Адаптивный режим модуляции при передаче адресных услуг

Стандарт DVB-S2

 

Необходимость в создании нового стандарта DVB-S2 была обусловлена несколькими причинами:
1) планы массового запуска HDTV.

Уже на сегодняшний день начинает наблюдаться дефицит в частотном ресурсе даже при трансляции SDTV. Если же все SAT программы будут вещаться в ТВЧ, то имеющегося частотного ресурса окажется недостаточным даже при переходе к более совершенным системам компрессии ТВ сигнала.

2) неудовлетворительная работа имеющихся приемных систем Ka-диапазона.

Качество приема в этом диапазоне очень сильно зависит от погодных условий, в первую очередь, от дождя. Поэтому для трансляций в этом диапазоне часто требуется более высокая помехозащищенность, чем в С- и KU-диапазонах.
3) появление интерактивных SAT сетей с адресными услугами.

Такие сети требуют большого транспортного ресурса и оптимизировать его использование можно, адаптировав параметры каждого адресного потока к условиям приема конкретного адресата.
. DVB-S2 - универсальный стандарт, на базе которого могут строиться сети для распространения ТВ программ стандартной или высокой четкости, сети для предоставления интерактивных услуг, например, доступа в Интернет, сети для профессиональных приложений, таких как передача цифрового ТВ от студии к студии, сбор новостей и раздача сигнала на эфирные ретрансляторы. Cтандарт DVB-S2 также удобен для формирования сетей передачи данных и создания IP-магистралей.

Как и большинство многофункциональных стандартов, он представляет собой набор инструментов, которые можно использовать в разных сочетаниях. Такой принцип построения делает стандарт максимально гибким и не сильно перегружает процессоры приемников.

DVB-S2 может работать с существующими транспондерами с большим разнообразием требований по эффективности спектра и соотношению сигнал\шум (C\N). Более того, стандарт не ограничен применением транспортных пакетов MPEG-2 TS, позволяя передавать потоки произвольной структуры – как пакетной, так и непрерывной. DVB-S2 более удобен для передачи транспортных потоков различных типов, таких как однопрограммные и многопрограммные транспортные потоки MPEG, пакеты IP или ATM.

DVB-S/S2 представляет собой систему адаптации цифровых сигналов и программ телевещания и другого контента на выходе транспортного мультиплексора MPEG к спутниковому каналу (см. стр.схему перед.тракта.)

Рис.

Коррекция ошибок и модуляция
Коррекция ошибок – это ключевой инструмент для достижения наилучших характеристик спутникового канала передачи информации в условиях высокого уровня шумов и интерференции. Для каналов со случайным характером ошибок (обычно с аддитивными помехами типа «белого шума») практический интерес представляют лишь несколько кодов из десятков известных. В процессе выбора кодов для нового стандарта проводилось компьютерное моделирование, в результате которого победителем была выбрана система, в качестве внешнего кода использующая код Боуза-Чоудхури-Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem, BCH), а в качестве внутреннего – LDPC код, и которая позволяет максимально близко подойти к пределу Шеннона для каналов с адаптивным «белым», гауссовским, шумом. Выбранные LDPC коды используют очень длинные блоки бит – 64800 бит для аппликаций, не критичных к задержкам, и 16200 бит. Доступны следующие скорости кодирования – 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10, которые определяются типом модуляции и надежностью канала передачи. Скорости 1/4, 1/3, 2/5 предназначены для работы с модуляцией QPSK на ненадежных линиях, когда уровень сигнала ниже уровня шума.

 

 

 

Новый стандарт DVB-S2 предусматривает четыре возможности схемы модуляции (рис.1). Первые две, QPSK и 8 PSK, предназначены для использования в вещательных сетях. Передатчики транспондеров работают там в режиме, близкому к насыщению, что не позволяет модулировать несущую по амплитуде. Более скоростные схемы модуляции, 16 APSK и 32 APSK, ориентированы на профессиональные сети, где часто используются более слабые наземные передатчики, не вводящие бортовые ретрансляторы в нелинейный режим работы, а на приемной стороне устанавливаются профессиональные конвертеры (LNВ), позволяющие с высокой точностью оценить фазу принимаемого сигнала. Эти схемы модуляции можно использовать и в системах вещания, но в этом случае каналообразующее оборудование должно поддерживать сложные варианты предыскажений, а на приемной стороне должен быть обеспечен более высокий уровень отношения сигнал/шум. Символы внутри констелляционного поля APSK модулированного сигнала размещены по окружностям. Такой вариант является наиболее помехоустойчивым в плане передачи амплитуды символа и позволяет использовать ретрансляторы в режимах, близких к точке насыщения. Стандарт DVB-S2 предусматривает использование четырех типов модуляции – QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK. Первые две используются в вещательных сетях. Там передатчики транспондеров работают в нелинейных режимах, близких к насыщению. Две другие используются, как правило, в профессиональных приложениях, но могут использоваться также и для целей вещания. Правда, в этом случае требуется более высокое соотношение сигнал\шум на приеме, а на передающей стороне должно использоваться предискажение сигнала, чтобы компенсировать нелинейность транспондера. И хотя эти типы модуляций требуют больших затрат мощности, зато они дают большую эффективность по использованию спектра. Созвездия 16APSK и 32APSK оптимизированы для работы через нелинейный транспондер путем размещения точек на окружностях. Однако при работе через линейный тракт их характеристики сравнимы с 16 и 32 QAM соответственно.
Выбирая тип модуляции и скорость кодирования, можно менять эффективность использования спектра от 0,5 до 4 бит на символ. При этом надо учитывать характеристики используемого транспондера. Система DVB-S2 может использоваться в конфигурациях “одна несущая в транспондере” или “много несущих в транспондере” (используется FDM – частотное мультиплексирование). Очевидно, что при одной несущей символьная скорость передачи Rs будет соответствовать полосе пропускания транспондера (BW=Rs). При наличии же нескольких несущих, Rs будет соответствовать выделенному частотному диапазону данной услуги. Максимальное же число предоставляемых услуг будет ограничено как полосой транспондера и требуемой скоростью каждой из предоставляемых услуг, так и допустимым уровнем взаимных помех между смежными несущими. При одной несущей, в зависимости от выбранной скорости кодирования и модуляционной констелляции, система может работать при C/N от -2,4 dB (используя QPSK 1/4) до 16 dB (используя 32АPSK 9/10). Результаты расчетов показаны на рисунке для вероятности ошибки пакета 10^-7 как для DVB-S2, так и для DVB-S/DVB-DSNG, и соответствуют примерно одному ошибочному пакету TS информации за час передачи TV услуги на скорости 5 Мбит/с. При традиционном канале с гауссовым шумом увеличение пропускной способности составляет 20-35% в сравнении с DVB-S и DVB-DSNG при тех же условиях передачи или улучшение на 2…2,5 dB условия приема при той же эффективности спектра Ru.

Спектральная эффективность стандарта DVB-S2

 

 

Kод	QPSK	8PSK
	Пропускная способность на полосе 30 МГц (Мбит/с)	Отношение "сигнал/шум" (дБ)	Пропускная способность на полосе 30 МГц (Мбит/с)	Отношение "сигнал/шум" (дБ)
1/2	24.85	1.2	-	-
3/5	29.85	1.84	44.78	3.15
2/3	33.21	2.05	49.81	3.79
3/4	37.35	2.47	56.03	4.59
4/5	39.85	2.84	-	-
5/6	41.54	3.16	62.31	5.59
7/8	-	-	-	-
8/9	44.35	3.9	66.52	6.67
9/10	44.90	4.07	67.35	6.87

В системе, реализованной Hughes, управляющий алгоритм АСМ настолько быстр, что может поддерживать одновременно до 15 различных MODCOD в сети VSAT. Вся информация о назначенных MODCOD передается на VSAT на нижнем доступном MODCOD (например, QPSK, FEC ½) с наибольшим запасом по отношению «сигнал/шум» для уверенности в том, что все VSAT в сети примут данный управляющий сигнал. Информация пересылается только при изменении условий приема, согласно структуре протокола АСМ в составе пакета отсылается 8 байт сообщения и 8 байт подтверждения/изменения.

При возможности текущей обработки параметров сигнала и динамического изменения типа модуляции спутниковая связь может надежно работать с минимальной предельной полосой прямого канала, обеспечивая максимальную эффективность при наибольшей возможной скорости данных в прямом канале. Судить о реальной скорости прямого канала можно по наиболее часто встречающемуся MODCOD по статистике системы. Отсюда можно вывести и средневзвешенную скорость прямого канала в каждый, отдельно взятый интервал времени -- день, неделя, месяц, год.

Таким образом, АСМ позволяет Оператору VSAT-сети забыть о возможности плохой погоды, дождях и ливнях. Сеть изначально настраивается на максимальную пропускную способность в данном регионе (режим "чистого неба" -- clear sky). Так как дожди -- особенно сильные -- кратковременны, Оператор получает максимальную работоспособность сети в 80..90% всего времени. В целом, теоретические расчеты показывают, что при переходе от DVB-S к DVB-S2 с использованием АСМ выигрыш оператора в коммерческом трафике составляет от 40 до 150%, в зависимости от размеров сети, географической разбросанности и дождевых регионов страны.

Резюмируя, перечислим очевидные выгоды от применения DVB-S2 и АСМ в сети VSAT Оператора:

• Повышенная готовность VSAT и увеличенная географическая зона предоставления услуг.
• Способность поддерживать большее количество VSAT-терминалов в прямом канале, увеличивая эффективность статистического мультиплексирования в сети.
• Использование ресурса менее зависимо от точности расчета сети при ограниченном наборе параметров расчета и большем объеме предположений.
• Автоматическая адаптация к изменениям в географическом распределении VSAT и региональным погодным условиям в течение жизненного цикла сети.
• Неразрушающее сеть снижение скорости сервиса при ухудшении погодных условий.

 

Рис. Зависимость спектральной эффективности от скорости кодирования LDPC

Таблица

Режим	Спектральная эффективность	Идеальное Es/No (dB) для FEC фрейма длиной 64 800 бит
QPSK 1/4	0,49	-2,35
QPSK 1/3	0,66	-1,24
QPSK 2/5	0,79	-0,3
QPSK 1/2	0,99
QPSK 3/5	1,19	2,23
QPSK 2/3	1,32	3,1
QPSK 3/4	1,49	4,03
QPSK 4/5	1,59	4,68
QPSK 5/6	1,65	5,18
QPSK 8/9	1,77	6,2
QPSK 9/10	1,79	6,42
8PSK 3/5	1,78	5,5
8PSK 2/3	1,98	6,62
8PSK 3/4	2,23	7,91
8PSK 5/6	2,48	9,35
8PSK 8/9	2,65	10,69
8PSK 9/10	2,68	10,98
16APSK 2/3	2,64	8,97
16APSK 3/4	2,97	10,21
16APSK 4/5	3,17	11,03
16APSK 5/6	3,3	11,61
16APSK 8/9	3,52	12,89
16APSK 9/10	3,57	13,13
32APSK 3/4	3,7	12,73
32APSK 4/5	3,95	13,64
32APSK 5/6	4,12	14,28
32APSK 8/9	4,4	15,69
32APSK 9/10	4,45	16,05

 

Режимы изменения параметров модуляции и кодирования в стандарте DVB-S2 имеют несколько модификаций:

— ССМ (Constant Coding and Modulation) - постоянные параметры кодирования и модуляции для всех станций спутниковой сети (ЦЗС,ЗС-терминалов);

— VCM (Variable Coding and Modulation) — изменяемые параметры кодирования и модуляции в зависимости от вида услуг, потоков в составе мультиплекса, с возможностью установки индивидуальных режимов для ЗС;

— ACM (Adaptive Coding and Modulation) — адаптивные кодирование (по скорости) и модуляция, при которых параметры и режимы передачи отдельных цифровых потоков в составе мультиплекса могут динамически изменяться, в зависимости от качества приема, с помощью обратного канала, посредством автоматического обращения любого ЗС-терминала к ЦЗС. При этом в обратных канала, работающих по стандарту DVB-RCS, существует возможность динамического регулирования как скоростей кодирования, так и символьных, а также излучаемой мощности, под управлением ЦЗС, постоянно контролирующей качество и уровни сигналов всех ЗС.

Режимы модуляции

и кодирования

Применяются несколько режимов модуляции и кодирования (CM):

CCM (Constant Coding andModulation) – постоянные кодирование и модуляция. Все кадры

используют одинаковые фиксированные параметры (одинаковые кодирование/модуляция длякаждой земной станции);

VCM (Variable Coding andModulation) – изменяемые кодирование и модуляция. Различные потоки/услуги кодируются различными фиксированными параметрами (различные кодирование/модуляция для каждой земной станции);

ACM (Adaptive Coding andModulation) – адаптивные кодирование и модуляция. Каждый

одиночный кадр кодируется собственными уникальными параметрами, параметры изменяются динамически в соответствии сусловиями приема на каждомприемнике (рис. 2). Информацияот периферийной станции передается на центральную (для этого

режима периферийные станциидолжны быть не приемными, а приемопередающими). Предполагается, что обратные каналы будут организованы по стандарту

 

Параметры передачи:

 

“ ШПЧ ствола 36МГц ЭИИМ 51дБ Вт ЭИИМ53,7дБ Вт

 

Символьная скорость (ROF) 30,9 Мсимв/с 29,7 Мсимв/с

Коэф.скругл. (0,20) (0,25)

Модуляция QPSK ¾ 8PSK 2/3

Скорость, Мбит/ c 46,0 58,8

Количество SD!каналов 10 SDTV MPEG2 13 SDTV MPEG2

21 SDTV h.264 26 SDTV h.264

Количество HD!каналов 2 HD MPEG2 3 HD MPEG2

5 HD h.264 6 HD h.264

Роль высокоточной синхрон изации, имеющей исключительное значение в системах с МДВР вообще, в данном стандарте возрастает в связи с указанными режимами адаптации к условиям приема и необходимостью повышения надежности управления доступом к обратному каналу. Еще более высокие требования, очевидно, должны быть предъявлены при мобильной связи и использовании СР на эллиптических орбитах.

Одновременно с введением более высоких уровней модуляции стандарт DVB-S2 предусматривает возможность применения двух дополнительных коэффициентов скругления (расширения спектра) α. К используемому в DVB-S α = 0,35, в новом стандарте добавлены коэффициенты α = 0,20 и α = 0,25. Новые, более низкие значения коэффициентов скругления обеспечивают меньшую ширину полосы частот видеоспектра, что позволяет использовать выделенную полосу частот для транспортного канала более эффективно. С другой стороны, снижение α способствует повышению нелинейных искажений, что особенно сказывается при передаче одной несущей на транспондер. Поэтому конкретное значение коэффициента выбирается с учетом всех параметров передачи.

Рис. Влияние коэффициента скругления α на АЧХ транспортного канала

Кадровая структура
Структура транспортного кадра нового стандарта не привязана к определенному формату. Она позволяет передавать как транспортные пакеты MPEG-2, так и произвольные потоки с непрерывной или пакетной структурой. DVB-S2 предусматривает двухуровневое пакетирование потока, введенное для решения проблемы с синхронизацией приемной системы в условиях работы с низким уровнем отношения сигнал/ шум. Первый уровень служит для обеспечения жесткой синхронизации на физическом уровне, чтобы приемник смог засинхронизироваться и определить тип модуляции и параметры кодирования для их декодирования и демодуляции. Физический уровень состоит из регулярной последовательности ВВ кадров, внутри каждого кадра содержатся однородные параметры модуляции и кодирования, но они могут изменяться (адаптивное кодирование) в соседних кадрах. Каждый кадр состоит из полезной нагрузки 64 800 (или 16 200) бит, в соответствии с выбранными параметрами кодозащиты LDPC/BCH FEC, и заголовка (Header, 80 двоичных модуляционных символов), содержащего служебную информацию и данные синхронизации. Заголовок содержит информацию о режимах использование канала (однопотоковый, или многопотоковый), типе инкапсулируемого потока (MPEG-2-TS, произвольный), режиме кодирования и модуляции (CCM, ACM) и ряд других параметров. Затем сформированный ВВ пакет подвергается пакетированию на физическом уровне. За счет введения второго уровня решается задача надежной синхронизации приемника, который должен иметь возможность детектировать несущую и фазу передаваемого сигнала и синхронизироваться с началом кадра даже в тех случаях, когда мощность сигнала окажется ниже мощности шума. Полезную нагрузку физического кадра составляет BB кадр, к которому добавляется заголовок из 90 символов бинарного кода. В нем передаются синхроимпульсы, информация о схеме модуляции и режиме помехоустойчивого кодирования. Заголовок физического кадра кодируется отдельно от содержания кадра. Это делается по двум причинам. Во-первых, для того чтобы принять транспортный поток, приемник предварительно должен "прочитать" информацию о его параметрах, заложенную в заголовок физического пакета. Во-вторых, заголовок должен устойчиво декодироваться при любых, самых неблагоприятных условиях, и для его защиты требуется особо надежный код. В качестве такого кода выбран блочный код с очень высокой избыточностью – 7/64, предусматривающий турбо декодирование, то есть итеративное декодирование с "мягкими" решениям. Для того чтобы защитное кодирование заголовка не сильно снижало скорость передачи полезной информации, разработчики стандарта постарались минимизировать количество передаваемых в нем параметров, и все, что было возможно, вынесли в заголовок ВВ пакета. Физический кадр разбивается на слоты по 90 символов, что облегчает надежную синхронизацию при помехоустойчивом декодировании. В качестве опции через каждые 16 слотов могут вставляться пилот сигналы, представляющие собой отрезок немодулированной несущей. Пилот сигналы предназначены для восстановления потерянной синхронизации при плохих условиях приема.. При отсутствии полезной информации модулятор формирует буферные физические кадры, позволяющие приемнику сохранить информацию о режиме передачи в канале. В режимах VCM (Variable Coding and Modulation) и ACM (Adaptive Coding and Modulation) транспортные параметры могут меняться с частотой в 1 кадр, но в пределах кадра они остаются неизменными. Системы DVB-S2 могут быть сконфигурированы для передачи одной или нескольких несущих в одном транспондере.

Для режимов APSK (т.е. с амплитудной и фазовой модуляциями) возможно введение предыскажений на приемной стороне, что позволяет использовать каскад SAT усилителей в режиме, близкому к насыщению, тем самым увеличивая выходную мощность, что особенно важно для режима 32 APSK. Для таких случаев используют специальные профессиональные малошумящие конвертеры (LNC) конвертеры. При множестве несущих в конфигурации ретранслятора введение схемы предыскажений не приносит должного результата ни для одной из схем модуляции. Исходя из этого, приходится снижать выходную мощность передатчика (т.е. работать в квазилинейном режиме), в результате чего снижается и реализуемое значение C/N.

Адаптивный режим модуляции при передаче адресных услуг

Выигрыш в эффективности передачи оказывается еще более значительным при использовании режима ACM, предназначенного для интерактивных адресных приложений, таких как передача IP unicast. Этот режим позволяет исключить запас по энергетике в 4-8 дБ, закладываемый в спутниковые сигналы для неблагоприятных условий приема, что дает возможность удвоить или утроить пропускную способность транспондера. Режим ACM наиболее эффективен применительно к трансляциям Ka- диапазона, а также для тропических зон приема. На рис. показана схема работы спутниковой системы в этом режиме.

 

 

Рис. структурная схема системы DVB-S2 ACM.

Система включает ACM шлюз, DVB-S2 модулятор с поддержкой АСМ, передающую наземную станцию, спутник и систему приема спутникового сигнала, подключенную к ACM шлюзу через обратный канал.

В ACM режиме формат помехоустойчивого кодирования и схема модуляции могут меняться от кадра к кадру. В условиях повышенного затухания сигнала услуга может поддерживаться за счет снижения скорости передачи полезной информации с одновременным повышением избыточности помехозащитного кода и/или перехода к более помехоустойчивой схеме модуляции. Качество принимаемого сигнала оценивается параметром C/N+1.

При АСМ каждый отдельный кадр в пакете DVB-S2 кодируется собственными уникальными параметрами, динамично изменяющимися в соответствии с условиями приема на каждом спутниковом модеме. Применение этого режима возможно только при наличии обратного канала для контроля эффективности применяемых параметров передачи, то есть ни для спутникового телевидения, ни для одностороннего Интернета это неприменимо.

Рис. 1. Реализация функции АСМ на примере оборудования HughesNet.

Рассмотрим работу АСМ на примере оборудования HughesNet, которое позволяет очень быстро изменять формат модуляции при использовании новых свойств стандарта DVB-S2. Спутниковый модем HN7000S VSAT терминала непрерывно (то есть каждые несколько миллисекунд) определяет качество приема и параметры затухания для данной конкретной станции; далее данная информация по обратному каналу в качестве служебной передается на ХАБ, где анализируется. При достижении коэффициента затухания определенной величины, критичной для качества и надежности связи, ХАБ изменяет (уменьшает) в демодуляторе модуляцию и/или кодирование сигнала так, чтобы восстановить требуемый запас по энергетике. Комбинация нового шлюза-инкапсулятора и модулятора DVB-S2 разрешает принимать данные со сверхнизким BER на модемах земных станций и давать инструкции модулятору, какая модуляция и FEC используются в потоке данных.

Для оценки качества канала в зависимости от погоды -- или для подстройки канала под погодные условия -- используется параметр MODCOD -- комплексный системный параметр, учитывающий ЭИИМ ИСЗ, добротность антенны VSAT, размер антенны, зону покрытия ИСЗ а также погодные условия в месте приема сигнала прямого канала, ретранслируемого через ИСЗ. При вычислении используется стандартная расчетная модель для спутниковых каналов связи с заданным коэффициентом доступности и готовности VSAT. MODCOD определяет, какая модуляция и FEC будут использоваться при передаче информации на конкретный VSAT-терминал.

В режиме работы АСМ параметр MODCOD изменяется динамически для каждого VSAT от одного кадра FEC к следующему, и его значение оказывается достаточно близким к идеальному, возможному для сети VSAT в данном регионе (т.н. агрегированная эффективность полосы пропускания). Это же относится к максимально достижимому в данных условиях коэффициенту готовности VSAT (это расчетный коэффициент простоя данного VSAT в часах в отношении к годовой наработке в часах без учета плановых регламентных работ на сети или по данному VSAT. Определяется в процентах или абсолютном значении. Лучший коэффициент готовности равен 100% или 1 (единице). Типовой 0.987). Таким образом, спектральная эффективность сети оказывается близкой к идеальной, для модуляции 8PSK при высоких FEC, близкой к 3 бит/Гц.

Рис. 2. Реализация АСМ для различных MODCOD.

 

Каждая приемная система измеряет величину этого параметра и по обратному каналу отправляет результат к АСМ шлюзу.

Работа в этом режиме требует введения механизмов управления скоростью пользовательских потоков данных, предотвращающих перегрузку канала при ухудшении погодных условий. Введение таких механизмов может оказаться довольно сложной задачей, особенно, если число пользователей будет достигать сотен и тысяч, и поток к каждому из них будет требовать индивидуальной адаптации. Решение задачи осложняется еще и тем, что информация может поступать из удаленных источников, трудно поддающихся управлению. Решение этой проблемы не может регламентироваться стандартом, а в каждом случае должно определяться индивидуально.

Эффект от применения адаптивной модуляции и кодирования выражается в увеличении готовности до 99.95%, увеличении пропускной способности на ~113%, уменьшении полосы на ~55%.