Телевидение прямого эфира для мобильных терминалов: стандарт DVB-H

УДК 621.396

ТЕЛЕВИДЕНИЕ ПРЯМОГО ЭФИРА ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ ТЕРМИНАЛОВ: СТАНДАРТ БУВ-Н

В.М. Спиридонов, А.В. Петраков

Рассмотрены основные особенности сетей цифрового телевещания стандарта DVB-H, передающие живой телеэфир, а также аудио- и видеоданные мобильным устройствам.

The basic features of digital video broadcasting networks of DVB-H standard are shown in this article. The DVB-H networks can be used to transmit live TV and multimedia data to handheld terminal devices.

Коммерческий успех сотовых систем связи создал благоприятную почву для разработки услуг по передаче цифровых данных и внедрения их на рынок. Однако услуги, существующие сегодня, только позволяют по запросу мобильного терминала отправить информацию, сохраненную на серверном накопителе, и не предусматривают возможности трансляции прямого эфира. Поэтому появление передачи телевизионного сигнала и доступа к мультимедийным данным с помощью DVB-H (Digital Video Broadcasting to Handheld) станет весомым событием в мире телекоммуникаций.

Цифровые телевизионные услуги, которые могут быть предоставлены подвижным пользователям, несомненно, будут востребованы, даже при учете сравнительно высокой начальной цены за подключение. Стандарт DVB-H разработан на платформе уже существующего стандарта DVB-T, на основе которого функционируют сети телевещания для телеприемников с неподвижной антенной. Однако общеизвестно, что сети связи с подвижными объектами имеют ряд особенностей, которые обусловлены различными факторами, в том числе изменяющимися характеристиками среды передачи, эффектом Доплера, ограниченной мощностью батареи мобильного терминала.

Эффективная сеть для приема DVB-H (рис. 1), известная как плотная одночастотная сеть, может быть сформирована, если использовать несколько (3-6 штук) передатчиков, работающих на одной и той же частоте. Большая (сельская) территория (до 60 км) может быть охвачена без необходимости строить передатчики на высоких мачтах. Идентичные сигналы передаются с нескольких сторон, и поведение системы подобно работе распределенного передатчика.

Главные передатчики DVB-H должны быть точно синхронизированы, чего несложно добиться с помощью сигналов, полученных от спутников GPS (система глобального позиционирования).

Повторители могут использоваться, чтобы улучшить охват в критических точках, где уровень сигнала внутри помещений или в транспорте не достаточен для качественной обработки. Число повторителей должно быть 10-20 штук.

Коммерческие требования к системе были сформулированы DVB Project в 2002 г. DVB-H должен предоставлять услуги для портативных и мобильных объектов, включая передачу аудио- и видеопотоков с приемлемым качеством. Скорость передачи данных, предусмотренная для этих целей, должна быть не менее 10 Мбит/с. Однако необходимо учитывать, что непрерывная передача данных с высокой скоростью предполагает высокую мощность, потребляемую приемником телесигнала, демодулятором и декодером мобильного терминала.

В соответствии со стандартом DVB-T полный поток данных должен быть обработан и декодирован прежде, чем можно будет обратиться к любой выбранной пользователем ТВ программе, являющейся частью передаваемого потока. Но экономия мощности может осуществляться за обработки только тех частей потока, которые соответствуют услугам, выбранным в конкретный момент. Однако поток данных должен быть реорганизован соответствующим образом для достижения этой цели. В DVB-H мультиплексирование

услуг выполнено разделением общего времени передачи на периоды оказания конкретных услуг.

Отдельный сигнал, соответствующий конкретной услуге, может быть выделен выборочным вычленением из общего сигнала и синхронизирован по отсчетам времени передачи требуемой услуги; окончание периода работы приемника (демодулятора, декодера) синхронизируется по времени окончания передачи высокоинформативного фрагмента. Уменьшение времени передачи данных подразумевает разделение времени пользования услугами на периоды интенсивного приема, когда информация накапливается на несколько секунд в запас, и периоды простоя (отключения от батареи) приемника. Такой подход означает, что данные, предоставляемые в рамках реализации услуг, передаются переносному устройству не равномерно, а импульсно в пределах определенного интервала времени. Видео- и звуковые данные (1...2 Мбит), обычно доставляемые за 1.5 с, поступают в пределах одного периода интенсивной передачи. В промежутках между периодами интенсивной передачи переключатель режимов телеприемника находится в позиции «не активен», и поэтому происходит экономия энергии аккумулятора. Пользователь не замечает смену периодов работы или простоя приемников, так как информация поступает на экран непрерывно за счет «подкачки» в память устройства информации, накопленной за период интенсивной передачи.

Это новшество стандарта БУБ-И получило название временного разделения. Аудио- и видеопотоки, входящие в приемник, помещаются в буфер (оперативную память устройства) и в нужной последовательности извлекаются оттуда для передачи на дисплей. Практически, продолжительность одного периода интенсивной передачи составляет несколько миллисекунд, в то время как время экономии энергии может достигать несколько секунд. Конечно, должно быть принято во внимание то, что некоторое время требуется на включение приемника, процедуру синхронизации и др. Поэтому период интенсивной передачи не должен превышать 250 мс. При различных соотношениях между периодами интенсивного приема и экономии мощности энергопотребление может быть значительно снижено (до 90.95 %).

Временное разделение услуг БУБ-И иллюстрирует рис. 2. Одна четверть канала БУБ-Т предназначена для услуг БУБ-И. Оставшаяся часть канала разделена между обычными БУБ-Т услугами. Важно подчеркнуть возможность пере-

Размер фрагмента Услуга DVB-H 1 Услуга DVB-H 8 передачи 2 Мбит

сд

О Т Ш 2 го с; о ^  ^ ш х

ра

ш ^

С СО

11

3,2 Мбит/с

TV программа 3

TV программа 2 Т 3,3 Мбит/с

TV программа 1

250 мс

- Время

Рис. 2. Принцип разделения времени: разделение пропускной способности в обычном канале DVB-T/H с учетом распределенности во времени сигналов, передаваемых в стандарте DVB-H

дачи сигналов DVB-T и DVB-H в пределах одной и той же сети.

В отличие от других систем DVB, которые основываются на системе DVB Transport Stream, использующей для передачи потоков стандарт MPEG-2, система DVB-H базируется на Интернет-протоколе (IP). Интерфейс IP позволяет системе DVB-H объединиться с другими IP-сетями. Такое решение - одна из особенностей системы IP Datacast.

В соответствии с IP Datacast контент доставляется в форме пакетов данных, и при этом производители услуг руководствуются теми же правилами, которые применяются для доставки контента в сети Интернет. Использование протокола для передачи данных в так называемых IP-пакетах позволяет DVB-H полагаться на стандартные компоненты и протоколы для качественного обращения, хранения и передачи информации. В дополнение к теле- и радиовещанию IP Datacast в стандарте DVB-H может использоваться также для доставки файлов. Передача потоков в формате MPEG-2 возможна на нижнем слое протокола. IP-данные внедряются в транспортный поток посредством Мультипротокола капсу-лизации (MPE) и Протокола адаптации, разработанных в соответствии со Спецификацией системы передачи данных в стандарте DVB.

Уровень протокола MPE дополнен алгоритмом предварительного исправления ошибки (Forward error correction, FEC). Эта технология, называемая MPE-FEC, является вторым главным новшеством DVB-H помимо временного разделения. MPE-FEC дополняет физический слой в слоевой структуре стандарта DVB.

Поскольку у переносных устройств маленькие антенны, которые требуют стабильного

приема в любой местности, то исключительно важна продуманная система передачи данных с надежной защитой от ошибок. Для достоверного приема можно повысить требования к отношению сигнал/шум для мобильных устройств. Однако без этого возможно обойтись. Интенсивное испытание DVB-H, которое было осуществлено компаниями - членами DVB Project, показало, что использование MPE-FEC дает положительный эффект до 7 дБ в сравнении с DVB-T.

Обработка данных слоем протокола MPE-FEC происходит в слое формирования IP-потоков, до обработки потоков средствами MPE. Входящие IP-потоки, поставляемые различными источниками в виде элементарных потоков, мультиплексируются согласно методу распределения времени. Защита от ошибок в слое MPE-FEC просчитывается отдельно для каждого индивидуального элементарного потока. Позже происходит «закупорка» («капсулизация»), т.е. составление IP-пакетов для будущего формирования их в транспортный поток. При детальном рассмотрении можно видеть, что MPE-FEC состоит из кодека Рида - Соломона (RS) с блоком перемежения. Кодер MPE-FEC создает специфическую кадровую структуру (кадры FEC) и затем внедряет полученные данные в исходный сигнал DVB-H (рис. 3).

Структура БЕС состоит из переменного числа (максимум 1024) строк и постоянного числа (255) столбцов; каждая ячейка структуры соответствует одному байту, максимальный объем структуры приблизительно равен 2 Мбит.

Кадровую структуру можно разделить на две части - таблицу основных (исходных) данных (191 столбец) и таблицу данных, полученных после кодирования исходной информации алгоритмом Рида-Соломона (64 столбца). Таблица основных данных, подлежащих защите от ошибочной передачи, поступает в 1Р-пакеты.

После применения кода (255, 191) к исходной таблице добавляется таблица Я8. После кодирования 1Р-пакеты считываются и формируются в 1Р -секции тем же методом, который используется в МРЕ. Эти исходные данные сопровождаются данными паритета (проверочными разрядами, гарантирующими верное декодирование 1Р-пакета), которые читаются из таблицы и формируются в отдельные секции БЕС.

Секция БЕС также содержит «виртуальный» блок, в котором хранится информация о сопоставлении строк 1Р-секции и строк секции БЕС. Вполне естественно, что декодирование данных секций 1Р и БЕС должно быть одновременным.

Протокол МРЕ-БЕС непосредственно связан с временным разделением. Эти технологии применяются на уровне обработки элементарных потоков, и один фрагмент интенсивной передачи в структуре временного разделения включает в себя единственную секцию БЕС, что позволяет повторно использовать данные в оперативной памяти чипов мобильных терминалов. Разделение 1Р-данных и данных паритета в каждом фрагменте передачи делает использование технологии МРЕ-БЕС при декодировании сигналов опциональным, т. е. необязательным, так как основная информация может быть декодирована при игнорировании проверочных данных.

Разделение времени и протокол MPE-FEC являются наиболее важными преимуществами сетей мобильного телевещания стандарта DVB-H по сравнению с остальным сетям мобильного телевещания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Television on a handheld receiver - broadcasting with DVB-H. Digital terrestrial Television Action Group (DigiTAG). www.digitag.org.

2. KornfeldM., Reimers U. DVB-H - the emerging standard for mobile data communication. EBU Technical Review, January 2005.

3. Спиридонов В.М., Кулешова И.И., Петраков А.В. Информационная безопасность в стандарте GSM. Материалы Международного форума информатизации (МФИ-2005) - Международный конгресс «Коммуникационные технологии и сети». - М.: ООО «Инсвязьиздат», 2005, с. 244 - 247.

Поступила 15.06.2006

Рис. З. Кадровая структура MPE-FEC