Стандарт DVB-S2: возможности для операторов и проблемы для клиентов

dvb-s2x

 

Когда 11 лет был принят стандарт DVB-S2, было объявлено, что он максимально близко подошел к пределу Шеннона, и потому третьей версии стандарта не предвидится. Однако несколько лет назад начали появляться разные частные усовершенствования,  используемые  в  корпоративных  системах.


 Сразу скажем, что речь идет не об изменении базовых принципов, а именно о введении дополнительных  режимов и расширении спектра пара- метров передачи. И так как практически все они должны были поддерживаться не только на передающей, но и на приемной стороне, то пока смогли найти только узкое применение в профессиональных приложениях. Многие из них проверялись опытным путем на предмет реализуемости, и вскоре их предполагается стандартизировать в качестве расширений. Основным генератором и пропагандистом расширений стала американская компания Newtec, и описание предлагаемых технологий сделано в основ- ном на базе материалов Newtec.

 

Предлагаемые расширения DVB-S2

Новые коэффициенты скругления и усовершенствованные технологии фильтрации

Базовая версия DVB-S2 предусматривает три значения коэффициента скругления (roll-off ): 35%, 25% и 20%. В расширениях до- бавятся три более низких значения — 15%, 10% и 5%. Напомним, что коэффициент скругления определяет форму модулированных импульсов: чем он ниже, тем импульсы прямоугольнее и менее размазаны по спектру, и тем больше информации можно передать в одном и том же частотном канале (рисунок 1).

S2 pic1

Одновременно с этим предполагается ввести фильтрацию интермодуляционных производных, образующихся по обеим сторонам несущей. Подавление этих производных позволя- ет существенно сблизить несущие, расположив их с запасом 5% от ширины потока. Фильтрация дает положительные ре- зультаты даже при коэффициентах скругления 35% или 25%. А максимальный эффект достигается, когда усилитель передатчика наземной станции работает в режиме близком к насыщению и па- разитные сигналы уже достаточно велики.

Эффект от перехода на более низкие коэффициенты скругления в сочетании с дополнительной фильтрацией на практике может давать до 15% выигрыша, хотя каждый спутниковый тракт требует индивидуального подбора коэффициента.

 

Поддержка различных конфигураций сети

Дополнительные коэффициенты скругления и фильтрация могут использоваться при передаче в транспондере одной несущей, а также нескольких несущих, арендованных одним или разными операторами. На несущих разных операторов могут использоваться разные коэффициенты скругления, также может включаться или не включаться фильтрация (рисунок 2). Параметры, разумеется, выбираются таким образом, чтобы не создавать интерференции на несущих других  операторов.S2 pic2

 

Дополнительные схемы модуляции и кодозащиты (LDPC)

Одним из существенных пунктов станет увеличение числа схем модуляций,   уровней кодозащиты и разрешенных сочетаний этих двух параметров (MODCOD) — с 28 до 87. Это позволит оптимизировать выбор для всего спектра возможных отношений C/N (рисунок 3), но актуально это в основном для режима адаптивной модуляции. Верхняя размерность модуляции в расширениях будет поднята с 32 APSK да 64APSK, так как практика показала, что при хороших погодных условиях помехоустойчивость 32 APSK иногда оказывается избы- точной. Добавление модуляции 64 APSK в сочетании с новыми MODCOD в какие-то моменты позволяет получить выигрыш до 37%.

S2 pic3

Два класса MODCOD

В базовой версии DVB-S2 MODCOD оптимизированы для DTH-приложений, то есть для распространения ТВ-сигнала через транспондеры близкие к насыщению. Каналы высокоскоростной передачи данных и различные транспортные магистрали обычно реализованы в более линейной зоне работы транспондеров. В связи с этим предполагается ввести два класса MODCOD: линейные и нелинейные, причем MODCOD разных классов могут называться одинаково, но при этом различаться характером предыскажений.

Широкополосные транспондеры

Возможность использования широких транспондеров заложена и в нынешней версии стандарта, но там предполагается их частотное или временное уплотнение более узкими каналами. Расширения будут допускать передачу одного MPTS-потока в транспондере шириной до 72 МГц с коэффициентом скругления до 5%. Такой режим обеспечивает символьную скорость 72/1,05=68,57Ms/s и позволяет использовать транспондер более эффективно, чем если поделить его между несколькими узкими каналами. Частотное уплотнение потребует использования транспондера в более линейном режиме, то есть снижения общей мощности луча. Передача MPTS в полосе 72 МГц, по оценкам Newtec, может повысить эффективность использования транспондера на 20%. Все перечисленные расширения могут быть реализованы с использованием  существующих  спутниковых  трактов,  но,   разумеется, при замене модуляторов и приемников.

Кому нужен расширенный стандарт

По оценкам Newtec, расширения нужны всем, но в первую очередь их могут внедрить при организации IP-магистралей для телекомов и в профессиональных вещательных сетях, обеспечивающих меж- студийный обмен и раздачу сигнала на ретрансляторы. Их могут использовать структуры МЧС и другие государственные службы, а также и мультисервисные сети V-SAT.

Компания не ограничилась умозрительной оценкой перспектив и провела опрос среди спутниковых операторов и их клиентов. В результате опроса выяснилось, что 62% респондентов готовы использовать расширения, если они обеспечат 15% или 20% выигрыша. Примерно четверть опрошенных не выразили интереса к расширениям, и примерно треть готовы начать их применение, только когда они будут широко приняты рынком. Исключение составляют спутниковые операторы, 39% которых изъявили готовность внедрить расширения (то есть создать для своих клиентов возможность их применения) сразу, как только они будут стандартизированы.

Если проанализировать обещанные выигрыши, то окажется, что максимальный можно получить при использовании множества несущих, а главное — в режиме адаптивной модуляции, в котором применима модуляция 64-APSK. В сочетании с продвинутой фильтрацией и сниженными коэффициентами скругления суммарная выгода, по оценкам Newtec, может составить до 64%. Это реализуемо, например, для V-SAT, но неактуально для DTH-сектора. Что касается DTH-операторов, то они, по всей видимости, смогут взять на вооружение два усовершенствования. Во- первых, использование более низких коэффициентов скругления, а во-вторых, передачу MPTS-пакетов в полосе 72 МГц. Совместно эти техники позволяют получить до 20% выигрыша, однако и то, и другое потребует смены парка приемников. Тем более что декодеры сегодняшних бытовых приемников не позволяют даже обрабатывать максимальные скорости, реализуемые в базовом стандарте.

 

Проблемы приемной стороны DVB-S2

Перечисленные усовершенствования, равно как и дополнительные возможности DVB-S2 по сравнению с DVB-S, позволяют повысить эффективность использования спутникового канала, но ни в коей мере не облегчают задачу приема сигнала на земле. В связи с этим хочется затронуть общую проблему сигнала DVB-S2, с которой сталкиваются не только любители спутникового ТВ, но и профессионалы, принимающие спутниковый сигнал для ретрансляции. Речь о том, что при ухудшении погодных условий он теряется с гораздо большей легкостью, чем сигнал формата DVB-S.

S2 table1

Этот многократно замеченный факт, казалось бы, противоречит теории, ведь при одинаковом отношении несущая/шум (C/N) входного сигнала и одинаковой скорости потока стандарт второго поколения обеспечивает больший энергетический запас. Посмотрим на таблицу 1, позаимствованную в источнике [4], в которой параметры потока DVB-S ¾ QPSK сравниваются c разными режимами DVB-S2. Как можно видеть, наиболее близкий по битовой скорости режим QPSK, 3/2 LDPC, обеспечивает суще- ственно больший запас по уровню Eb/No. Разумеется, на практике операторы предпочитают использовать потенциал DVB-S2 для увеличения скорости передаваемого потока. B рассматриваемом случае они, скорее, выберут режимы передачи из левой колонки (2/3LDPC, 8PSK). Как видно из таблицы, этот режим также чуть более помехоустойчив по Еb/No. Схожий результат получится, если посчитать энергетический запас по не завязанному на математику уровню сигнал/шум:

С/N = Eb/No +10Lg к +10 lg FEC (1).

S2 curv1Для нашего сигнала DVB-S запас по С/N составит 11,27 дБ, а для сигнала DVB-S2 из левой колонки — 11,56 дБ. У остальных режимов DVB-S2 энергетический запас будет еще выше.

Таким образом, требования к размеру антенны при переходе на DVB-S2 повышаться не должны. Чтобы понять суть проблемы, сравним, как ведут себя сигналы в энергетической области перед срывом сигнала — от уровня, когда их уже нельзя считать квази- свободными от ошибок (при BER меньше 10 E-10), и до момента, когда помехозащита перестанет с ошибками справляться (при BER около 0,1).

Для этого обратимся к графикам 1-2.

У сигнала DVS-S (кривая для FEC ¾) переход от появления ошибок до полного разрушения происходит при снижении С/N на 5 дБ. Для выбранного режима DVB-S2(2/3LDPC, 8PSK) графика в полном диапазоне у нас нет, но если экстраполировать кривую на графике 2, то станет видно, что переход от сигнала квазисвободного от ошибок до его полного разрушения произойдет при падении Es/No примерно на 0,4 дБ . Другими словами, помехозащита сигнала DVB-S2 работает именно в этом диапазоне. Может запутать тот факт, что по осям графиков 1 и 2 отложены разные параметры.

DVB-S2, 8-PSK
График 2. DVB-S2, 8-PSK. Стандартный размер кадра, пилот сигналы отключены
  ,   


 

Однако BER и PER отличаются только абсолютными величинами, что иллюстрируется графиком 3, а скорость нарастания у них практически одинаковая. Что же касается величины Es/No (энергия на символ к шуму в полосе 1 Гц), то это полный эквивалент C/N, то

есть между ними можно поставить знак равенства [7].

Может показаться, что проблема связана с

График 3. DVB-S2, 8-PSK, FEC-2/3
График 3. DVB-S2, 8-PSK, FEC-2/3

использованием модуляции 8PSK, однако если посмотреть на поведение сигнала DVB-S2, например в режиме QPSK, FEC 2/3, который наиболее близок к нашему сигналу DVB-S по пропускной способности, —  то ситуация изменится несущественно. Запас по С/N составит у него внушительные 12,06 дБ, но скорость деградации сигнала, как видно по графику 4, останется такой же. Переходный период соответствует ухудшению С/N примерно на те же 0, 4 дБ. С учетом того, что непогода может снизить С/N спутникового сигнала на 10-12 дБ, напрашивается неутешительный вывод о почти полной бесполезности помехозащиты, заложенной в стандарте DVB-S2. Резко выраженный пороговый эффект сигнала DVB-S2 был отмечен и в источнике. Там приведена ссылка на версию, согласно которой всему виной слабый внешний кодек BCH, выбранный за простоту реализации, но справляющийся с пакетными ошибками хуже кодека Рида—Соломона. Декодер Рида-Соломона тоже отличается наличием обвала при

График 4. DVB-S2, QPSK. Стандартный размер кадра, пилот сигналы отключены
График 4. DVB-S2, QPSK. Стандартный размер кадра, пилот сигналы отключены

BER больше 10 E-4, отвечающей за быстрое рассыпание сигнала, однако рост плотности ошибок на его входе при падении С/N происходит медленнее. Так что, возможно, свою лепту в наблюдаемый обвал внесли также существенное укрупнение пакетов и защита LDCP. В любом случае факт остается фактом. Начало роста BER у сигнала DVB-S свидетельствует о том, что запас по С/N составляет примерно 5 дБ, и для надежного приема диаметр антенны должен быть примерно вдвое больше того, который при ясной погоде обеспечивает BER 10 E-10 -10 E-11. А у сигнала DVB-S2 запаса от этого уровня нет вообще, поэтому диаметр антенны должен быть не в два, а в четыре раза больше относительно того, который обеспечивает указанный уровень BER,то есть с запасом примерно в 12 дБ. На практике же запас, видимо, нужно оценивать по величине С/N или MER.

 

Литература:

  1. Newtec, White paper, S2 Extentions Demystified
  2. DVB World Ines Sanz, Hispasat BeyondDVB-S2
  3. DVB World, Thomas Wrede Chairman DVB-CM BSS, DVB-S2: Enhancing a Great Standard
  4. Анвар Барамыков. Выбор параметров трансляций пакетов TB- каналов DVB-S2, журнал «Теле-Спутник», №1/2012
  5. Bertella, V. Mignone, B. Sacco, M. Tabone, RAI-CRIT Laboratory evaluation of DVB-S2 state of art equipment.
  6. DVB-S2 channel coding standardization Report to P1B.
  7. Игорь Алексинский, Multiplex Уровень ошибок в канале DVB

Анна Бителева

 

© Теле-Спутник

 

 

 

Комментарии

Оставить сообщение