Po mnoho let jsme si zvykli, že kmitočtové spektrum je přiřazováno určitým předem definovaným službám, pro které jsou stanoveny další podmínky v souladu se schválenými standardy, jako jsou používané technologie, šířky pásma a výkony tak, aby se jednotlivé služby vzájemně nerušily a koexistovali společně.

Vývoj modulačních a multiplexních technik dospěl v průběhu let do stavu, kdy se používají stejné modulační technologie typu kvadraturní amplitudové modulace (QAM) různých řádů a pro multiplexování ortogonální vícenásobný přístup s frekvenčním dělením multiplexu (OFDM). Typickým příkladem jsou dnešní vysílací DVB a buňkové mobilní sítě.

Základy 5G sítí se vyvíjejí napříč generacemi

Všem jsou známy pojmy 3G, 4G LTE sítě, jakož i nejnovější 5G. Kde se berou základy těchto technologií? Zajišťují to standardy skupiny 3 GPP. Projekt partnerství 3. generace (3GPP) je zastřešující termín pro řadu standardizačních organizací, které vyvíjejí protokoly pro telekomunikační sítě v kmitočtovém spektru.  O technologiích 5G a náhradě pozemní distribuce jsme psali již před dvěma roky

Nahradí technologie 5G časem tradiční pozemní distribuci televizního vysílání?

Podívejme se na vývoj standardů 3GPP a následně převzatých v normativách ETSI z trochu jiné stránky. První datové přenosy v mobilních sítích byly umožněny v tzv. sítích 3G a podporovány jako EDGE, CDMA 2000, 1xEC-DO případně WCDMA v prvních letech tohoto století s rychlostmi 144 kb/s – 2 Mb/s.  S nástupem LTE (Long Term Evolution) před více jak 10 lety v roce 2010 vydal Projekt partnerství 3. generace 3GPP Release (Verze) 8 a 9 tzv. Evolved Multimedia Broadcast Multicast Services (eMBMS), což je rozhraní typu point-to-multipoint, které se používá pro mobilní služby, ale je navrženo tak, aby zlepšilo efektivitu poskytování vysílacích a multicastových služeb. S eMBMS může být až 60 % kapacity kanálu přiděleno datovým vysílacím službám. Vývoj efektivnější platformy pokračoval a vedl k vydání Release 14 v roce 2017 skupinou 3GPP. Verze 14 byla významným vylepšením předchozího eMBMS, a proto byla nazvána FeMBMS (dále vyvinutý Multimedia Broadcast Multicast Service) nebo také nová pokročilá TV (enTV). Namísto 60% kapacity eMBMS pro přenos vysílacích služeb umožňuje FeMBMS věnovat až 100 % kapacity vysílacím službám přes rozhraní „jeden-všem“ s rychlostmi až do 1 Gb/s. Tento obrovský krok od eMBMS vedl k rostoucímu zájmu provozovatelů vysílání o potenciál FeMBMS. Po vydání verze 15 v témže roce 3GPP označilo všechny LTE RAN (Radio Access Network) systémy, které zahrnuje FeMBMS, jako sítě páté generace – 5G.

Až dosud nebylo 5G v režimu vysílání ještě plně specifikováno. eMBMS, FeMBMS a 5G Broadcast (5G BC) v podstatě označují totéž. Poslední 3GPP Rel.16 již splňuje všechny požadavky na 5G vysílání, které je definováno v technickém doporučení 3GPP TR 36.976 pro samostatnou síť (standalone brodacast) a umožňující další nové služby. Verze 16 (Rel.16), která byla ukončena v roce 2020, zavedla rovněž prvky vylepšení pro přenos streamingových služeb, a hlavně architektury mediálního streamingu (5GMS).

Budoucí a následná vylepšení standardů 3GPP ve verzích 17 a dalších

V konečné fázi je další úprava specifikací 3GPP, která podle původního harmonogramu měla být ukončena již v roce 2021, ale v důsledku pandemie její definitivní oficiální podoba spatří světlo světa až koncem tohoto roku 2022. Základním cílem je vylepšení architektury pro poskytování služeb 5G Vysílání, mezi něž patří především identifikace příslušných požadavků na interoperabilitu, výkonnostní charakteristiky. Verze 17 také zavádí komunikace se satelitními sítěmi, zejména na nízkooběžných drahách, a hlavně vylepšení a další podporu vysílacích služeb.

V kontextu potenciálních vylepšení a rozšíření je mimo jiné příprava a streamování obsahu, identifikace provozu, další / nové transportní protokoly, uplink streamování médií, provoz na pozadí, autorizace pro jednotlivé aplikace, podpora pro šifrovaný a vysoce kvalitní obsah a škálovatelná distribuce typu unicast pro živé vysílání.

Rozšíření Rel. 17 bude zahrnovat: požadavky na zlepšený výkon přijímače, možnost použití šířek pásma 6/7/8 MHz a vysílání v UHF spektru, streamování médií 5G (5GMS) včetně hybridních případů použití, tj. 5G vysílání ve smíšených módech unicast i broadcast a jejich dynamické přepínání.

Rozšíření vlastností 5G Broadcast po konečném schválení 3 GPP Rel. 17 a standardizaci ETSI (zdroj: https://www.qualcomm.com/media/documents/files/download-our-5g-nr-rel-17-presentation.pdf )

Kromě toho Verze 17 doplňuje: síťová rozhraní API, rozšířený reporting dat a událostí, zpracování 5G na bázi LTE vysílání/eMBMS pro aplikace Media Streaming 5G, které se mohou stát při rozšíření dosahu služby 5GMS skutečným vysíláním.

Implementace video kodeků ve službách 5G (charakterizace stávajících video kodeků 3GPP  – H.264/AVC a H.265/HEVC) a přidávání potenciálních budoucích video kodeků bude patrně zahrnuto až do následující Release 18.

Porovnání 5G Broadcast se standardy DVB

Zatímco FeMBMS může znít jako pojem „z jiné planety“, jeho design byl ve skutečnosti založen na stejných OFDM standardech, jako je DVB-T2 i americký ATSC 3.0. Níže je tabulka, která srovnává OFDM charakteristiky a pojmy užívané v terestrickém vysílání a 5G vysílání (5G BC).

V dřívějších verzích byl cyklický prefix (CP), který odpovídá známému ochrannému intervalu (GI), u eMBMS omezen na 33 μs. Nižší CP omezoval vytváření větších SFN pouze na husté mobilní nebo LPLT (Low Power Low Tower) sítě. Nasazení větších SFN je však nyní možné s nejnovějším FeMBMS (5G BC), protože nyní má prodloužený ochranný interval (GI) až 300 μs, přičemž poslední korekce spojené s odstupem subnosných byly zavedeny v ETSI TS 136 211 V16.6.0 až v červnu 2021. Je zřejmé, že pro SFN je zapotřebí cyklický prefix 300 µs. Při použití CP 200 µs by bylo omezení způsobené vlastní interferencí SFN velké, jak již ukázaly některé zahraniční simulace.

Kapacita FeMBMS je alokována ve zdrojových blocích (RB) a možnosti šířky pásma se pohybují od 1,4 do 20 MHz. Obvyklý odstup kanálů je 5 MHz s výjimkou prvních dvou (1,4 a 3 MHz). Systém má velké množství kapacitních možností, které vycházejí z kombinací různých kódových rychlostí a modulací (jmenovitě QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM a dokonce i 1024 QAM pro specifická použití). Níže uvedená tabulka uvádí podrobnosti o parametrech, jako jsou modulační a kódovací schémata 5G Broadcast, s parametry, které jsou porovnatelné s DTT.

Tabulka závislostí modulačních a kódovacích schémat (zdroj: https://www.progira.com/)

K tabulce je ještě nutno uvést, že index MCS v 5G, jako pro jakoukoli komunikační technologii, určuje modulační a kódovací schéma (MCS) tj. počet užitečných bitů, které může nést jeden symbol, resp. kolik užitečných bitů lze přenést na jeden zdrojový blok (RB), který je základní stavební jednotkou systému.

Standard 5G vysílací systém pro lineární televizní a rozhlasové služby

Na základě technické specifikace 3 GPP Rel. 16 je sestaven standard ETSI TS 103 720 v1.1.1, který definuje všeobecné požadavky na systémy 5G Broadcast nezávislé na technologii jádra sítě.

Mezi tyto požadavky, kromě podpory služby volného vysílání Free-to-Air (FTA), patří:

  • Služba pouze vysílání pro uživatelská zařízení (UE) bez nutnosti předplatného mobilním operátorům.
  • Podpora sdílených síťových funkcí mezi více operátory sítí 5G.
  • Oddělení obsahu, uživatelských služeb a transportních funkcí.
  • Poskytnutí služeb vysílání a přenosových schopností třetím stranám.
  • Podpora klientských rozhraní API pro zjednodušený přístup ke službám vysílání.
  • Síť určená pro lineární televizní a rozhlasové vysílání, například přenášená pomocí doplňkových sestupných kanálů (SDL) spektra.
  • Nasazení jednofrekvenční sítě (SFN) se vzdáleností mezi lokalitami (ISD) výrazně většími než spojené s typickými mobilními nasazeními, s ISD > 100 km pro podporu přijímačů s vysokým ziskem střešních směrových antén a převážně s přímou viditelností na vysílač (viz CP nebo ochranný interval GI popsaný výše).
  • Podpora scénářů mobility včetně rychlostí až 250 km/h pro podporu přijímačů v jedoucích vozidlech s externími všesměrovými anténami.
  • Podpora služeb a zařízení v režimu pouze příjmu (ROM).
  • Podpora identifikace uživatelských služeb prostřednictvím vysílání.
  • Podpora běžných formátů distribuce streamování, jako je Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH), HTTP Live Streaming (HLS) a Common Media Application Format (CMAF).
  • Podpora služeb založených na IP, jako je IPTV nebo ABR (adaptivní bitová rychlost) pro multicast.
  • Podpora různých služeb doručování souborů, jako je plánované doručování nebo karusely souborů.

Pro první přiblížení uvedeme základní bloková schémata 5G Broadcast v provedení samostatných vysílacích sítí a ve společném provedení s hybridní interaktivní sítí, která umožní doručit požadovaný obsah na vyžádání. Za zmínku stojí, že na rozdíl od schémat používaných ve vysílací technice, kdy průběh signálu je znázorněn vždy zleva doprava, tak schémata mobilních sítí uvádějí zdroj obsahu vpravo a uživatele vlevo, neboť se jednalo o duplexní komunikační kanál. To platí i o distribučních sítích 5G Broadcast. S tím také souvisí i označení downlink, který určuje směr vysílání k uživateli.

Architektura sítě používající samostatný 5G Broadcast (standalone)

Služba 5G Broadcast se skládá z nosné služby a uživatelské služby. Ty poslední poskytují signalizaci 5G Broadcast a také poskytují informace o tom, jak je zjišťovat a přistupovat k nim. Nosné služby poskytují distribuční prostředky pro uživatelské služby vysílání 5G, včetně rádiové nosné. Rozhraní RAN (Rádiová přístupová síť) je definováno tak, že podporuje funkce uvedené výše, včetně NodeB (uzel sítě, v principu základnová stanice BTS) ve vysílači 5G Broadcast a modemové přístupové vrstvy v přijímači 5G Broadcast.

Architektura sítě používající společně jak samostatný 5G Broadcast tak unicast

V jednom provedení výše uvedeného systému poskytuje poskytovatel obsahu informace prostřednictvím xMB o souboru nebo segmentu vysílání. Streamovaný obsah je také k dispozici pro načtení dat v případě unicastu. V tomto případě vysílač 5G BC poskytuje odpovídající informace z  popisu uživatelské služby tak, že přijímače 5G BC, schopné používat unicast, mohou komponenty pro unicast získat. To lze provést například pro postupy při opravě souborů nebo kontinuitou služeb v DASH nebo HLS. V jiných provedeních samotná TV/Radio aplikace 5G Broadcast využívá unicast k vylepšení služeb. Příkladem mohou být servisní informace HbbTV nebo DVB-I. To může například zahrnovat elektronického programového průvodce (EPG) nebo elektronického servisního průvodce (ESG).

Koexistence vysílacích a celulárních sítí

Video, jako objemově náročný fenomén, se stává hlavním datovým tokem komunikačních sítí. Očekává se, že bude tvořit 80 % objemu přenesených dat, a to hlavně při špičkovém zatížení při živých sportovních přenosech. Standardizace způsobů přenosu v buňkových sítích je nebo bude v tomto roce dokončena. Dedikované samostatné vysílací sítě na bázi existujících vysílacích věží doplněných celulární topologií mohou být společnou platformou pro výrazné posílení pokrytí při minimalizaci nákladů na zavedení nové technologie, nemluvě o tom, že při způsobu distribuce jednoho společného obsahu všem aktivním uživatelům jsou mnohem spektrálně účinnější než tradiční používání mobilních sítí při přenosu jednoho obsahu jednomu divákovi. Při tom ale nevylučují ve smíšené konfiguraci s dynamickým přepínáním mezi jednosměrným a hromadným módem poskytovat i tyto služby na vyžádání. Vysílání 5G Broadcast a stávající DTT mohou koexistovat v pásmu UHF, které v současnosti používá pouze DTT a opětovné použití koordinovaných frekvencí podle ženevského plánu GE06 by mohlo být tím nejpraktičtějším způsobem pro brzké zavedení 5G Vysílání v tomto pásmu, jak dokazuje i právě probíhající vysílání Eurovize.

EBU vysílá Eurovizi v 5G Týká se to Itálie, Francie, Rakouska a Německa

Výhled na sítě nové generace

Po překonání některých praktických a regulačních omezení na národní a mezinárodní úrovni, které by mohly bránit pokroku, by hybridní vysílací sítě 5G mohly být obecně určeny pro distribuční datové služby bez rozlišení na broadcast a broadband. K tomu přispívá i aspekt budoucího rozvoje sítí 6G, které přinesou více síťových technologií, včetně pevných, mobilních, nomádských a satelitních pod jeden rámec. Konvergence mezi těmito sítěmi umožní bezproblémové toky informací napříč různými zařízeními, infrastrukturami a zdroji. Taková budoucí síť poskytne globální pokrytí a bezproblémové a nákladově efektivní infrastrukturu telekomunikační služby, která by měla být všudypřítomná a neměla by být omezena jen pokrytím radiokomunikačních sítí, jako je tomu u 5G a předchozích generací buňkových sítí. Datový provoz by měl využívat veškeré technologie dostupné podle jejich silných stránek, ať už se jedná o pevné, mobilní nebo satelitní sítě. To může zajistit nákladově efektivní, agilní, robustní, odolné a přizpůsobivé dodávky komunikační a výpočetní služby kdekoli a kdykoli v souladu s poptávkou koncových uživatelů.

Štítky