Capitolo 4 DVB-RCT

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G. CATELLA – LA TECNICA OFDMA

Capitolo 4

DVB-RCT

(Digital Video Broadcasting-Return Channel Terrestrial)

4.1 Introduzione

Siamo nell’era del digitale. Le piattaforme della TV digitale terrestre sono una realtà sparsa in tutto il mondo. Il passaggio dalla TV analogica a quella digitale, non è soltanto l’introduzione di nuove tecnologie; si tratta di ridefinire il concetto di “televisione”.

La principale novità è l’interattività:

- la TV interattiva permetterà agli utenti di televotare in tempo reale per il programma, o personaggio, preferito.

- La TV interattiva consentirà agli utenti di partecipare ad un quiz stando comodamente seduti a casa.

- La TV interattiva fornirà notizie in tempo reale e su richiesta.

- La TV interattiva permetterà agli utenti di fare acquisti senza bisogno del telefono. Ma l’interattività non è solo TV:

- Potremo visitare pagine web. - Potremo inviare e ricevere mail. - Potremo trasferire dati.

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CAPITOLO 4: DVB-RCT

Il DVB-T, digitale terrestre, è una realtà anche in Italia; l’introduzione sul mercato del Multimedia Home Platform (MHP), da parte del forum DVB, ha sicuramente portato una serie di nuovi servizi interattivi. Però il DVB-T è un canale a larga banda che fornisce gli utenti in modo unidirezionale; per una reale interattività tra utente e provider, è necessario un canale di ritorno. Questo è l’obiettivo del DVB-RCT: offrire agli utenti un canale wireless di ritorno per aprire le porte a nuovi modelli di business.

Il DVB-T sfrutta le stesse bande della TV analogica (VHF,UHF).

Lo scenario corrente delle bande UHF/VHF, che coprono gli spettri tra 170MHz e 230MHz (VHF), e tra 470MHz e 860MHz (UHF), mostra una situazione di forte congestione in diverse nazioni; questo è un grosso problema per l’introduzione di nuovi servizi, ma non per il DVB-RCT.

Il DVB-RCT:

- è efficiente nello spettro ed ha bassi costi, perché è costruito sulla base delle più recenti tecniche per trasmissioni digitali, e costituisce il primo sistema al mondo che sfrutta l’OFDMA, per fornire un canale wireless interattivo.

- Può servire celle di dimensioni fino a 65 km di raggio, con bit rate di diversi Kbps per ogni utente, fino all’estremità della cella.

- Può gestire forti picchi di traffico, poiché è stato disegnato per effettuare fino a 20.000 interazioni al secondo in modalità Tele-Polling.

- Può essere impiegato in celle con un numero elevato di Network, fino a 3,5 km di raggio, fornendo all’utente un bit-rate di diversi Mbps.

- Può servire dispositivi portatili, quindi permette l’interattività ovunque arrivi il segnale DVB-T.

- Può essere usato ovunque sia presente il DVB-T, con i suoi canali da 6,7 e 8 MHz. - Non richiede più di 1 watt di potenza per le trasmissioni dall’utente alla BS.

Vediamo come siano possibili tali performance, introducendo lo standard del ETSI (European Telecommunication Standards Institutes) che definisce il DVB-RCT, pubblicato nel Marzo del 2002, con il nome di EN 301 958 v.1.1.1 (2002-2003).

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4.2 EN 301 958 v.1.1.1 (2002-2003)

Il sistema interattivo consiste di un canale in DL, che sfrutta l’MPEG-2, portato all’utente attraverso il network DVB-T, mentre il canale di ritorno, UL, sfrutta trasmissioni tipo wireless nelle bande VHF/UHF.

Tale sistema è rappresentato nelle figure Figura 26. e Figura 27.

Figura 26.

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Il DL della BS fornisce la sincronizzazione e l’informazione a tutti i terminali, chiamati Return Channel Terrestrial Terminal (RCTT). I vari RCTT possono comunicare con la BS utilizzando direttamente la stessa antenna, sfruttata per la ricezione del segnale di broadcast.

Un segnale di sincronizzazione è trasmesso a tutti gli utenti; esso è richiesto per una corretta demodulazione del segnale di UL alla BS. Più precisamente, la sincronizzazione di frequenza del DVB-RCT è ricavata dal segnale broadcast DVB-T, mentre la sincronizzazione di tempo è ottenuto dall’uso di pacchetti MAC management, trasportati attraverso il canale broadcast.

4.2.1 Lower Physical Layer

Le figure Figura 28. e Figura 29. mostrano l’implementazione dello standard DVB-RCT nel RCTT e nella BS rispettivamente.

Figura 28.

Riferendosi alla Figura 28., la sincronizzazione del modulo DVB-RCT è ottenuta utilizzando il System Clock, ricavabile dal ricevitore DVB-T , e i messaggi del MAC Control; tali messaggi sono poi processati dal MAC management per informare il modulatore DVB-RCT delle risorse di trasmissione assegnategli e per sintonizzare l’accesso al canale di ritorno a RF.

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I dati interattivi dell’utente sono esaminati dal MAC management e inviati alle fasi successive, dalla randomizzazione fino alla modulazione nelle bande VHF/UHF.

Figura 29.

Riferendosi alla Figura 29., i segnali inviati dai RCTT nelle bande VHF/UHF sono demodulati alla BS, tramite l’uso di un FFT, e inviati al MAC layer management. Il MAC layer management processa i messaggi ricevuti e li invia al server interattivo. Messaggi di risposta o nuovi messaggi saranno inviati dal trasmettitore DVB-T, dopo essere passati dal MAC Inserter.

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4.2.2 Partizione della banda di canale

Per permettere l’accesso multiplo agli utenti, il canale di ritorno nelle bande VHF/UHF viene diviso nel dominio della frequenza e in quello del tempo, in modo da formare una griglia di slot, detti Time-Frequency slot; in questo modo si ha un strumento potente per far condividere a diversi RCTT il mezzo a RF. Questa suddivisione è mostrata in Figura 30.

E’ possibile l’allocazione di un RCTT su molteplici slot, sia lungo il tempo, che lungo la frequenza. Per eliminare qualsiasi tipo di interferenza tra utenti, il sistema fornisce due tipi di sagomatura:

- Sagomatura di Nyquist: filtraggio usato nel tempo su ogni portante, per fornire immunità dal ICI e dal ISI.

- Sagomatura Rettangolare: filtraggio che fa uso di una disposizione ortogonale delle portanti e di un intervallo di guardia tra simboli modulati, per fornire immunità dal ICI e dal ISI, ed anche per combattere gli effetti della propagazione multipath.

Queste sagomature non possono essere utilizzate contemporaneamente nello stesso canale a RF. In breve, il DVB-RCT utilizza qualsiasi megahertz di spettro inutilizzato oppure sottoutilizzato, per fornire un canale di ritorno.

L’organizzazione del canale a RF è mostrata nella Figura 31.

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4.2.3 Modalità di trasmissione

Esistono 6 modalità di trasmissione nello standard DVB-RCT, caratterizzate da una combinazione specifica del massimo numero di portanti usate e delle loro spaziature. In un dato canale di ritorno si può implementare una sola modalità di trasmissione.

Le possibili spaziature inter-portanti sono rappresentate in Tabella 12.

Spaziatura inter-portante

CS1 ≈1Khz a cui corrisponde una durata di simbolo pari a ≈1ms

CS2 ≈2Khz a cui corrisponde una durata di simbolo pari a ≈0.5ms

CS3 ≈4Khz a cui corrisponde una durata di simbolo pari a ≈0.25ms

Tabella 12.

Si ottengono 6 modalità di trasmissione perché il numero delle portanti utilizzabile è 1024 oppure 2048. La Tabella 13. fornisce i parametri delle modalità di trasmissione del DVB-RCT, applicabili per trasmissioni DVB-T che utilizzano canali a RF di 6,7 e 8 MHz.

Tabella 13

Nella Tabella 13. valgono le seguenti definizioni:

- Total System Carriers: è il numero totale delle portanti gestite dal sistema DVB-RCT. - Used Carriers: è il massimo numero delle portanti realmente utilizzate, perché quelle esterne

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- RCT system clock (T): è ricavato dal DL del DVB-T. Lo standard DVB-T prevede che T sia uguale a:

- 7/64 µs per 8 MHz - 1/8 µs per 7 MHz - 7/48 µs per 6 MHz Il T per il DVB-RCT vale:

- 4 volte quello del DVB-T nel caso di CS1. - 2 volte quello del DVB-T nel caso di CS2. - 1 volta quello del DVB-T nel caso di CS3. - Usuful Symbol Duration: è il periodo utile del simbolo.

- Carrier Spacing: è la spaziatura inter-portante.

- RCT channel Bandwidth: è la banda di canale DVB-RCT usata.

E’ da notare che la durata totale del simbolo dipende dalla sagomatura applicata alla portante.

4.2.4 La struttura della Trama

Lo standard definisce 2 tipi di trame, che forniscono le necessarie informazioni per permettere la sincronizzazione e la demodulazione alla BS.

Il primo tipo di trama, rappresentato nelle figure Figura 32. e Figura 33(a)., prevede: - il primo simbolo nullo per il jammer detection alla BS.

- sei simboli successivi per il Ranging.

- altri 176 simboli per il trasporto delle informazioni d’utente.

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Figura 33(a) e 33(b).

Il secondo tipo di trama, rappresentato nelle figure Figura 33(b). e Figura 34., ha una durata di 48 simboli, organizzati in 8 gruppi di 6 simboli consecutivi. Dentro ogni gruppo, le 1024, o 2048, portanti sono organizzate in sottocanali da 4, 29 o 145 portanti.

Figura 34.

In breve, TF2 organizza le attività nel dominio della frequenza, mentre TF1 in quello del tempo.

4.2.5 La struttura del Burst

Il DVB-RCT definisce tre tipi di burst: BS1, BS2 e BS3, rappresentati in Figura 35; qualsiasi tipo di burst si scelga, è composto da 144 simboli OFDM modulati, nei quali sono inserite 30 o 36 portanti pilota, con lo scopo di effettuare alla BS una demodulazione coerente:

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- BS1: utilizza una sola sottoportante per trasportare nel tempo i dati, con un’opzionale legge di frequency hopping, applicata all’interno della durata del burst.

- BS2: utilizza contemporaneamente 4 sottoportanti. - BS3: utilizza contemporaneamente 29 sottoportanti.

Le tre strutture costituiscono vari compromessi tra durata del simbolo e diversità in frequenza. Un burst di durata breve è robusto nei confronti dell’interferenza, ma richiede all’utente di utilizzare più frequenze in parallelo, quindi di distribuire la potenza disponibile su di esse, ottenendo una copertura di cella limitata. Un burst di lunga durata ha un raggio di azione molto ampio, ma sicuramente non sarà forte nei confronti dell’interferenza.

Figura 35.

4.2.6 Medium Access Schemes

Lo standard definisce tre metodi per mappare i burst nelle trame; tali metodi prendono il nome di Medium Access Scheme (MAS). La mappatura è fatta sotto il controllo del MAC, caricato alla BS. Si definiscono tre tipi di MAS:

- MAS1: è usato esclusivamente per mappare BS1 su TF1. - MAS2: è usato esclusivamente per mappare BS2 su TF1. - MAS3: è usato per mappare BS3, ed in opzione BS2, su TF2.

Sia MAS1 che MAS2 possono utilizzare le sagomature di Nyquist e Rettangolare, mentre MAS3 può utilizzare soltanto la sagomatura Rettangolare.

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4.2.7 Sincronizzazione del RCTT

la sincronizzazione del canale di ritorno a RF è un aspetto importante del network interattivo terrestre.gli RCTT hanno delle restrizioni per poter ottenere un efficiente sistema OFDMA con la minima interferenza tra utenti.

Si utilizzano due passi di sincronizzazione. Il primo passo è una sincronizzazione iniziale, che si basa sul DL, che fornisce all’utente una minima accuratezza di frequenza e tempo, mentre il secondo passo è una sincronizzazione accurata, che sfrutta una procedura di Ranging.

4.2.7.1 Sincronizzazione iniziale

Lo scopo di questa sincronizzazio0ne è che qualsiasi RCTT del network possa trasmettere, in modo sincrono, le trame nell’UL; questo è ottenuto allineando le trame dei RCTT a quelle del RCTT più lento del network.

La BS fornisce i parametri fisici dei canali dell’UL, tipo e durata della trama da trasmettere, attraverso i messaggi del MAC nel DL.

4.2.7.2 Sincronizzazione accurata

Il RCTT effettua il processo di Ranging per ottenere una sincronizzazione sia nel tempo che in potenza.

Il RCTT seleziona un codice ranging di inizializzazione in modo random, e lo invia sullo slot di ranging in MAS3 oppure su slot di ranging selezionati random in MAS1 e MAS2. Se RCTT non riceve nessuna risposta dal Interactive Network Adapter (INA), allora utilizza il minimo livello di potenza.

L’INA riceve il codice di ranging e studia le correzioni di potenza, sincronizzazione e funzionamento del canale, necessarie al RCTT; tali informazioni vengono inviate la RCTT attraverso il <MAC> Ranging and Power Calibration Message, che contiene anche il numero di slot e il codice selezionato, che serve all’utente per identificare il messaggio, come risposta al suo ranging.

Tale processo si ripete fino a quando la risposta non contiene un messaggio di successo o di aborto. Giunti al messaggio di successo, l’INA può allocare gli slot dell’UL del RCTT e continuare il

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processo di “sign-on”. Il RCTT a questo punto, comincia il processo di sign-on inviando il <MAC> Sign-On Message. L’INA, dopo aver ricevuto tale messaggio, convalida il RCTT inviandogli il <MAC> Initialization Complete Message.

Se il <MAC> Sign-On Message è sconosciuto, il RCTT prova diverse volte allo stesso livello di potenza, e poi prova con un altro canale di servizio. Se non riceve nessuna risposta da tutti i canali disponibili, aumenta il livello di potenza e prova ancora.

Tale processo di sincronizzazione è rappresentato in Figura 36.

Figura 36.

4.2.8 Segnale trasmesso

Il segnale trasmesso dal RCTT è definito dalla seguente formula:

                ⋅ − ⋅ =

∑ ∑

∈ = + ' ) ( 2 , 0 0 ) ( Re ) ( K k N N n t t k f j s n k u E s e nT t g a t s π dove

k è l’indice di portante trasmessa K’ è il sottocanale

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0

N è il numero del simbolo di partenza dentro la trama trasmessa

E

N è il numero del simbolo di arrivo dentro la trama trasmessa s

T è la durata del simbolo

s

t è l’inverso della spaziatura inter-portante 0

f è la frequenza della prima portante, quella con la frequenza più bassa, tra il gruppo delle

portanti. n

k

a _, è il simbolo complesso di modulazione per la portante k del simbolo di dati numero n

g(t) è la funzione del filtro sagomatore t è il tempo, settato a 0 all’inizio del burst.

4.2.9 Bitrate

Sotto il controllo della BS, RCTT modula le portanti del burst per trasmettere dati, utilizzando modulazioni 4QAM, 16QAM e 64QAM, con un rate di codifica di 1/2 oppure 3/4.

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La Figura 37. mostra vari bitrate netti, utilizzando BS1 e BS2 con una sagomatura Rettangolare; i valori sono dati per CS1, CS2 e CS3 al variare del rate di codifica. Le variazioni di colore nell’istogramma rappresentano l’utilizzo di vari intervalli di guardia, precisamente 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32 della durata del simbolo utile.

In generale, in tipiche applicazioni, il DVB-RCT offre bitrate netti per portante, da 0.6Kbps a 15Kbps. Quando tutte le portanti sono utilizzate, la BS raccogliere dal canale DVB-RCT, da 1Mbps a 30Mbps di dati d’utente.

Le modalità più robuste offrono un bitrate più basso, su celle a raggio largo, mentre modalità più deboli offrono un bitrate più alto, su celle a raggio stretto.

4.2.10 Modulazione adattativa

Invece di avere un unico schema di modulazione e codifica per tutti i RCTT, il DVB-RCT permette l’uso simultaneo di tutte le combinazioni; questa caratteristica è chiamata “Dynamically Assignable Adaptive Modulation”, e permette il controllo del livello di interferenza da celle vicine che utilizzano lo stesso canale, e allo stesso tempo fornisce il massimo bitrate ad ogni utente, ottimizzando l’uso dello spettro. Per esempio, la modulazione più robusta può essere assegnata agli utenti vicini all’estremità della cella, in modo da permettere loro di trasmettere alla BS con il minimo di potenza richiesto; al contrario, ad un utente vicino alla BS si può assegnare una modulazione meno robusta, visto che può scegliere a piacere il livello di potenza.

4.2.11 MAC Layer

Il modello di riferimento per il MAC è descritto nella Figura 38. Il MAC Management Entity è diviso in tre categorie:

- Initialization, Provisioning e Sign-On Management - Connection Management

- Link Management

Lo scopo del MAC è di fornire ai protocolli dei layer più alti servizi che permettano un controllo trasparente delle trasmissioni e ricezioni dei dati inviati dal Physical Layer. I servizi dei livelli più alti sono forniti dall’INA allo STU (Set Top Unit). Per ogni connessione fornita dall’INA, un ID di connessione è associato al MAC.

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Figura 38.

Il massimo numero di connessioni simultanee che una NIU (Network Interface Unit), presente all’interno del RCTT, può supportare è definito come segue:

- Livello A: una sola connessione alla volta

- Livello B: tante connessioni quante ne servono, definite dinamicamente dall’INA.

Il Physical layer dell’UL sfrutta il sistema OFDMA; il MAC controlla l’assegnazione dei Time Frequency slot attraverso il Grant Message e il Resource Request.

Il MAC è eseguito attraverso un sistema di messaggi tra INA e RCTT in un determinato canale di DL, un canale di servizio.

4.2.12 Possibili configurazioni di celle per DVB-RCT

Configurazioni reali di canali di UL dentro celle DVB-T, possono essere ricavati a partire dalle seguenti tre configurazioni di base:

- Canale di UL omnidirezionale: la cella DVB-T è coperta completamente da un unico canale di UL. Figura 39.

- Canali di UL omnidirezionali: la cella è coperta da diversi canali di UL, che aumentano la capacità. Figura 40.

- Settorizzazione: la cella viene divisa in settori; in questo modo si può aumentare la capacità attraverso il riuso dei canali di UL, e si può risolvere il problema di un

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canale non in grado di coprire l’intera cella. All’interno di un settore si può applicare la seconda configurazione. Figura 41.

Figura 39. Figura 40.

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4.3 Conclusioni

Riassumiamo le caratteristiche del DVB-RCT nella Tabella 14.

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