WiB — широкополосная технология эфирного вещания

Пропускная способность каналов связи стандарта DVB-T2 максимально близка к пределу Шеннона, определяющему верхнюю границу скорости передачи данных, теоретически достижимую в канале с гауссовским шумом при заданной мощности сигнала. Мощность сигналов DVB-T2 превышает теоретический предел всего на 0,7—1,2 дБ. Поэтому эволюционно совершенствовать эту технологию далее смысла уже нет.

Компания Teracom вместе с партнерами решила подойти к вопросу принципиально по-другому. Предложенная ими технология получила название WiB, которое расшифровывается как Wideband Re-use1. Переход с DVB-T/T2 на WiB предположительно может повысить эффективность использования спектра на 37—60% и одновременно существенно снизить мощность передатчиков.

ТИПИЧНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ПЛАН

Основное отличие новой технологии заключается в том, что она предполагает трансляцию сигналов, не ограниченных одним РЧ-каналом, а занимающих весь ДМВ-диапазон. Как отмечают ее разработчики, формат DVB-T2 обеспечивает высокую эффективность во многом за счет использования высоких уровней QAM-модуляции. Но это приводит к двум негативным последствиям. Во-первых, к применению высокомощных передатчиков, так как тот же Шеннон выявил экспоненциальную зависимость необходимой мощности сигнала от скорости передачи данных по каналу заданной ширины. Во-вторых, применение модуляций высокого уровня делает сигнал чувствительным к интерференции, а это снижает коэффициент использования спектра. Для сетей DVB-T2 он обычно составляет 1/4—1/7. Другими словами, на каждой трансляционной вышке используется только одна частота из четырех или одна из семи.

В рамках технологии WiB предлагается поднять коэффициент использования спектра до единицы, то есть при трансляции с каждой вышки использовать все доступные частоты, включая межканальные промежутки шириной 0,2—0,4 МГц. Отсюда и название технологии. Что же касается структуры сигнала, то ее предлагается заимствовать у DVB-T2.

Принципиально важным является то, что WiB-передатчики с пересекающимися зонами покрытия и работающие на одних и тех же частотах могут передавать разные по содержанию сигналы.

Разумеется, это требует использования режимов вещания с высокой помехоустойчивостью. Максимальная помехоустойчивость достигается при модуляции QPSK и относительной скорости помехоустойчивого кодирования ½. Уровень С/N, требуемый для приема такого сигнала, составляет около 1 дБ. А эффективность использования спектра в этом режиме составляет 1 бит/сек*Гц. В полосе 224 Гц это обеспечит примерно такую же скорость передачи, как пять каналов со скоростью 40 Мбит/сек или шесть со скоростью 33 Мбит/сек. Первый вариант типичен для многочастотной сети (MFN), а второй — для одночастотной (SFN).

Но моделирование показало, что на практике возможны режимы с эффективностью использования спектра от 1,37 до 1,6 бит/сек*Гц. Кроме того, переход к режимам с повышенной помехоустойчивостью, вероятно, позволил бы исключить защитный интервал. Из-за этих факторов пропускная способность при переходе на WiB может повыситься примерно в полтора раза при сохранении зоны покрытия.

ПРИЕМ WIB-СИГНАЛА

Для приема такого сигнала предлагается три механизма. Первый — уже упомянутое применение режимов с высокой помехоустойчивостью. Второй — использование на приемной стороне фазированных антенных решеток или других антенн с управляемой диаграммой направленности. Третий — исключение интерференции по схеме демультиплексирования многоуровневого сигнала, Layer Division Multiplexing-based Interference Cancellation (LDM-IC). Аналогичным образом демультиплексируются уплотненные по уровню сигналы стандарта ATSC 3.0. Принцип этого механизма показан на рисунке 1.

В приведенном примере в точке Rx требуется принять сигнал С3 от передатчика Tx3, который оказывается слабее двух других, присутствующих в этой точке. Если для С1 — самого мощного из трех сигналов — справедливо неравенство С1 ≥ С2 + С3 + N, то при использовании достаточно помехоустойчивого режима сигнал может быть демодулирован и восстановлен. Затем сигнал, принятый от передатчика Т1, можно опять промодулировать и вычесть из суммарного сигнала, поступившего на вход тюнера. Выполнение упомянутого неравенства можно обеспечить при использовании фазированных антенных решеток. На следующем этапе таким же образом вычитается сигнал С2. Опять же это возможно при выполнении неравенства С2 ≥ С3 +N. И наконец, если С3 ≥ N, можно будет демодулировать и требуемый сигнал.

Этот механизм выглядит очень сложным, но, по словам разработчиков, если передаваемые сигналы синхронизированы с той же точностью, что и в SFN-сетях, то сложность подобной демодуляции оказывается умеренной. Необходимо только, чтобы в каждом из принимаемых сигналов присутствовали пилот-сигналы, ортогональные остальным сигналам, поступающим в приемный тракт.

Такой механизм уже аппаратно реализован в приемниках стандарта ATCS 3.0, вещание в котором недавно началось в Южной Корее. Правда, в ATCS 3.0 он используется не для исключения интерференции, а для демультиплексирования послойно уплотненных сигналов, но механизм одинаков.

Что же касается полосы пропускания тюнера, то предполагается, что оптимальным выбором будет 32 МГц, то есть четыре нынешних частотных канала. А всю полосу (до 224 МГц) можно будет охватить либо скачкообразной перестройкой частоты, либо увеличением частоты отсчетов и реализацией скачкообразной перестройки частоты уже после демодуляции.

Кроме того, перед началом демодуляции для всех входящих сигналов должна быть выполнена оценка канала с помощью пилот-сигналов. В приведенном выше примере необходима оценка трех каналов. Учитывая количество операций, которые потребуется выполнять WiB-приемнику, предполагается, что длительность OFDM-импульса должна быть достаточно большой. Вещание должно вестись в режиме 32 К при использовании полосы 8 МГц. А для стандартной WiB-полосы шириной 32 МГц, соответственно, потребуется FFT-матрица размером 128 К.

Сложность помехоустойчивого декодирования сама по себе будет такой же, как в DVB-T2, но опять же его может понадобиться выполнить для нескольких или каждого поступившего сигнала, то есть в несколько раз быстрее.

Все перечисленное позволяет предложить сильное усложнение и удорожание приемника и всей приемной системы в целом. Хотя разработчики технологии убеждены, что в 2020-х годах WiB-ресивер уже не будет восприниматься как чересчур сложный. По крайней мере, если останется в силе закон Мура, согласно которому число транзисторов в микросхемах удваивается каждые полтора года.

Разработчики предлагают ряд расширений новой технологии, в частности WiB-MIMO и WiB-LDM. WiB-MIMO позволит использовать спектр повторно — транслируя сигналы в вертикальной и горизонтальной поляризации. WiB-LDM добавляет послойное уплотнение сигнала, такое же, как заложено в ATCS 3.0. Разумеется, оба эти варианта еще больше усложнят прием сигнала, а первый к тому же потребует замены приемных антенн.

ПРЕИМУЩЕСТВА WIB

Очевидно, что экономию от внедрения WiB можно получить только на передающей стороне. Но там она могла бы быть достаточно значительной. Во-первых, использование QPSK-модуляции резко снизит требуемую мощность передатчиков. Во-вторых, исчезнет необходимость в сумматорах, которые занимают целые залы, не говоря уж о том, что при суммировании теряется половина энергии от канальных передатчиков. В результате мощность WiB-передатчиков в пересчете на канал составят около 2% по сравнению с канальными передатчиками при той же зоне покрытия и объеме передаваемой информации (рисунок 2). К тому же значительно уменьшатся затраты на охлаждение.

Общая экономия потребляемой энергии могла бы составить около 90%. Кроме того, снизились бы капитальные затраты на компоненты передающей системы, упростилась бы ее эксплуатация, исчезла бы необходимость частотного планирования. И дополнительно к этому система обещает повышение пропускной способности в полтора и более раза.

Адепты WiB считают также, что внедрение этой технологии могло бы устранить конфликт по поводу разделения спектра между вещателями и сотовыми операторами. Переход на WiB позволило бы им работать на одних и тех же частотах. Правда, осталось непонятным, в какой мере наличие паразитного ТВ-сигнала повлияло бы на качество приема мобильными телефонами.

Еще одним преимуществом WiB считается возможность более эффективного статистического мультиплексирования за счет увеличения числа каналов. С другой стороны, технология налагает ограничения на использование PLP — они должны иметь фиксированную скорость. В противном случае PLP от разных передатчиков, переносящих разные данные, не будут совпадать по скорости и нарушится синхронизация. Но это не исключает схемы, при котором VBR-сервисы динамически распределяются по разным PLP, передаваемым с фиксированной скоростью.

ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ WIB

Несмотря на существенные достоинства технологии, консорциум DVB после долгого анализа отказался рассматривать ее как претендента на стандарт цифрового эфирного телевидения DVB-T3. Связано это в основном с трудностями перехода. Во-первых, технологии плохо совместимы на сетевом уровне. На переходный период рассматривались два варианта. Первый — выделение для WiB определенной полосы в ДМВ-диапазоне. Второй — запуск WiB на частотах, не занятых DVB-T/T2, в том числе смежных каналах. В первом случае потребовалось бы высвобождать значительную долю дефицитного спектра, что мало реально. Во втором случае спектр было бы выделить проще, но пришлось бы искать компромиссные параметры, которые позволили бы WiB и DVB-T2 сосуществовать на соседних каналах. Трансляции в WiB пришлось бы запускать с ослабленной мощностью, а каналы DVB-T/T2, скорее всего, переводить на более помехоустойчивые режимы.

Кроме того, в условиях, когда на пятки бродкасту наступает FeMBMS — вещательная технология 4G, — предложение поменять нынешние приемники DVB-T/T2 на более сложные и дорогие могло закончиться массовым отказом от услуг вещательных сетей.

В сентябре консорциум DVB выпустил документ, в котором рассмотрены все аспекты технологии WiB и приводится подробное обоснование, почему она не стала стандартом DVB-T3. Но кто знает, может быть, у технологии еще есть шанс найти свое место в будущих гибридных схемах вещания.