Konference RADIOKOMUNIKACE 2014
Koexistence služeb digitálních televizních vysílacích sítí se systémy mobilních komunikací ve sdílených frekvenčních pásmech Ondřej Kaller, Ladislav Polák, Lukáš Klozar, Jan Prokopec, Jiří Šebesta, Tomáš Kratochvíl Výzkumné centrum SIX a Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Abstrakt příspěvku V posledních letech rostou požadavky na dostupnost, rychlost a kvalitu téměř všech současných komunikačních systémů, včetně jejich mobilních verzí. Řada těchto systémů může pracovat v sousedních nebo dokonce shodných frekvenčních pásmech. V nich dochází logicky ke koexistenci těchto systémů a vzniku řady kritických koexistenčních scénářů. Příspěvek přehledně shrnuje analýzu koexistenčních scénářů služeb digitálních televizních vysílacích sítí (DVB-T/H/T2/T2-Lite) se systémy mobilních komunikací (2G/3G/4G), resp. (GSM/UMTS/WiMAX/LTE). Kromě základních frekvenčních kolizí v kmitočtovém spektru jsou v referátu také představeny scénáře, kdy dochází k rušení pilotních nosných kmitočtů zemské digitální televize, k rušení mobilních sítí ve funkci kognitivního rádia (CR) a využití nových způsobů vysílání mobilní digitální televize ve standardu DVB-T2 v systémech SISO/MISO.
[email protected]
strana 2
Digitální televizní vysílací sítě
1/1
Terestrické/pozemní/zemské vysílání – standardy DVB-T/H/T2/T2-Lite Použití multiplexu COFDM v módech 2k/4k/8k/16k/32k/32k-Extended Volba stavů vnitřní modulace QPSK/16QAM/64QAM/256QAM a nastavení její konstelace (rotovaná a hierarchická vs. standardní) Kombinace vysílání SISO/MISO (Single/Multiple Input Single Output) Provoz v sítích SFN/MFN (Single/Multi Frequency Network) Modely přenosových kanálů – AWGN, F1 (Fixed), P1 (Portable), RA6 (Rural Area), TU6 (Typical Urban), PI (Portable Indoor), PO (Portable Outdoor), VU30 (Vehicular Urban), MR100 (Motorway Rural) a další. Měření: BER před a po opravě chyb, analýza konstelace a MER, hledání hranice QEF (Quasi Error Free) a dále subjektivní (MOS) i objektivní (VQM, SSIM, PSNR, DVQ) testy kvality obrazu, zvuku a služeb DVB.
[email protected]
strana 3
Systémy mobilních komunikací
1/1
Standardy pro 2G/3G/4G (GSM/UMTS/WiMAX/LTE/LTE-Advanced) Long Term Evolution (LTE) – pásma (2,5 - 2,7) GHz + 800 MHz DL - OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) UL - SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) Vnitřní modulace QPSK/16QAM/64QAM a kanál od 1,4 do 20 MHz Měření: Přenosová rychlost DL, EVM, CQI (Channel Quality Indicator) Vliv systémů 2G/3G/4G na DVB ? Vliv DVB na systémy 2G/3G/4G ?
[email protected]
strana 4
Sdílená frekvenční pásma
1/3
IV. a V. TV pásmo (470 – 606) MHz + (606 – 862) MHz První digitální dividenda - kanály 61. a výše (790 – 862) MHz Druhá digitální dividenda - kanály 49.-60. (694 – 790) MHz Zdroj: Coexistence Digital TV and LTE Application Note, Rohde & Schwarz, 2010, 1MA176_3e.pdf
Alokace frekvenčních pásem služeb DVB-T/H/T2/T2-Lite a LTE
[email protected]
strana 5
Sdílená frekvenční pásma
2/3 Zdroj: Coexistence Digital TV and LTE Application Note, Rohde & Schwarz, 2010, 1MA176_3e.pdf
Sdílené spektrum DVB-T2-Lite (kanál 8 MHz) a LTE (10 MHz)
[email protected]
strana 6
Sdílená frekvenční pásma Kmitočtové pásmo 800 MHz DL: 791-821 MHz UL: 832-862 MHz 1800 MHz UL: 1710-1785 MHz DL: 1805-1880 MHz
2600 MHz UL: 2500-2570 MHz DL: 2620-2690 MHz
3/3
Mobilní operátor
Šířka přiděleného pásma [MHz]
Duplexní odstup [MHz]
Downlink [MHz]
Uplink [MHz]
T-Mobile
2x10
41
791-801
832-842
O2
2x10
41
801-811
842-852
Vodafone
2x10
41
811-821
852-862
O2
2x17
95
T-Mobile
2x20
95
Vodafone
2x22
95
1805,41822,2 1822,41839,2 1858,01880,8
1710,41727,2 1727,41744,2 1763,01785,8
O2 T-Mobile
2x20 2x20
120 120
2620-2640 2500-2520 2640-2660 2520-2540
Vodafone
2x20
120
2660-2680 2540-2560
Tabulka přidělených kmitočtů pro LTE v ČR a pásmech 800, 1800 a 2600 MHz
[email protected]
strana 7
Experimentální měřicí pracoviště ZDROJE SIGNÁLU
MĚŘICÍ ZAŘÍZENÍ
Aktuálně provozované služby
Měření DVB příjmu
LNA
DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite
DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite ETL-TV Analyzátor
LNA
GSM, UMTS, WiMAX, LTE
Analyzátor transnportního toku (Stream Analyzer)
DVB-T/H DVB-T2/T2-Lite
Laboratorně generované služby
GSM, UMTS, WiMAX, LTE
1/2
Slučovač/ Rozbočovač
Master SFU Tx DVB-T2/T2-Lite Testovací vysílač T2-MI
10 MHz
Anaylzátor kvality videa R&S DVQ
Monitorování mobilních služeb 1pps
Slave SFU Tx DVB-T2/T2-Lite Testovací vysílač
GSM, UMTS, WiMAX, LTE FSQ Analyzátor PC s R&S Drive Test ROMES 4
DVB-T/H Testovací vysílač GSM, UMTS, WiMAX, LTE Signálový generátor
Spektrální analyzátor
Obecné blokové schéma pro měření intra/inter kanálové koexistence standardů DVB-T/H/T2/T2-Lite a GSM/UMTS/WiMAX/LTE
[email protected]
strana 8
Experimentální měřicí pracoviště
2/2
Set-up pro měření intrakanálové koexistence LTE CR a DVB-T2 MISO/SISO
[email protected]
strana 9
Koexistenční scénář a typ koexistence
[email protected]
1/1
strana 10
Koexistence č. 1 (vliv rušení UMTS)
1/2
Vliv rušících signálů na kvalitu služeb v sítích 3G (Klozar a kol., 2011) DL 2110 – 2170 MHz, UL 1920 – 1980 MHz, duplexní odstup 190 MHz UMTS s šířkou kanálu 5 MHz, datové služby HSDPA, komerční provoz Rušení s různou šířkou pásma (200, 400, 1400, 2800, 5000) kHz Změna úrovně rušivého signálu vůči UMTS (-61 dBm), frekvence DL 2162,4 MHz a UL 1972,4 MHz, sledován výpadek služby při rušení Analyzována přenosová rychlost DL [kbit/s] pro řídící signály a uživatelská data vs. poměr výkonu rušeného a rušivého signálu [dB], resp. CQI (Channel Quality Indicator) Parametr CQI [-] popisuje kvalitu rádiového spojení mezi uživatelem a základnovou stanicí
[email protected]
strana 11
Koexistence č. 1 (vliv rušení UMTS)
2/2
Závislost přenosové rychlosti DL [kbit/s] na poměru výkonu rušeného a rušícího signálu [dB] (vpravo) a parametru CQI [-] (vlevo) pro různé šířky rušícího signálu, měřeno při úrovni signálu UMTS -61 dBm.
[email protected]
strana 12
Koexistence č. 2 (rušení DVB-T/H)
1/2
Vliv rušení pocházejícího ze systémů GSM a LTE na kvalitu příjmu signálu digitální televize DVB-T/H (Polák a kol., 2012) DVB-T/H, nosný kmitočet 778 MHz, 8k COFDM, 64QAM, kanál 8 MHz Proměnná robustnost zabezpečení FEC s CR = 2/3, 3/4, 5/6, 7/8 Rušení signály GSM a LTE s proměnnou šířkou pásma až do 4 MHz Analyzován vliv rušivého signálu na nosné DVB-T s proměnnou šířkou pásma a úrovní rušení vůči užitečnému signálu, resp. poměru k nosné DVB-T/H s úrovní 48 dBuV (-60,8 dBm) a hodnocení SSIM (Structural Similarity) na hodnotě 50% - Error Visibility (def. Wang & Bovik, 2004) Součástí experimentu bylo rovněž rušení TPS sub-nosných u DVB-T/H řadou skládaných úzkopásmových signálů s šířkou pásma 1 kHz Analyzována ztráta synchronizace přijímače, opět však přes SSIM !
[email protected]
strana 13
Koexistence č. 2 (rušení DVB-T/H)
2/2
Vymizení TPS nosných v konstelačním diagramu DVB-T/H Závislost poměru výkonu rušeného a rušícího signálu (DVB-T/H a LTE) na šířce rušícího signálu pro hodnotu SSIM = 50 %, při úrovni signálu -60,8 dBm.
[email protected]
strana 14
Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite)
1/5
Koexistence DVB-T2-Lite a LTE v přilehlých a překrývajících se frekvenčních pásmech (Polák a kol., 2013) Pro hodnocení QoS (Quality of Service) televizního vysílání DVB-T2 použito kritérium chybovosti QEF (Quasi Error Free) – BER po kanálovém dekódování LDPC < 1E-7 (příjem bez viditelných zkreslení) Druhým kritériem byl počet iterací LDPC dekodéru v přijímači při dekódování (více iterací vyšší kódový zisk snížení chybovosti vyšší MER avšak vyšší spotřeba přijímače! ) Pro hodnocení QoS u LTE použito univerzální měření EVM v [%] (limity 17,5% pro QPSK, 12,5% pro 16QAM a 8% pro 64QAM) Poměr SDR (Spectral Density Ratio) [dB] je definován jako poměr výkonů mezi LTE a DVB-T2-Lite vztažený na jednotku šířky pásma
[email protected]
strana 15
Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite)
2/5
Měřicí pracoviště pro koexistenci LTE a DVB-T2-Lite
[email protected]
strana 16
Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite)
3/5 L T E : 64Q AM 1 6Q AM +Q PSK
1 6Q AM +Q PSK
Q PSK
Ž á dn ý LT E
D VB -T2 -Lite
BLTE = 20 MHz
BLTE = 1,4 MHz
M ě řené ho dn oty
Mapová reprezentace koexistence systémů DVB-T2-Lite a LTE v kanále AWGN a C/N > 40 dB. V prostoru daném šířkou pásma překrytí spekter služeb a poměrem jejich výkonů jsou barevně vyznačeny stavy LTE (nejvyšší použitelná modulace) a šrafováním oblast použitelnosti DVB-T2.
[email protected]
strana 17
Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite)
4/5
Závislost počtu iterací LDPC dekodéru DVB-T2-Lite na hodnotě MER [dB] s vyznačenou hranicí QEF příjmu (Quasi Error Free příjem je zaručen při hodnotách chybovosti BER ≤ 1E-7)
[email protected]
strana 18
Koexistence č. 3 (LTE vs. DVB-T2-Lite)
5/5
Překrytí aktivní části pásma [kHz] -1500
-1000
-500
0 0
5
EVM for 64QAM = 8.0 %
500
1000
1500
SDR= 6.5dB; QPSK LTE 1.4MHz SDR= -1.8dB; QPSK LTE 10 MHz SDR= -5.0dB; QPSK LTE 20MHz SDR= 6.5dB; 16QAM LTE 1.4MHz SDR= -1.8dB; 16QAM LTE 10MHz SDR= -5.0dB; 16QAM LTE 20MHz SDR= 6.5dB; 64QAM LTE 1.4 MHz SDR= -1.8dB; 64QAM LTE 10MHz SDR= -5.0dB; 64QAM LTE 20MHz
EVM [% ]
10
EVM for 16QAM = 12.5 %
15
EVM for QPSK = 17.5 %
20
25
Závislost EVM u LTE na šířce pásma překrytí užitečných nosných signálem televizního vysílání DVB-T2-Lite. EVM je měřeno pro zdrojové bloky (Resource Blocks) s vnitřními modulacemi QPSK, 16QAM a 64QAM
[email protected]
strana 19
Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2)
1/4
Koexistence DVB-T2 SISO/MISO a LTE v případě použití techniky CR kognitivního rádia (Polák a kol., 2014) LTE CR v pásmu TVWS (TV White Spaces) může zvyšovat kapacitu mobilní sítě, podmínkou je však fungující algoritmus snímání spektra Scénář předpokládá v síti SFN1 dálkový příjem sítě SFN2, která je provozována dvěma vysílači SISO nebo MISO (8 MHz kanál, nosný kmitočet 842 MHz, výkon vysílačů stejný nebo se liší o 10/20/30 dB) LTE CR rovněž na kmitočtu 842 MHz se šířkou kanálu 1,4 nebo 10 MHz Analyzovány BER křivky kanálové chybovosti (před opravou LDPC) a následné vyhodnocení opět QEF (Quasi Error Free), kdy BER < 1E-7 SISO postihuje mazání nosných, MISO je vždy odolnější o cca 1-2 dB Analyzován rovněž vliv šířky pásma rušícího signálu LTE, kdy 10 MHz kanál postihuje všechny sub-nosné DVB-T2, kanál 1,4 MHz ne
[email protected]
strana 20
Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2)
2/4
Spektrum DVB-T2 SISO (nahoře) a MISO (dole) při rušení LTE s šířkou pásma BLTE = 1,4 MHz
[email protected]
strana 21
Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2)
3/4
Závislost kanálové chybovosti DVB-T2 na poměru výkonů koexistujících služeb. DVB-T2 používá monofrekvenční (SFN) síť se dvěma vysílači v módu SISO (vlevo) a MISO (vpravo). Parametrem křivek je poměr výkonů TV vysílačů. Šířka kanálu LTE je rovna vždy 10 MHz.
[email protected]
strana 22
Koexistence č. 4 (LTE CR vs. DVB-T2)
4/4
Závislost kanálové chybovosti DVB-T2 na poměru výkonů koexistujících služeb pro MISO mód se dvěma vysílači stejného výkonu. Parametrem křivek je šířka kanálu LTE (BLTE).
[email protected]
strana 23
Reference
1/1
POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., SEBESTA, J., KRATOCHVIL, T. Koexistence služeb DVB-T2 Lite a LTE ve sdílených frekvenčních pásmech, Sdělovací Technika, roč. 2014, č. 8, pp. 6-10.
POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., SEBESTA, J., KRATOCHVIL, T. Mobile Communication Networks and Digital Television Broadcasting Systems in the Same Frequency Bands: Advanced Co- Existence Scenarios. Radioengineering, vol. 23 (2014), no. 1, pp. 375-386.
POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Exploring and measuring the co-existence between LTE and DVB-T2-Lite services. In Proc. of the 36th Telecommunications and Signal Processing (TSP) International Conference. Rome (Italy), 2013, p. 316-320.
KLOZAR, L., POLAK, L., KALLER, O., PROKOPEC, J. Effect of Co-Existence Interferences on QoS of HSPA/WDCMA Mobile Networks. In Proc. of the 23rd Radioelektronika International Conference. Pardubice (Czech Republic), 2013, p. 312-315.
POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Measuring of the interactions between mobile and DVB-T broadcasting networks. In Proc. of the 22nd Radioelektronika International Conference. Brno (Czech Republic), 2012, p. 243-246.
POLAK, L., KALLER, O., KLOZAR, L., PROKOPEC, J. Influence of Mobile Network Interfering Products on DVB-T/H Broadcasting Services. In Proc. of the 5th Wireless Days 2012 International Conference. Dublin (Ireland), 2012, p. 1-5.
[email protected]
strana 24
Poděkování ARTEMOS (Agile RF Transceivers) – EU projekty MŠMT č. 7H11097 a ENIAC JU no. 270683-2 (řešení 04/2011 – 03/2014) CORTIF (Coexistence of RF Transmissions in the Future) – EU projekty MŠMT č. LF14033 a CATRENE noč. CA116 (řešení 07/2014 – 06/2017) Wireless Communication Teams - operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK), reg. č. CZ.1.07/2.3.00/20.0007 Výzkumné centrum SIX - operační program Výzkum a vývoj pro inovace (OP VaVpI), reg. č CZ.1.05/2.1.00/03.0072 Interní grantový projekt PEKOS - VUT v Brně, reg. č. FEKT-S-14-2177 … a celému “koexistenčnímu týmu” na SIX-UREL, FEKT VUT v Brně.
[email protected]
strana 25
Kontakt doc. Ing. Tomáš Kratochvíl, Ph.D. a kol.
[email protected] Vysoké učení technické v Brně Výzkumné centrum SIX a Ústav radioelektroniky FEKT Technická 12, 616 00 Brno (Budova E, 6. patro) Tel: 541 146 538 Fax: 541 146 597
[email protected]
strana 26
