Televize zdarma v mobilu: jak se v Paříži testoval 5G Broadcast během olympiády

Je možné, že příští rok už budou k dispozici komerční přijímače/smartphony, které zachytí a zobrazí TV vysílání v 5G Broadcast, kdy plánují České Radiokomunikace další fázi testů tohoto standardu. V platnosti již budou také poslední verze standardů 3GPP Release 17 a 18 s 8 MHz šířkou pásma, což umožní buď zvýšení rozlišení nebo větší počet šířených programů. Jeden vysílač, případně dva i se Strahovem, na pokrytí Prahy v dnešním rozsahu pokrytí DVB-T2 nestačí a bude nutno se začít zabývat konfigurací příštích vysílací sítí 5G BC. O těchto testech jsme psali v článku

První živé demo 5G Broadcast ze Žižkova: smartphony už umí televizi bez SIM karty

5G BC je testován nejen u nás, ale dnes již celosvětově a postupně dochází k jeho rozvíjení. Souhrnným popisem zkoušek nových technologií pro pozemní multimediální vysílání pro mobilní příjem v pásmech určených pro TV vysílání se zabývá i Zpráva ITU-R BT.2526-0 z roku 2023. Zahrnuje podrobnosti o testech v Číně a v Evropě. Celkový přehled o zkouškách vysílání založeného na LTE (5G Broadcast) je v následující grafice:

Testování 5G BC ve světě (Zdroj: Prezentace M. Procházka Rozvoj 5G Broadcast, říjen 2024)

Většina dosavadních testů probíhala buď v laboratorních podmínkách, nebo s profesionálními přijímači v měřících vozech (CRA) nebo s několika experimentálně vyvinutými mobilními přijímači s využitím technologie Qualcomm. Průlomem byly letošní Olympijské a Paralympijské hry ve Francii, kde pro příjem během experimentu byla použita komerční zařízení (v počtu 250) od společnosti Xiaomi, která prošla úpravami nad rámec standardní nabídky. Podařilo se nám získat některé podrobnosti o tomto testování a chtěli bychom se o ně s našimi čtenáři dále podělit.

Živé testování 5G Broadcast během Olympijských a Paralympijských her 2024

Testy probíhaly od 10. dubna do 30. září 2024 ve třech oblastech Francie v Paříži a okolí, Nantes a Bordeaux tak, aby provozovatel sítí TDF pokryl co nejširší území, a zároveň respektoval stávající využití pásma UHF. Hlavním cílem bylo pokrytí pro venkovní přenosné přijímače, s mobilním příjmem ve vozidle nebo ve vnitřním prostředí jako doplňkovým cílem.  Dalším cílem tohoto testu bylo jít nad rámec toho, co bylo předvedeno již v roce 2023 během experimentu Roland-Garros 2023, a to jak po technické stránce, tak zejména i z hlediska koncových uživatelů, kteří poprvé měli možnost použít 250 zařízení pro získání důvěryhodné zpětné vazby. Jednalo se o speciálně upravené telefony Mi-13 od Xiaomi s čipem od Qualcommu.

Na Eiffelově věži byly umístěny antény pro 5G BC vertikálně polarizované v blízkosti stávajících antén DTT s horizontální polarizací (Foto: TDF)

Mobilní zařízení a aplikace

Pro příjem během experimentu byla použita komerční zařízení od společnosti Xiaomi, která prošla úpravami nad rámec standardní nabídky, které spočívaly v aktualizaci middleware MBMS pro podporu přeladění frekvencí bez manuální obsluhy, příjmu 5G Broadcast v celém pásmu B71 (ne pouze v downlinku LTE pásma 71), podpoře 5 a 10 MHz kanálů s využitím standardní LTE numerologie a přepínání mezi broadband a broadcast.

Paralelně byla vyvinuta dedikovaná aplikace pro LTE-based 5G Broadcast, která nabízela snadné a téměř okamžité přepínání mezi televizními a rozhlasovými programy. Rozsáhlé laboratorní testy s účastí Xiaomi, Qualcomm, Rohde & Schwarz a TDF předcházely nasazení stovek uživatelských zařízení v terénu, včetně jemného doladění parametrů na enkodéru a v síťovém jádře.

Následně byla spuštěna doprovodná webová stránka „instant TNT“, která poskytovala pokyny k použití aplikace, přístup k teoretickému pokrytí a možnost poskytovat zpětnou vazbu k experimentu. Během použití pokryté oblasti si uživatelé po aktivaci aplikace zvolili jeden z vybraných programů a kliknutím na ikonu s palcem nahoru nebo dolů označili kvalitu příjmu – dobrá nebo špatná. Registrovaný telefon pak po zpětném kanálu do vyhodnocovacího centra zpětnou vazbu uživatele zaregistroval i s údajem o poloze podle GPS souřadnic.

Tyto údaje posloužily k ověření reálného pokrytí ve srovnání s teoretickým a posoudily kvalitu přijímaného signálu na koncových zařízeních uživatelů.

Poskytované programy/služby

Obsah vysílání tvořily tři HD TV služby a dvě rozhlasové služby s různými konfiguracemi kódování, umožněnými využitím dvou různých šířek pásma (5 a 10 MHz, v závislosti na pokrývané oblasti). Tři HD TV služby byly živé verze France 2 HD od France Télévisions – především živé přenosy z olympijských a paralympijských sportovních událostí, program Arte a France 24. Dvě rozhlasové služby byly France info a varianty France Bleu od Radio France. V oblasti Nantes, kde byla využita šířka pásma 10 MHz, byla navíc nabízena jedna dodatečná TV služba. Jednotlivé datové toky byly rozděleny podle následující tabulky

Použité technologie a parametry testu

Technologie použité v rámci tohoto experimentu 5G Broadcast se omezily pouze na 3GPP eMBMS (Release 12) s MCS14 (16-QAM), z důvodu zaměření na použití koncových zařízení dostupných na trhu, která podporovala potřebné funkce a byla k dispozici ve větším množství. To umožňovalo dosáhnout kapacity 3,7 Mbit/s v pásmu 5 MHz a 7,4 Mbit/s v pásmu 10 MHz, přičemž reálně bylo využito pouze 60 % celkové kapacity z důvodu výkonových omezení přijímačů.

Spektrum a výkony vysílačů

Při plánování spektra bylo nutné zohlednit intenzivní využití pásma UHF pro pozemní digitální televizní vysílání (DTT) ve Francii a mimořádnou situaci s plánováním kmitočtů, kterou s sebou přinášejí velké sportovní události z hlediska potřeby spektra pro PMSE (kmitočty pro tvorbu programů a speciální akce – typicky bezdrátové mikrofony) a další účely. Po pečlivém vyhodnocení potenciálního dopadu na PMSE byly v daných třech oblastech identifikovány kanály, uspořádání sítě a výkony uvedené v následující tabulce:

Parametry vysílačů při testu 5G Broadcast v létě 2024 ve Francii

Na území Paříže bylo z důvodu náročné konfigurace SFN (Release 12 má omezený ochranný interval 16,6 μs pro SFN s rozestupy vysílačů do 5 km) nutné pečlivé plánování výkonů vysílačů a počátečních zpoždění, aby bylo možné pokrýt co nejširší oblast, přičemž optimální pokrytí bylo dosaženo v centrálních částech Paříže, kde se konaly olympijské a paralympijské akce.

Na území Paříže bylo využito čtyř vysílačů v SFN: Eiffelova věž a Meudon od TDF, dále dva další vysílače od společnosti towerCast na severu a východě města. Synchronní napájení těchto vysílačů a úprava počátečních zpoždění umožnily použití jedinečného PCI (Physical Cell Identifier) pro každý vysílač, aby bylo možné jednotlivá zpětná hlášení od uživatelů snadno identifikovat.

Galerie pokrytí během testů 5G BC

podle aplikace https://www.instnt.fr/couverture )

Zeleně je označen výborný příjem venku a ve vozidlech (> 76 dBµV/m), Modře dobrý příjem venku a v některých vozidlech (> 67 dBµV/m), Žlutě průměrný příjem venku a omezeně v dopravních prostředcích (> 63 dBµV/m). Šedé oblasti znázorňují nepřítomnost signálu 5G BC a červeně jsou označeny vysílače.

Distribuce a vysílací infrastruktura

Obsah byl produkován jednotlivými poskytovateli (France Télévisions, Arte, France Médias Monde, Radio France), ale kódování a formátování bylo centralizováno v technickém centru v Romainville. Síťové jádro a vysílače poskytla společnost Rohde Schwarz, pro kódování bylo použito řešení Ateme (s HEVC kódováním videa a AAC audia pro streamování DASH). Součástí head-endu v technickém centru byly umístěny i dva hlavní vysílací uzly, každý pro jednu šířku pásma. Na tomto místě stojí za zmínku, že po olympijských a paralympijských hrách bylo úspěšně testováno VVC s podporou společnosti Ateme pomocí dedikované aplikace poskytující podporu pro kodek VVC na zařízeních (což v době testování nebylo možné u aplikace instant TNT.

Výstupní multiplexy z těchto uzlů byly doručovány prostřednictvím backhaul linek TDF k vysílacím místům; multiplex 5 MHz byl také dodáván společnosti towerCast, aby mohla napájet své dva vysílače v oblasti Paříže.

Pro tento experiment byly použity stávající vysílací infrastruktury TDF: Eiffelova věž v Paříži a vysílače v Nantes a Bordeaux, které již řadu let provozují celostátní multiplexy DTT (od DVB-T v SD a HD až po UHD v DVB-T2). Tyto lokality byly doplněny o směrové vertikálně polarizované antény umístěné v blízkosti stávajících antén, s výkony od 1 kW ERP do 5 kW ERP. Použití V-polarizace poskytlo dodatečnou ochranu pro DTT, například v oblasti Meudon, kde 5G Broadcast vysílání nebylo umístěno společně s DTT. Pro ochranu PMSE byly v Paříži instalovány na výstupu vysílačů Rohde & Schwarz filtry, přizpůsobené pro přísné filtrování 5 MHz. V Bordeaux byl použit standardní DTT filtr 8 MHz a pro Nantes byl navržen specifický filtr pro 10MHz šířku pásma.

Poznatky z měření pokrytí

Základním cílem bylo prověřit, zda je reálné pokrytí v souladu s teoreticky vypočítaným pokrytím znázorněným ve výše uvedené galerii. Pro profesionální měření byl použit měřící vůz, vybavený všesměrovou anténou na střeše a měřícími přístroji. Reálné naměřené hodnoty potvrdily poměrně dobrou shodu s teorií, jejíž výpočty vycházely z vlastního modelu šíření TDF odvozeného z ITU-RP.526 a podrobného digitálního modelu terénu a městské zástavby.

Porovnání subjektivních a měřených hodnot

Kromě profesionálního měření pokrytí bylo provedeno i subjektivní hodnocení kvality vnímané zúčastněnými uživateli, které se zaměřilo na video a audio kvalitu televizních a rozhlasových programů. Tato subjektivní hodnocení byla doplněna současným záznamem standardních LTE hodnotících parametrů jako RSSI (základní indikátor intenzity signálu [dBm]), RSRP (měření intenzity signálu [dBm]), SINR (měření kvality signálu vzhledem k rušení [dB]) a RSRQ (kvalita přijímaného referenčního signálu [dB]). Měření a předávání těchto údajů do vyhodnocovacího centra nebylo součástí upravených zařízení poskytnutých uživatelům.

Ilustrační snímek (Zdroj: Instant TNT)

Subjektivní měření byla prováděna pro venkovní přenosný příjem chodci z řad účastníků experimentu, kteří ručně zaznamenávali vnímanou kvalitu na dvojici zařízení Xiaomi, drženými převážně na výšku, jako buď dobrou (bez výpadků a poškození videa) nebo špatnou (s více jak 1 sec trvajícími chybami v obrazu nebo zvuku). Po analýze sebraných naměřených hodnot (RSRP) a subjektivních údajů se došlo k závěru, že ne vždy dobrá naměřená intenzita do -90 dBm je v souladu se subjektivním označením kvality procházejícího účastníka. Navíc bylo také pozorováno, že se chování obou koncových zařízení poměrně lišilo, kdy jedno zařízení nabízelo velmi dobrou kvalitu příjmu, zatímco druhé se potýkalo s četnými poruchami. Vzájemný vztah mezi vnímanou kvalitou a objektivním měření ze stejného přístroje a stejného místa bylo obtížné definovat.

Příjem ve vozidle

Měření byla prováděna i pro příjem ve vozidle, s koncovým zařízením umístěným pod čelním sklem na šířku, a měřicími a GPS anténami na střeše vozu. Ukázalo se, že typ použitého čelního skla může významně ovlivnit kvalitu příjmu ve vozidle, zejména pokud se jednalo o skla s antireflexní vrstvou. V takovém případě se vestavěná anténa zdála mít potíže s dostatečným zachycením kvalitního signálu, což vedlo ke špatné nebo maximálně střední vnímané kvalitě.

Navíc, dopad měření vnímané kvality a různých LTE parametrů dvěma odlišnými zařízeními je ještě výraznější u měření ve vozidle, kdy je pro měření LTE metrik použita anténa na střeše/vnější, zatímco koncový uživatel přijímá signál uvnitř vozu. V této situaci je tedy ještě obtížnější přímo korelovat naměřené hodnoty s vnímanou kvalitou a odvodit tak pravidla pro plánování sítě pro tento typ příjmu.

SFN paradox v Paříži

Přesto dostupné měřící metody umožnily přesnou analýzu SFN nasazení v oblasti Paříže: díky použití různých PCI (Identifikátor fyzické buňky) pro každý vysílač bylo možné rozlišit jednotlivé přijaté komponenty v oblastech s překryvem signálů z různých vysílačů a analyzovat možné příčiny nefunkčnosti.

Jaká bude vnímaná kvalita signálu při vypnuté SFN z Eifellovy věže v oblasti jihozápadního vysílače TDF Meudon (1kW _erp)? Odpověď je jednoznačná: lepší v poměrně rozsáhlé oblasti. V části, kde se pokrytí těchto dvou vysílačů nepřekrývá, ke změně, podle očekávání, nedojde. Při tom v oblasti, kde došlo k výraznému zhoršení kvality při zapnuté SFN byl rozdíl zpoždění 12 µs, což je plně v rámci ochranného intervalu 16,6 µs, jak je definováno v 3GPP Release 12, podle které byly testy ve Francii prováděny a korektní nastavení SFN by mělo zajistit korektní příjem signálu. Avšak měření prokázala, že tomu tak není (pokud se nemýlím, k podobnému závěru dospěly i CRA při testování ze Strahova a Žižkova). Tato skutečnost signalizuje nutnost dalšího vylepšení koncových zařízení s ohledem na to, že při použití dalších Release 16 a vyšších bude ochranný interval výrazně delší, a to 100 až 200 µs. a počítá se při budoucím plánováním sítí s využitím nízkých a nízko výkonných dokrývačů.

Praktické zkušenosti

Kromě toho, že celá akce během Olympijských a Paralympijských her měla marketingový dosah na širší veřejnost, testy prokázaly velmi dobrou kvalitu jak 720p, tak 1080p s minimálním zpožděním. Pokud bychom vzali jako referenci DT, konkrétně DVB-T ve Francii, zpoždění 5G Broadcast bylo pod 5 sec ve srovnání se stejným programem, avšak více jak 1 minuta při streamování přes IP. Navíc během závodů v plavání došlo k tomu, že v důsledku velkého zájmu přenosová kapacita omezila divákům plynulý zážitek ze sportovního zápolení. O včasném zobrazení výsledků ani nehovoře!

Televize budoucí generace na mobilech (Zdroj: Instant TNT)

A co dodat?

Nová slibná technologie musí projít ještě mnohými dalšími testy a vývojem, ať je to třeba pokročilé VVC kódování, zavedení statistického multiplexu pro ještě lepší využití spektra, konfigurace sítí nebo ještě další snížení latence. Rozhodně by se ani nemělo zapomenout na spolupráci mezi vysíláním a širokopásmovým připojením, aby se uživatelům nabídla větší interaktivita přes unicast zpětný kanál a další obsah přes WiFi nebo přes HbbTV.

Všechny tyto snahy bude třeba vést v rámci pokračující spolupráce s různými zúčastněnými stranami. Podpora zařízení pro nejnovější vydání 3GPP (verze 16/17/18 a novější) a možnosti příjmu signálů 5G Broadcast na bázi LTE v celém pásmu UHF budou klíčovým faktorem pro provedení dalších testů a povedou k optimalizaci end-to-end řetězce a efektivnímu nasazení sítí.

Je dobře, že tyto snahy a testy probíhají i u nás, jen by se také měly propagovat i v mezinárodním měřítku. Dá se jen doufat, že výsledky nedávno ukončené 2. fáze testování vysílání 5G BC na bázi LTE u Českých Radiokomunikací bude zaznamenáno ve zmíněné zprávě ITU, protože práce a výsledky by určitě snesly srovnání s mnohými zavedenými zahraničními institucemi.

A do další jarní (?) fáze experimentů s 5G Broadcast lze jen CRA popřát šťastnou volbu ve zvolených cílech tak, aby skutečně v roce 2027 vystoupila tato technologie z fáze testování do reálného provozu.

Úvodní snímek: Zářijová kampaň málo známé technologie ve vybraných obchodech v Paříži a Nantes (Foto: TDF)