Παροχή υπηρεσιών TCP/IP σε συστήµατα επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T)

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Παροχή υπηρεσιών TCP/IP σε συστήµατα επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T) Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ του Γεωργίου Γαρδίκη ιπλ. Ηλεκτρολόγου Μηχανικού και Μηχανικού Υπολογιστών ΕΜΠ ΑΘΗΝΑ, ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2004

Στους γονείς μου, ως «ὀφειλέτης μυρίων ταλάντων» (Μτ. ιη 24)

Περίληψη Η διατριβή εστιάζεται στη χρήση της σύγχρονης και τυποποιηµένης τεχνολογίας της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T) ως ευρυζωνικού δικτύου πρόσβασης για υπηρεσίες δεδοµένων γενικά, επικεντρώνοντας ειδικότερα στις υπηρεσίες TCP/IP που κατέχουν πρωταρχική θέση στα σύγχρονα υπολογιστικά δίκτυα. Για τον σκοπό αυτό προτείνει και µελετά µια υβριδική αρχιτεκτονική ενός ασύµµετρου δικτύου στο οποίο η κατερχόµενη ζεύξη (downlink) υλοποιείται µε ένα ευρυζωνικό κανάλι DVB-T ενώ η ανερχόµενη (uplink) παρέχεται από διάφορες υπάρχουσες ενσύρµατες και ασύρµατες τεχνολογίες µετάδοσης δεδοµένων. Μελετώνται εναλλακτικές τοπολογίες, η κάθε µια εκ των οποίων εξετάζεται ως προς τη συµπεριφορά και τις επιδόσεις επί πειραµατικής πλατφόρµας. Ερευνάται επίσης η περίπτωση της πολυπλεξίας σε ένα επίγειο ψηφιακό τηλεοπτικό κανάλι τηλεοπτικών προγραµµάτων και δεδοµένων IP και προτείνεται και εφαρµόζεται πειραµατικά µηχανισµός που εξασφαλίζει τη βέλτιστη κατανοµή εύρους ζώνης µεταξύ των διάφορων υπηρεσιών, διασφαλίζοντας έτσι σε κάθε περίπτωση την παροχή ποιότητας υπηρεσίας (QoS). Τέλος, εξετάζεται η συµπεριφορά του TCP στην προτεινόµενη υβριδική αρχιτεκτονική υπό µη ιδανικές συνθήκες λήψης, όταν δηλαδή το κανάλι εκποµπής DVB-T βρίσκεται υπό την επίδραση επίπεδων και συχνοεπιλεκτικών διαλείψεων.

Abstract This thesis focuses on the use of the contemporary and standardized terrestrial digital television (DVB-T) technology as a broadband access network for general data services, specializing on TCP/IP services, which have a leading role in modern computer networks. For this purpose, a hybrid architecture of an asymmetric network is proposed, in which the downlink is implemented with a broadband DVB-T channel while the uplink is provided by various existing wired and wireless data transmission technologies. Several topologies are studied, whose performance is evaluated on a fully functional experimental platform. The case of multiplexing IP data and television programms in a digital terrestrial television channel is also investigated, and a novel mechanism is also proposed and experimentally applied, which ensures the optimal allocation of the bandwidth among the various services thus enabling for QoS support. Finally, the behaviour of TCP in the proposed hybrid architecture is evaluated under non-ideal reception conditions, i.e. where the DVB-T downlink is impaired by flat and frequency-selective fadings.

Ευχαριστίες Με την ολοκλήρωση της διδακτορικής µου διατριβής, που είναι αποτέλεσµα δουλειάς σχεδόν τεσσάρων ετών και εκπονήθηκε κατά κύριο λόγο στο Εργαστήριο Ψηφιακών Τηλεπικοινωνιών του ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος», διαπιστώνω ότι ο κατάλογος των ανθρώπων οι οποίοι συνέβαλαν, λίγο ή πολύ, στην ολοκλήρωση αυτής της εργασίας έχει γίνει αρκετά εκτενής. Θα ήταν σοβαρή παράλειψη να µην αναφερθώ σε όλους εκείνους που στάθηκαν, µε τον τρόπο του ο καθένας, συµπαραστάτες σε αυτήν την προσπάθεια. Καταρχάς οφείλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντά µου Καθηγητή του ΕΜΠ κ. Φ. Κωνσταντίνου ο οποίος µε υποστήριξε σε κάθε βήµα της προσπάθειας αυτής και παρείχε κάθε συµπαράσταση στην πορεία µου ως υποψηφίου διδάκτορα της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Ευγνωµοσύνη οφείλω και στον Ερευνητή του ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος» ρα Αναστάσιο Κούρτη, ο οποίος σε όλο αυτό το διάστηµα όχι µόνο µε επέβλεψε και µε καθοδήγησε, αλλά εξασφάλισε την παροχή πλούσιας υλικοτεχνικής υποδοµής, πολύτιµης για µια µελέτη όπως αυτή. Αισθάνοµαι όσο λίγοι ευνοηµένος που στην ερευνητική αυτή πορεία ένιωθα πάντα τη σιγουριά ότι σε κάθε βήµα θα µπορούσα να έχω την υλική αλλά και ηθική βοήθεια που χρειαζόµουν για να προχωρήσω. Ευχαριστίες οφείλονται επίσης και στους «συνοδοιπόρους» υποψήφιους διδάκτορες Γεώργιο Ξυλούρη, Χαρίλαο Κουµαρά καθώς και τον ρα Ευάγγελο Πάλλη για τις ατελείωτες ώρες που δαπανήσαµε µαζί στο εργαστήριο του «ηµόκριτου», για τις ιδέες τους και την ανεκτίµητη βοήθειά τους, χωρίς την οποία µεγάλο µέρος της διατριβής αυτής δεν θα ήταν δυνατόν να εκπονηθεί. Οµοίως οφείλω πολλά και σε όλο το προσωπικό του εργαστηρίου και ειδικότερα στους ρα Κίµωνα Κοντοβασίλη και ρα Χαράλαµπο Μάντακα για την πάντα πρόθυµη βοήθεια και την καθοδήγηση που µου παρείχαν σε θέµατα που άπτονταν του ερευνητικού τους πεδίου. Σηµαντική βοήθεια, κυρίως στην λήψη και επεξεργασία των µετρήσεων, παρείχαν επίσης οι µηχανικοί Αντώνης Κοράκης, Αλέξανδρος Τσίρκας και Pamela Mendonca. Τέλος, ευχαριστώ όλους εκείνους που η κατά καιρούς συναναστροφή µου µαζί τους µε έµαθε να εργάζοµαι, να συνεργάζοµαι, να σκέφτοµαι και να αναζητώ. Όλους εκείνους που µε δίδαξαν την ανθρώπινη πλευρά της τεχνολογίας και µου έδειξαν ότι η επιστήµη των Τηλεπικοινωνιών τότε µόνο αποκτά αξία, όταν δεν περιορίζεται στην τεχνική πρόοδο και την προβολή των όντως εντυπωσιακών της επιτευγµάτων, αλλά και βοηθά τους ανθρώπους να διανοίξουν ξεπερνώντας ίσως τους προσωπικούς τους περιορισµούς- διαύλους αληθινής και ανθρώπινης επικοινωνίας µε τους συνανθρώπους τους. Αθήνα, Απρίλιος 2004 Γιώργος Γαρδίκης

Περιεχόµενα ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ... 15 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 17 2. ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ... 19 2.1. Εισαγωγή... 19 2.2. Digital Switchover: Η µετάβαση στην ψηφιακή εκποµπή... 20 2.3. Το σήµα βασικής ζώνης: συµπίεση και πολυπλεξία κατά MPEG-2... 20 2.4. Εισαγωγή στα πρότυπα DVB... 22 2.5. Αρχές της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T)... 23 2.5.1. Γενικά... 23 2.5.2. Συνοπτική περιγραφή των σταδίων της διαµόρφωσης DVB-T... 25 Προσαρµογή MPEG-2 πακέτων και τυχαιοποίηση (randomization)... 25 Εξωτερική κωδικοποίηση και συνελικτική διεµπλοκή... 25 Εσωτερική κωδικοποίηση και διεµπλοκή... 26 ιαµόρφωση και µετάδοση... 26 Ωφέλιµο bit rate... 27 2.6. Μετάδοση δεδοµένων IP πάνω από το κανάλι DVB-T... 28 2.7. Προοπτικές χρήσης - Εφαρµογές... 30 2.7.1. Η ανάγκη για εισαγωγή νέων υπηρεσιών... 30 2.7.2. Κατηγορίες εφαρµογών... 30 2.7.3. Επιταχύνοντας την πρόσβαση στο Internet... 31 2.7.4. Το πρωτόκολλο TCP και η σηµασία του... 32 2.7.5. Το πρότυπο DVB-MHP... 33 2.8. Το προτεινόµενο µοντέλο ένα ασύµµετρο υβριδικό δίκτυο... 34 3. ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ & ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΠΙ ΟΣΕΩΝ ΑΜΦΙ ΡΟΜΩΝ ΙΚΤΥΩΝ DVB-T... 37 3.1. Εισαγωγή... 37 3.2. Τοπολογία δικτύου... 38 3.3. Υλοποίηση µε PSTN Κανάλι Επιστροφής... 40 3.4. Υλοποίηση µε ISDN Κανάλι Επιστροφής... 46 3.5. Υλοποίηση µε GSM Κανάλι Επιστροφής... 49 3.6. Υλοποίηση µε GPRS Κανάλι Επιστροφής... 52 3.7. Υλοποίηση µε Kανάλι Επιστροφής βασισµένο σε ασύρµατο δίκτυο (WLAN)... 56 3.8. Ανακεφαλαίωση... 63 4. ΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΘΕΣΗ ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ ΓΙΑ ΠΟΛΥΠΛΕΞΙΑ ΥΠΗΡΕΣΙΩΝ TCP/IP ΚΑΙ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΤΗΛΕΟΠΤΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ... 65 4.1. Εισαγωγή... 65 4.2. Η έννοια της δυναµικής ανάθεσης εύρους ζώνης... 66 4.3. υναµική από κοινού ανάθεση του εύρους ζώνης για υπηρεσίες IP και DTV... 70 4.4. ιαχείριση εύρους ζώνης µε εκτίµηση της ποιότητας εικόνας... 71 4.5. Πολιτική και προτεραιότητες µεταξύ των καναλιών IP... 80 4.5.1. Καθορίζοντας τα κανάλια IP... 80 4.5.2. Κανάλια IP ίσης προτεραιότητας... 81 4.5.3. Κανάλια IP διαφορετικών προτεραιοτήτων... 82 4.6. Ανακεφαλαίωση... 83 5. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΕΠΙ ΟΣΕΙΣ ΤΟΥ TCP ΣΕ ΚΑΝΑΛΙ DVB-T ΜΕ ΙΑΛΕΙΨΕΙΣ... 85 5.1. Εισαγωγή... 85 5.2 Πειραµατική προσέγγιση... 85 5.3. Παραµετροποίηση του TCP για χρήση σε κανάλι µε απώλειες... 87 5.3.1. Επιλεκτικές επαναµεταδόσεις... 88 5.3.2. Μέγεθος παραθύρου... 88 5.3.3. Γρήγορη επαναµετάδοση... 88 5.4. Επιδόσεις του TCP σε DVB-T κανάλι µε επίπεδες διαλείψεις... 89

5.4.1. Μεθοδολογία... 89 5.4.2. Μετρήσεις επιδόσεων... 94 5.4.3. Μοντελοποίηση του ρυθµού διαµεταγωγής για κινητό δέκτη µε συγκεκριµένο CNR... 98 5.5. Επιδόσεις του TCP σε DVB-T κανάλι µε συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις... 102 5.5.1. Εισαγωγή - Μεθοδολογία... 102 5.5.2. Αποτελέσµατα... 105 5.5.3. Συµπεράσµατα... 109 5.6. Ανακεφαλαίωση... 111 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 113 6.1. Ανασκόπηση... 113 6.2. Καινοτοµίες... 114 6.3. Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα... 114 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 117 ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ... 127

Πίνακας σχηµάτων Σχ. 2.1. Στάδια πολυπλεξίας και µετάδοσης στην ψηφιακή τηλεόραση... 21 Σχ. 2.2. Η δοµή του Πακέτου Μεταφοράς... 21 Σχ. 2.3. Μπλοκ διάγραµµα ενός διαµορφωτή DVB-T... 24 Σχ. 2.4 Τυχαιοποίηση των εισερχόµενων δεδοµένων... 25 Σχ. 2.5. Μορφή των δεδοµένων µετά την διαδικασία της προσαρµογής, τυχαιοποίησης, εξωτερικής κωδικοποίησης και διεµπλοκής... 26 Σχ. 2.6. Φάσµα του σήµατος OFDM... 27 Σχ. 2.7. Ωφέλιµο bitrate συναρτήσει του σχήµατος διαµόρφωσης... 28 Σχ. 2.8. Ενσωµάτωση της MAC address στο section header... 29 Σχ. 2.9. Πεδία της επικεφαλίδας στην αρχή του τµήµατος TCP... 32 Σχ. 3.1α. Αµφίδροµο δίκτυο DVB-T για ασύµµετρη µεταφορά δεδοµένων TCP (γενικευµένο µοντέλο)... 39 Σχ. 3.1β. Αµφίδροµο δίκτυο DVB-T για ασύµµετρη µεταφορά δεδοµένων TCP (στοίβα πρωτοκόλλων)... 39 Σχ. 3.2. Εργαστηριακή υλοποίηση αµφίδροµου δικτύου DVB-T / PSTN... 41 Σχ. 3.3. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/PSTN... 42 Σχ. 3.4. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / PSTN... 43 Σχ. 3.5. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/PSTN (8K TCP window size)... 44 Σχ. 3.6. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/PSTN (512K TCP window size)... 44 Σχ. 3.7. Εργαστηριακή υλοποίηση αµφίδροµου δικτύου DVB-T / ISDN... 46 Σχ. 3.8. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/ISDN... 47 Σχ. 3.9. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / ISDN... 47 Σχ. 3.10. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/ISDN (8K TCP window size)... 48 Σχ. 3.11. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/ISDN (512K TCP window size)... 48 Σχ. 3.12. Εργαστηριακή υλοποίηση αµφίδροµου δικτύου DVB-T / GSM Data... 50 Σχ. 3.13. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/GSM Data... 50 Σχ. 3.14. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / GSM... 51 Σχ. 3.15. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/GSM (8K TCP window size)... 51 Σχ. 3.16. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/GSM (512K TCP window size)... 52 Σχ. 3.17. Εργαστηριακή υλοποίηση αµφίδροµου δικτύου DVB-T / GPRS... 53 Σχ. 3.18. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/GPRS... 54 Σχ. 3.19. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / GPRS... 54 Σχ. 3.20. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/GPRS (8K TCP window size)... 55 Σχ. 3.21. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/GPRS (512K TCP window size)... 56 Σχ. 3.22. Εργαστηριακή υλοποίηση αµφίδροµου δικτύου DVB-T / WLAN... 57 Σχ. 3.23. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11... 58 Σχ. 3.24. Καθυστέρηση πλήρους διαδροµής (µέσος όρος και τυπική απόκλιση) σε δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11b... 58 Σχ. 3.25. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / 802.11... 59 Σχ. 3.26. Ρυθµός διαµεταγωγής για το δίκτυο DVB-T / 802.11b... 59 Σχ. 3.27. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11 (8K TCP window size)... 60 Σχ. 3.28. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11 (512K TCP window size)... 60 Σχ. 3.29. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11b (8K TCP window size)... 61 Σχ. 3.30. Ανάλυση κίνησης στο δίκτυο DVB-T/IEEE 802.11b (512K TCP window size)... 61 Σχ. 3.31. Γράφηµα χρόνου-ακολουθίας (λεπτοµέρεια) για µεγέθη παραθύρου 8Κ (i), 16K (ii), 32K (iii) και 64Κ (iv)... 63 Σχ. 4.1(α) Τοπολογία πλατφόρµας DVB-T µε υποστήριξη για υπηρεσίες IP... 66 Σχ. 4.1(β) Εµπλουτισµός της πλατφόρµας του Σχ. 4.1(α) µε υποσύστηµα διαχείρισης εύρους ζώνης... 67 Σχ. 4.2. ιασυνδέσεις και λειτουργία του BAM... 68 Σχ. 4.3. Οι διεργασίες του BAM... 69 Σχ. 4.4. Το περιβάλλον διεπαφής (GUI) του Policy Server... 70 Σχ. 4.5. Μεταβάλλοντας τον ρυθµό µιας υπηρεσίες DTV για να απελευθερωθεί εύρος ζώνης για το κανάλι IP... 71 Σχ. 4.6. Αρχικό clip (6 Mbps) και διαρρύθµιση στα 2 Mbps. Στη λεπτοµέρεια τονίζεται η παραµόρφωση (coding artifacts) λόγω χαµηλού ρυθµού κωδικοποίησης... 72 Σχ. 4.7. ιαχείριση εύρους ζώνης µε εκτίµηση ποιότητας εικόνας... 72 Σχ. 4.8. Υποκειµενική εκτίµηση της υποβάθµισης της ποιότητας λόγω της διαδικασίας διαρρύθµισης.... 73 Σχ. 4.9. Εκτιµητή ποιότητα συναρτήσει του χρόνου για διάφορα bit rates διαρρύθµισης... 75 Σχ. 4.10. Προσαρµογή του ρυθµού του Προγράµµατος Α για να διατηρήσει σταθερή ποιότητα... 76 Σχ. 4.11. Προσαρµογή ρυθµού για να διατηρηθεί η ποιότητα σταθερή... 77 Σχ. 4.12. Το Best effort Πρόγραµµα Β καταλαµβάνει σταδιακά το εύρος ζώνης που ελευθερώνεται... 78 Σχ. 4.13 Αλγόριθµος ανάθεσης εύρους ζώνης µε µέτρηση ποιότητας για τα προγράµµατα Α και Β... 79

Σχ. 4.14. Εφαρµογή του από κοινού ελέγχου ρυθµού (joint rate control)... 80 Σχ. 4.15. Τρεις χρήστες σε διαδοχική πρόσβαση... 81 Σχ. 4.16. Ισοδύναµες προτεραιότητες σε περιορισµένο συνολικό εύρος ζώνης... 82 Σχ. 4.17. Κανάλια IP µε προτεραιότητες... 83 Σχ. 5.1. Ασύµµετρο δίκτυο για εξοµοίωση κινητής λήψης... 87 Σχ. 5.2. Όρια λειτουργίας για το κανάλι DVB-T... 89 Σχ. 5.3. «On-Off» συµπεριφορά του δέκτη... 90 Σχ. 5.4. Απλοποιηµένο µοντέλο καναλιού κατά Gilbert-Elliott... 90 Σχ. 5.5. Εργαστηριακή εξοµοίωση καναλιού επιπέδων διαλείψεων... 91 Σχ. 5.6. Κατανοµή χρόνων τ(g) που παράγονται από τον ελεγκτή... 92 Σχ. 5.7. Οδήγηση του διακόπτη RF από τον ελεγκτή. Στον παλµογράφο οι παλµοί της τάσης τροφοδοσίας... 93 Σχ. 5.8. Ανάλυση κίνησης για τ(g)=700 msec, τ(β)=5 msec. Γράφηµατα χρόνου-ακολουθίας και ρυθµού διαµεταγωγής.. 93 Σχ. 5.9. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 8Κ... 94 Σχ. 5.10. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 16Κ... 95 Σχ. 5.11. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 32Κ... 95 Σχ. 5.12. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 64Κ... 96 Σχ. 5.13. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 128Κ... 96 Σχ. 5.14. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 256Κ... 97 Σχ. 5.15. Εξοµοίωση περιβάλλοντος επίπεδων διαλείψεων - Ρυθµός διαµεταγωγής για παράθυρο 512Κ... 97 Σχ. 5.16. Απεικόνιση της Τ' (3). Αποτελεί την αναλυτική προσέγγιση του Σχ. 5.13... 99 Σχ. 5.17. Σχέση του τ(b) µε την ταχύτητα του δέκτη και το περιθώριο CNR... 100 Σχ. 5.18. Σχέση του τ(g) µε την ταχύτητα του δέκτη και το περιθώριο CNR... 101 Σχ. 5.19. Μαθηµατικό µοντέλο της επίδοσης του TCP για συγκεκριµένες συνθήκες λήψης... 102 Σχ. 5.20. Παραµόρφωση του φάσµατος DVB-T από συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις... 103 Σχ. 5.21. Εργαστηριακή εξοµοίωση καναλιού συχνοεπιλεκτικών διαλείψεων... 103 Σχ. 5.22 Προφίλ COST 207 Typical Urban µε 6 συνιστώσες (TU6)... 104 Σχ. 5.23. Παραµόρφωση του φάσµατος του σήµατος DVB-T από µείωση του CNR (i-iii) και λόγω κίνησης του δέκτη κατά το προφίλ TU6 (iv-vi)... 105 Σχ. 5.24. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 2K FFT @ 2km/h... 106 Σχ. 5.25. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 8K FFT @ 2km/h... 107 Σχ. 5.26. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 2K FFT @ 20km/h... 107 Σχ. 5.27. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 8K FFT @ 20km/h... 108 Σχ. 5.28. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 2K FFT @ 50km/h... 108 Σχ. 5.29. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 8K FFT @ 50km/h... 109 Σχ. 5.30. Ρυθµός διαµεταγωγής TCP, 2K FFT @ 100km/h... 109 Σχ. 5.31. ιάρκεια συµβόλου και διαστήµατος φρούρησης για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας... 110

ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ 15 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ACK ADSL AWGN BAM BDP BER BIM BRA CBR CCI CNR COFDM CR CWND DCT DSM-CC DTV DVB DVB-C DVB-RCT DVB-S DVB-T ES ETSI FFT FTP FWA GPRS GSM HDTV ICI ICMP IF IIM INA IP ISDN ISI LAN Acknowledgement packet Asymmetric Digital Subscriber Line Additive White Gaussian Noise Bandwidth Allocation Manager Bandwidth-Delay Product Bit Error Rate Broadcast Interface Module Basic Rate Access Constant Bit Rate Co-Channel Interference Carrier to Noise Ratio Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Code Rate Congestion Window Discrete Cosine Transform Digital Storage Media Command and Control Digital Television Digital Video Broadcasting Digital Video Broadcasting - Cable Digital Video Broadcasting Return Channel via Terrestrial Digital Video Broadcasting - Satellite Digital Video Broadcasting - Terrestrial Elementary Stream European Telecommunications Standards Institute Fast Fourier Transform File Transfer Protocol Fixed Wireless Access General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications High Definition Television Inter-Carrier Interference Internet Control Message Protocol Intermediate Frequency Interactive Interface Module Interactive Network Adapter Internet Protocol Integrated Services Digital Network Inter-Symbol Interference Local Area Network

16 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ MAC MHP MPE MPEG MTU NT ODI OFDM PAL PCM PEP PES PID PLMN PQMS PSTN QAM QM QoS QPSK RF RS RTO RTT SACK SFN TCP TDM TPS TS UDLR UDP UHF ULE UMTS VBR VPN WLAN Medium Access Control Multimedia Home Platform Multi Protocol Encapsulation Motion Picture Experts Group Maximum Transfer Unit Network Termination Opportunistic Data Insertion Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phase Alternating Line Pulse Code Modulation Performance Enhancement Proxy Packetized Elementary Stream Packet Identifier Public Land Mobile Network Perceived Quality Management System Public Switched Telephone Network Quadrature Amplitude Modulation Quality Meter Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Reed-Solomon Retransmission Timeout Round-Trip Time Selective Acknowledgement Single Frequency Network Transport Control Protocol Time Division Multiplexing Transmission Parameter Signalling Transport Stream Unidirectional Link Routing User Datagram Protocol Ultra High Frequency Ultra Light Encapsulation Universal Mobile Telecommunications System Variable Bit Rate Virtual Private Network Wireless Local Area Network

ΕΙΣΑΓΩΓΗ 17 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι τηλεπικοινωνίες και η ψηφιακή εκποµπή ευρείας κάλυψης (digital broadcasting) είναι δύο διακριτοί τεχνολογικοί τοµείς οι οποίοι µέχρι πρόσφατα ακολουθούσαν παράλληλη πορεία, κατέχοντας διαφορετική θέση ως προς την παροχή υπηρεσιών στον τελικό χρήστη. Η ψηφιακή εκποµπή ασχολείται µε µεταδόσεις από σηµείο προς πολλαπλά σηµεία (point-to-multipoint) και στοχεύει στην µονόδροµη (one-way) διανοµή ευρυζωνικών δεδοµένων -συµπεριλαµβανοµένης κινούµενης εικόνας και ήχου υψηλής ποιότητας. Αυτήν την προσέγγιση ακολουθούν και τα συστήµατα ψηφιακής τηλεόρασης που σταδιακά αναµένεται να αντικαταστήσουν τις υπάρχουσες αναλογικές τεχνολογίες. Από την άλλη, τα σύγχρονα συστήµατα ψηφιακών τηλεπικοινωνιών, κινητών και σταθερών, αναπτύσσονται µε τη λογική της "ένα-προς-ένα" (point-to-point) αµφίδροµης σύνδεσης, όπως είναι η προσωπική οπτικοακουστική επικοινωνία, και η ανταλλαγή δεδοµένων peer-to-peer, συµπεριλαµβανοµένης και της πρόσβασης στο Internet. Υπάρχουν πολλοί τρόποι µε τους οποίους τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα των δύο διαφορετικών αυτών τεχνολογιών µπορούν να αλληλοσυµπληρωθούν µε σκοπό να προσφέρουν καινοτοµικά υβριδικά δίκτυα που συνδυάζουν την αµφιδροµότητα (interactivity) µε την παροχή ευρυζωνικών πολυµεσικών υπηρεσιών. Πάνω σε αυτήν την συνεργασία-σύγκλιση βασίζεται η ιδέα της αµφίδροµης εκποµπής (interactive broadcasting). Η αξία της σύγκλισης τηλεπικοινωνιών και ψηφιακής εκποµπής φαίνεται από το ενδιαφέρον που προσελκύουν παγκοσµίως οι ερευνητικές προσπάθειες που είναι εστιασµένες σε αυτήν την ιδέα [DVB-UMTS01][BTConv01]. Ολοένα και περισσότερο ελκυστική εµφανίζεται η ιδέα της ενοποίησης διαφορετικών τεχνολογιών πρόσβασης σε ένα κοινό ενοποιηµένο δίκτυο. Με δεδοµένη µάλιστα την επικράτηση του διαδικτυακού πρωτοκόλλου (IP) στην ανταλλαγή δεδοµένων, ένα τέτοιο ενοποιηµένο σύστηµα µπορεί να βασίζεται εξ ολοκλήρου στο πρωτόκολλο αυτό ( all-ip δίκτυο) [Berezdivin02]. Μια τέτοια ενοποίηση µπορεί να συµπεριλάβει διαδραστικά ψηφιακά συστήµατα που υλοποιούν την προοπτική για µια πραγµατικά αµφίδροµη ψηφιακή τηλεόραση [Peters00]. Η µελέτη αυτή υλοποιεί την ιδέα της σύγκλισης των τηλεπικοινωνιών και των τεχνολογιών εκποµπής διερευνώντας ένα µοντέλο υβριδικού ευρυζωνικού δικτύου βασισµένου στην επίγεια ψηφιακή τηλεόραση (DVB-T). Η αρχιτεκτονική που προτείνεται συνδυάζει την τεχνολογία του DVB-T µε ήδη υπάρχουσες δικτυακές υποδοµές, για να προσφέρει στον τελικό χρήστη ψηφιακά τηλεοπτικά προγράµµατα µαζί µε υψηλής ταχύτητας υπηρεσίες δεδοµένων. Με τη χρήση της πλατφόρµας DVB-T για το ασύρµατο ευρυζωνικό downlink και τεχνολογίες στενής ζώνης κυρίως για τα δεδοµένα επιστροφής, διαµορφώνεται ένα ασύµµετρο υβριδικό δίκτυο που εκµεταλλεύεται το βασικό χαρακτηριστικό των δικτύων που παρέχουν υπηρεσίες πολυµέσων: ο όγκος των δεδοµένων που προορίζεται για τον τελικό χρήστη είναι συνήθως πολύ µεγαλύτερος από την κίνηση που παράγει ο χρήστης (κυρίως αιτήσεις και επιβεβαιώσεις) και που στέλνεται πίσω στο δίκτυο µέσω του καναλιού επιστροφής. Στα πλαίσια της διατριβής µελετώνται θέµατα που αφορούν: την ακριβή τοπολογία του δικτύου (χρησιµοποιούµενες τεχνολογίες, συνδέσεις, διεπαφές) και τις επιδόσεις του στη µεταφορά δεδοµένων TCP/IP, την πολιτική κατανοµής του εύρους ζώνης µεταξύ των διάφορων ετερογενών πολυµεσικών υπηρεσιών που πολυπλέκονται στο κοινό ψηφιακό τηλεοπτικό σήµα, τη συµπεριφορά και τα όρια λειτουργίας ενός σύνθετου ασύρµατου δικτύου πρόσβασης σε µη ιδανικές συνθήκες λήψης όσον αφορά το σήµα DVB-T.

18 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε µια προσπάθεια να καλυφθούν ικανοποιητικά τα παραπάνω θέµατα, επιχειρείται να εξετασθούν όλες οι παραµέτροι που διέπουν τη λειτουργία ενός τέτοιου δικτύου µε βάση µετρήσεις και βελτιστοποιήσεις που έγιναν πάνω σε πειραµατική πλατφόρµα επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης εν πλήρει λειτουργία. Συγκεκριµένα: Στην ενότητα 2 επιχειρείται αρχικά µια σύντοµη αναφορά στην ψηφιακή τεχνολογία στην τηλεοπτική εκποµπή και στα πλεονεκτήµατά της έναντι της αναλογικής, καθώς και στις διαδικασίες και προοπτικές µετάβασης των υπαρχόντων συστηµάτων εκποµπής στα ψηφιακά τους ανάλογα (digital switchover). Γίνεται µια ανασκόπηση των προτύπων DVB και παρουσιάζονται τα στάδια κωδικοποίησης και διαµόρφωσης σε έναν επίγειο ποµπό DVB-T. Περιγράφεται επίσης εν συντοµία η δοµή του σήµατος βασικής ζώνης δηλ. το Ρεύµα Μεταφοράς MPEG-2 καθώς και οι τεχνικές που ακολουθούνται για την ενθυλάκωση των δεδοµένων IP σε αυτό. Στη συνέχεια παρατίθενται κάποια σενάρια όσον αφορά τις υπηρεσίες που αναδεικνύουν τα πλεονεκτήµατα της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής και τις νέες προοπτικές που µπορεί να εισαγάγει στον τεχνικό τοµέα η µετάδοση δεδοµένων µέσω ενός ασύµµετρου υβριδικού δικτύου. Τέλος παρουσιάζεται το γενικό προτεινόµενο δικτυακό µοντέλο για παροχή υπηρεσιών TCP/IP µέσω DVB-T καθώς και τα πλεονεκτήµατα της ασύµµετρης unicast µετάδοσης έναντι άλλων τρόπων λειτουργίας που έχουν κατά καιρούς προταθεί για µία αµφίδροµη τηλεοπτική πλατφόρµα. Στην ενότητα 3 µελετώνται εναλλακτικές υλοποιήσεις της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής µε βάση δίκτυο πρόσβασης µε τη χρήση του DVB-T ως καναλιού εκποµπής (broadcast downlink). Ως ίκτυο Επιστροφής χρησιµοποιούνται διαδεδοµένες ενσύρµατες και ασύρµατες τεχνολογίες µετάδοσης δεδοµένων, όπως PSTN, ISDN, Wireless LAN (IEEE 802.11 και 802.11b), GSM Data και GPRS. Για την κάθε περίπτωση αναπτύσσεται το αντίστοιχο πειραµατικό εργαστηριακό δίκτυο εν πλήρει λειτουργία, πάνω στο οποίο γίνονται µετρήσεις των δικτυακών παραµέτρων της ασύµµετρης µεταφοράς δεδοµένων TCP και παρατίθενται ενδεικτικά οµάδες αποτελεσµάτων ανάλυσης κίνησης. ιερευνώνται οι ιδιαιτερότητες της κάθε υλοποίησης, τα πρακτικά της πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα καθώς και πιθανές τεχνικές δυσκολίες που εµφανίζονται. Εξετάζεται επίσης η επίδραση των παραµέτρων του TCP, που µπορούν να ρυθµιστούν κατάλληλα για να βελτιστοποιηθεί τελικά η απόδοση του συστήµατος. Στην ενότητα 4 µελετώνται βελτιώσεις που µπορούν να γίνουν στον πυρήνα πολυπλεξίας DVB ώστε να συνυπάρχουν µε βέλτιστο τρόπο στο ίδιο κανάλι τα τηλεοπτικά προγράµµατα µε τα δεδοµένα TCP/IP. Συγκεκριµένα προτείνεται µηχανισµός ανάθεσης εύρους ζώνης σε πραγµατικό χρόνο σε συνδυασµό µε ένα υποσύστηµα ανάλυσης της ποιότητας της εικόνας. Ο πειραµατικός αυτός µηχανισµός δοκιµάζεται σε πραγµατικές συνθήκες και παρουσιάζεται η δυνατότητά του να κατανέµει κατά βέλτιστο τρόπο το εύρος ζώνης µεταξύ των διάφορων ετερογενών υπηρεσιών µε βάση ένα σχήµα προτεραιοτήτων, ώστε αφενός να παρέχεται επαρκές εύρος για τις υπηρεσίες TCP/IP αλλά και αφετέρου να µην υποβαθµίζεται η ποιότητα των τηλεοπτικών προγραµµάτων που µεταδίδονται ταυτόχρονα. Στην ενότητα 5 εξετάζεται το ενδεχόµενο παροχής υπηρεσιών TCP/IP µέσω της προτεινόµενης αρχιτεκτονικής σε κινητούς χρήστες ή γενικά χρήστες µε φτωχές ή µη σταθερές συνθήκες λήψης όσον αφορά το κανάλι DVB-T. Σε εργαστηριακό επίπεδο γίνεται πλήρης εξοµοίωση ενός περιβάλλοντος τόσο επίπεδων όσο και συχνοεπιλεκτικών διαλείψεων. Γίνονται µετρήσεις ωφέλιµου ρυθµού και απώλειας πακέτων κάτω από διάφορα σενάρια και κατασκευάζονται µαθηµατικά µοντέλα που προσεγγίζουν τον αναµενόµενο ρυθµό διαµεταγωγής του TCP κάτω από συγκεκριµένες συνθήκες λήψης. Τέλος, παρουσιάζονται οι παράµετροι µετάδοσης στο DVB-T (µέγεθος FFT, σχήµα διαµόρφωσης, ρυθµός κώδικα) οι οποίες κάτω από τις εκάστοτε συνθήκες διάδοσης επιτυγχάνουν την επιθυµητή ισορροπία µεταξύ αξιόπιστης µετάδοσης και εξοικονόµησης εύρους ζώνης. Η διατριβή ολοκληρώνεται µε την ενότητα 6, όπου συνοψίζονται τα αποτελέσµατα και οι καινοτοµίες και προτείνονται θέµατα για επέκταση της έρευνας στην ίδια θεµατική περιοχή.

ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 19 2. ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 2.1. Εισαγωγή Η τηλεοπτική τεχνολογία έχει διατηρήσει την αναλογική µέθοδο εκποµπής σε µια εποχή που έχει επικρατήσει για τις περισσότερες µορφές πληροφορίας η ψηφιοποιηµένη αποθήκευση και µεταφορά. Μόνο την τελευταία δεκαετία και χάρη στα πρότυπα συµπίεσης και πολυπλεξίας εικόνας της οικογένειας MPEG και το ευρωπαϊκό σύνολο προδιαγραφών DVB για διαµόρφωση και µετάδοση έχει αποκτήσει η ψηφιακή τηλεόραση µια συγκεκριµένη προοπτική. Είναι αρκετά τα πλεονεκτήµατα τα οποία εισάγει η ψηφιακή τεχνολογία στην διαµόρφωση και διανοµή του τηλεοπτικού σήµατος[rysdale96]. Μερικά από αυτά είναι: Σταθερή ποιότητα εικόνας, µε µεγαλύτερη ανοχή στις ατέλειες του ασύρµατου ή ενσύρµατου διαύλου. Εξάλειψη φαινοµένων όπως αυτά της θόλωσης, των πολλαπλών ειδώλων ή του θορύβου («χιονιού»). Μειωµένος λόγος σήµατος προς θόρυβο που απαιτείται σε σύγκριση µε την αναλογική µετάδοση. Αυτό επιτρέπει τη µείωση της εκπεµπόµενης ισχύος µέχρι και κατά 30 db χωρίς να διαταράσσεται η ποιότητα της εικόνας. Καλύτερη εκµετάλλευση του φάσµατος λόγω της συµπίεσης του σήµατος βασικής ζώνης. Για παράδειγµα, ένα επίγειο κανάλι UHF αντιστοιχεί σε ένα και µόνο αναλογικό τηλεοπτικό πρόγραµµα, ενώ το ίδιο εύρος µπορεί να φιλοξενήσει µέχρι και 4 ψηφιακά προγράµµατα υψηλής ποιότητας. Ευέλικτες τεχνικές πολυπλεξίας των ψηφιακών συστηµάτων, που επιτρέπουν την συνύπαρξη πολλών προγραµµάτων και υπηρεσιών επιλεγόµενης ποιότητας και ευκρίνειας. Μεταβλητή ταχύτητα (bit rate) εκποµπής, ανάλογα µε τις απαιτήσεις ποιότητας του προγράµµατος, κάτι που µεταξύ άλλων αυξάνει το κέρδος πολυπλεξίας (multiplexing gain) στην περίπτωση της ταυτόχρονης µετάδοσης πολλών προγραµµάτων µεταβλητού ρυθµού. υνατότητα επεξεργασίας της εικόνας στο δέκτη µετά τη λήψη µέσω αλγορίθµων ψηφιακής επεξεργασίας (digital image post-processing), όπως χρωµατική διόρθωση, αποκοπή ορίων, αυξοµείωση του µεγέθους ή αφαίρεση θορύβου. Εύκολος εµπλουτισµός των τηλεοπτικών προγραµµάτων µέσω τυποιηµένων αρχιτεκτονικών (π.χ. MHP, OpenTV) µε τοπικές εφαρµογές που εκµεταλλεύονται τις δυνατότητες των σύγχρονων «έξυπνων δεκτών». Ενσωµάτωση διαφόρων πολυµεσικών εφαρµογών και υπηρεσιών δεδοµένων, όπως αµφίδροµων υπηρεσιών και διαδικτυακής πρόσβασης σε µια κοινή ψηφιακή πλατφόρµα, µε προϋπόθεση ότι υπάρχει διαθέσιµο κανάλι επιστροφής (reverse path).

20 ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 2.2. Digital Switchover: Η µετάβαση στην ψηφιακή εκποµπή Με την εισαγωγή της ψηφιακής τεχνολογίας στην επίγεια τηλεοπτική µετάδοση και µε δεδοµένα τα προαναφερθέντα πλεονεκτήµατα, αποτελεί θέµα χρόνου η µετάβαση από τα αναλογικά στα ψηφιακά συστήµατα. Αυτή η διαδικασία ( Digital Switchover ) αναµένεται να είναι ιδιαίτερα χρονοβόρα, όχι τόσο λόγω τεχνικών δυσκολιών, όσο εξαιτίας της υπάρχουσας αναλογικής υποδοµής τόσο στους παροχείς όσο και στους τηλεθεατές, µιας υποδοµής που θα απαιτήσει πολύ χρόνο και ισχυρά κίνητρα για να αντικατασταθεί. Υπάρχουν όµως και τεχνικά ζητήµατα, όπως για παράδειγµα η συνύπαρξη αναλογικών και ψηφιακών καναλιών σε γειτονικές ή και στην ίδια περιοχή της µπάντας των UHF. Όσον αφορά την ευαισθησία του αναλογικού σήµατος στην ψηφιακή παρεµβολή, έχει µετρηθεί [Arrinda99b] ότι, για παραδεκτή ποιότητα εικόνας, το αναλογικό σήµα (PAL) πρέπει να υπερβαίνει την ισχύ του ψηφιακού κατά 40 db περίπου για την περίπτωση της οµοδιαυλικής παρεµβολής (CCI - co-channel interference). Όπως ορίζει το κείµενο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής που παρουσιάστηκε το 2002 στο Ευρωπαϊκό Συµβούλιο της Σεβίλλης [eeur02], για την επιτάχυνση της µετάβασης στην ψηφιακή τηλεόραση, θα πρέπει τα κράτη µέλη να δηµιουργήσουν συνθήκες διαφάνειας όσον αφορά τους όρους της µετάβασης. Τα κράτη µέλη είχαν υποχρέωση, έως τα τέλη του 2003, να δηµοσιεύσουν τις προθέσεις τους σχετικά µε την επικείµενη µετάβαση: θα πρέπει να περιλαµβάνεται χρονοδιάγραµµα και αξιολόγηση των συνθηκών της αγοράς, καθώς και ενδεχοµένως ηµεροµηνία τερµατισµού των αναλογικών επίγειων τηλεοπτικών εκποµπών (analog closure), που θα επέτρεπε την ανάκτηση και την αναδιανοµή των συχνοτήτων. Τα εθνικά σχέδια µετάβασης θα πρέπει επίσης να λαµβάνουν υπόψη ανταγωνιστικούς µηχανισµούς µετάδοσης (κυρίως δορυφορικούς, καλωδιακούς και επίγειους). Με βάση τις οδηγίες αυτές, αναµένεται στα επόµενα 10 χρόνια το 50% των καναλιών εκποµπής να είναι ψηφιακά και να χρησιµοποιούν το MPEG-2 Transport Stream ως στρώµα µεταφοράς [Clement00]. Η διατριβή επεκτείνει τους στόχους και τις προοπτικές του digital switchover µελετώντας τη χρήση της επερχόµενης επίγειας ψηφιακής τηλεοπτικής τεχνολογίας όχι µόνο ως καναλιού διανοµής προγραµµάτων, αλλά ως βασικού συστατικού στοιχείου ενός ευρυζωνικού δικτύου δεδοµένων. Υπό το πρίσµα αυτό, το πέρασµα στην ψηφιακή µετάδοση όχι µόνο εισάγει στο χώρο της τηλεόρασης τα πλεονεκτήµατα της παρ.2.1, αλλά δηµιουργεί και υποδοµές για ευέλικτη ευρυζωνική δικτύωση. Στις επόµενες παραγράφους παρατίθενται συνοπτικά τα τεχνολογικά πρότυπα που κατέστησαν δυνατή την υλοποίηση και την εξάπλωση της ψηφιακής εποχής στον χώρο της τηλεόρασης. 2.3. Το σήµα βασικής ζώνης: συµπίεση και πολυπλεξία κατά MPEG-2 Όταν, µέχρι και τις αρχές της προηγούµενης δεκαετίας, η έννοια της ψηφιακής τηλεοπτικής µετάδοσης περιοριζόταν απλά στην απλή ψηφιοποίηση του τηλεοπτικού σήµατος σε ασυµπίεστη παλµοσειρά PCM, µια µετατροπή που καταλήγει σε ψηφιακό σήµα ενός ρυθµού της τάξης των 270 Mbps, κάθε έννοια ασύρµατης µετάδοσης ήταν φυσικό να µην έχει κανένα πρακτικό αντίκρισµα [Sandbank90]. Το σήµα DTV περιοριζόταν µόνο σε ενσύρµατες υποδοµές και πάλι εντός των ορίων του σταθµού παραγωγής. Με την εισαγωγή των αλγορίθµων συµπίεσης εικόνας MPEG-1 και αργότερα του MPEG-2 (το πρότυπο που παγκοσµίως χρησιµοποιείται σε όλα τα συστήµατα ψηφιακής τηλεόρασης) έγινε δυνατή η συµπίεση του σήµατος σε ποσοστά της τάξης του 1:30 ή ακόµη περισσότερο. Το αποτέλεσµα αυτό επιτυγχάνεται µε χωρισµό της εικόνας σε blocks, διακριτό µετασχηµατισµό συνηµιτόνου και κβάντιση των συντελεστών. Επιπρόσθετα χρησιµοποιούνται αλγόριθµοι ανίχνευσης και αντιστάθµισης κίνησης (motion detection / compensation) για να περιγράψουν τις αλλαγές και τις µετακινήσεις των

ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 21 αντικειµένων µεταξύ διαδοχικών καρέ, όπως ορίζει η προδιαγραφή MPEG-2 Video [MPEGVid96]. Αντίστοιχος τρόπος χρησιµοποιείται και για τη συµπίεση του ψηφιοποιηµένου ήχου [MPEGAud96]. Το συµπιεσµένο οπτικοακουστικό σήµα, που φέρει την ονοµασία Στοιχειώδης Ροή (Elementary Stream) µαζί µε τις Στοιχειώδεις Ροές άλλων προγραµµάτων αλλά και οποιουδήποτε είδους άλλη ψηφιακή πληροφορία (όπως δεδοµένα TCP/IP), πολυπλέκεται σε ένα κοινό Ρεύµα Μεταφοράς (MPEG-2 Transport Stream) που αποτελεί και το σήµα βασικής ζώνης για όλα τα συστήµατα DVB, όπως ορίζει η προδιαγραφή MPEG-2 Systems [MPEGSys96]. Το Ρεύµα Μεταφοράς περιέχει, εκτός από Στοιχειώδεις Ροές, πληροφορίες για τις διάφορες υπηρεσίες, έλεγχο περιορισµένης πρόσβασης (Conditional Access), σηµατοδοσία συγχρονισµού καθώς και ιδιωτικά δεδοµένα (private data), στα οποία εντάσσονται και τα δεδοµένα IP. [Sarginson96] (Βλ. Σχ. 2.1.) Σχ. 2.1. Στάδια πολυπλεξίας και µετάδοσης στην ψηφιακή τηλεόραση Το Ρεύµα Μεταφοράς είναι µια µορφή πολυπλεξίας σχεδιασµένη για σύνθετες εφαρµογές όπως τηλεοπτικά «µπουκέτα» (bouquets), που απαρτίζονται από πολλά ταυτόχρονα προγράµµατα και ροές δεδοµένων. Αποτελείται από µια διαδοχή πακέτων σταθερού µήκους των 188 bytes που ονοµάζονται Πακέτα Μεταφοράς (Transport Packets). Σύνολα δεδοµένων που είναι µεγαλύτερα σε µέγεθος (για παράδειγµα, µία συµπιεσµένη εικόνα, ένα τµήµα ήχου ή ένα πακέτο IP) θα υποστούν κατάτµηση και το περιεχόµενό τους θα µοιραστεί σε περισσότερα του ενός transport packets. Η δοµή ενός πακέτου µεταφοράς φαίνεται στο Σχ. 2.2. Σχ. 2.2. Η δοµή του Πακέτου Μεταφοράς Το αναγνωριστικό πακέτου (Packet Identifier PID) χρησιµοποιείται στη διαδικασία πολυπλεξίας και αποπολυπλεξίας για να ξεχωρίσει πακέτα µε κοινό περιεχόµενο. Για παράδειγµα, τα πακέτα που φέρουν το σήµα εικόνας ενός τηλεοπτικού προγράµµατος χαρακτηρίζονται από κοινό PID. Το πεδίο

22 ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ προσαρµογής (adaptation field) χρησιµοποιείται για συµπληρώσει το τελευταίο από µια σειρά πακέτων που φέρουν ένα κατακερµατισµένο σύνολο δεδοµένων. Η χρήση µικρών και σταθερού µήκους πακέτων διευκολύνει την προστασία του ψηφιακού σήµατος από λάθη. Για παράδειγµα, τα πρότυπα DVB για διαµόρφωση και µετάδοση ορίζουν ότι κάθε πακέτο MPEG-2 προστατεύεται µε έναν block κώδικα του τύπου Reed-Solomon πριν προχωρήσει για περαιτέρω επεξεργασία στον ποµπό. Η αυξηµένη ανθεκτικότητα του Ρεύµατος Μεταφοράς του προσφέρει µεγαλύτερες πιθανότητες «επιβίωσης» σε ένα κανάλι µε λάθη, όπως είναι οποιοδήποτε περιβάλλον ασύρµατης εκποµπής. Η προδιαγραφή Systems του MPEG-2 ορίζει την ακριβή µορφή του σήµατος που εξέρχεται από τον πολυπλέκτη, στην προκειµένη περίπτωση του Ρεύµατος Μεταφοράς. εν περιγράφει το φυσικό µέσο µεταφοράς και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του, τη µέθοδο προστασίας έναντι λαθών ούτε και την τεχνική διαµόρφωσης. Οι διαδικασίες αυτές ορίζονται από τις προδιαγραφές µετάδοσης, στη συγκεκριµένη περίπτωση από τα πρότυπα DVB. 2.4. Εισαγωγή στα πρότυπα DVB Η οικογένεια προτύπων DVB (Digital Video Broadcasting) αναπτύχθηκε για να προσφέρει υπηρεσίες ψηφιακής τηλεόρασης εκµεταλλευόµενη ένα ευρύ φάσµα µέσων διανοµής, δορυφορικών, καλωδιακών και επίγειων[dvb00]. Όλα τα DVB standards έχουν υιοθετήσει τα πρότυπα MPEG-2 για συµπίεση ήχου και κινούµενης εικόνας καθώς και για πολυπλεξία. Χάρη στη χρήση των πακέτων µεταφοράς MPEG-2 ως γενικευµένων "µεταφορέων δεδοµένων" (data containers), ένα MPEG-2 Transport Stream -και συνεπώς ένα σύστηµα DVB- µπορεί να µεταφέρει σχεδόν ο,τιδήποτε µπορεί να ψηφιοποιηθεί, από τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας (HDTV), πολλαπλά κανάλια PAL/SECAM/NTSC, µέχρι και υψηλής ταχύτητας υπηρεσίες πολυµέσων και δεδοµένων. Το δορυφορικό σύστηµα DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) είναι το παλαιότερο και πιο διαδεδοµένο από την οικογένεια προτύπων DVB και έχει αδιαµφισβήτητα τύχει παγκόσµιας αποδοχής. Το DVB-S σχεδιάστηκε για να εκµεταλλεύεται πλήρως το εύρος ζώνης των δορυφορικών τηλεοπτικών αναµεταδοτών. Χρησιµοποιεί ρυθµό µεταφοράς των 54Mbps µε διαµόρφωση QPSK σε συνδυασµό µε ένα σχήµα διπλής κωδικοποίησης και διεµπλοκής (coding/interleaving). Είναι το µόνο πρότυπο από την οικογένεια DVB που έχει τύχει εµπορικής εφαρµογής και στη χώρα µας. Το καλωδιακό σύστηµα DVB-C (Digital Video Broadcasting - Cable) έχει τεχνικά αρκετές οµοιότητες µε το DVB-S. Η διαφορά του έγκειται στο ότι χρησιµοποιεί την αποδοτικότερη - αλλά και πιο ευαίσθητη σε παρεµβολές- διαµόρφωση 64QAM αντί για την QPSK. Έτσι, ένα καλωδιακό κανάλι των 8MHz µπορεί να µεταφέρει 38.5Mbps. Εναλλακτικά µπορεί να χρησιµοποιηθεί QAM λιγότερων ή περισσότερων επιπέδων. Σε κάθε περίπτωση, υπάρχει µια αντιστάθµιση µεταξύ ταχύτητας και αξιοπιστίας. Το επίγειο σύστηµα DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) αποτελεί το τελευταίο χρονικά µέλος της οικογένειας DVB. Επιτυγχάνει ψηφιακή µετάδοση υψηλών ταχυτήτων πάνω από το "δύσκολο" επίγειο κανάλι, χρησιµοποιώντας διαµόρφωση πολλαπλών φερόντων στο σχήµα της πολυπλεξίας µε ορθογωνική διαίρεση συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM). Το σχήµα OFDM του DVB-T χρησιµοποιεί ένα µεγάλο αριθµό φερόντων (6817 ή 1704 για µετάδοση 8Κ και 2Κ αντίστοιχα), κάθε ένα από τα οποία διαµορφώνεται κατά QPSK, 16QAM ή 64QAM. Έτσι, η πληροφορία κατανέµεται οµοιόµορφα στο φάσµα και, σε συνδυασµό µε κωδικοποίηση και διεµπλοκή δύο στρωµάτων, το σήµα αποκτά µεγάλη ευρωστία ακόµη και σε περιβάλλοντα µε ισχυρές διαλείψεις και φαινόµενα πολυδιαδροµικής µετάδοσης (multipath).

ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 23 Παρ όλο που υβριδικές αρχιτεκτονικές σαν την προτεινόµενη µπορούν να υλοποιηθούν µε οποιοδήποτε από τα παραπάνω πρότυπα, η διατριβή επικεντρώνεται στη µελέτη του επίγειου συστήµατος (DVB-T). Το DVB-T είναι το πιο πρόσφατο (και πιο εξελιγµένο τεχνολογικά) πρότυπο, και οι προοπτικές χρήσης του για µετάδοση δεδοµένων IP όχι µόνο είναι πολυάριθµες, αλλά και δεν έχουν ακόµη αναδειχθεί (δίκτυα παροχής δεδοµένων βασισµένα στο DVB-S και DVB-C έχουν ήδη αναπτυχθεί αλλά οι δυνατότητες και οι προοπτικές τους είναι σχετικά περιορισµένες). Επίσης, το επίγειο σύστηµα δεν απαιτεί ιδιαίτερο εξοπλισµό από πλευράς χρήστη (π.χ. δορυφορικό δέκτη ή καλωδιακή υποδοµή) και από την πλευρά του παροχέα αποτελεί την πιο προσιτή και πιο ευέλικτη λύση σε σχέση µε την δορυφορική µετάδοση ή το καλωδιακό δίκτυο. Τέλος, ένα επίγειο ψηφιακό σύστηµα µπορεί να οργανωθεί σε περιοχές κάλυψης µε κυψελωτή δοµή και να προσφέρει υπηρεσίες και σε κινούµενους χρήστες, µια δυνατότητα που οι υπόλοιπες τεχνολογίες δεν µπορούν να προσφέρουν. 2.5. Αρχές της επίγειας ψηφιακής τηλεόρασης (DVB-T) 2.5.1. Γενικά Το πρότυπο DVB-T (ETS 300 744: Digital Video Broadcasting (DVB): Framing structure, channel coding and modulation for Digital Terrestrial Television (DVB-T)) [DVB-T97], όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ορίζει τις προδιαγραφές για την επίγεια µετάδοση ψηφιακού τηλεοπτικού σήµατος. Αναπτύχθηκε, όπως και τα υπόλοιπα προαναφερθέντα standards, από το DVB Forum (www.dvb.org) και εγκρίθηκε από τον ETSI ως πανευρωπαϊκό πρότυπο το 1997. Το πρώτο επίγειο ψηφιακό πρόγραµµα ξεκίνησε στην Αγγλία έναν χρόνο αργότερα. Σήµερα, συστήµατα DVB-T είναι σε χρήση στην Ευρωπαϊκή Ένωση, τη Ρωσία, την Ανατολική Ευρώπη, την Ινδία, την Σιγκαπούρη και την Αυστραλία. Το σύστηµα ATSC που αναπτύχθηκε στις Ηνωµένες Πολιτείες υπολείπεται ως προς κάποια χαρακτηριστικά (κινητικότητα χρήστη, αντοχή σε multipath, δηµιουργία SFN), ενώ το ISDB-T της Ιαπωνίας βασίστηκε ουσιαστικά στη φιλοσοφία του DVB-T. Καθώς το DVB-T από µόνο του ορίζει ένα σύστηµα εκποµπής ευρείας κάλυψης (broadcasting) παραλείποντας τον ορισµό της τεχνολογίας επιστροφής (reverse path) και δεδοµένου ότι η µορφή του σήµατος βασικής ζώνης και ο αλγόριθµος συµπίεσης της εικόνας περιγράφεται στην προδιαγραφή MPEG-2, το πρότυπο DVB-T περιορίζεται αποκλειστικά στην περιγραφή των λειτουργιών του διαµορφωτή. Αυτός δέχεται από τον πολυπλέκτη το Ρεύµα Μεταφοράς MPEG-2 που περιέχει πολυπλεγµένες τις υπηρεσίες εικόνας, ήχου και δεδοµένων υπό µορφή σήµατος βασικής ζώνης και παράγει το προς µετάδοση RF σήµα. Το τελευταίο έχει εύρος ζώνης 8MHz και είναι κεντραρισµένο σε ένα από τα κανάλια 21-69 της µπάντας των UHF - δηλαδή όπως ακριβώς ένα αναλογικό τηλεοπτικό κανάλι. Αντί για single-carrier διαµόρφωση, ο διαµορφωτής DVB-T χρησιµοποιεί σχήµα OFDM για να αντιµετωπίσει στη µετάδοση διαλείψεις επιλεκτικές ως προς τη συχνότητα. Αυτό το χαρακτηριστικό του OFDM διευκολύνει πολύ τη λήψη δεδοµένων ευρείας ζώνης και από κινητούς χρήστες. Γι αυτό εξάλλου και ως τεχνολογία γενικά είναι η κύρια υποψήφια για τις τεχνολογίες προσωπικών επικοινωνιών 4 ης γενιάς [Chuang00], καθώς θεωρείται ως το µέλλον των ασύρµατων επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας [WiLAN00]. Στο χώρο µάλιστα των τεχνολογιών εκποµπής (broadcasting), το OFDM παρέχει τη δυνατότητα κατασκευής δικτύων µε διεσπαρµένους ποµπούς που εκπέµπουν συγχρονισµένα τα ίδια δεδοµένα στην ίδια συχνότητα χωρίς η συµβολή των σηµάτων τους να επηρεάζει σηµαντικά τον δέκτη. Τέτοια δίκτυα ονοµάζονται Single Frequency Networks (SFN) [Faria98] και µπορούν να αυξήσουν την συνολική χωρητικότητα του δικτύου σε ολόκληρη την γεωγραφική επικράτεια µέχρι και 45 φορές [Fernandez99] καθώς εξαλείφεται η ανάγκη να υπάρχουν ελεύθερα κανάλια σε ορισµένες περιοχές για

24 ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ να αποφεύγονται παρεµβολές µε γειτονικούς ποµπούς. Οδηγίες για τον σχεδιασµό και την τοπολογία των SFNs παρέχονται από τον ETSI στο [Impl97]. Το πρότυπο DVB-T συνδυάζει το OFDM µε σύνθετες τεχνικές ισοστάθµισης και κωδικοποίησης, εισάγοντας την τεχνολογία του κωδικοποιηµένου OFDM (Coded OFDM- COFDM). Συνδυάζοντας κωδικοποίηση και διεµπλοκή δύο επιπέδων, η διαδικασία διαµόρφωσης καθιστά το σήµα ιδιαίτερα ανθεκτικό σε πολυδιαδροµική διάδοση και παρεµβολές [Stott98]. Η λειτουργία του διαµορφωτή είναι σχετικά σύνθετη. Το µπλοκ διάγραµµα που φαίνεται στο Σχ. 2.3. δείχνει τις βασικές λειτουργίες της µετατροπής του σήµατος βασικής ζώνης στο προς µετάδοση σήµα. Οι λειτουργίες αυτές, µε το σειρά που εφαρµόζονται στο Ρεύµα Μεταφοράς, είναι οι εξής: Προσαρµογή MPEG-2 πακέτων και τυχαιοποίηση (randomization) Εξωτερική κωδικοποίηση (προστασία έναντι λαθών µε κώδικα Reed-Solomon) Εξωτερική συνελικτική διεµπλοκή (convolutional interleaving) Εσωτερική κωδικοποίηση µε διάτρητο συνελικτικό κώδικα (punctured convolutional code) Εσωτερική διεµπλοκή (inner interleaving) στον χρόνο και στη συχνότητα Αντιστοίχηση και διαµόρφωση των φερόντων Πολυπλεξία κατά OFDM µε αντίστροφο ταχύ µετασχηµατισµό Fourier (IFFT) και διαµόρφωση του φέροντος IF Άνω µετατροπή (up-conversion) στην τελική RF συχνότητα. Η τελευταία λειτουργία δεν υποστηρίζεται εγγενώς από αρκετούς διαµορφωτές, οπότε απαιτείται µία πρόσθετη µονάδα για άνω µετατροπή. Σχ. 2.3. Μπλοκ διάγραµµα ενός διαµορφωτή DVB-T Οι µονάδες που σηµειώνονται µε διακεκοµµένες γραµµές στο παραπάνω σχήµα αφορούν την επιλογή της ιεραρχικής διαµόρφωσης (hierarchical modulation) που υποστηρίζεται πλήρως από το πρότυπο DVB-T. Στην περίπτωση της ιεραρχικής διαµόρφωσης, το σήµα βασικής ζώνης προϋπάρχει διαιρεµένο σε δύο Ρεύµατα Μεταφοράς: ένα υψηλής προτεραιότητας (high priority TS) και ένα χαµηλής (low priority TS). Τα δύο σήµατα διαµορφώνονται ταυτόχρονα σε ένα ιεραρχικό QAM σχήµα. Ως αποτέλεσµα, ένας δέκτης µε κακές συνθήκες λήψης λαµβάνει µόνο τα δεδοµένα υψηλής προτεραιότητας, ενώ ένας µε καλύτερες λαµβάνει το σύνολο. Η λειτουργία ιεραρχικής διαµόρφωσης παρέχει σηµαντική ευελιξία στο σύστηµα, ιδίως όταν συνοδευτεί από κλιµακωτή κωδικοποίηση της

ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 25 κινούµενης εικόνας κατά MPEG-2 (scalable MPEG-2 encoding). υστυχώς, η λειτουργία αυτή υποστηρίζεται από ελάχιστους διαµορφωτές και από ακόµη λιγότερους δέκτες και η µελέτη της δεν περιλαµβάνεται στη διατριβή. 2.5.2. Συνοπτική περιγραφή των σταδίων της διαµόρφωσης DVB-T Προσαρµογή MPEG-2 πακέτων και τυχαιοποίηση (randomization) Το σήµα βασικής ζώνης που εισέρχεται στον διαµορφωτή είναι σταθερού ρυθµού (constant bit rate - CBR) και οργανωµένο σε πακέτα σταθερού µήκους των 188 bytes. Κάθε πακέτο ξεκινά µε το byte συγχρονισµού, που είναι πάντα ίσο µε 0x47. Προκειµένου να περιοριστεί το ενδεχόµενο να υπάρχουν µεγάλα διαστήµατα χωρίς δυαδική µεταβολή (µακριές ακολουθίες "0" ή "1" - κάτι που συµβαίνει π.χ. σε πακέτα κενά περιεχοµένου που χρησιµοποιούνται µόνο για stuffing), ακολουθείται µια διαδικασία τυχαιοποίησης. Η διαδικασία αυτή φαίνεται στο Σχ. 2.4.: Σχ. 2.4 Τυχαιοποίηση των εισερχόµενων δεδοµένων Το πολυώνυµο για την γεννήτρια ψευδοτυχαίας ακολουθίας είναι: 1 + X 14 + X 15 Εξωτερική κωδικοποίηση και συνελικτική διεµπλοκή Μετά το στάδιο της τυχαιοποίησης ακολουθεί η εξωτερική κωδικοποίηση (outer coding). Ένας συντοµευµένος κώδικας Reed-Solomon RS (204,188, t=8) που προκύπτει από τον αρχικό συστηµατικό κώδικα RS (255,239,t=8) εφαρµόζεται σε κάθε τυχαιοποιηµένο πακέτο των 188 bytes. Ο κώδικας Reed-Solomon αυξάνει το µήκος του πακέτου κατά 16 bytes, και επιτρέπει να διορθωθούν µέχρι και 8 λανθασµένα bytes σε τυχαίες θέσεις µέσα στο προστατευµένο πακέτο. Μετά την κωδικοποίηση, τα προστατευµένα πακέτα υποβάλλονται σε µία συνελικτική διεµπλοκή (convolutional interleaving) µε βάθος I=12. Η διαδικασία διεµπλοκής βασίζεται στη µέθοδο Forney. Τα βήµατα στη διαδικασία της προσαρµογής, τυχαιοποίησης, εξωτερικής κωδικοποίησης και διεµπλοκής φαίνονται στο Σχ. 2.5.

26 ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ Σχ. 2.5. Μορφή των δεδοµένων µετά την διαδικασία της προσαρµογής, τυχαιοποίησης, εξωτερικής κωδικοποίησης και διεµπλοκής Εσωτερική κωδικοποίηση και διεµπλοκή Το σύστηµα επιτρέπει µια ευρεία επιλογή διάτρητων συνελικτικών κωδίκων (punctured convolutional codes), βασισµένων σε έναν µητρικό συνελικτικό κώδικα µε ρυθµό 1/2. Τα πολυώνυµαγεννήτριες του µητρικού κώδικα είναι G1 = 171 OCT για την έξοδο X και G2 = 133 OCT για την έξοδο Υ. Επιπρόσθετα µε τον µητρικό κώδικα, το σύστηµα επιτρέπει διάτρητους κώδικες µε ρυθµούς (code rates) 2/3, 3/4, 5/6 και 7/8, εφαρµόζοντας συγκεκριµένα πρότυπα διάτρησης (puncturing patterns) στον µητρικό κώδικα. Η έξοδος του εσωτερικού κωδικοποιητή υφίσταται διεµπλοκή τόσο σε επίπεδο bits όσο και σε επίπεδο συµβόλων. Η ακριβής αντιστοιχία των bits εισόδου στα τελικά διαµορφωµένα σύµβολα εξαρτάται από τον τύπο της διαµόρφωσης που χρησιµοποιείται. Η διαδικασία της εσωτερικής κωδικοποίησης και διεµπλοκής είναι αρκετά πολύπλοκη και η περιγραφή της ξεφεύγει από τον σκοπό της παρούσας εργασίας. ιαµόρφωση και µετάδοση Η διαδικασία της εσωτερικής διεµπλοκής παράγει µια ακολουθία από bits ήδη οργανωµένη σε σύµβολα QAM. Όπως προαναφέρθηκε, τα δυνατά σχήµατα διαµόρφωσης είναι: QPSK (2 bits/symbol), 16QAM (4 bits/symbol) και 64QAM (6 bits/symbol). Τα διαγράµµατα αστερισµού (constellation maps) για κάθε τύπο διαµόρφωσης περιγράφονται αναλυτικά στην προδιαγραφή. Τα σύµβολα οµαδοποιούνται και µεταδίδονται ταυτόχρονα µε τη χρήση πολυπλεξίας OFDM. Κάθε σύµβολο OFDM αποτελείται από ένα σύνολο N=6817 ("8k mode") ή 1705 ("2k mode") φερόντων και µεταδίδεται µε διάρκεια T S =896µsec και T S =224µsec αντίστοιχα. Η απόσταση µεταξύ δύο γειτονικών φερόντων είναι f=1116hz και f=4464hz για τις δύο καταστάσεις λειτουργίας

ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ 27 αντίστοιχα. Η ορθογωνιότητα µεταξύ των φερόντων εξασφαλίζεται από το γεγονός ότι f=1/t S πάντα. Με τη συνθήκη αυτή, η διάταξη των φερόντων αποκτά τη µορφή του Σχ. 2.6.: Σχ. 2.6. Φάσµα του σήµατος OFDM Το συνολικό εύρος ζώνης του σήµατος DVB-T ανέρχεται στα 7.61MHz για ονοµαστική κατάσταση λειτουργίας 8 MHz, ενώ προβλέπονται και καταστάσεις λειτουργίας των 7 και 6 MHz. Το κάθε σύµβολο OFDM αποτελείται από δύο µέρη: ένα ωφέλιµο τµήµα µε διάρκεια T U και ένα διάστηµα φρούρησης (guard interval), µε διάρκεια D. Το διάστηµα φρούρησης αποτελείται από µια κυκλική επανάληψη του ωφέλιµου τµήµατος, και εισάγεται πριν από αυτό. 68 διαδοχικά σύµβολα OFDM αποτελούν ένα πλαίσιο OFDM (OFDM frame), ενώ τέσσερα διαδοχικά πλαίσια αποτελούν ένα υπερ-πλαίσιο (OFDM super-frame). Μέσα σε κάθε σύµβολο OFDM, οι πληροφορίες που µεταφέρονται από τα φέροντα µπορεί να είναι είτε δεδοµένα είτε πληροφορίες συγχρονισµού και γενικώς δεδοµένα χρήσιµα για την καλή λειτουργία του δέκτη. Τα φέροντα που δεν φέρουν πληροφορία διακρίνονται σε: ιεσπαρµένα φέροντα-πιλότους (pilot carriers). Αυτά εκπέµπουν εκ περιτροπής ένα δεδοµένο σήµα, το οποίο γνωρίζει ο δέκτης. Μετρώντας την ισχύ των φερόντων αυτών, ο δέκτης µπορεί ανά πάσα στιγµή να σχηµατίσει µια εκτίµηση της απόκρισης συχνότητας (frequency response) του καναλιού. Σταθερά φέροντα-πιλότους. Αυτά κατέχουν σταθερή θέση µέσα στο σύµβολο. Φέροντα σηµατοδοσίας παραµέτρων µετάδοσης (TPS - Transmission Parameter Signalling carriers) Αυτά κατέχουν επίσης σταθερή θέση µέσα στο σύµβολο, και πληροφορούν το δέκτη για τις παραµέτρους που χρησιµοποιούνται στη µετάδοση (ρυθµός κωδικοποίησης, διάρκεια διαστήµατος φρούρησης, τύπος διαµόρφωσης), ούτως ώστε ο δέκτης να µπορεί να προσαρµόζεται αυτόµατα. Ωφέλιµο bit rate Η τιµή που περισσότερο ίσως ενδιαφέρει τον παροχέα DVB-T είναι το ωφέλιµο bit rate που µπορεί να µεταφερθεί από το ψηφιακό σήµα σήµα, δηλαδή ο ρυθµός του Ρεύµατος Μεταφοράς MPEG-2 που µεταδίδεται. Η τιµή αυτή εξαρτάται από τη διάρκεια του διαστήµατος φρούρησης, τον ρυθµό

28 ΨΗΦΙΑΚΗ ΤΗΛΕΟΡΑΣΗ ΚΑΙ ΥΠΗΡΕΣΙΕΣ Ε ΟΜΕΝΩΝ κωδικοποίησης και τον τύπο της διαµόρφωσης, όπως φαίνεται και στον ακόλουθο πίνακα (τιµές σε Mbps). Σχ. 2.7. Ωφέλιµο bitrate συναρτήσει του σχήµατος διαµόρφωσης Ο συνδυασµός των παραµέτρων που θα χρησιµοποιηθούν βρίσκεται στην επιλογή του χρήστη. Γενικά πάντως ισχύει ότι όσο αυξάνει ο ωφέλιµος ρυθµός, τόσο πιο ευάλωτο γίνεται το σήµα σε φαινόµενα διαλείψεων και πολυδιαδροµικής µετάδοσης (multipath). Απαιτείται δηλαδή να γίνει ένας συµβιβασµός (trade-off) από την πλευρά του παροχέα µεταξύ χωρητικότητας και ανθεκτικότητας του σήµατος. Στη διαδικασία εύρεσης των βέλτιστων παραµέτρων µετάδοσης, ανάλογα πάντα µε τις ανάγκες και τις συνθήκες λήψης των χρηστών, συντελούν τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στην ενότητα 5. 2.6. Μετάδοση δεδοµένων IP πάνω από το κανάλι DVB-T Με την εξασφάλιση της αξιόπιστης µετάδοσης του Ρεύµατος Μεταφοράς MPEG-2 πάνω από το κανάλι DVB-Τ, αποµένει να εξεταστεί ο τρόπος µε τον οποίο τα πακέτα IP ενθυλακώνονται (encapsulate) πάνω στα πακέτα µεταφοράς. Τα τελευταία έχουν σταθερό µήκος 188 bytes, εκ των οποίων τα 4 είναι η επικεφαλίδα (header). Προκειµένου λοιπόν τα IP πακέτα αφενός να ενσωµατωθούν στο ρεύµα µεταφοράς και αφετέρου να διακρίνονται σαφώς από τα πακέτα που µεταφέρουν τα προγράµµατα ψηφιακής τηλεόρασης, πρέπει να υιοθετηθεί µια διαδικασία που να εκτελεί λειτουργίες αντιστοίχισης (mapping), προσαρµογής (adaptation) και κατακερµατισµού (segmentation). Οι λειτουργίες αυτές ορίζονται από το πρότυπο ETSI EN 301 192 [DVB-SI99]. Το πρότυπο αυτό ορίζει τέσσερις διαφορετικές τεχνικές ενθυλάκωσης: ιοχέτευση δεδοµένων (data piping). Στη µέθοδο αυτή, τα δεδοµένα των IP πακέτων ενσωµατώνονται απευθείας ως φορτίο (payload) στα πακέτα µεταφοράς MPEG-2. Ροή δεδοµένων (data streaming). Η µέθοδος αυτή είναι πιο κατάλληλη για υπηρεσίες streaming over DVB. Το data stream διαµορφώνεται σε µία συµβατή Στοιχειώδη Ροή MPEG-2 (Elementary Stream), η οποία µε τη σειρά της οργανώνεται σε πακέτα, κατά τη δοµή του PES (Packetized Elementary Stream). Τέλος, τα πακέτα PES κατακερµατίζονται και διανέµονται στο φορτίο των MPEG-2 transport packets.