Сотовые системы наземного телевизионного вещания

Николай Мамаев

На современном этапе развития ТВ-вещания используются, как правило, комплексы систем массового многоцелевого обслуживания, которые обеспечивают интересы не только вещателей, но и передачу данных, предоставление интерактивных каналов, ускоренный прием информации из сети Интернет (так называемый Turbo-Internet), предоставление речевой связи и многое другое.

Наряду с интенсивным развитием и внедрением интегральных сетей распределения программ спутникового и традиционного наземного телевидения (в том числе MMDS в диапазоне 2,1…2,9 ГГц) во многих странах Америки, Европы, а также в Японии ведутся работы по созданию наземных сетей сотового телевидения LMDS (Local Multipoint Distribution System — локальная многоточечная система распределения), MVDS (Multipoint Video Distribution System — многоточечная система распределения телевизионных программ) или MWS (Microwave System). В системах LMDS используется полоса частот 27,5…29,5 ГГц (США), в MVDS — 40,5…43,5 ГГц (Европа), но хотя эти системы называются по-разному, структурное их построение одинаково.

Несмотря на успешное внедрение в ряде регионов России систем MMDS, позволяющих обеспечить раздачу пользователям обслуживаемой территории до 24 телевизионных программ в выделенной полосе частот 2,5…2,7 ГГц, по ряду причин эти системы мало перспективны. Основными недостатками систем MMDS являются большая загруженность полосы частот сигналами радиорелейных линий прямой видимости некоторых других систем и ограниченная пропускная способность. Традиционные ТВ-ретрансляторы метрового и дециметрового диапазонов не эффективны в жилых массивах крупных городов из-за переотражений от высокоэтажных зданий и ряда промышленных сооружений. Кроме того, электромагнитные излучения мощных передатчиков неблагоприятно воздействуют на живые организмы в ближней от передатчика зоне и неэффективны с экономической точки зрения.

Широкое внедрение цифровых систем DVB-T в наземных сетях России и стран СНГ в ближайшие годы мало вероятно из-за высокой стоимости абонентских телевизоров. В этой связи внедрение систем MVDS для многопрограммного телевизионного вещания, особенно в местностях с высокой плотностью населения представляется весьма перспективным.

Основными достоинствами сотовых систем ТВ-вещания, по сравнению с другими, являются:

• высокое качество сигналов и практически полное отсутствие мертвых зон за счет выбора размеров соты в пределах от 1 до 6 км;
• возможность для пользователя большого выбора ТВ-программ при наличии в сети множества сот (ячеек);
• обеспечение экологически безопасных для населения уровней электромагнитного излучения передатчиков;
• сравнительно низкая стоимость абонентской установки за счет использования компактной малогабаритной антенны с линейными размерами 15…25 см;
• высокое качество сигналов вследствие сравнительно низкого уровня помех в выделенных для этих систем диапазонах частот;
• независимость условий приема от телевизионного стандарта (NTSC, PAL, SECAM) за счет цифровизации сигналов;
• высокая надежность сети при рассредоточенных ретрансляторах, особенно при стихийных бедствиях (пожарах, землетрясениях, техногенных катастрофах).

Сотовые системы распределения в полосе 27,5…29,5 ГГц применяются в локальных сетях США и некоторых государствах Африки. Европейская конференция администрации почт и электросвязи (СЕПТ), в которую входят Россия и страны СНГ, после тщательного изучения рекомендовала для сотовых телевизионных систем использовать полосу 40,5…43,5 ГГц.

Как отмечено выше, в спутниковых системах связи ослабление сигнала определяется двумя причинами: ослаблением в свободном пространстве (детерминированная составляющая) и ослаблением в осадках (случайная составляющая). Пока еще на цифровые спутниковые телевизионные системы связи отсутствует ГОСТ, поэтому и нет строгой методики по расчету таких систем.

Попытаемся сделать ориентировочный расчет для вероятностной составляющей затухания сигнала в осадках на основе опубликованных данных. Все расчеты магистральных систем связи принято вести с учетом среднеминутных распределений интенсивности дождей для наихудшего месяца года. Кроме дождей, на ослабление сигнала в тропосфере влияют туман, а также мокрый снег, выпадающий на антенну. Установлено, что дождь различной интенсивности оказывает наибольшее влияние на ослабление сигналов в миллиметровом диапазоне. Поэтому ориентировка при расчетах систем MVDS на среднеминутные распределения дождей для наихудшего месяца года, на наш взгляд, неоправданна.

В данном случае целесообразно учитывать среднеминутные интенсивности осадков, вычисленные в среднем за год (Т_д/г). Коэффициенты для пересчета процента выпадения осадков с интенсивностью J (мм/ч) для наихудшего месяца года при усреднении за год для различных климатических районов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Коэффициенты пересчета осадков при усреднении за год
Интенсивность выпадания осадков, (J), мм/ч	Климатические районы
	1	2	4	10, 26, 27
	Коэффициент для пересчета процента выпадения осадков*
20	5	4,5	4…4,3	2…3
50	7,5	6,3	6,5	4,5
*Tд/мес/Tд/г

Районы 1…4 расположены на европейской территории России и стран СНГ. Район 10 соответствует югу Кавказа (Сухуми, Батуми, Поти, Колхида), районы 26, 27 — это Хабаровский и Дальневосточный края и остров Сахалин. Следует отметить, что районы 10, 26, 27 по интенсивности осадков весьма схожи.

Осадки по-разному влияют на линейно-поляризованные сигналы: горизонтально-поляризованная составляющая сигнала ослабляется примерно в 1,15 раза сильнее, чем вертикально-поляризованная. Если на входе приемника уровень сигнала близок к пороговому, то ТВ-программа с горизонтально-поляризованным сигналом не будет приниматься.

Физическое объяснение этому явлению достаточно простое: при выпадении дождя за счет сопротивления воздуха капли его расплющиваются и приобретают форму овала (в сечении эллипса), у которого большая ось направлена вдоль земли. Длина пути в дожде для горизонтальной составляющей электрического поля больше, а значит, и ослабление более значительно.

Для ориентировочных расчетов затухания в дожде на 1 км пути в зависимости от интенсивности осадков J (мм/ч) можно использовать простое соотношение:

Y = 0,3 · J (дБ/км).

Данное соотношение справедливо лишь для районов 2…4, т. е. для европейской территории России и стран СНГ.

В табл. 2 приведены данные, учитывающие вероятность дополнительного ослабления сигнала в дождях при различной интенсивности осадков. Действующая в настоящее время норма безотказной работы для аналоговых спутниковых систем связи составляет 99,9% (отказы допустимы лишь в 0,1% случаев), поэтому запас на влияние дождей следует принять около 10 дБ (интенсивность осадков J=6 мм/ч). Данные расчета затухания в дожде для зон с радиусом l, равным 3 км и 5 км, при различной интенсивности J (мм/ч) также приведены в табл. 2.

Таблица 2. Затухание в дожде с различной интенсивнойстью
J, мм / ч	3	6	9	12
T, %	0,2	0,1	0,06	0,03
Y, дБ/км	0,6	1,8	2,7	3,6
Затухание в дожде, дБ/км:
l = 3 км	1,8	5,4	8,1	10,8
l = 5 км	3	8	13,5	18

Как следует из таблицы, система MVDS будет работоспособна в районах 1…4 при радиусе зоны до 5 км, а в районах 10, 26, 27, где среднегодовая норма осадков в 1,5-2 раза больше, радиус зоны, по-видимому, уменьшится до 3…4 км.

По системам MVDS могут передаваться как аналоговые телевизионные сигналы с частотной модуляцией, так и цифровые с однократной и двухкратной (квадратурной) фазовой манипуляцией. Наиболее широкое практическое применение системы MVDS в настоящее время получили в Англии и Голландии. Английский стандарт МРТ 1550 на аналоговые MVDS в полосе 40,5…42,5 ГГц предусматривает размещение 128 частотных каналов, ширина полосы одного канала составляет 27 МГц. При этом сигналы соседних каналов имеют разные поляризации — вертикальную или горизонтальную. При использовании одинаковой поляризации число каналов уменьшается до 64.

В цифровых системах MVDS применяется четырехпозиционная фазовая манипуляция несущей (QPSK).

Английский стандарт МРТ 1560 предусматривает в полосе 2 ГГц (40,5…42,5) распределение 96 цифровых каналов с шириной полосы 40 МГц, естественно, с поляризационным разделением соседних каналов. При уплотнении каждого частотного канала четырьмя цифровыми телевизионными программами, сжатыми по спектру методом МРЕG-2, теоретически в полосе 2 ГГц можно передать 384 программы. Реально с учетом влияния помех между каналами количество используемых каналов будет меньше.

Таблица 3. Основные технические характеристики аналоговых и цифровых систем MVDS (MWS)
Система	Аналоговая ЧМ	Цифровая 4-ФМ (QPSK)
Мощность передатчика, Вт	4	4
Усиление передающей антенны, дБ	8	8
Число частотных каналов	24	6
Число передаваемых ТВ-программ	24	24
Запас на потери в осадках, дБ/км	2,1	2,1
Усиление приемной антенны, дБ	33	33
Запас на юстировку антенны, дБ	2	2
Полоса пропускания приемника, МГц	27	33
Коэффициент шума приемника, дБ	6	6
Пороговое отношение сигнал/шум, дБ	12	6,8
Максимальный радиус зоны обслуживания, км	3	6

Системы MVDS, по-видимому, получат наибольшее распространение в крупных городах, в том числе с разноэтажной застройкой. При этом повторное использование рабочих частот в соответствии с требованиями стандарта МРТ 1560 возможно лишь при пространственном разнесении передатчиков не менее 15 км.

В качестве примера в табл. 3 приведены основные характеристики аналоговой и цифровой систем MVDS при передаче по ней 32 телевизионных программ, обслуживающих максимальную зону. Системы обеспечивают передачу сигнала, удовлетворяющего всем требованиям в течение 99,9% времени, т. е. отказы в работе системы могут наблюдаться лишь в 0,1% суммарного времени работы оборудования.

Основные технические параметры оборудования систем MVDS (MWS)

В качестве усилительных элементов в выходном каскаде передатчика применяют лампы и полупроводниковые приборы. Ламповый передатчик в полосе 2 ГГц может обеспечить мощность до 60 Вт, полупроводниковый — до 25 Вт. Однако стоимость полупроводникового передатчика значительно выше лампового, поэтому их использование оправдано там, где предъявляются повышенные требования в отношении габаритов, массы оборудования и энергопотребления.

Структурная схема приемника системы MVDS подобна схеме приемника в спутниковых системах и имеет единственное отличие: добавляется еще один малошумящий усилитель (МШУ) в полосе частот 40,5…42,5 и понижающий конвертер в полосу 10,7…12,7 ГГц.

Основные технические характеристики передатчика и приемника системы MWS приведены в табл. 4.

Таблица 4. Параметры передатчика и приемника системы MVDS (MWS)
Параметр	Аналоговая система	Цифровая система
Передатчик
Выходная мощность на канале, мВт	200	500
Нестабильность частоты, МГц	±0,5	±0,5
Вид модуляции	ЧМ	4-ФМ
Разнос каналов по частоте, МГц	29,5	39
Приемник
Коэффициент шума, дБ	≤11	≤6
Усиление приемной антенны, дБ	33	33
Поляризация антенны	Линейная
Нестабильность частоты генератора, МГц	±5	±2,5
Групповое время запаздывания, нс	<25	<20

В качестве передающих антенн на базовых станциях систем MVDS применяются антенны с круговой или секторной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, подобные антеннам систем MMDS. Преимущество секторной антенны перед круговой заключается в более высоком коэффициенте усиления и обеспечении возможности излучения сигналов в двух поляризациях. Последнее обстоятельство особенно важно при работе системы в интерактивном режиме.

В качестве приемных антенн могут применяться либо плоские антенные решетки или рупорные антенны с линейными размерами до 30 см.

Для преодоления препятствий или в зоне глубокой тени можно использовать активные ретрансляторы с выходной мощностью порядка нескольких милливатт и пассивные ретрансляторы с антеннами, выполненными из одного или двух плоских зеркал.

Внедрение систем MVDS (MWS)

Система MWS (Microwave System) является в некоторой степени конкурентом системам MVDS и спутниковой «НТВ-плюс». Несмотря на многолучевость, формируемую отражениями от зданий, металлических сооружений и других объектов, в системах MWS благодаря узконаправленной приемной антенне всегда возможно отстроиться от мешающих сигналов. Наиболее сложным препятствием для сигналов на частотах 40…50 ГГц является листва деревьев. Компании, проектирующие системы в этом диапазоне, имеют право не согласовывать частотные присвоения с другими ведомствами, в том числе и с военными.

В настоящее время в Москве и Московской области (г. Жуковский) компанией «МТУ-Информ» эксплуатируются две базовые станции, для работы которых выделена полоса 1000 МГц. Кроме того, «МТУ-Информ» имеет лицензию на использование системы MWS в Санкт-Петербурге в полосе 500 МГц.

Компания «МТУ-Информ» планирует предложить потенциальным пользователям следующие широкополосные услуги: видео и аудио по запросу (VoD — Video on Demand AoD — Audio on Demand), данные по запросу, трансляцию фильмов в режиме домашнего кинотеатра с объемным звуком и качеством, соответствующим дискам DVD. Ни одна из конкурирующих российских фирм пока не может предложить подобные услуги.

Сотовая сеть (MWS) компании «МТУ-Информ» на начальном этапе будет покрывать отдельные районы города и области, в первую очередь места элитных застроек и котеджных городков. Указанные выше услуги будут предоставляться в интерактивном режиме.

Предполагается, что стоимость приемной антенны диаметром до 15 см с МШУ конвертером вниз (в полосу 0,95…2,15 ГГц) составит порядка $90, а телевизионной приставки к типовому спутниковому ресиверу — $200. Многофункциональный трансивер, который можно использовать коллективно (один на дом или подъезд), оценивается в пределах $1000…1500.

Экспериментальные работы по системе MWS в московской опытной зоне проводились в период с марта по май 1999 г. компаниями «МТУ-Информ», АО МНИТИ и Technosystems S.P.a (итальянская фирма, предоставившая комплект промышленного оборудования).

При испытаниях в Москве были задействованы три пункта: передающее устройство размещалось на крыше 10-этажного здания МНИТИ на Гольяновской улице, дом 7а; приемное устройство № 1 — в здании МНИТИ на Уральской улице, приемный пункт № 2 был размещен в гостинице Измайлово. Расстояние между передатчиком и приемником № 1 составляло 7,5 км, а до приемника № 2 — 2,85 км.

Характеристика оборудования MVDS 40с (фирма Technosystems  S. P. a)
Максимальное число цифровых ТВ-каналов	24
Полоса пропускания, МГц	33
Скорость цифрового потока в канале, Мбит/с	25,776
Выходная мощность передатчика на один канал, мВт	100
Передающая антенна:
угол раскрыва, град	72
коэффициент усиления, дБ	22
Приемная антенна:
диаметр, мм	390
угол раскрыва, град	1,7
Коэффициент усиления, дБ	41

В качестве приемника использовался спутниковый ресивер фирмы «Барко».

В ходе испытаний измерялись: уровень сигнала на входе приемника, отношение несущая/шум, коэффициент ошибок, а также производился контроль частотного спектра и давалась субъективная оценка качества изображения на экране телевизора. Основная часть измерений проводилась на 1-й промежуточной частоте 950…2050 МГц. Принятый на частоте 4 0,5…42,5 ГГц сигнал конвертировался в полосу 950…2050 МГц и подавался по кабелю на цифровой ресивер.

Испытания показали, что система MWS в указанной выше комплектации полностью удовлетворяет всем требованиям и может быть предложена к внедрению в районах престижной застройки при размерах сети до 5…7 км.

В опытной зоне Москвы компания «МТУ-Информ» проводила испытания совместно со специалистами из Санкт-Петербурга, которые поставляли оборудование, и в настоящее время выполняет экспериментальные работы по двунаправленной (интерактивной) системе. В дальнейшем предполагается коммерческая эксплуатация этой системы для организации передачи данных, а также IP-телефонии.

По мнению разработчиков, системы MWS будут использоваться в сочетании с другими новейшими технологиями, например Hyper LAN-2, разрабатываемой в настоящее время в Европе и США. Данная технология эффективна для применения в микросотах, так как позволяет соединить базовые станции Hyper LAN-2 с узлами волоконно-оптической сети.