LA TV SULLE NUOVE RETI - SEMINARIO: NUOVE RETI: TELECOMUNICAZIONI, BROADCASTING E IOT MILANO - 9 MAGGIO 2018 - IBAS.TV
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Seminario:
Nuove reti: telecomunicazioni, broadcasting e IoT
Milano – 9 Maggio 2018
La TV sulle nuove reti
(Alberto Morello)
Standard LTE-EMBMS ed evoluzione verso il 5G I gruppi di lavoro del 3GPP continuano a lavorare per definire sempre nuove funzionalità e nuovi servizi dal 4G (LTE) al 5G Uno di questi standard tecnici, denominato eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Services) introdotto fin dalla Release 9 dell’LTE, e ulteriormente migliorato nella Release 14 (fe-MBMS) - 2017, prevede il supporto dei servizi multicast e broadcast: • servizi video ad altissima qualità • su reti sincronizzate SFN • con contenuti diversi a seconda delle aree di copertura • anche in situazioni di altissima densità di utenti • contemporaneamente ai tradizionali servizi unicast
Al CRIT ci avevamo già pensato ai tempi del 3G B-UMTS= Broadcast UMTS … ma era troppo presto.....
Rel.9 e 13: Upgrade della rete mobile LTE per funzionalità eMBMS
Upgrade software e
aggiunta di nodi dedicati
Codificatori/Decodificatori video : AVC o HEVC
Broadcast Multicast Service Centre (BM-SC) - gestisce funzioni quali l'autenticazione, l'autorizzazione, e il
confezionamento dei pacchetti per il trasporto (protocollo di file-transfer unidirezionale FLUTE), la
sincronizzazione dei contenuti e la correzione degli errori.
Multimedia Broadcast Gateway (MBMS Gateway) – invia il contenuto a tutti gli eNodeB che sono coinvolti
nella trasmissione e gestisce il controllo della sessione di segnalazione E-UTRAN (tramite la MME).
Entità di coordinamento MBMS (MBMS CE) - pianifica le risorse, assegna le risorse temporali e spettrali
all’eMBMS. (all’ interno degli eNodeBs; richiede un aggiornamento software e hardware).
Aree di sincronizzazione MBSFN Aggregazioni di più Aree MBSFN creano Aree di servizio MBMS (MBMS Service Area): in ogni area di servizio si possono organizzare programmazioni diverse sia in termini temporali sia di contenuti
La release 14
Accogliendo quanto sollecitato dagli operatori broadcaster e dall’EBU, nella Release
14 (fe-MBMS) sono stati inseriti nuovi requisiti per la distribuzione dei servizi TV:
• Estensione MBMS alle caratteristiche di rete dei broadcaster (HPHT)
• Possibilità di realizzare reti eMBMS dedicate/standalone (100% della capacità
multicast);
• introduzione della modalità di sola ricezione al terminale d’utente (senza SIM)
Estensione delle aree di copertura
Confronto tra la lunghezza del prefisso ciclico (CP) nella Rel.13 e Rel.14 e relative coperture.
❖Target di progetto Rel.14: ISD=15km, efficienza
spettrale 2bps/Hz, antenne direttive sul tetto (????)
LPLT
(rete cellulare)
Con i trasmettitori dei Broadcaster (HPHT) la copertura può essere estesa a ISD=60 km
Modalità operative dell’accesso radio
Capacità massima:
60% e-MBMS
Capacità massima:
100% fe-MBMS
Obiettivi di standardizzazione verso il 5G • Evoluzioni MBMS future oltre rel. 14 in ambito 5G (dalla Rel.16): • estensione del raggio della cella SFN fino a 100 km • capacità fino a 300 Mbps per carrier: 15 canali broadcast a 20 Mbps (e.g. 4k UHD) • mobilità fino a 250 km/h • applicazioni a reti “standalone” • Garantire la “forward compatibility” tra la Fase 1 e le Release successive (Rel.16 e oltre) • Maggiore utilizzo dello spettro ed efficienza energetica.
I servizi basati su feMBMS e 5G-MBMS:
convergenza?
Nuovi contenuti sulle reti cellulari per smart-phone e tablet:
• TV streaming live nel corso di grandi eventi (“Event-TV”) e video-on-demand (VoD)
• Pre-caricamento di contenuti (video e SW) durante le ore non di punta
• Servizi video generati dagli utenti
• Messaggi pubblicitari
• Servizi di emergenza e gestione di disastri
• → servizi video limitati nel tempo e nello spazio (grandi eventi, aree di
grande concentrazione di persone tipo Stadi, concerti)
Ma questi standard 3GPP possono rilanciare la TV mobile a copertura nazionale? E
possono essere considerati, a medio termine, un sostituto delle reti DVB per la
televisione domestica?Due tipologie di rete per due servizi “multicast”
Reti Broadcast TV domestica
HPHT (High Power High Tower) • Broadcasting di contenuti TV
– EIRP di decine di kW ad alta qualità (HD e oltre)
– Torri alte centinaia di metri • Ricevitori connessi alle antenne
• Copertura di grandi aree con pochi sui tetti
trasmettitori
Mobile-TV?
Reti Mobili
TV FISSA?
Event-TV
• LPLT (Low Power Low Tower) • Eventi live (sport, concerti) a molti
– EIRP < 1kW utenti in un’area specifica (es: stadi)
– Torri basse: 20-30 m – Tipicamente Unicast
• Reti dense (cellulari) – Parte della capacità delle rete
– Target: wireless communication (unicast ) per telefoni cellulare allocata temporaneamente
cellulari al servizio multicast (fe-MBMS)
– Copertura indoor anche in aree urbane dense.Allocazione dello spettro in Europa
➢ Banda 700 MHz:
▪Liberata dagli attuali servizi DTT attorno al 2020 – 2022 e riallocata ai servizi
mobili broadband 5G (canalizzazione a 10 MHz)
▪Canali bi-direzionali tipici del mobile broadband
▪Supplementary down-link: non ancora considerato nella pianificazione
➢Banda UHF sotto i 700 MHz (canalizzazione a 8 MHz):
▪Riservata ai servizi DTT (down-link only) almeno fino al 2030 (e ai SAB)
▪Principio di neutralità tecnologica
sia DVB-T/T2 che 3GPP (Release 14 fe-MBMS / 5G) potrebbero essere utilizzati
(con 3GPP problemi con la banda da 8 MHz → carrier aggregation?)Tipi di rete “ideale” simulati dal CRITS
HPHT
ISD ISDRisultati analisi: Servizi TV per terminali mobili
Rapporto tra numero trasmettitori HPHT e
LPLT per coprire le aree suburbane (outdoor)
➢70-100 (per altezza trasmettitori= 200-500 m)
Per coprire 170.000 km2 di aree italiane piane,
suburbane/rurali, servirebbero < 100 stazioni
HPHT invece di >10.000 celle LPLT
❑LPLT: EIRP=500 W per H=20m;
❑HPHT: EIRP=12kW per H=500m; 100kW per H=200mScenario cooperativo per coperture urbane outdoor
HPHT: ISD =60km
LPLT nelle aree urbane a distanza > 15km dalle torri HPHT
Combinando
le HPHT con
le LPLT, si può
15 km ridurre in
modo
significativo il
numero delle
celle LPLT
(e.g. -25%
❖ Quando le città distano meno di 15 km dalle torri delle aree
HPHT, la rete cellulare non è necessaria urbane dense)Risultati analisi: TV domestica con antenne sul tetto
Rapporto tra numero trasmettitori HPHT e
LPLT per coprire il territorio
➢10-30 (per altezza trasmettitori HPHT= 200-500 m)
Per coprire 170.000 km2 di aree italiane
pianeggianti, servirebbero 10.000 celle LPLTAltri risultati delle analisi
• L’EIRP richiesta per la copertura outdoor dei terminali mobili è molto
maggiore (fattore > 100 , vedi nota *) di quella richiesta dalla TV
domestica con antenne sul tetto → non ha senso trasmettere un
singolo segnale per entrambi i servizi
• Specialmente per la ricezione fissa, il prefisso ciclico della tecnologia
3GPP rel.14 (200 ms) è insufficiente per le reti HPHT a grande
copertura (ISD>50 km). Il DVB-T2 (con CP fino a 500 ms) va molto
meglio.
Nota *: Nonostante i 10 dB di riduzione dello SNIR richiesto , l’EIRP richiesta è
maggiore a causa del basso guadagno d’antenna e dell’altezza di 1,5 m del
terminale, dell’attenuazione degli edifici e della vegetazioneConclusioni: TV Mobile
La Release 14 3GPP eMBMS permette l’implementazione di reti
sinergiche HPHT e LPLT a basso costo:
• Una rete HPHT (tipicamente co-locata con una rete TV broadcast),
con una distanza tra le torri di 50-60 km, che copre le aree rurali e
sub-urbane, e le aree urbane vicine (10-15 km);
• Riduzione dei siti cellulari di un fattore 70-100
• Una rete LPLT complementare per coprire i siti urbani lontani dalle
torri broadcast (non tutti i siti cellulari devono essere utilizzati, ISD
da 2,5 km a 4 km).
Permangono i fattori di criticità della mobile-TV: business-model,
disponibilità ricevitoriConclusioni: TV domestica con antenne sul tetto
• Nella decade 2020-30 (o successivamente), l’abbandono degli standard DVB
e la convergenza verso il 3GPP (rel.14 – 16 e oltre) risulta problematica,
perché richiede la soluzione dei seguenti ostacoli:
• Mancanza di un vero driver economico
• Problema della migrazione della tecnologia dei TV (ennesimo switch-off, post 2022)
• Convergenza degli operatori di rete mobili/broadcast???
• Possibilità che, a medio termine, le reti broadband fisse in fibra-ottica (ideali per TV
on-demand e ”a palinsesto”) abbiano il sopravvento sulle reti radio
• …ma la Finlandia ci sta già pensando, e Qualcomm supporta questa strategiaConclusioni: …convergenza TV fissa/mobile? Le reti per la TV domestica e quella mobile hanno requisiti fondamentalmente diversi: • La qualità dei contenuti è diversa anche a parità di risoluzione (es: in AVC HD, un servizio fisso richiede 7 Mbps, uno mobile 2 Mbps) • L’ EIRP richiesto differisce di 2-3 ordini di grandezza e lo SNIR disponibile di un ordine di grandezza (anche limitandosi alla copertura mobile outdoor) • La bassa efficienza spettrale della copertura mobile (i.e. 2,5 bit/s/Hz) penalizzerebbe la TV domestica con antenna sul tetto (4-5 bit/s/Hz)
Una curiosità finale… Ma perché dici che una rete 5G MBMS porta 20-25 Mbps su 10 MHz per copertura outdoor, mentre tutti sanno che il 5G porta decine di Gbit/s bi-direzionali anche indoor (100 Mbps in download/device)? 1. Sei il solito broadcaster che vuole screditare le reti telecom (diresti pure che il DAB usava l’OFDM già nel 1990, mentre in realtà l’LTE è stato il primo, nel 2008 !) 2. Le reti multicast/broadcast (DVB o 3GPP) trasmettono un solo segnale per tutti i ricevitori, e quindi è l’utente più sfortunato ai margini della cella a definire le prestazioni. Le reti mobili unicast invece trasmettono segnali per ciascun utente, e la capacità è definita come la media sugli utenti fortunati (vicini al trasmettitore) e sfortunati (lontani)…
Grazie per l’attenzione!
Domande?
Commenti?
alberto.morello@rai.itNetwork simulation parameters
Mobile reception
Frequency: 700 MHz HPHT Transmitter
LPLT Transmitter
Propagation model= ITU-R P.1546-5 ▪ EIRP (360H, Tilted V) = 100 W → 100kW
▪ EIRP (360) = 10 W → 1 kW
• Time availability: 99%, useful signals at ▪ Tx height a.g.l. = 200 m, 500 m
▪ Tx height a.g.l. = 20 m
50% of the time, interfering ones at 1%
Tx antenna Vertical
• Location variation in the small areas:
log-normally distributed ( = 5.5 dB)
Device:
Tilt
Environment:
▪ height (m)= 1.5 • Outdoor: Urban, suburban
▪ Antenna gain (dBi) = -3.5 dBi
▪ With headphones extension
Good quality reception: 98%
Corresponding to a service
System: offer of about 16 HD
SINR=10 dB→2.5 bit/s/Hz programmes in 10MHz
CP (Ciclic Prefix)=200µs and 300µs (DVB-T2) bandwidth (1,5 Mbps
/programme in HEVC)Effect of CP and EIRP on ISD
HPHT network
❑ SFN gain clearly visible
when CP is sufficiently
high w.r.t. ISD
❖ as high as 10 dB for small
ISDs
❖ reduces when CP is not
sufficient to cope with
adjacent transmitters
❑ For increasing ISD larger
SFN CP requires reduced
gain EIRPEffect of CP and EIRP on ISD
HPHT network
❑ SFN gain clearly visible
when CP is sufficiently
high w.r.t. ISD
❖ as high as 10 dB for small
ISDs
❖ reduces when CP is not
sufficient to cope with
adjacent transmitters
❑ For increasing ISD larger
SFN CP requires reduced
gain EIRP
❑ Higher HTX allows
reduced EIRPEffect of CP and EIRP on ISD
LPLT network
Suburban area, Pout= 2%, Acov=98%
100
MFN
Minimum EIRP [kW] for SINR=10dB
HTx = 20 m HTx = 30 m
10 SINR=10dB
1
❑ CP is always ok
❑ 10 dB SFN gain
0,1
SFN SFN gain
0,01
0,001
2 3 4 5 6 7 8
ISD [km]Network simulation parameters
Fixed roof-top reception
Frequency: 700 MHz
LPLT Transmitter HPHT Transmitter
Propagation model= ITU-R P.1546-5
▪ EIRP (360) = 10 W → 1 kW ▪ EIRP (360H, Tilted V) = 100 W
• Time availability: 99%, useful signals at 50%
▪ Tx height a.g.l. = 20 m of the time, interfering ones at 1%
→ 100kW
• Location variation in the small areas: log- ▪ Tx height a.g.l. = 200 m, 500 m
normally distributed ( = 5.5 dB)
Receiver:
Vertical Tilt
Tx antenna
▪ height (m)= 10
▪ Antenna gain (dBi) = 9.15 dBi
Good quality reception: 95%
System:
SINR=19 dB→5.3bit/s/Hz
CP (Ciclic Prefix)=200µs →300µs (T2)
corresponding to 256QAM 2/3Effect of CP and EIRP on ISD
❑ Higher HTX allows reduced EIRP
• 10 dB from 200m to 500m
❑ For HTX =200 m and CP= 200 µs
there is a sharp limit in the
maximum ISD around 50 km (and
a power penalty of 3 dB versus
DVB-T2)
• Rel.14 CP is not sufficient to
cope with adjacent transmitters
❑ For HTX = 500 m and CP= 200 µs
ISD can be extended to 70 km
SFN
(but with a power penalty >3 dB
gain
already at ISD=60 km)
❑ CP values aligned with those
offered by DVB-T2 should be
SFN gain considered
❖ 4 dB for small ISDs, where the CP keeps low the network self-interference
❖Fixed roof-top vs mobile reception
Fixed roof-top reception: SINR=19 dB Mobile reception: SINR=10 dB
Suburban area, Pout= 2%, Acov=98%
1000
Minimum EIRP [kW] for SINR=10dB
HTx = 200 m
100 SFN: CP=200ms
MFN
10
1 SFN: CP=300ms
HTx = 500 m
SFN SINR=10dB
SFN SFN 0,1
gain
gaingain 20 30 40 50 60 70
ISD [km]
❑ Huge EIRP difference required by mobile vs fixed roof-top reception 20dB
❑ Fixed TV SFN gain:
❖ Reduced vs mobile (the directive antenna attenuates contributions from surrounding transmitters)
❖ Reduces for larger ISDs, when CP is not sufficient to cope with adjacent transmittersPuoi anche leggere
