Системы спутникового вещания высокого качества

В спутниковых телекоммуникационных системах (СТС) приоритетным и наиболее востребованным видом услуг пока остается традиционное вещание. Однако тенденции развития постепенно изменяются в сторону услуг с более высоким потребительским качеством, в первую очередь к интерактивному вещанию и телевидению высокой четкости (ТВЧ). Хотя каждая из этих услуг предъявляет свои требования к спутниковым каналам, принципы организации каналов для них имеют много общих черт.

1. Взаимосвязь качества вещания и требований к каналам

Градации качества телевизионного (ТВ) изображения для вещательных систем устанавливает стандарт ISO/IEC 13818-2 введением четырех уровней для формата разложения строк телевизионного (ТВ) изображения и пяти профилей для форматов кодирования сигналов яркости и цветности.

Определены четыре уровня:

низкий (на уровне бытового видеомагнитофона);
основной (студийное качество);
высокий с 1440 элементами на строку – телевидение повышенной четкости (ТПЧ);
высокий с 1920 элементами на строку – полное телевидение высокой четкости.

По сложности используемого алгоритма обработки стандарт содержит четыре профиля:

простой, без двунаправленного предсказания;
основной, с добавлением двунаправленного предсказания;
улучшенный основной, с улучшением либо отношения сигнал/шум, либо пространственного разрешения;
перспективный, с возможностью одновременной обработки цветоразностных сигналов.

Взаимосвязь между профилями, уровнями и необходимой для их реализации скоростью передачи цифрового потока поясняется таблицей 1.

Установленным стандартом пяти профилям соответствует 5 наборов функциональных операций по обработке (компрессии) видеоданных. Некоторые из теоретически возможных наборов функциональных операций по компрессии видеоданных на этапе создания стандарта не были включены в таблицу 1. Они могут быть введены в дальнейшем, если будет доказана их необходимость или полезность.

Профиль, в котором используется наименьшее число функциональных операций по компрессии видеоданных, назван простым профилем. В нем при компрессии видеоданных используется компенсация движения изображения и гибридное дискретно-косинусное преобразование.

Следующий профиль назван основным профилем. Он содержит все функциональные операции простого профиля и одну новую – предсказание по двум направлениям, за счет чего повышается качество ТВ изображения.

Вслед за ним следует улучшенный профиль с масштабируемым отношением сигнал/шум. Термин «масштабирование», в данном случае, означает возможность обмена одних параметров системы на другие. Операция масштабирования позволяет обеспечить устойчивость цифрового телевидения и сохранение работоспособности при неблагоприятных условиях приема за счет некоторого снижения требований к допустимому уровню отношения сигнал/шум в воспроизводимом ТВ изображении. При масштабировании поток видеоданных разделяют на две части. Одна из них несет наиболее значимую часть информации, ее называют основным сигналом. Вторую часть, несущую менее значимую информацию, называют дополнительным сигналом. Более мощная защита применяется только к основной части информации и поскольку помехоустойчивое кодирование требует введения избыточности, то деление потока данных на более и менее значимые части облегчает организацию защиты системы от ошибок, и тем самым соблюдается разумный баланс между скоростью потока видеоданных и степенью их защиты. Однако декодирование только одного основного сигнала дает ТВ изображение с пониженным отношением сигнал/шум. При неблагоприятных условиях приема сохраняется возможность устойчивого декодирования более защищенного основного сигнала, а неустойчиво воспринимаемый дополнительный сигнал просто отключается. Другими словами, это ведет к росту уровня шума, зато система остается работоспособной.

Четвертый профиль назван специально масштабируемым профилем. Здесь, естественно, сохранены все операции предшествующего профиля и добавлена новая – разделение потока видеоданных по критерию четкости ТВ изображения. Этот профиль обеспечивает переходы между ныне действующими системами и телевидением высокой четкости. С этой целью видеоданные сигнала ТВЧ разделяются на три потока. Первый – это основной (значимый) поток видеоданных, например, по стандарту разложения на 625 строк. Второй поток несет дополнительную информацию об изображении с числом строк до 1250. Одновременное декодирование первого и второго потоков видеоданных позволяет получить телевизионное изображение высокой четкости, но с пониженным отношением сигнал/шум. В третьем потоке сосредоточена менее значимая информация, его декодирование позволяет повысить отношение сигнал/шум в видеоканале до уровня, принятого в ТВЧ. Обычно первый поток видеоданных, представляющих сигнал 625-строчного ТВ, – это 6 Мбит/с, дополняющий его до ТВЧ – 6 Мбит/с, а повышающий отношение сигнал/шум до уровня, когда шумы визуально незаметны – 12 Мбит/с.

Следующий, пятый профиль называется высшим профилем, и он включает в себя все функциональные операции специального профиля.

Приведенные в таблице пять профилей и четыре уровня образуют двадцать возможных комбинаций видеосигнала, из которых только одиннадцать стандартизованы (необходимы). Для этих комбинаций (согласованные точки) в таблице указаны максимальные значения скорости выходного (программного) потока.

Как видно из таблицы 1 даже для основного профиля переход к ТПЧ требует четырехкратного повышения скорости передачи потока в канале, то есть обеспечения системы цифрового телевидения достаточно дорогим, особенно для спутниковых каналов, частотным ресурсом.

Рабочей группой экспертов по подвижным изображениям (Moving Picture Expert Group, MPEG) с целью уменьшения скорости программного потока за счет устранения избыточности самого телевизионного сигнала разработана серия стандартов кодирования изображения и звука (MPEG). В дальнейшем, рост объемов видеоуслуг и требований потребителей к их качеству при ограниченном частотном ресурсе каналов привел к необходимости перехода на более эффективные алгоритмы сжатия. В результате совместных усилий экспертных групп по видеокодированию Video Coding Experts Group (VCEG) и по движущемуся изображению MPEG в 2012 г. был разработан и принят проект нового стандарта сжатия High Efficiency Video Coding (HEVC), позволяющий почти вдвое уменьшить скорость видеопотока при сохранении качественных характеристик услуг. В 2014 г. появились первые промышленные образцы видеокодеков, реализующих положения данного стандарта.

[1] M. Ghanbari, D. Crawford, M. Fleury, E. Khan, J. Woods, H. Lu, R. Razavi «Future Performance of Video Codecs» Final Report of Video Networking Laboratory, University of Essex, United Kingdom, 2006.

Эволюция развития стандартов формирования цифровых потоков, приведенная для телевидения стандартной четкости (ТСЧ) в отчете Video Networking Laboratory, University of Essex, United Kingdom[1] и дополненная результатами разработки нового алгоритма HEVC (H.265) отражена на рисунке 1.

Каждый последующий стандарт MPEG, по сравнению с предыдущим, позволяет получить более низкоскоростной цифровой поток при обеспечении фиксированного качества восстанавливаемого изображения.

Переход на стандарт сжатия HEVC позволяет без изменения качества изображения еще в два раза уменьшить скорость цифрового потока и тем самым ощутимо сэкономить на частотном ресурсе, то есть на аренде спутникового канала, что существенно и для систем ТСЧ.

Стандарты сжатия обеспечивают возможность формирования транспортного потока (предназначенного для передачи) из входного цифрового потока с разной скоростью и соответственно с разным качеством возобновленного изображения. Кроме этого стандарт определяет возможность выделять из высокоскоростного потока видео только ту часть информации, которая необходима для отображения на экране с необходимой разрешающей способностью.

В настоящее время в подавляющем количестве каналов ТВЧ (92,2%) применяют стандарт сжатия MPEG-4. Значительно реже используют MPEG-2, в нем сформировано 5,3% каналов. Наиболее эффективный из реализованных сейчас алгоритмов сжатия HEVC находится пока на стадии освоения, его доля пока незначительная, около 0,8% (более 70 каналов ТВЧ), но при этом заметим, что через КА Asiasat 4 уже все программы ТВЧ передаются транспортным потоком в формате HEVC.

Пока алгоритм HEVC используют только в системах телевидения высокого и сверхвысокого качества. В остальной части каналов применяют иные методы сжатия.

В условиях действия помехи типа аддитивного белого гауссовского шума (основной источник помех в спутниковом канале) для почти безошибочного восстановления полного телевизионного сигнала (цифрового потока) из принятого транспортного потока необходимо, чтобы канал обеспечивал вероятность ошибочного приема пакета в пределах 10-7. Это соответствует вероятности ошибки на один принимаемый бит 10-10 – 10-11. Отметим, что столь жесткие требования к вероятности ошибок является следствием сжатия видеоданных, которые при восстановлении ТВ сигнала будут в декодере многократно использоваться. В результате каждая возникшая в канале единичная ошибка многократно размножается и визуально проявляется в виде искаженного изображения.

2. Каналы доставки

С позиции предоставления услуг вещания наиболее важными, определяющими возможность использования действующих спутников, показателями являются:

энергетика канала или мощность, которую можно использовать для передачи программ вещания в цифровом формате;
частотный ресурс (ЧР) или полоса частот, определяющая объем информации, который может быть переданным по каналу связи.

Из 355 функционирующих на начало 2016 года спутников около 270 КА способны предоставить услуги ТВ вещания. Реально под услуги вещания задействовано порядка 3,5 тысяч стволов 215 КА. Организовано более 40 тысяч спутниковых каналов ТВ вещания. Численность каналов вещания (рисунок 2) на протяжении последних 10 лет растет практически линейно.

Как и любой канал, спутниковый канал инвариантен к виду передаваемой информации за исключением некоторых требований к его параметрам. КА способны ретранслировать как программы ТСЧ так и ТВЧ, но в меньшем объеме, если принимать во внимание потребности в большем частотном ресурсе,.

В 2007 г. (начальный период внедрения ТВЧ) для предоставления услуг были задействованы ресурсы примерно 50 спутников, к концу 2010 г уже 120 КА, а на данный период для трансляции ТВЧ используется более 170 спутников. К началу 2016 г. услуги ТВЧ предоставлялись по около 8,8 тысячам спутниковым каналам. Отметим (см. рис. 2) что количество каналов ТВЧ растет опережающими темпами по отношению к общему количеству каналов вещания. Прирост ТВ каналов, усредненный за два последних года, составляет 5% против прироста каналов ТВЧ за тот же период на 25%. За пятилетний период численность каналов ТВЧ возросла в 2,6 раз!

Главным, определяющим возможность использования того или иного КА в сетях вещания, показателем является энергетика спутниковой линии. При необходимости этот фактор можно и не учитывать, если ужесточить требования к земным станциям (ЗС) или терминалам (к коэффициенту усиления антенны, к добротности станции). В этом случае пригодность КА для вещания в цифровом формате практически определяется сроком его эксплуатации, поскольку у спутников 10 – 15 – летней давности мощности стволов были ограниченными,. Транспондерами большей мощности (до 150 Вт – 200 Вт в диапазоне Ku, до 50 – 70 Вт в диапазоне C) спутники начали оборудоваться примерно с начала 2000 годов.

Более того спутники, выведенные на ГСО до 2000 г практически выработали свой гарантированный ресурс (в среднем 15 лет). Доля таких КА составляет чуть больше 20%. Для сравнения количество КА, отработавших 2/3 от заложенного ресурса, составляет 56% от общего числа. Так что спутниковая группировка достаточно молодая и имеет значительные потенциальные возможности для оказания услуг вещания.

С учетом приведенного выше в таблице 2 сведены данные по объемам суммарного ЧР КА со сроками работы на ГСО до 15 лет и до 10 лет, соответственно, и расчеты (оценки) потенциальных возможностей СТС при организации сетей вещания.

При подсчете объема ЧР не учтены емкости работающих в диапазоне Ка спутников: Echostar 17, Eutelsat Kasat 9A, Hylas 2, , Spaceway 3, Viasat 1, Wildblue 1, части нагрузки (стволы диапазона Ка) КА Amazonas 3, AMC 15, AMC 16, Anik F2, Arabsat 5C, Express AM5, Express AM6, Hylas 1, Thor 7. Ресурсы перечисленных выше спутников используются для организации сетей доступа, хотя они могут быть задействованы и некоторые из них задействованы (Eutelsat Kasat 9A, Hylas 2) в системах вещания.

Прогноз количества каналов вещания производился при следующих предположениях:

скорость цифрового потока, соответствующего одной программе ТСЧ после сжатия в соответствии с H.264/MPEG-4 – 1,2 Мбит/с (рисунок 1);
скорость транспортного потока, соответствующего одной программе (табл. 1): ТСЧ – 15 Мбит/с, ТВЧ – 80 Мбит/с;
форматы сигналов в канале (стандарты DVB), соответственно:
- а) с минимальной частотной эффективностью, нормируемая стандартом сигнально-кодовая конструкция (СКК): сигнал ФМ-4, каскадный код относительной скорости R= 1/2;
- б) наиболее часто используемая СКК: сигнал ФМ-4, каскадный код относительной скорости R= 3/4, условно названная средней;
- в) с нормируемой для систем вещания СКК[2] с максимальной частотной эффективностью: сигнал ФМ-8, каскадный код относительной скорости R= 8/9;
- г) не нормируемая для систем вещания, дополнительная СКК[3]максимальной частотной эффективности: сигнал АФМ-32, каскадный код относительной скорости R= 9/10, условно названная потенциальной.

[2] ETSI EN 302 307 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications

[3] ETSI EN 302 307 Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications

Из результатов оценки следует, что на данный период возможности СТС использованы только на 20% – 30%, так что, даже без учета пополнения СТС новыми ресурсоемкими спутниками, потенциальные возможности спутниковых систем вещание велики, достаточно бы было программного продукта для их заполнения.

Распределение суммарной полосы частот (частотного ресурса) по диапазонам проиллюстрировано диаграммами на рис. 3: общего – рис. 3а, задействованного под ТВЧ – рис. 3б. Как видно из диаграмм соотношение между диапазонами примерно одинаковое, так что какого-то предпочтения диапазону в каналах доставки ТВЧ не наблюдается.

Реально под трансляцию ТВЧ задействованы ресурсы 170 КА, из которых практически только под ТВЧ заняты 10 КА. Всего ТВЧ транслируется порядка 1400 стволов, из них 800 стволов только под каналы ТВЧ. Общий объем занятого ЧР около 34 ГГц.

3. Операторы, услуги и их распределение

На данный момент или услуги ТВЧ или каналы под эти услуги предоставляют 39 операторов СТС. Анонсируемые ранее намерения внедрения услуг с более высоким потребительским качеством, например, телевидением сверхвысокого качества и прочих, перешли на уровень практической реализации. На начало 2016 г. уже транслируется 23 программы сверхвысокого качества, из которых пять демонстрационных (рекламных) и еще две программы тестируются. Операторами организовано 35 спутниковых каналов ТВ с сверхвысоким разрешением (UHD):

SES Global 19 (СТС Astra – 8; SES – 10, AMC – 1);
Eutelsat – 5 (СТС Eutelsat);
Korea Telecom – 3 (СТС Koreasat);
Hispasat (СТС Hispasat), Sky Perfect (СТС JCSat), ASTH (СТС Asiasat) Turksat AS (СТС Turksat), Telesat (СТС Nimiq), Measat (СТС Measat), Ciel Corp. (СТС Ciel), ST Optus (СТС ST 2) по одному.

Большинство из каналов UHD (32) используют на сегодняшний момент самый эффективный алгоритм сжатия HEVC.

Следует отметить, что еще в 2010 году появился новый вид услуг с высокими потребительскими свойствами – спутниковое трехмерное вещание. Оно начало было бурно развиваться, но затем интерес к нему практически исчез. С середины 2013 года услуги трехмерного вещания (3D) начали постепенно сворачиваться (см. рис. 4) и их объем практически вернулся к исходному уровню.

Сейчас услуги 3D предоставляют всего 9 КА пяти операторов, из которых 6 КА для Европы, по одному для Северной Америки, Южной Америки и Азии.

Ввиду малого интереса к вещанию 3D и незначительных пока объемов услуг UHD в дальнейшем, по умолчанию, речь будет идти о ТВЧ

Как было отмечено в предыдущем разделе наблюдается значительный рост потребностей в услугах ТВЧ. Если 5 лет назад доля ТВЧ в объеме услуг спутникового ТВ составляла 12%, то к началу 2016 года она выросла до 22%.

Диаграмма, характеризующая уровень внедрения услуг ТВЧ операторами СТС приведена на рисунке 5. Здесь представлены только 25 операторов, организовавших 50 и более каналов трансляции ТВЧ. Для иллюстрации тенденций развития услуг данные приведены с интервалом примерно в 2,5 года, начиная с 2008 года.

Ориентация спутников на рынок может быть оценена по распределению КА на ГСО. Расстановка предоставляющих услуги ТВЧ спутников по позициям ГСО, сложившаяся на конец 2015 г., иллюстрируется диаграммой на рисунке 6. Видно, что спутниковые группировки, транслирующие ТВЧ, сосредоточены в трех секторах:

от 140° з. д. до 40° з. д. (покрытие Северной и Южной Америки);
от 30° з. д. до 60° в. д. (Европа, Африка, Ближний Восток);
от 60° в. д. до 140° в. д. (Азия, Австралия).

Заметно, что объем вещания ТВЧ поставляемого спутниками на американский рынок значительно больше. Имеет место диспропорция в распределении услуг, на фоне всех резко выделяются две позиции: 129° з. д. и 62° з. д. занятые, соответственно, КА Ciel 2 (1027 каналов) и КА Echostar 16 (880 каналов).

В евро-африканском регионе по объемам услуг заметен перевес позиции 19° в. д, занятой группировкой из 4 КА СТС Astra (оператор SES Global) и 13° в. д, (размещены 3 КА Eutelsat Hotbird).

В зоне обслуживания Азии выделяются позиции 116° в. д, со спутником Кoreasat 6 и 92° в. д. с тремя КА СТС Measat.

Несмотря на преобладание американского рынка по уровню внедрения ТВЧ, прирост объемам вещания на нем за последние 2 года (рисунок 5) существенно меньше (в пределах 10 – 15)% чем в других регионах. За этот же период (ограничиваясь только операторами, транслирующими ТВЧ по более 50 каналам) более интенсивно услуги ТВЧ (рост в два и более раз) развивали:

В Азии: операторы ABS (Китай), Thaicom (Таиланд), ASCO (Саудовская Аравия), KT (Южная Корея), Measat (Малайзия), Turksat AS (Турция);
В Южной Америке: оператор Embratel (Бразилия);
В Европе: операторы Hispasat (Испания), RSCC (Россия);
В Африке, на Ближнем Востоке: оператор Nilesat.

Следует отметить, что через КА оператора RSCC два года назад услуги ТВЧ вообще не предоставлялись; два оператора ABS и Thaicom, только в 2010 году начав организовывать каналы ТВЧ, через пять лет вошли в состав крупнейших поставщиков услуг.

Как видно из приведенного выше перечня почти все операторы, интенсивно внедряющие ТВЧ, относятся к национальным операторам, работающим на рынке развивающихся стран. Характерно то, что группировка Amazonas испанского оператора Hispasat также ориентирована на этот же рынок, в данном случае южноамериканский.

Реальное распределение услуг по регионам, с учетом зон покрытия КА, представлено на рисунке 7. Соотношение диаметров круговых диаграмм на рисунке пропорционально объемам услуг (количеству каналов ТВЧ). Видна тенденция к перераспределению объемов в пользу развивающихся регионов, особенно Ближнего и Среднего Востока и Африки за счет уменьшения доли Северной Америки, точнее, США и Канады, однако пока еще преимущество сохраняется за североамериканским рынком (40,6% каналов). Рост объемов вещания ТВЧ за пятилетний период характеризуется данными, приведенными в таблице 3.

Распределение услуг UHD несколько отличается от распределения, приведенного выше на рисунке 7. Половина каналов с сверхвысоким разрешением ориентирована на Европу, когда на американский рынок приходится менее одной третьей каналов.

Об уровне развития услуг высококачественного телевидения можно судить по их доле в общем объеме вещания. На рисунке 8 приведена диаграмма характеризующая соотношение между каналами ТСЧ и ТВЧ. В диаграмму включены спутники, формирующие более 60 каналов ТВЧ.

Операторы, предоставляющие более 350 каналов для спутникового вещания доля ТВЧ у которых более пятой части каналов представлены в таблице 4.

У трех операторов объем вещания ТВЧ превышает 50% от общего объема. Половина из приведенных в таблице операторов обслуживает пользователей США и Канады, остальные – Азию (Япония, Южная Корея, Китай) и Южную Америку (Бразилия). Заметим, что в список не попали крупнейшие международные операторы Intelsat, SES Global, Eutelsat и не один из европейских операторов, поскольку у них на общем фоне значительных объемов вещания ТВЧ пока заметно не выделяется.

Доля каналов ТВЧ у операторов, обслуживающих Европу, приведена в таблице 5. Здесь к ведущим операторам ТВЧ (табл. 4) по доле ТВЧ в общем объеме вещания весьма близки SES Astra, входящая в корпорацию SES Global, и Telenor.

4. Параметры канала и качество услуг

Исходя из данных таблицы 1 скорость информационного потока, необходимого для передачи одной программы в формате ТВЧ, 60 – 80 Мбит/с, т. е. в 4,0 – 5,3 раз больше чем для ТСЧ. Согласно рисунку 1, после сжатия по используемому у практически всех системах вещания алгоритму MPEG-4 (H.264), скорость транспортного потока в формате ТСЧ должна быть порядка 1,2 Мбит/с. Соответственно, после пересчета, одна программа ТВЧ при условии сохранения качества изображения должна передаваться потоком со скоростью 4,8 – 6,4 Мбит/с.

Рассмотрим насколько заложенная операторами (провайдерами) реализованная скорость передачи в спутниковом канале соответствует рекомендованной стандартами цифрового вещания. Результаты расчета скорости транспортного потока, соответствующего одной программе ТВЧ, приведены на рисунке 9.

[4]www.lyngsat.com/hd/

Расчет проводился на основе приведенных для блоков программ или отдельных программам данных[4], а именно: вид используемых для передачи сигналов, относительные скорости корректирующего кода, символьные (канальные) скорости. В выборку, на основе которой получены результаты, приведенные на рис. 9, вошли только данные, отличающиеся набором параметров: количество программ (в блоке), символьная скорость, тип модуляции, относительные скорости кода. Результаты расчета сгруппированы по системам, в алфавитном порядке. Принимались во внимание блоки, состоящие только из программ ТВЧ.

Как видно из рисунка 9 в область рекомендованных стандартами скоростей транспортных потоков, нижние границы которых выделены на рисунке цветом, и выше их не входят более 70% каналов трансляции программ ТВЧ. Это может означать, что операторы СТС ради сбережения частотного ресурса или, точнее, телерадиоорганизации (ТРО), использующие спутниковые каналы, для экономии на дорогостоящем ЧР намерено идут на ухудшение качества телевизионного продукта. Правда здесь следует принимать во внимание эффект статистического уплотнения за счет передачи в одном блоке программ с разными динамическими свойствами, формируя блоки из программ с медленно меняющими (кабинетные передачи) и быстроменяющимися сюжетами (спортивные передачи). При этом результирующая скорость потока может быть заметно снижена без ущерба качеству вещания за счет того, что сумма мгновенных спектров сигналов, соответствующих каждой программе в блоке, будет меньше усредненной за время передачи ширины спектра, занимаемой программами в блоке, под который рассчитывают необходимую полосу частот канала. Вопрос, насколько будет эффективным статистическое уплотнение, требует дополнительных исследований.

5. Технологии организации каналов

В условиях ограниченности ЧР действующих СТС интенсивное внедрение услуг ТВЧ и связанные с этим постоянно растущие потребности в полосе частот спутниковых каналов требуют внедрения новейших технологий в спутниковых сетях телекоммуникаций или введения новых спутниковых систем связи. Высокий уровень платежей за уже задействованный частотный ресурс СТС является еще одним фактором, определяющим необходимость эффективного использования полосы частот и применения таких технологий и методов организации сетей, которые позволят организовать транспортировку программ ТВЧ с меньшей канальной скоростью без потерь качества услуг. Введение в эксплуатацию новых СТС, запуски ресурсоемких спутников не снимает, а более обостряет вопрос перехода в земных сетях на эффективные технологии, поскольку частотно-орбитальный ресурс ГСО из-за своей уникальности ограничен как по емкости, так и по зоне обслуживания. Проблему повышения эффективности использования ресурсов спутниковых каналов пока разрешают тремя основными путями:

формированием программного продукта, предназначенного для передачи цифрового(-их) потока(-ов) методами, позволяющими с меньшей скоростью передать большее количество информации с заданным качеством;
формированием сигналов, предназначенных для передачи цифрового потока по каналу связи с максимально возможной для него скоростью при условии сохранения качества услуг;
применением эффективных принципов организации сетей и методов многостанционного доступа.

Первый из них был рассмотрен ранее и касался, в первую очередь, устранения избыточности в потоке видеоданных в соответствии с алгоритмами MPEG, HEVC или других.

Второй путь связан с применением эффективных сигнально-кодовых конструкций (СКК), определяющих форматы модуляции и помехоустойчивых кодов.

Третий путь в первую очередь относится к методам формирования зон покрытия. За счет использования на борту КА множества антенн или многолучевой антенны можно применять сотовый принцип построения спутниковых сетей, что позволяет в не перекрывающихся зонах повторно использовать выделенный спектр частот, тем самым повысить частотную эффективность системы.

Реальный подход к способам экономии частотного ресурса кратко обозначен в предыдущем разделе. Он пока ориентирован на передачу цифровых потоков с меньшей, чем рекомендована, скоростью, то есть в ущерб качеству услуг.

5.1. Методы формирования сигналов

Как и для любой вещательной службы в спутниковых каналах вид СКК, методы их формирования и обработки регламентируют нормативные документы международных организаций, национальных операторов и крупных игроков на рынке спутникового вещания.

Исторически цифровое спутниковое вещание начало внедряться на североамериканском рынке. Потребности в передаче цифровых программных потоков в сжатом виде, чувствительных к ошибкам, возникающих в канале, привели к разработке вначале стандарта Digicipher I (1991 г.) для системы непосредственного спутникового вещания Primestar, а затем, в 1994 г., стандарта DSS (Digital Satellite Service) для систем вещания оператора DirecTV. В 1997 г. был введен стандарт Digicipher II (DC II), заменивший Digicipher I. В изначальной редакции стандартом DSS было предусмотрено использование четырехпозиционной фазовой модуляции (ФМ-4) или смещенной ФМ-4, каскадного метода защити от ошибок на основе кода Рида – Соломона (РС) и сверточного кода (СК). Примерно такая же СКК (ФМ-4, РС, СК) с несколько другими параметрами кодов была заложена в основу стандарта DC II.

Несколько позже североамериканских появилась серия стандартов DVB (Digital Video Broadcasting) разработки европейской организации ETSI. Первым из них в 1997 г. был введен в действие стандарт DVB-S (ETSI EN 300 421). Нормативным документом регламентирована СКК: сигнал ФМ-4, каскадный код в составе внешнего кода РС и внутреннего СК с алгоритмом декодирования Витерби. Относительные скорости: СК R = 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8; кода РС R = 0,92 (188/204).

Через два года был принят стандарт DVB-DSNG (ETSI EN 301 210) изначально предназначенный для спутниковой системы цифрового сбора новостей. По сравнению с DVB-S СКК была дополнена сигналами ФМ-8 (восьмипозиционной фазовой модуляции) и квадратурной амплитудной модуляции (КАМ-16). Принцип помехоустойчивого кодирования не изменился. В СК введен несколько другой набор и способ формирования относительных скоростей R = 1/2, 3/4, 5/6, 7/8, 8/9. Непосредственно данный стандарт не рекомендован для каналов доставки видеоинформации за исключением доставки в телевизионные студии.

С 2005 г. началось внедрение стандарта спутникового вещания второго поколения DVB-S2 (ETSI EN 302 307). Как и в предыдущих стандартах, предусмотрено каскадное кодирование, однако, в качестве внешнего кода использован блоковый, систематический код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ). В зависимости от скорости каскадного кода длина блока варьируется от 16200 до 58320 символов или от 3240 до 14400 символов. Относительная скорость кода БЧХ – 0,99. Внутренний код также систематический, блоковый, з проверкой на четность низкой плотности (НППЧ). Длина блока 64800 бит или 16200 бит. Скорость кода может выбираться из значений R = 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10.

В отличие от стандартов первого поколения дополнительно в СКК заложены сигналы амплитудно-фазовой модуляции (АФМ) с числом позиций сигнала 16 (АФМ-16) и 32 (АФМ-32). КАМ-16 не используется. Предусмотрена возможность работы в трех режимах:

с постоянной модуляцией и кодированием (ПМК);
c изменяющей модуляцией и кодированием (ИМК);
с адаптивной модуляцией и кодированием (АМК).

В режиме АМК в зависимости от энергетики канала выбором типа модуляции и скорости кода по обратному каналу автоматически устанавливается режим защиты от ошибок, позволяющий достичь максимальной скорости передачи в канале.

Можно упомянуть еще стандарт ISDB, нашедший применение только в национальных вещательных сетях Японии. Заложенная в стандарт СКК аналогична приведенным выше (ФМ-4, ФМ-8, РС, СК).

Для каналов ТВЧ стандарты DC II и DSS используют только в Северной Америке:

Digicipher – оператором Telesat (164 канала) и, в незначительном количестве каналов, операторами Intelsat (11 каналов) SES (10 каналов);
DSS – оператором DirecTV (80 каналов), причем только в уже давно функционирующих системах, в дальнейшем ориентируются на модифицированный стандарт DVB-S2 (DVB-S2D), как, например, в СТС Spaceway;
ISDB – японским оператором B-SAT (50 каналов).

В настоящее время стандарты DVB практически вытеснили со спутниковых каналов другие стандарты формирования сигналов. Реальное распределение каналов ТВЧ по стандартам формирования (конец 2015 г.) приведено на рисунке 10. 96,4% каналов сформированы в стандартах DVB, поэтому в дальнейшем только они и будут рассматриваться. Отметим, что, несмотря на одинаковую структуру СКК у перечисленных выше стандартов и DVB, они не совместимы с DVB как по способам формирования пакета, предназначенного для передачи по каналу, так и некоторым параметрам СКК (метод перфорации кода, скорости кодов, порождающий полином кода РС, тип фильтрации и так далее).

В октябре 2014 г. опубликован проект стандарта следующего поколения DVB-S2 – DVB-S2X или DVB-S2-2. Коренных новшеств этим стандартом не вводится. Как и в DVB-S2 используются то же каскадное кодирование с внешним кодом БЧХ и внутренним НППЧ, такие же алгоритмы скремблирования, перемежения, не меняется и ряд других принципов построения.

Основное, но не принципиальное, отличие DVB-S2-2 заключается в расширении ансамбля сигналов до АФМ-256 и связанным с ними увеличением набора скоростей кода НППЧ. Ансамбли также строятся на основе конфигураций круговой сети. Принцип построения СКК не регулярный, основан на результатах моделирования, путем подбора радиусов окружностей, на которых располагаются сигнальные точки, и количества сигнальных точек на каждой из окружностей для определенной скорости кода. Для сравнения некоторые характеристики СКК (ансамблей сигналов и кодов) семейства стандартов DVB-S2 приведены в таблице 6. Ансамбли с литерой L в названии оптимизированы для квазилинейного канала.

5.2. Эффективность систем формирования сигналов

Эффективность СКК принято оценивать двумя параметрами:

β, который характеризует степень использования мощности сигнала и определяется отношением E_b/N₀необходимым для обеспечения требуемой вероятности ошибки в принимаемом цифровом потоке, где E_b – энергия сигнала, затрачиваемая на передачу одного бита информации, N₀ – спектральная плотность мощности шума в канале.
γ, который характеризует степень использования полосы частот канала (частотная эффективность) и определяется числом информационных бит, передаваемым одним сигналом, например, для СКК с сигналом АФМ-32, несущим 5 бит, и корректирующим кодом со скоростью R = 9/10, γ = 4,5.

[6] Alberto Morello,
Vittoria Mignone DVB-S2 – ready of lift off // EBU Technical Review, – October,2004

На рисунке 11 в координатах (γ, E_b/N₀) приведены кривые, построенные по результатам моделирования СКК, заложенной в основу стандарта DVB-S2[6]. На том же рисунке приведены параметры эффективности для СКК, используемой в стандартах DVB-S.

Из сравнения графиков следует, что при фиксированном отношении сигнал/шум в одном и том же канале, СКК стандарта DVB-S2 имеет большую частотную эффективность. Например, в канале с E_b/N₀= 5,5 дБ переход на СКК с ФМ-8 повышает частотную эффективность в 1,8 раза, а на СКК с АФМ-16 – в 2,2 раза, т.е. при формировании сигнала в соответствии с DVB-S2 в той же полосе ствола ретранслятора можно передать информационный поток с примерно в 1,8 – 2,2 раза большей скоростью, или при той же скорости передачи уменьшить во столько же раз полосу частот.

При значительном объеме запросов на каналы передач (большое число программ, ТВЧ и т. д.) уменьшение требуемой полосы частот существенно снижает уровень расходов за использование ресурсов спутниковых каналов.

При зафиксированной частотной эффективности (при одном и том же объеме передаваемой информации) использование форматов на основе стандарта DVB-S2, обеспечивает требуемую достоверность приема при гораздо меньших требованиях у энергетике. Например, в канале DVB-S с тем же значением E_b/N₀= 5,5 дБ частотная эффективность γ = 0,69 может быть достигнута при отношении сигнал/шум на 4,9 дБ меньшем при условии перехода на DVB-S2. Это позволяет почти в 2 раза уменьшить размеры антенны или в три раза снизить мощность передатчика, что весьма существенно, особенно для оборудования ретранслятора.

Параметры эффективности СКК DVB-S2-2, рассчитанные по данным, приведенным в тексте проекта стандарта, показаны также на рисунке 11 (красные линии и точки, соответствующие определенной комбинации сигнала и скорости кода, см. таблицу 6). Как и следовало ожидать точки лежат на кривых эффективности СКК DVB-S2 либо являются их продолжением (началом). За счет введения сигналов с большим количеством позиций достигается повышение частотной эффективности почти до 6 бит/Гц. При этом необходимо обеспечить в канале отношение E_b/N₀превышающее 12 дБ. К примеру, при гипотетических условиях: сигнал ТВЧ, сформирован в стандарте DVB-S2-2 (АФМ-256, R = 3/4, γ = 5,9); надежность канала 99,9%; спутник на позиции ГСО 36,0° в. д.; прием в районе Одессы на антенну с диаметром рефлектора 1,8 м, – необходимо чтобы в зоне покрытия спутника уровень ЭИИМ (эквивалентной изотропно-излучаемой мощности) был не меньше 54 дБВт. Расположенный на этой позиции спутник Eutelsat 36B обеспечивает ЭИИМ только 52 дБВт (российский луч). В окрестностях ± 10,0° от этой позиции только один КА Turksat 4A дает примерно такой уровень ЭИИМ. Так что реальное использование возможностей стандарта DVB-S2-2 пока проблематично, ждать надо запуска новых, более мощных КА.

5.3. Использование эффективных методов формирования каналов

Кривые, характеризующие динамику внедрения эффективных методов передачи ТВЧ, приведены на рисунке 12. Кроме этого следует учитывать, что примерно в той же степени стандарты DVB используются и в других приложениях, в основном в каналах доступа. Это связано с тем, что несмотря на присутствие в названии слов Digital Video Broadcasting (цифровое телевизионное вещание) к телевидению эти стандарты имеют такое же отношение, как и к системам доступа и другим системам связи (фиксированной, мобильной). Стандарты регламентируют методы формирования передачи и обработки сигналов в канале независимо от вида передаваемой информации.

Если проанализировать кривые роста количества каналов с начала внедрения ТВЧ то явно прослеживается четыре этапа развития (рисунок 12), детальнее:

до середины 2009 г;
от середины 2009 г. до начала 2010 г.;
от начала 2010 г. до конца 2012 г.;
от конца 2012 г. по настоящее время.

Примерно до середины первого этапа преобладало использование стандарта DVB-S, однако темпы прироста каналов ТВЧ в стандарте DVB-S2 были выше, и во второй половине этапа большинство каналов формировалось уже на его основе.

Такая тенденция сохранялась и дальше, но с середины 2009 г. североамериканские операторы системы Echostar, работающие в стандарте DVB-S, интенсивно начали внедрять новый более эффективный формат сигнала с СКК в составе ФМ-8 и турбокодов, сохранив за ним прежнее название DVB-S. Достаточно сказать, что в течении второго этапа количество каналов в новом формате увеличилось примерно в пять раз. Использование ФМ-8 повысило частотную эффективность почти в 1,5 раза при сохранении, за счет турбокодов, таких же требований к энергетике канала, тем самым приблизило эту модификацию DVB-S к некоторым конфигурациям DVB-S2, чем и обусловлен в первую очередь столь значительный прирост количества каналов.

Далее после скачка темпы прироста каналов в стандарте DVB-S вернулись к прежнему уровню (до скачка) при сохранении опережающего роста каналов в стандарте DVB-S2 и в конце 2012 г. количество каналов в формате DVB-S2 превысило уровень формата DVB-S с его модификациями.

Формально СКК с ФМ-8, с ФМ-8 и турбокодами, а также и более редко используемая комбинация ФМ-4 и турбокоды отношения к стандарту DVB-S не имеют, поскольку документом четко прописано – сигналы ФМ-4 и каскадный код в составе СК и кода РС и не более того. По сути, североамериканское нововведение является совсем другой технологией. С учетом этого распределение каналов ТВЧ по технологиям представлено на рисунке 13.

Таким образом, на настоящий момент в рамках стандартов DVB реально используют три типа технологий:

DVB-S2 (ETSI EN 302 307) – 58,8% каналов, причем в большинстве каналов СКК построены на сигналах ФМ-8 (79%). Началось внедрение сигналов с большей частотной эффективностью (входят в группу другие): АФМ-16 (9 каналов на спутниках Star One C3 и Asiasat 6); АКМ (5 каналов на спутниках Eutelsat 5 West A и Eutelsat 12 West B);
DVB-S в стандартной реализации на основе ETSI EN 301 421 – 6,2% каналов;
DVB-S в модифицированном виде, использующие ФМ-8, и/или турбокоды – 35,0% каналов.

Распределение каналов ТВЧ по технологиям формирования наиболее загруженных спутников, представленных на рисунке 8, приведено на рисунке 14.

Отметим, что модификации стандарта DVB-S используются только в спутниковых группировках, обслуживающих североамериканский регион, причем только в системах Echostar, Ciel, Nimiq.

К технологиям, отмеченным на диаграмме под названием другие, относятся Digicipher, DSS (обе только в Северной Америке) и ISDB (только в Японии).

5.4. Технологии построения сетей

С позиции эффективного построения спутниковых сетей конечно предпочтительней использовать диапазон Ка, позволяющий более просто строить сотовые сети. Однако эффективная в системах доступа сотовая сеть может оказаться не столь эффективной и даже не эффективной в сетях вещания. Все зависит от особенностей предоставления услуг. С одной стороны, желательно чтобы услуги вещания охватывали как можно большую территорию, что, с другой стороны, может либо приводить к отказу от сотовой структуры сети (чем меньше размеры сот, тем эффективней используется полоса частот) либо к объединению с целью расширения зоны обслуживания нескольких сот, т. е. к снижению коэффициента повторного использования частот. Оптимальность в системах вещания сотовая структура сохраняет при организации национального и регионального вещания при незначительных размерах территории страны или региона.

Реализации сотового принципа организации спутникового вещания в диапазоне С практически не возможна. В наиболее востребованном диапазоне Ku сотовая структура использована при построении сети вещания операторами:

Ciel Corp.: КА Ciel 2, (53 ячейки),
Dish Network: Echostar 7 (16 ячеек), Echostar 10 (49 ячеек), Echostar 12 (22 ячейки), Echostar 14 (51 ячейка),
Echostar: Echostar 16 (71 ячейка),
Direc TV: DTV 4S (26 ячеек), DTV 7S (29 ячеек), DTV 9S (28 ячеек),
Thaicom: Thaicom 4 или IPStar 1 (84 ячейки).

Примеры сотового принципа организации сетей вещания приведены на рис. 15 и 16.

Зона обслуживания всех перечисленных выше спутников, кроме КА Thaicom 4, ограничена в основном территорией США

Изначально КА Thaicom 4 предназначался для оказания услуг высокоскоростного доступа. однако примерно год назад через борт КА началась трансляция программ ТВ, в том числе ТВЧ. По сравнению с другими спутниками, реализующими сотовую земную сеть, количество программ, передаваемых Thaicom 4, пока незначительно (на порядок меньше).

Надо отметить, что в первую двадцатку спутников, предоставляющих наибольшее количество каналов вещания, входят почти все КА с сотовым принципом построения сетей. Исключение составляют: DTV 9S, находящийся в резерве; Echostar 7 и Echostar 12, срок работы которых близок к завершению, и упомянутый ранее Thaicom 4.

Заключение.

Телевидение высокого качества является динамично развивающимся видом услуг. Усредненный среднегодовой прирост количества каналов составляет примерно 25% против 5% телевидения стандартного качества. На начало 2016 года доля услуг повышенного качества поднялась до 22% от общего объема вещания. Если темпы развития услуг спутникового телевидения останутся такими же, то через 5 лет следует ожидать, что ТВЧ займет половину каналов вещания.

Из всех видов услуг высокого и повышенного качества преимущество по объемам сохраняется за телевидением высокой четкости. Интерес к трехмерному спутниковому вещанию пропал и вернулся к уровню 2010 года. С 2010 г. (трансляция первой программы) началось внедрение вещания сверхвысокой четкости (UHD), однако заметный рост количества UHD начался с 2015 г. По состоянию на март 2016 г. уже функционирует 35 каналов.

Внедрение услуг ТВЧ (HD) и, особенно, UHD требует значительного дорогостоящего частотного ресурса спутниковых каналов, который к тому же физически ограничен. Более актуальной становится проблема эффективного использования частотного ресурса.

Задача повышения эффективности использования ресурсов спутниковых каналов решается тремя основными путями: уменьшением скорости программного потока; использованием ресурсосберегающих методов передачи и обработки сигналов; применением эффективных методов организации сетей.

Уменьшение скорости программного потока достигается путем устранения избыточности в телевизионном сигнале. В подавляющем большинстве каналов ТВЧ (98,5%) используются алгоритмы сжатия MPEG, причем на долю более эффективного MPEG-4 приходится 92,2%, а на MPEG-2 – 5,3%. Началось внедрение нового алгоритма сжатия HEVC, позволяющего еще в два раза, по сравнению с MPEG-4, уменьшить скорость программного потока. Количество каналов HEVC пока незначительно (более 70), но за последний квартал их число увеличилось более чем в два раза (с 30 каналов).

Семейство стандартов DVB практически вытеснили со спутниковых каналов другие стандарты формирования сигналов. Их доля уже составляет 96,4%, другие стандарты частично используются только в региональных масштабах (США, Канада, Япония). Основным стандартом формирования сигналов уже стал более эффективный стандарт DVB-S2, позволяющий до 4,5 раз увеличить частотную эффективность. Большинство каналов, реализованных на форматах стандарта первого поколения DVB-S, используют модифицированные алгоритмы формирования (с ФМ-8 и турбокодами), сохранив прежнее обозначение стандарта DVB-S. На начало марта 2016 г. в стандарте DVB-S2 и примерно сравнимом с ним по эффективности модифицированном DVB-S формируется, соответственно, 56,7% и 33,7% каналов ТВЧ. На долю DVB-S в канонической форме приходится только 6,0%, на остальные 3,6%.

Начали внедряться более эффективные конструкции из семейства форматов DVB-S2 с сигналами АФМ-16 и адаптивной модуляцией-кодированием. Количество таким каналов пока незначительно, по пять в каждом.

Разработан проект нового поколения стандарта DVB-S2 – DVB-S2Х или DVB-S2-2, дополняющий первую версию этого стандарта сигналами АФМ-64, АФМ-128, АФМ-256, позволяющим повысить частотную эффективность почти до 6 бит/Гц.

Источник