моделей распространения радиоволн (модель дальней зоны) для решения поставленных задач достаточно пространственного разрешения цифровых карт территории до 3". Из имеющихся в свободном доступе особое внимание заслуживают геоданные SRTM (Shuttle Radar Troposphere Mission) [13]. Данные распространяются в виде электронных карт формат GeoTIFF размером 5x5 градусов и разрешением 3 секунды, они доступны, имеют достаточную точность и могут быть использованы для решения задач оптимизации и планировании сетей DVB-T/T2.

Параметры сети, подлежащие оптимизации

и целевая функция

Из постановки задачи следует, что оптимизации подлежат следующие параметры сети: перераспределение мощности между отдельными панелями антенн; временная задержка излучения сигнала каждым передатчиком синхронной зоны, входящего в синхронную зону, относительно главного передатчика; диаграмма направленности и угол наклона панельных антенн. Несмотря на ряд сложностей.

T-Comm Vol.9. #5-201 5

связанных с поиском оптимальной комбинации мощностей, подаваемых на каждую панель, их углов наклона и азимутов, данный подход не несет за собой высоких финансовых затрат при модернизации сети.

Оптимальный вариант сочетания названных параметров предлагается вычислить через значения целевой (фитнесс) функции(З), которая оценивает долю обслуживаемой территории. Расчётные характеристики сигнала в каждой точке исследуемой области сравниваются с пороговыми значениями с

Cov. = 1

Для повышения качества предлагаемого решения, в фитнесс функцию могут быть введены весовые коэффициенты, учитывающие тип подстилающей поверхности (населенный пункт, лес, море, пресный водоем и т.д.), плотность застройки. В простейшем случае можно выделить три типа точек с различными весами: с наличие застройки, с отсутствие застрой, и принципиально не заселяемые (поверхности водоемов, горы и т.д.). В этом случае функция (4) примет вид (5)

Cov. = —&

о, (с а с hW— > —

\\ П.М/Г IVдо дг

Постоям«« параметр га ренат чькв

Перми чн napweipv пареоатчикв

-* Модель Уровень

г> Лонгли.Раиса -г С, С/А

Электродная Ноцель

карта SW

tu Tuet -функция

F - t|C, VI. SI

Требовании OoS

Нэтаэвристический алгоритм ( АБС. SA)

где а - весовой коэффициент, характеризующий тип подстилающей поверхности:

II, застройка 0,5,незаселенная территория 0.\\,Hot)itax по верхи ост г»

Кроме того, через весовые коэффициенты может быть обеспеченно выполнение условий электромагнитной совместимости и других возможных административных ограничений уровня сигнала. Для решения поставленной задачи в работе используются алгоритмы имитации отжига SA и пчелиных колоний ABC [ 14, 15].

Описание программного комплекса

Для реализации основных стадий выбора оптимального варианта SFN DVB-T разработан программный комплекс, общая схема которого приведена на рис. I. Комплекс использует электронные карты SR.TM, модели для расчета зоны обслуживания сети и метаэвристические алгоритмы ABC и SA для выбора оптимальных параметров.

Взаимодействие компонентов программного комплекса включает следующие этапы:

Рис. I, Обобщенная схема программного комплекса

Конечным результатом работы комплекса является набор значений параметров передатчиков исследуемой сети. Кроме этого, разработанный программный комплекс позволяет получать графическое отображения распределения напряженности поля, отношения сигнал-шум и границ зоны обслуживания на местности. Для расчета напряженности поля используется модель Лонгли-Райса в режиме точка-точка, либо улучшенная модель 1TWOM, Алгоритмы, выполняющие расчет характеристик поля, реализованы на языке С++, обработка входных и выходных данных, а также их визуализация на языке Python. Дополнительно в программном комплексе имеется возможность использования библиотеки FyGMO [16], которая включает в себя реализацию нескольких десятков различных эвристических алгоритмов, в том числе алгоритм роя пчел, алгоритм имитации отжига, генетические алгоритм и др. Все эти алгоритмы включены в программный комплекс и могут быть применимы для оптимизации одно-частотных сетей DVB-T.

Верификация программного комплекса

Подтверждение соответствия разработанного програм-ного комплекса вышеописанным требованиям на первом этапе проводилось серией предварительных экспериментов, включающих моделирование действующей SFN DVB-T Владивостока, а так же моделирование и оптимизацию эталонной сети.

SFN DVB-T Владивостока - это шесть передатчиков, работающих на частоте 598-606 МГц (37 TBK), расположение передатчиков показано на рис, 3, Зона обслуживания сети характеризуется плотной городской застройкой, сложным рельфом, большими перепадами высот и морскими территориями. На рис. 2 приведены пространственное распределение напряженности поля (слева) и границы зоны обслуживания (справа) одночастотной сети DVB-T города Владивостока. Под зоной обслуживания понималась в соответствие с ГОСТом совокупность точек, в которых рассчитанный уровень поля цифрового сигнала и отношения сигнал-шум превышает требуемые для условий фиксированного приема [I]. Полученные результаты расчетов бь!ли сопосгавленны с

T-Comm Том 9. #5-2015

аналогичными, выполненными в ПО Кас)юМоЫ1е[17] (рис. 3), а так же с результатами натурных измерений [7]. В обоих случаях было установленна большая степень соответствия по уровню напряженности поля, границам «теневых областей» и зоны обслуживания, что свидетельствует о достоверности полученных данных.

Рис, 2. Результаты расчетов напряженности поля и границ зоны обслуживания РУВ-Т Владивостока

Одночастотная зона сети ОУВ-Т города Владивостока имеет небольшие размеры, а расстояние между передатчиками не превышает 60 км. Для такой сети оптимизация предустановленной задержки не имеет смысла, так как задержка сигнала в пути всегда будет меньше защитного интервала и эффекты внутрисетевой интерференции не будут проявляется. Поэтому верификация программного комплекса в части оценки эффективности алгоритмов оптимизации была проведена на модели эталонной сети, выполненной согласно рекомендациям^ 8]. Рельеф подстилающей поверхности сгенерирован случайным образом, а параметры генерации были выбраны таким образом, чтобы разброс высот и размеры объектов рельефа соответствовали реальному рельефу, характерному для городов равнинной местности. На многочисленных экспериментах достигнуто увеличение зоны обслуживания сети на 6-10%, в зависимости от конфигурации сети. Таким образом, подтверждено, что использование разработного програмного комплекса позволяет добиться существенного роста зоны обслуживания при оптимизации РУВ-Т.

ДС ФРИЗ

ГМАР

ВЛАДИВОСТОК

ВЛАДИ ÍOCTOKI

Рис. 3. Границы зоны обслуживания БРИ ОУВ-Т Владивостока, рассчитанная в программе Яас)ютоЬИе

Выводы

Рассмотрены основные особенности применения мета-эвристических алгоритмов для оптимизации SFN DVB-T, суть которой сводиться к достижению максимального размера зоны обслуживания при заданных параметрах качества. Для оптимизации использованы параметры, изменение которых не сопряжено с большими финансовыми затратами, либо юридическими сложностями.

В предложенном варианте применение метаэвристиче-ских алгоритмов сводиться к интеллектуальному перебору множества решений, каждое из которых представляет возможную конфигурацию SFN DVB-T. Для количественной оценки решений разработана целевая функция, с помощью которой осуществляется связь физической проблемы (доля обслуживаемой территории SFN) и математического аппарата метаэвристического алгоритма. Применение программного комплекса позволяет исключить субъективность при выборе оптимальных проектных вариантов SFN DVB-T, а также автоматизировать процесс проектирования сетей и сократить сроки модернизации существующих сетей. Во второй части работы планируется более подробно рассмотреть результаты оптимизации SFN DVB-T.

Литература

¡0. Beutíer R. Frequency Assignment and Network Planning for Digital Terrestrial Broadcasting Systems II Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004,

I 5. Dervis Karaboga, Bahriye Akay. A Comparative Study of Artificial Bee Colony Algorithm. Applied Mathematics and Computation Journal, Elel-sevier, 2009, pp. 108-132.

T-Comm Vol.9. #5-201 5

METHOD OF OPTIMIZATION OF DVB SFN

Shkolniy S.I., Moscow, Russia, nimagt@gmail.com

Abstract

In this paper, a theoretical and practical aspect of a SFN DVB-T modernization is presented. The features of a DVB-T single-frequency networks simulation are considered. The proposed SFN model consists of four units: radio wave propagation model, transmitting station model, receiving station model, GIS. The Longley-Rice propagation model and its modifications are used in this work because of capability to provide sufficient accuracy for difficult terrain and dense urban areas. Features of the receiving station model are considered. The formula that allows to reliably estimating the signal characteristics in the case where the receiving antenna receives multiple copies of the signal from different transmitters is presented. Fitness function, which allows quantifying the network configuration in terms of optimality, is proposed. The features of a software tool for feature selection and parameters optimization is considered. Basic details of software system implementation are shown. Results of comparison of software data and measurement data of DVB-T network in Vladivostok, as well as the data obtained in the RadioMobile are presented. Preliminary test results are shown for the Vladivostok SFN, as well as for reference network, that demonstrate the usefulness of the approach.

(in Russian).

(in Russian).

Information about authors: Shkolniy S.I., postgraduate student, FESU, MTUCI, Moscow, Russia.

For citation:

Shkolniy S.I. Method of DVB SFN optimization. T-Comm. 2015. Vol 9. No.5, pp. 57-62. (in Russian).