Jak se testuje 5G Broadcast v Evropě Česko není jediné, kdo zkouší nový standard

Zhruba před měsícem začaly České Radiokomunikace (CRA) testovat digitální televizní a rozhlasové vysílání v novém vysílacím standardu 5G Broadcast. Vysílání v 5G Broadcast není následovníkem standardů DVB, ale je výsledkem činnosti vývojové skupiny 3GPP a přináší divákům nové výhody digitálního terestrického vysílání – mohou sledovat televizi ve vysoké kvalitě i na cestách na svých chytrých telefonech a tabletech. To však nejsou jediné výhody této technologie. Způsob šíření lineárního vysílání umožňuje snížit datovou přetíženost mobilních sítí tak, že nenavazuje oboustranné spojení každý s každým (divákem) jako při streamingu videa  a má navíc schopnost fungovat vedle stávajících sítí DVB-T2.

Testování CRA u nás

Signál 5G Broadcast je šířen na v pásmu 700 MHz TV kanále 55 s obvyklou šířkou pásma 8 MHz. Parametry vysílání jsou následující:

Pro obsah využívá CRA televizní a rozhlasový signál od svých partnerů – České televize, Českého rozhlasu nebo provozovatelů komerčního TV vysílání skupiny Prima. Signál z 5G vysílače pokrývá oblast Prahy a středních Čech, nicméně vysílání 5G nemohou zatím diváci naladit, protože na trhu existují jen omezené množství experimentálních přijímačů pro testovací účely.

Mapa pokrytí 5G Broadcast 55. kanál z Prahy-Žižkova (zdroj: Prezentace CRA 6.4.2022)

Z toho důvodů jsou testy zatím určeny pro zjištění chování vysílaného signálu při změnách různých parametrů. První přijímač, vyvinutý společností Qualcomm, byl sice prezentován na Mezinárodním veletrhu mobilní techniky letos v lednu v Barceloně a kompletní řetěz byl i s přijímačem představen na letošním veletrhu NAB v Las Vegas, ale v komerční nabídce dosud není.

NAB 2022: zaostřeno na 5G Broadcast Čerstvé novinky z Las Vegas

Pro testy je použita specifikace skupiny 3GPP Release 16, která je publikována jako standard ETSI TS 136 213 V16.3.0 z listopadu 2020. Základní schéma a konfigurace, které zajistil technologický partner Rohde & Schwarz, bylo představeno na tiskové konferenci CRA v den zahájení experimentálního vysílání 5G u nás.

Základní schéma testované technologie 5G Broadcast (zdroj: prezentace CRA 6.4.2022)

Jak na příjem mediálního obsahu kdekoliv

Způsob, jakým je poskytován obsah a ostatní služby vysílatelů, se vyvíjí, zejména díky popularitě osobních zařízení (chytré telefony, tablety) pro přístup k audiovizuálním médiím. V minulosti zde byly již pokusy zajistit plný přístup k takovým zařízením tím, že se do nich začlenil přijímač. Všechny tyto pokusy, které využívaly různé vysílací technologie, DVB-H, MediaFlo, ISDB-T Seg1, DVB-T2 Lite atd., byly ale neúspěšné.

Pozemní vysílání 5G založené na LTE (zkráceně „5G Broadcast“), vyvinuté a specifikované jako součást obecné mobilní komunikační technologie 3GPP, je režim vysílání, který se zdá být slibným kandidátem pro umožnění všech služeb, lineárních i nelineárních tak aby dosáhly na chytré telefony a tablety. 5G Broadcast je doplňkem standardu 5G, který by mohl uživatelům mobilních telefonů přinést volně šířený obsah, aniž by bylo nutné zabudovat další přijímače do mobilních telefonů a uživatel si musel tyto mobilní služby předplatit minimálně ve formě datových tarifů.

Před přijetím této nové technologie je zásadní, aby vysílatelé pochopili, jaké důsledky by takové rozhodnutí mělo. To odkazuje na potenciál a úskalí této nové možnosti audiovizuální distribuce z hlediska technologie, regulačních omezení a obchodních důsledků.

Testování 5G vysílání v Evropě

Experimenty a s nimi spojené studie s touto technologií probíhají v Evropě již delší dobu. Jedním z cílů těchto experimentů je vyřešit, zda by stávající vysílací infrastruktura, včetně High Power High Tower (HPHT)a Medium Power Medium Tower (MPMT) v kombinaci s nízkými věžemi mobilních operátorů (LPLT), mohla být použita k poskytování 5G vysílacích služeb pro přenosné přijímače montované do aut a dalších přenosných zařízeních.

Již v roce 2018 jsme psali o jedněch z prvních testů v rámci projektu 5G Today v Německu, které již využívaly FeMBMS k přenosu mnoha uživatelům z vysokého vysílače Wendelstein v Bavorsku. Experimenty probíhaly v minulosti také na příklad ve Velké Británii, ve Španělsku, Dánsku a stále ještě probíhá 2. fáze testů v malé SFN u našich sousedů ve Vídni. Podrobnosti jsou v následujícím článku:

Jak se testuje televizní vysílání 5G Broadcast u našich sousedů?

Vídeňské vysílání 5G

Rakouský operátor (ORS), dceřiná společnost ORF v Rakousku, se v roce 2019 rozhodl zahájit ve Vídni zkušební provoz financovaný Rakouským fondem pro digitalizaci a podporovaný Vídeňskou Technickou Univerzitou. V první fázi, do poloviny roku 2021, byla mobilní přenosová technologie 5G vysílání (tj. FeMBMS a 5G pozemní vysílání založené na LTE) porovnána se současným přenosovým standardem pro pozemní televizi DVB-T2.

Blokové schéma hlavních komponent uspořádání testů ORS (zdoj: https://www.ors.at )

Testovací zařízení ve Vídni se skládá ze dvou různých formátů datových vstupů (protokoly RTP – Real Time Transport a HLS na zařízení IoS), dvou jader 5G Broadcast od různých výrobců a dvou stanovišť vysílačů (jedno stanoviště HPHT a jedno stanoviště MPMT) s jejich vzdáleností cca. 16 km a tvořící tak malou SFN. IP připojení mezi vysílači a jádry 5G Broadcast je realizován prostřednictvím mikrovlnných systémů

ORS provedla ve Vídni několik měřicích kampaní s různými hodnotami MCS (Modulačních kódových schemat) při třech typech šíření kanálu: přímé viditelnosti s (Rician) a bez odrazů (AWGN) a nepřímé viditelnosti (Rayleigh). Pro všechny měřicí kampaně byly zaznamenány následující parametry: Výkon signálu, interference nosné plus poměr signál / šum (CINR) a chybovost BER fyzického multiplexovaného signálu při stacionárním měření. Kromě toho probíhala mobilní měření, jak v malých rychlostech do 30 km/h (na kole), tak v měřícím voze v městském a příměstském provoze do 110 km/h. Jako měřící přístroj byl použit digitální přijímač Rohde & Schwarz TSMW.

Závěry z první fáze testování byly předány Výboru pro elektronické komunikace evropského sdružení CEPT s doporučením, aby výsledky testů byly zahrnuty do zprávy pro Světovou radiokomunikační konferenci WRC-23. Z těchto závěrů stojí za pozornost, že zařízení s podporou 5G Broadcast lze použít pro přenosný venkovní příjem a rozšířit počet přístupných uživatelů pro pozemní vysílání a že sítě 5G Broadcast HPHT jsou doplňkem stávajících sítí DVB-T2 HPHT pro fixní a přenosný vnitřní příjem a mohou koexistovat s DVB-T2 v UHF pásmu pod 700 MHz.

5G Broadcast může v budoucnu dosáhnout srovnatelného výkonu jako DVB-T2. 5G vysílání je stále ve vývoji je třeba provést další vylepšení a prostudovat specifikace v reálných podmínkách. Vylepšení může zahrnovat vylepšení poměru C/N (například zavedením time-interleaving) a vyšší robustnost signálu nebo zlepšení datové rychlosti dalším vylepšeným přístupem, jako je zavedení anténní technologie MIMO (vícenásobný vstup – vícenásobný výstup) ve vysílání.

V druhé fázi experimentu, která je plánována do roku 2023, se ORS zaměří na vzájemné působení 5G Broadcast a mobilního broadbandu tak, aby to vedlo k novým byznys modelům budoucí terestrické distribuční platformy pro lineární a nelineární mediální služby.

Experimentální sítě v Itálii a Dánsku.

Technická zpráva EBU TR 063 o Plánování a vyhodnocení sítí pro 5G vysílání popisuje kromě jiného podrobné výsledky případových studií na reálných existujících sítích složených z operátorů vysílání (BNO)a operátorů mobilních sítích (MNO).

Jedním z klíčových faktorů zájmu provozovatelů vysílání a poskytovatelů vysílacích sítí o přijetí 5G Broadcast je zpřístupnění jejich obsahu přenosným zařízením, jako jsou mobilní telefony a tablety.

Zásadní otázkou je, zda stávající vysílací infrastruktura používaná pro DAB nebo DTT, případně doplněná sítěmi celulárního typu, může být použita k poskytování takových mobilních služeb pomocí 5G Broadcast. Proto byly provedeny simulace na základě existujících reálných síťových lokalit, aby se zjistilo, zda by to mohlo být možné a za jakých podmínek by to bylo proveditelné.

Byly modelovány dvě implementace sítí 5G Broadcast založené na existující infrastruktuře vysílání. První síť v Itálii je založena na síti vyvinuté pro bývalé DVB-H na stávajícím kanálu DVB-T 38 ve velkoplošné SFN, rozšířené o základnové stanice mobilních operátorů. Druhá síť je založena na národní síti DAB a DTT požívané v Dánsku.

Závěr z italského projektu je ten, že pokrytí obou (vysílacího a mobilních) operátorů je považováno za dostatečné při použití CP= 200 μs (CP je v mobilní hantýrce „control prefix“ a odpovídá ochrannému intervalu GI v terminologii DVB), přičemž lze snížit celkový počet vysílacích lokalit operátora vysílání (BNO). Lokality mobilních operátorů hrají svou důležitou roli v pokrytí uvnitř městských zón. Kompletní síť obou operátorů může dát užitečné pokrytí populace na 92 % s odstupem C/N 15 dB pro příjem v autech. Při rozšíření CP na maximum 300 μs se sice vylepší synchronizace SFN, ale sníží se výsledný efekt v případě mobilního příjmu.

Dánský model byl postaven na síti rozhlasových vysílačů T-DAB a televizních DVB-T2. Místa T-DAB jsou součástí 3 různých VHF SFN, které poskytují téměř univerzální mobilní a vnitřní pokrytí. Lokality DTT se používají hlavně k poskytování příjmu na střešní anténu v UHF pásmu na kanále 37 (602 MHz). Pro simulace vysílání 5G byly charakteristiky antén mírně upraveny. Byly použity skutečné výšky antén, ale výkony ERP byly upraveny (mezi 2–50 kW).

Pro ilustraci: Dánské DAB lokality použité ve studii (dohromady 58 lokalit) (zdroj: TR 063)

Bylo simulováno několik různých režimů přenosu 5G. Představovaly řadu od velmi robustních režimů využívajících QPSK, které vyžadují nízké hodnoty C/N a poskytující malou kapacitu, až po režimy využívající 256-QAM, vyžadující vysoké hodnoty C/N a poskytující kapacitu ekvivalentní DVB-T2.

Vzhledem k tomu, že v současnosti existuje určitá nejistota ohledně kapacity dosažené pro určité C/N pro vysílání 5G, byly výsledky prezentovány jako procenta populace pokrytá dostupnými C/N. CP bylo nastaveno na 200 μs a 300 μs. Šířka pásma vysílacího kanálu pro tyto simulace byla nastavena na 5 MHz.

Zjednodušené závěry dánských simulací konstatovaly, že ve velkých SFN je kontrolní perix CP 200 μs příliš krátký vzhledem k vlastním interferencím jednofrekvenčních sítí. Hodnota CP, resp. GI 300 μs může velmi dobře pokrýt 90% populace pro venkovní ruční a vozidlový příjem. Ten však bude omezen rychlostí 100 km/h v důsledku Dopplerova jevu. Při kombinaci vysílací infrastruktury (HPHT a MPMT) se strukturou mobilních operátorů (LPLT) je možno pro menší regionální SFN dosáhnout kvalitního vnitřního ručního příjmu v případě, kdy vysílací infrastruktura poskytne dostatečný „deštník“ pokrytí v rámci menší SFN.

Budoucí praktické testy

Zdá se, že hybridní sítě, mix vysílačů HPHT/MPMT a mobilních LPLT, představují nejlepší kompromis mezi výkonem pro režimy příjmu namontovaného v autě a přenosná zařízení ve všech prostředích (venkovském, příměstském a městském) a počtem lokalit požadovaných pro dané pokrytí.  Potvrzení těchto předpokladů a výsledky probíhajících a budoucích zkoušek sítí 5G Broadcast pomohou potvrdit nebo vyvrátit výše uvedené současné závěry. O probíhajících testech Českých Radiokomunikací v našich podmínkách a jejich výsledcích budeme naše čtenáře informovat.

Úvodní foto žižkovského vysílače Praha Město: Václav Udatný