Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T)

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1 Università di Roma Tor Vergata Radiolabs Consorzio Università Industria Laboratori di Radiocomunicazione Digital Video Broadcasting-Terrestrial (DVB-T) Ing. Marco Petracca Università di Roma Tor Vergata

2 Outline TV Digitale vs TV Analogica Il sistema DVB-T MPEG Transport Stream Architettura di rete Aspetti di pianificazione Regolazione dello spettro in Europa Scenario regolatorio in Italia Processo di transizione Evoluzione dello standard: il DVB-T2 Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 1

3 TV Digitale vs TV Analogica I segnali televisivi digitali possono sfruttare potenti metodi di correzione degli errori introdotti dal canale di trasmissione Il segnale ricevuto può risultare anche della stessa qualità del segnale all uscita del codificatore in trasmissione! Questo non è possibile con la trasmissione analogica poiché il disturbo non è distinguibile dal segnale informativo in ricezione Il rumore aggiunto in trasmissione non può essere corretto! La trasmissione televisiva analogica è soggetta a disturbo delle immagini (picture ghosting) per diverse cause: riflessioni da palazzi e ostruzioni (ambiente urbano/suburbano) o da monti e colline (aree rurali) effetti delle maree, che provocano graduali cambiamenti delle condizioni di riflessione da multipath interferenza co-canale (CCI) Un ricevitore DVB-T è in grado di riconoscere e separare il segnale utile dal rumore e dai disturbi delle immagini. Un flusso digitale può trasportare qualsiasi tipo di segnale, inclusi audio, video e dati. Con l informazione in formato analogico non si riesce ad integrare facilmente questi diversi segnali! Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 2

4 TV Digitale vs TV Analogica I principali vantaggi del DVB-T rispetto alla televisione analogica terrestre (TAT) sono: miglioramento dell'efficienza spettrale flessibilità nell'uso della banda disponibile migliore qualità immagine/audio minore inquinamento elettromagnetico abilitazione di programmi interattivi possibilità di trasmettere in isofrequenza abilitazione di trasmissione in audio multiplo(e.g., multilingua). capacità di trasmissione di programmi in alta definizione. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 3

5 Il sistema DVB-T Il sistema DVB-T è basato sull adozione degli standard MPEG-2 per la codifica del segnale audio/video di sorgente e per la multiplazione. È stato sviluppato per la trasmissione di segnali televisivi multi-programma a definizione convenzionale nel formato MPEG-2, ma è aperto all evoluzione verso l alta definizione (HDTV) mediante l uso di livelli e profili MPEG-2 più elevati. Il DVB-T sfrutta le potenzialità dell MHP (Multimedia Home Platform), standard di formattazione e trattamento degli elementi di multimedialità e interattività dei programmi, cioè piattaforma multimediale domestica, al quale devono conformarsi sia i centri di emissione che i decoder a casa dell utente. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 4

6 Il sistema DVB-T Trasmettitore DVB-T Il segnale radio ricevuto passa per blocchi che realizzano operazioni duali rispetto ai blocchi della catena di trasmissione (demodulazione, decodifica di Viterbi, deinterleaving, decodifica Reed Solomon, de-scrambling) Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 5

7 Il sistema DVB-T Adattamento di MUX: il flusso MPEG-2 viene organizzato in pacchetti della lunghezza fissa di 188 bytes inserendo in testa una sequenza di sincronizzazione utile in fase di decodifica. Dispersione dell energia: trattamento del segnale con sequenza pseudocasuale in modo da ottenere un sufficiente numero di transizioni binarie per uniformare la distribuzione spettrale all interno del canale a radiofrequenza. In sostanza il flusso di bit viene randomizzato per evitare sequenze troppo lunghe di bit dello stesso valore. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 6

8 Il sistema DVB-T Codificatore esterno: protezione contro gli errori introdotti sul canale di trasmissione. realizzato mediante codice di Reed Solomon accorciato RS (204, 188); Interleaver esterno: è basato sul processo di interlacciamento convoluzionale di Forney (profondità 12). Codificatore esterno: applica una codifica convoluzionale punturata a tasso di codifica variabile (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 o 7/8) in base al livello di protezione d errore richiesto. Interleaver interno: ricombinazione del bit-stream prima della mappatura a due livelli distinti, onde evitare burst di errori all ingresso del decodificatore Viterbi. Mappatore: trasforma pacchetti di M bit in simboli complessi mediante codifica di Gray. M={4,16,64} costellazioni QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Adattamento di trama: effettua la multiplazione delle sequenze di dati (data stream) con le sequenze ausiliari per formare il simbolo OFDM. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 7

9 Segnali pilota & TPS Il segnale digitale trasmesso è organizzato in trame da 68 simboli OFDM; 4 trame costituiscono una super-trama; La trama OFDM, oltre alle portanti utili che trasportano l informazione, contiene altre portanti destinate a informazioni ausiliarie: Portanti pilota diffuse (scattered pilot cells, SPC), inserite nello spettro con una densità di 1/12 nel dominio della frequenza e di 1/4 nel dominio del tempo. Portanti pilota continue (continual pilot carriers, CPC), che occupano la stessa posizione in ogni simbolo OFDM. Portanti TPS (Transmission Parameter Signalling) in posizione fissa nello spettro OFDM, che trasportano informazioni sulla modulazione, gerarchia, durata dell intervallo di guardia, tasso di codifica interno, modalità di trasmissione, numero di trama nella super-trama. Disposizione delle portanti all interno della trama Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 8

10 Modulazione gerarchica Tale modulazione costituisce un uso alternativo delle costellazioni base 16-QAM e 64-QAM. In generale consente di differenziare la protezione assicurata a due flussi informativi, trasmessi contemporaneamente con lo stesso trasmettitore e sullo stesso canale. Un primo flusso, definito di alta priorità (High Priority - HP), sarà trasmesso con maggiore protezione con modulazione QPSK, ma naturalmente avrà minore contenuto informativo ed una qualità inferiore. L'altro flusso, il Low Priority (LP), sarà trasmesso con minore protezione e con modulazione 16-QAM o 64-QAM e avrà maggiore contenuto informativo, cioè migliore qualità. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 9

11 Modalità operativa Il sistema DVB-T prevede due modalità per l'ofdm: 2K mode: FFT su 1705 portanti; 8K mode: FFT su 6817 portanti. Il 2K mode ha una durata di simbolo più corta ed è perciò adatto per una rete che usa solo una frequenza (SFN) con limitata distanza tra i trasmettitori. L'8K mode è adatto per una rete SFN in cui la distanza tra i trasmettitori può essere di 90 km. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 10

12 Il sistema DVB-T: parametri principali Il DVB-T è ottimizzato per canali a 8 MHz (larghezza di banda di un canale in UHF) Modificando opportunamente la frequenza di campionamento nel ricevitore può essere adattato anche su canali da 7 MHz (utilizzati in molti paesi, tra cui l'italia) e da 6 MHz (adottata in USA e Giappone). Parametri del sistema DVB-T per canalizzazione 8 MHz. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 11

13 Il sistema DVB-T Il DVB-T è uno standard flessibile in cui un operatore può scegliere varie soluzioni tra i parametri di sistema rate del codice convoluzionale (1/2, 2/3, 3/4, 5/6 o 7/8), transmission mode (8K o 2K), l'intervallo di guardia (1/4, 1/8, 1/16 o 1/32 dell'active Symbol Period) la modulazione (64-QAM, 16-QAM o QPSK). Le varie combinazioni possibili danno luogo a 120 modi con modulazione non gerarchica e 1200 in quella gerarchica bit-rate utile compreso tra 4.98 Mbit/s e Mbit/s. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 12

14 Il sistema DVB-T Stima del massimo numero di programmi TV allocati in un canale a 8 MHz assumendo una ricezione fissa con antenna direttiva: la configurazione più idonea è il 64-QAM a tasso 2/3 capacità di flusso binario di circa 24 Mb/s (T g /T U =1/32) trasmissione di 4 programmi a qualità convenzionale (SDTV a 6 Mb/s ciascuno) o 6 programmi a qualità News (LDTV a 4 Mb/s ciascuno). Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 13

15 MPEG Transport Stream Lo stream MPEG-2 è costituito da più componenti, chiamati Elementary Stream (ES) Un programma contiene tipicamente: un ES per il video uno o più ES per l audio dati di controllo dati con valore informativo come i sottotitoli. Ciascun ES viene suddiviso in pacchetti PES (Packetised Elementary Stream), di dimensione fissa o variabile. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 14

16 MPEG Transport Stream I PES vengono multiplati in un unico flusso secondo la forma di multiplazione MPEG Transport Stream (TS) sequenza di Transport Packets (TPs) di 188 byte ( Header). Ciascun PES è spezzato in TPs di dimensione fissa Il TS può contenere pacchetti provenienti da PES indipendenti Service Information (SI): insieme di dati di controllo per gestire le associazioni fra gli ES e descriverli. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 15

17 MPEG Transport Stream Esistono due possibili configurazioni per il TS: 1. Single Program Transport Stream (SPTS): un singolo programma viene trasportato all interno del TS. Può contenere semplicemente i PES di audio e video. Configurazione tipica nel contesto IPTV. 2. Multiple Program Transport Stream (MPTS): il TS trasporta una combinazione di più programmi. È necessario includere le informazioni di controllo comprese nelle SI per identificare i singoli programmi. Configurazione tipica delle trasmissioni DVB. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 16

18 Architettura di rete Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 17

19 Aspetti di pianificazione Differenti architetture per la gestione della pianificazione delle frequenze: Single Frequency Network (SFN): Sfrutta la stessa frequenza in tutti i siti di trasmissione COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing): gli echi alla stessa frequenza che arrivano entro un certo tempo di guardia vengono costruttivamente ricombinati al ricevitore Multiple Frequency Network (MFN): Richiede più frequenze (non prevede la composizione costruttiva degli echi iso-frequenza) I segnali che giungono al ricevitore alla stessa frequenza interferiscono all interno dell intervallo di guardia k-sfn: Reti ibride MFN-SFN con k>1 sotto-reti che usano la stessa frequenza (SFNs locali). Ogni sotto-rete sfrutta la combinazione degli echi alla stessa frequenza all interno del tempo di guardia La copertura totale di una rete k-sfn nella specifica area geografica è data dalla somma delle coperture delle k sotto-reti. Modello architetturale per SFN Modello architetturale per MFN Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 18

20 Aspetti di pianificazione Vantaggi Svantaggi Confronto MFN vs SFN vs k-sfn MFN SFN k-sfn Non serve sincronizzazione temporale e di contenuti. Contenuti nazionali e locali Inizio deployment immediato senza aspettare l assegnazione delle frequenze DVB-H. Richiede parecchi canali/frequenze per deployment nazionale Necessità di pianificazione delle frequenze Non c è guadagno SFN, cioè servono più TX di una rete SFN. Solo 1 frequenza per sviluppo nazionale Non richiede pianificazione di frequenza SFN gain : numero ridotto di TX in confronto al caso MFN La frequenza deve essere libera su tutto il territorio nazionale Necessità di sincronizzare tutti I TX sia nel tempo che nei contenuti Solo rete nazionale La dimensione della rete SFN è limitata dal tempo di guardia Poche frequenze (e.g. k=3) per dispiegamento nazionale Guadagno SFN entro la sotto-rete (numero ridotto di TX in confronto al puro MFN) Contenuti nazionali e locali Richiesto il frequency planning (introdotto il concetto di riuso di frequenza) Le frequenze (e.g. k=3) devono essere libere su tutto il territorio Occorre sincronizzare tutti I TX all interno di una sotto-rete SFN nel tempo e nei contenuti Dimensione delle sotto-reti SFN limitata dagli intervalli di guardia Assignment approach : Viene specificato ogni trasmettitore pianificato e le sue caratteristiche. Allotment approach : Vengono specificate le aree di servizio pianificate, insieme ad una serie di regole generali di implementazione della rete Confronto: I due approcci descrivono in modi diversi gli stessi oggetti di pianificazione, e possono essere trasformati l uno nell altro La pianificazione ad assegnazione è legata principalmente a reti MFN; l approccio a territorio si presta a soluzioni SFN Assignments planning Allotments planning 19

21 Spectrum Regulation in Europe ITU Regional Radio Conference (RRC-04/06) to regulate digital terrestrial broadcasting systems (DVB-T, DVB-H and T-DAB): RRC-06 new frequency agreement adopted, replacing analogue broadcasting plan ITU Geneva 2006 frequency plan (GE-06) defines an all-digital plan for use, after the analogue TV services have been closed, of bands III (VHF, MHz) and IV/V (UHF, MHz) for T-DAB and DVB-T services over a large area (118 countries) UHF Bands IV & V analogue TV services not protected vs. interference after On 24 May 2005 EC recommends 2012 as the deadline for the switch-off and expects by the end of 2010 the process to be well advanced in EU as a whole World Radiocommunication Conference, Geneva, November 2007 (WRC07), focused on issues related to regulation of new spectrum uses in the EU and spectrum reallocation to open new opportunities for market growth Decision during WRC 2007 Common spectrum sub-bands (clusters) Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 20

22 Italian Regulatory Framework Recent legislative evolution in Italy Law n art. 8 novies General authorization regime confirmed Definition of a switch off schedule AGCOM to define frequency assignment criteria and procedures, ensuring proportionality, transparency and non discrimination (can change Del. 603/07/CONS with provisional schedule for experimental planning) MSE Decree (on G.U. n.238/2008) Final switch-off calendar (detailed timing for all national areas defined) MSE Decree (on G.U. n.273/2008) New national frequency repartition plan (PNRF) approved TV broadcasting service bands: VHF-III, UHF-IV, UHF-V Channels: 8 in VHF-III, 48 in UHF-IV and UHF V (Total: 56 channels) Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 21

23 Italian Regulatory Framework AGCOM Delibera n. 181/09/CONS (7 April 2009) States critera for the complete digitization of the Italian TV terrestrial networks: Extensive use of SFN technology (Single Frequency Network) Succesfully experimented in Sardinia (started Oct. 2008) 21 DVB-T national networks + 4 DVB-H national networks 80% coverage (DVB-T) Conversion rule for existing analog programs: enough capacity to transmit the same program both in SDTV and in HDTV at least 1 multiplex per operator 8 multiplexes to fulfill this need All operators to give back the State the analogue frequencies 1 single frequency (SFN) for each network Similar conversion rules for local broadcasters by the law, have right to access 1/3 of available spectrum resources 5 DVB-T national networks (+1 DVB-H) available as digital dividend for new entrants Could be foreseen beauty contest mechanisms Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 22

24 Transition Process Current Italian Transition Scenario: Statistics: Households: 22 million (Source: ISTAT, 2001) Homes: 27,3 million (Source: ISTAT, 2001) Households with at least 1 DTT decoder: more than 15,5 million ( 70 %) Number of DTT decoders in the homes: more than 24 million ( 88 %) Percentage of monthly TV auditel by means of digital platforms (DVB-T, DVB-S, IPTV, WebTV) Digital TV platforms already overcome analog TV: More than 50% of the total TV services consumption DTT is the 69% of the digital audience Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 23

25 Transition Process The steps towards the Italian switch-off: GENEVA 06 PLAN LEGACY 2008 EXISTING SITUATION AREAS SCHEDULE & INTERNAL COORDINATION FULL DIGITAL BC 2012 TECHNICAL ASPECTS BILATERAL INTERNATIONAL COORDINATION Resources assigned to Italy (Geneva 06) 2376 ALLOTMENTS 1567 ASSIGNMENTS The legacy (beginning 2008) 670 BROADCASTERS (national and local) TRANSMITTERS (analog + digital) 24

26 Transition Process Switch-over Only few TV channels become digital ( Rai2 and Rete4 ) Maintain same transmission channels (frequencies) Reasons: a wake up bell for citizens to equip themselves; a trial phase for broadcasters and institutions to fine tune their processes Switch-over started in October 2008 Switch-off All Italian TV channels become digital Transmission channels may change No more analogue transmission is allowed Switch-off to be concluded within 2012 Defined 12 technical areas which are radioelectrically separate They can be grouped in macro-areas including one or more Provinces In each macro-area easier to plan SFN digital networks under condition of no cross-border interference Faster transition In some macro-areas more difficult to be separated (e.g. Pianura Padana) transition dates closer Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 25

27 The Sardinia experiment Transition Process The SFN solution MFN Network 1 MFN Network 2 MUX contents: MUX 1: Rai 1, Rai 2, Rai 3 MUX 2: Rai 4 and Rai Gulp (+ 4 Radio channels) MUX 3: Rai Sport+ MUX 4: Rai Educational 1 /2, Rai News MUX 5: HDTV test MUX 6: Mobility services SFN Mux 1 SFN Mux 2 SFN Mux 3 SFN Mux 4 SFN Mux 5 SFNMux 6 Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 26

28 Transition Process Italian switch off plan schedule Current all digital areas (switch off complete) Technical areas Switch off Sardinia October 2008 Valle d Aosta September 2009 Western Piemonte (Torino and Cuneo) October 2009 Trentino and Alto Adige October/November 2009 Lazio (no Viterbo) November 2009 SWITCH-OFF ACCOMPLISHED AND ONGOING ( ) SWITCH-OFF PLAN SCHEDULE ( ) + 23 million inhabitants (70% of the Italian population all digital) Campania December 2009 Eastern Piemonte, Lombardia (no Mantova), September/October 2010 Piacenza and Parma Emilia Romagna, Veneto and Friuli Venezia Giulia October/November 2010 (+ Mantova ) Liguria November/December 2010 Technical areas Rai 2 and Rete 4 Trentino and Alto Adige Western Piemonte (Torino and Cuneo) Lazio February-October May-October June-November Technical areas Switch off Marche 1 st half 2011 Abruzzo and Molise (+ Foggia ) 1 st half 2011 Basilicata and Puglia (+ Cosenza and Crotone ) 1 st half 2011 Sicilia and Calabria 1 st half 2012 Toscana and Umbria (+ Viterbo and La Spezia ) 1 st half 2012 SWITCH-OVER DURATION (2009) Campania October-December Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 27

29 Transition Process International interference is an issue as interference from a given station at VHF/lowUHF extends well beyond its coverage boundary Decisions on spectrum aspects related to switch off require certain degree of international coordination to avoid harmful interference among countries Compromises between national priorities are necessary International coordination takes place at different levels (1997 Chester agreement): Worldwide the International Telecommunication Union (ITU); Regional Europe the European Conference of Postal and Telecommunications Administration (CEPT, which brings together 48 countries) and the European Commission; National a bilateral country-by-country basis. It is necessary to consider the impact of new digital stations; the impact of the conversion of an existing analogue station to a digital station; the impact of introducing new analogue stations which could later be converted to digital Interference between different services (broadcasting vs. mobile communications) Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 28

30 Transition Process Bilateral international coordination with: Vatican City France Monaco Switzerland Austria Slovenia Croatia Other Adriatic Countries Malta South Mediterranean area Countries 21 Country A 21 Country B E int Thr t Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 29

31 Evoluzione dello standard: DVB-T2 Diversi paesi europei hanno dimostrato interesse verso lo sviluppo di uno standard di trasmissione per la televisione digitale terrestre in grado di assicurare prestazioni superiori rispetto all ormai consolidato DVB-T. L opportunità di definire la nuova piattaforma si è presentata quando la diminuzione dei costi dei microcircuiti ha permesso di realizzare, anche per ricevitori domestici, tecniche di demodulazione che sfruttano a fondo le modulazioni multiportante (COFDM), e di introdurre nuove tecniche fino a ieri troppo costose da realizzare. Questa seconda generazione di tecnologie offre, rispetto alle precedenti, un guadagno spendibile in due modi: aumento dell efficienza spettrale, ovvero più bit/s/hz; a parità di banda, più canali TV/servizi a parità di canali TV, servizi a qualità più alta; aumento dell efficienza energetica, a parità di siti trasmittenti e della loro potenza, maggior copertura del territorio o antenne di ricezione più piccole a parità di copertura e antenne d utente, diminuzione della potenza dei siti. Sistemi di Radiocomunicazioni - Seminario DVB-T 30

32 Evoluzione dello standard: DVB-T2 Bit-rate maggiori del DVB-T (guadagni superiori al 50%!) Elevata flessibilità per adattarsi alle diverse modalità di ricezione (fisso, portabile, mobile) Efficienza spettrale compresa tra 0.5 e 6.6 bit/s/hz; C/N richiesto tra 1 e 25 db (AWGN). Confronto delle prestazioni di capacità tra DVB-T e DVB-T2 su canale AWGN Guadagno d efficienza spettrale del 25% con codici low density parity check (LDPC) Guadagno di C/N tra 3 e 4 db 31

33 Evoluzione dello standard: DVB-T2 Primi field trial del DVB-T2 a novembre 2008 (Rai CRIT and Rai Way). Trasmissione con polarizzazione verticale sul canale UHF 29 dal sito di Torino Eremo. Fonte: Elettronica e Telecomunicazioni N 2 Agosto 2009 Up to 4 HDTV programmes in a single RF channel Confronto tra una tipica realizzazione italiana di rete DVB-T SFN ed una configurazione DVB-T2 equivalente 32