Kdy nahradí mobilní streaming 5G vysílání?Srovnání vysílacích standardů DVB a 5G

O vývoji mobilních standardů až po 5G a samostatný 5G Broadcast jsme na těchto stránkách informovali čtenáře mnohokrát. Dnes bychom se chtěli zaměřit na výzvy, které dosud brání významnému rozšíření vysílacího standardu budoucnosti.

5G Broadcast

DVB vysílací standardy stále v Evropě představují nejrozšířenější způsob dodávání lineárního vysílání divákům. Přestože upgrady DVB systémů představují zlepšení stávajících standardů, existují dnes alternativní standardy ve vývoji, které by mohly doplnit nebo skutečně nahradit roli DVB. Jedním takovým vývojem je vývoj vysílání v sítích páté generace 5G Broadcast. I když 5G Broadcast (přesně definován jako 5G pozemní vysílání LTE) může být provozováno v samostatné vysílací síti, je účelné jej začlenit do celkové struktury sítí páté generace a umožnit tak současně mobilní širokopásmové služby ve formě unicastového streamování. Celkové komplexní začlenění ukazuje následující obrázek.

5G streaming společně s 5G Broadcast(Zdroj: www.5g-mag.com/blueprints)

Dodávka obsahu přes vysílací sítě představuje spektrálně efektivní distribuci obsahu, protože jakýkoli daný obsah je přenášen na jednom kanálu v určité geografické oblasti. To však kontrastuje s mobilním širokopásmovým připojením, kde systém unicast vyžaduje, aby byl obsah doručen každému uživateli samostatně, bez ohledu na to, zda dva uživatelé požadují stejný obsah.

Potenciální řešení, které nabízí jak vyšší úrovně spektrální účinnosti, než je dodávka stejného obsahu mnoha divákům přes dvousměrný internet a možnost vysílání k dosažení nových režimů přijmu a zařízení je 5G Broadcast (5GBC). Tento standard nabízí příležitost dodávat obsah vysílání přes 5G (pomocí tradičních vysílacích sítí nebo přes sítě mobilních telekomunikací (IMT). Více o 5GBC v našem prosincovém článku:

Budoucí standard TV vysílání 5G Broadcast Cesta od mobilů k TV s 5G BC

5G Broadcast používá technologii 5G k dodání živého videoobsahu více uživatelům. Je to považováno za slibnou alternativu k DTT, přičemž rané pokusy ukazují, že podobnou kapacitu jako DTT lze získat z 5G vysílání za předpokladu, že existují a jsou připraveny dobré podmínky příjmu.

Srovnání příjmových podmínek

DTT se obvykle zaměřuje na příjem přes pevnou střešní přijímací anténu (obecně 10 m nad úrovní země) s relativně nízkou úrovní rušení a šumů. 5G vysílání je zacíleno na ruční přenosný příjem (obvykle 1,5 m nad úrovní země) s mnohem vyšší úrovni rušení obklopujícího přijímač. Názorně uvádí různá příjmová prostředí tento obrázek:

(Zdroj: Zpráva EBU TR 054)

Výsledkem je, že vysoká úroveň ztráty signálu je v případě vysílání 5GBC (ztráta 32,5 dB pro přenosnou vnější anténu ve srovnání s pevnou na střeše). Kromě toho budou mít mobilní zařízení předpokládaná pro příjem 5G vysílaných signálů také nižší zisky z antén než fixní střešní antény. Výsledkem je, že se očekává, že vyšší úrovně příchozích signálů budou vyžadovány pro příjem 5G vysílání na mobilních zařízeních než DVB-T/T2 na pevných anténách na střeše. Srovnání pro jednotlivé případy přináší tato tabulka:

Analýza modelování prováděná EBU v roce 2021 zjistila, že sítě obsahující pouze vysoké a výkonné věže HPHT nebo MPMT jsou schopné poskytovat dobrý příjem na střešní anténu, ale neposkytují dobré mobilní pokrytí ve všech prostředích. Naopak topologie nízkých věží s malým výkonem LPLT je schopna poskytnout dobrý mobilní příjem, ale vyžaduje vysokou hustotu vysílacích míst. Kromě toho EBU zjistila, že hybridní sítě sestávající z „deštníkového“ pokrytí stanoveného místy HPHT, doplněné vysílači MPMT v některých venkovských a příměstských oblastech a místa LPLT v městských oblastech, nabízejí nejlepší kompromis mezi dobrým mobilním pokrytím a přiměřenou hustotou vysílacích míst. Zatímco pokrytí 5G vysílání k pevnému příjmu by se proto považovalo za podobné DVB-T2, pokrytí mobilních zařízení bude horší bez dalšího rozšíření míst.

Šířka pásma

Nedávná studie v Rakousku (ORS, 2021) zjistila, že podobná kapacita (~ 30 Mbps pro jediný multiplex) byla dosažitelná pomocí 5G vysílání jako DVB-T2 (pro pevný příjem), i když vyžadovala o 6 dB větší SINR (poměr signálu k interferencím a šumu) pro příjem 5G vysílání.

Vezmeme-li maximální používané datové toky 5GBC, tj. cca 30 Mbps, představuje to 25% snížení kapacity reprezentativního multiplexu DVB-T2 (40 Mbps), což by při přechodu DVB-T2 sítě na 5GBC mohlo představovat 25% snížení dostupné kapacity na nové technologické platformě. Při testování u nás dospěly CRA k závěru, že současný stav bitové rychlosti v multiplexu DVB-T2 je 33,3 Mbps a použitelný datový tok 5G BC 22,2 Mbps (pro shodný poměr nosné a šumu C/N), tedy dokonce o 50 % nižší spektrální účinnost. Předběžné závěry, včetně mobilního testování ,jsou na následujícím obrázku:

Zdroj: Prezentace M. Procházka: Innovation Day 2022.

Zatímco klasické pozemní vysílání je definováno kanálovou roztečí 8 MHz (v Evropě jako pozůstatek původní šířky pásma potřebné pro analogové vysílání) 5G vysílání, jak je definováno v současném standardu ETSI (ETSI, 2020), může fungovat na šířce pásma 1, 3, 4, 5, 10, 15 a 20MHz. Práce ve standardizační skupině 3GPP probíhají pro možnost použití obvyklých šířek televizních pásem 6, 7 a 8 MHz.

Další potenciální problémy však vznikají se souběžnou existencí s jinými službami v tom samém pásmu. Pokud by 5G vysílání mělo koexistovat s existujícím vysíláním DTT, EBU zjistila že by bylo nutné využit šířky pásma 5MHz nebo 8MHz, aby byly splněny požadavky dohody Ženevěa2006 (GE06), přičemž by při použití 8MHz kanálu bylo dosaženo vyšší kapacity a spektrální účinnosti.

Stručně řečeno, 5G vysílání může poskytnout podobnou kapacitu a pokrytí jako multiplexů DVB-T2 pro pevnou střešní anténu, ale ne té kapacity, kterou má dnešní DVB-T2. Zjistilo se, že příjem na mobilních zařízeních je možný, a to jak na základě simulací, tak na základě pokusů, ale příjem k těmto zařízením vyžaduje mnohem vyšší úrovně signálu (až  o 32,5 dB podle analýzy EBU, 2020), vysílání 5G bude vyžadovat nasazení dalších vysílacích míst, pravděpodobně ve formě hybridní síťové architektury, tj. směsi vysílačů HPHT, MPMT a LPLT.

Při současném použití DTT a 5G BC v jednom pásmu by bylo nutné, aby uživatelská zařízení navíc měla vhodné charakteristiky rádiové frekvence (RF) pro provoz v přítomnosti vysokých hladin DTT signálů v sousedním kanálovém spektru (dle EBU TR 064).

Další výzvy zavádění 5G Broadcast

Dalším požadavkem na jakoukoli vysílací službu je vysoká úroveň spolehlivosti a trvalého provozu v době výpadků energie. Pro provoz operátorů vysílacích sítí jsou v současné době domluveny přísné dohody o úrovni služeb (SLA). Použití takových požadavků na větší počet míst však pravděpodobně dále zvyšuje finanční zátěž pro operátory a může omezit rozsah služeb, v jakém lze použít vysílače bez kontinuálního vysílání.

Standard pro 5G vysílání dále specifikuje požadavek, aby zařízení byla schopna pracovat pouze v příjmovém módu (ROM), tj. se SIM pro bezplatný příjem. Očekává se, že to bude řešeno v budoucí fázi, ale v současné době by používání tohoto režimu nesplňovalo požadavky na FTA (volný příjem) ve všech členských státech. Zatímco prodejci zařízení projevují zájem o vývoj 5G vysílacího vybavení, jak bylo prokázáno v účasti těchto organizací v poptávkových řízeních, tak zveřejněných dokumentech, jako jsou dokumenty od výrobce čipů Qualcomm, tak stále není jasné, do jaké míry taková zařízení budou k dispozici na trhu. O probíhajících testech u nás i v Evropě jsme psali

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

Stručně řečeno, klíčovou výzvou, která čelí nasazení 5G vysílání, je dostupnost přijímacího vybavení, pokud jde o požadavek, aby mobilní přijímač nabídl pouze příjmový mód ROM, byl schopen přijmout signály DTT s vysokou silou pole v sousedním spektru a v časovém rozsahu, a v čase, aby takové vybavení bylo široce dostupné.

Náklady na budování sítí

Dalším problémem jsou náklady. Nebyla zveřejněna podrobná analýza týkající se nákladů, které by mohly být spojeny s vysílací sítí 5G. Jen málo studií zvažuje relevantní aspekty v oblasti vysílání 5G nebo poskytuje hodně náznaku rozsahu nákladů ve srovnání se současnými sítěmi DTT.

Ideální řešení pro zvýšení spektrální účinnosti je využít HPHT a LPLT a použití SFN sítí v pozemním digitálním vysílání. Odhady však uvádějí náklady na provoz SFN za dvojnásobné ve srovnání s ekvivalentní multifrekvenční sítí MFN, což se dále zvyšuje na přibližně trojnásobek nákladů při provozování sítě LPLT a přibližně čtyřikrát vyšší náklady při přechodu do sítě schopné dosáhnout mobilního přijmu.

Například studie EBU již z roku 2014 zvažovala hustotu sítě potřebnou k dosažení podobné kapacity mobilní LTE sítě pro mobilní nebo lehký vnitřní příjem jako stávající distribuce přes HPHT vysílací síť v Německu. Hustá buněčná síť s vyšší spektrální účinností než DVB-T2 by stála přibližně 25x – 30x více než jsou současné náklady na provoz DTT v Německu. Snížení nákladů na sedmi až osminásobek by se dosáhlo, kdyby byla získána podobná spektrální účinnost jako u DVB-T2. Přesné náklady by byly závislé na podílu nových vysílacích míst, které by bylo třeba postavit.

Další studie uvažovala případ, kdy DTT pokračuje tak, jak je, případ, kdy je obsah přenášen výhradně 5G mobilními sítěmi a kde je obsah sdílen mezi stávající infrastrukturou DTT a 5G mobilními sítěmi, i když většinově sdílenou (se 75 % provozu) přes DTT . Studie zvažovala pouze celkové náklady každého z modelů, spíše než rozdělení těchto nákladů, a proto je obtížné extrapolovat náklady pro jakoukoli konkrétní stranu. Studie však zjistila, že pokračování DTT by znamenalo pokračující roční náklady ve výši 0,28 EUR na osobu, při sdílený přes DTT a 5G na 7,32 EUR na osobu a 15,05 EUR na osobu za obsah přepravovaný výhradně přes 5G. Významné zvýšení nákladů je z důvodu budování vyšší průchodnosti potřebné pro sítě 5G při přenášení 100 % mediálního provozu. Studie však předpokládá poskytování obsahu unicast, což činí jeho výsledky méně použitelné pro uvažované vysílání 5G Broadcast.

Odhaduje se, že vývoj LTE sítě schopné vysílání, a to i s využitím stávajících upravených míst, stojí 7 až 25x více než srovnatelná síť DTT. Odhaduje se, že přechod provozu na 5G, i když spíše s použitím unicast než multicast nebo broadcast módu, by tvořil 26 – 53 násobek nákladů na stávající DTT. Nasazení módu broadcast nebo multicast a nejnovějších standardů může dosáhnout nižších nákladů, než je zde uvedeno, ale rozsah uvažovaných hodnot ukazuje, že bude pravděpodobně vyžadována další analýza. Lze očekávat, že zkušenosti a porozumění, které budou získány z probíhajících vysílacích pokusů 5G, mohou v budoucnu umožnit lepší odhady nákladů na novou technologii.

Studie zjistily, že náklady na rozvoj 5G vysílací síť jsou významné, a zatímco některé potenciální obchodní modely se začínají objevovat, rozsah, v jakém by bylo možné vysílání 5G Broadcast ve všech členských státech v současné době zavést, jsou podle Studie EK nejasné.

Obchodní modely

EBU dále uvádí, že stávající vysílací sítě mohou být nedostatečné k zajištění úrovně pokrytí, které by bylo vyžadováno pro dobrý mobilní příjem 5G BC. Vzhledem k hustotě mobilních sítí to možná není překvapivé, ale vyžadovalo by, aby operátoři vysílacích sítí (BNO) buď dále rozvíjeli své vlastní sítě (s přidruženými náklady), nebo se dohodli se stávajícími operátory mobilních sítí (MNO). To vyvolává další otázky týkající se obchodních modelů, které pomohou podporovat vysílání 5G.

Tradiční vysílací model představoval vysílatele, kteří provozují své vlastní přenosové sítě (např. Francie), nebo, jako je tomu v mnoha členských státech, a i u nás, vysílatelé platí operátorům vysílacích sítí (BNO) za správu a provoz sítě svým jménem (veřejnoprávní ČT v multiplexu 21, který je provozován CRA). Komerční vysílatelé u nás nemají kmitočty pro další 3 sítě, ale využívají (samozřejmě rovněž za úplatu) kmitočty a sítě přidělené CRA, DB a CDG.

Zajímavá studie provedená Rohde & Schwarz z roku 2021 zvažovala účinek na operátora mobilní sítě (MNO) kapitálových (CAPEX) a provozních (OPEX) nákladů, pokud by byla určitá část provozu přeložena do vysílacích sítí. Studie předpokládá, že provozovatelé vysílací sítě (BNO) zvýší své výdaje CAPEX na svých stávajících vysílacích sítích v nadcházejících letech o 15–20 %, aby upgradovali na nejnovější technologie, tj. zakoupení 5G vybavení pro broadcast/multicast mód. Studie zjistila, že pokud by mobilní operátoři mohli do vysílací sítě přeložit video obsah v délce 3 hodin denně, mohli by snížit každoroční CAPEX a OPEX až o 20 %. Pro financování investic BNO Rohde & Schwarz předpokládá, že provozovatelé vysílání jsou schopni si pronajmout „sloty“ v multicast jako službu (MAAS) v uspořádání s MNO, ale také například pro různé další služby typu varovných oznámení obyvatelstvu. Nebo poskytovatelé VOD, kteří si přejí předem nahrát obsah na mobilní zařízení přes noc a zdroje, které si přejí vysílat obsah do telefonů uživatelů, by mohly tento typ služeb využít. Studie pak předpokládá, že BNO budou schopni zvýšit příjmy o 15 % ročně přijetím tohoto přístupu MAAS.

Obchodní modely, které by mohly podporovat vysílání 5G, jsou proto nejasné, zejména v tom, jak je financována a kdo je zodpovědný za síť a kvalitu služby.  K tomu přistupuje, že dostupnost 5G přijímacích zařízení (zejména uživatelských) je dnes stále minimální. Jenou z možných odpovědí dá letošní Mobilní Světový Kongres MWC 2023 v Barceloně na přelomu února a března, kde společná iniciativa rakouské skupiny ORS a společnosti Bitstem pod názvem „Nakolos“ předvede aplikaci hybridní mediální distribuce na podporu budoucího komerčního využití 5G BC ve spojení s mobilním broadbandem.

Úvodní snímek: zdroj: http://www.ors.at/5g-broadcast/

V článku byly použity některé závěry z finální zprávy EK: Study on the use of  the sub-700 MHz band (470-694 MHz)