Version 6.00

The DVB-T2/LTE-A+ trial

Tower Overlay over LTE-Advanced+

Complteted activity

After the television analogue switch-off, in many countries DVB-T and DVB-T2 terrestrial networks are being deployed or planned for the delivery of digital television services to domestic receivers. Most of the networks are designed to provide services to fixed terminals with rooftop antenna receiving systems, but there is also an increasing demand for TV viewing in mobility on portable devices, such as tablets, smart-phones, and in-car receivers.
Mobile TV services,  such as those based on the DVB-H standard launched some years ago, had limited success, or even failed, for many reasons, such as transmission efficiency and network costs, unclear business models and poor terminals performance.
Nowadays, major changes occurred in the terminal domain: with the success of tablets and smartphones people now have devices that are capable of displaying video quality that is truly compelling while in mobile or nomadic use. In addition, users are becoming accustomed to VoD and live video content consumption on a great range of devices thanks to 3G/4G networks and WiFi connections widely available either at home or around.
However, multiple cell handovers and network overload make live video streaming over a wireless network a poor user experience. Furthermore, big audiences are seriously challenging mobile operators networks which are trying to serve their users with unicast delivery. When 3G/4G network sites have capacity issues and cannot deliver a high quality of service, a possible option to overcome this problems is, apart from using more spectrum or increase the number of sites, to off-load part of the traffic onto other technologies, for example Wi-Fi or Broadcast networks.
From the technical and economical point of view broadcast networks are certainly the best delivery mode to reach big audiences during peak hours or major events. For this reasons DVB introduced in 2011 a new profile of the standard called T2 Lite, aiming to better support portable and mobile reception.
In this context RAI launched in 2013 an experimental trial in Aosta Valley where HDTV services for fixed reception and T2-Lite mobile TV services coexist on the same frequency, to optimize UHF spectrum exploitation while guaranteeing adequate transmission robustness to services with very different requirements.
Another approach foresees the use of an evolution of the LTE (4G) technology called LTE-A+. The project developed by Rai CRIT together with the French network operator company TDF is based on the original “Tower Overlay” idea implemented by Technische Universitat Braunschweig (Germany) in 2013, involves contributions by US company GatesAir and is supported by Germany’s IRT and France’s Expway.
Adapting LTE Broadcast to traditional broadcasting high towers creates the possibility of cooperation between the cellular and broadcasting networks, thus reducing network load, energy consumption and network costs. Using such high towers with such an extentded-LTE technology opens the possibility to reach all mobile devices without the need to add a specific broadcast receiver in the devices, a hurdle that proved very difficult to overcome in the past.
Also for this approach Rai CRIT launched in 2015 an experimental trial in Aosta Valley: two data streams share the same UHF channel in time-division: one stream is conveying conventional digital HDTV programs targeting domestic DVB-T2 TV sets, and a second embedded stream is conveying a specific broadcast flow, intended for 4G LTE-A+ smart-phones, laptops and tablets.

IL PROGETTO TOoL+
Il Centro Ricerche Rai ha sperimentato in Valle d’Aosta nel biennio 2013-2014 la tecnologia T2 Lite. Grazie a questa sperimentazione, condotta con il supporto e la collaborazione di Rai Way, è stato costruito un dimostratore funzionante e di grande impatto, per la TV mobile. Il DVB-T2 Lite ha dimostrato durante i test una robustezza enorme: la capacità di “reggere” nelle condizioni di ricezione più severe è davvero impressionante!
La sperimentazione è stata un successo che ha ottenuto anche degli importanti riconoscimenti internazionali, come il premio quale miglior articolo ricevuto durante la manifestazione IBC 2014, una delle più importanti manifestazioni a livello mondiale nel mondo del broadcasting e dell’elettronica destinata a TV, radio e web.
Una delle difficoltà maggiori che abbiamo incontrato è stata la difficoltà di “entrare” nel mondo degli apparati portatili, quali smart-phone e tablet, con elettronica di derivazione extra telefonica. Solo recentemente abbiamo avuto la possibilità di testare uno smart-phone in cui è stato integrato un ricevitore T2-Lite all’interno. Queste difficoltà ci hanno convinto ad esplorare anche altre possibilità, che esulino quindi dal mondo strettamente radio televisivo del consorzio DVB, per cercare di trovare delle soluzioni per la TV mobile più appetibili anche dal “mondo telefonico”. Andiamo allora a vedere in quale ambito si sono mossi i primi passi di una nuova soluzione per la TV mobile e per quali motivi si ritiene valga la pena svilupparla per arrivare all’introduzione di servizi di TV mobile.
La crescita del traffico nell’ambito delle reti telefonia mobile e una limitata quantità di risorse di spettro disponibili sta portando alla progettazione e alla realizzazione di reti cellulari con dimensioni delle celle sempre più piccole. Con questo approccio i costi aumentano linearmente con il numero di utenti, dal momento che vengono generate una molteplicità di trasmissioni punto-punto di uno stesso contenuto fra il server e ogni singolo utente. Ne consegue che la distribuzione di servizi video tramite la rete dati cellulare è molto costosa soprattutto quando si distribuiscono, ad esempio, video live di eventi particolarmente popolari. L’utilizzo della trasmissione broadcast, che prevede una diffusione punto-multi punto cioè il contenuto è inviato una sola volta verso una molteplicità di utenti, anche nell’ambito delle reti telefoniche è in grado di superare questo inconveniente. Lo standard di quarta generazione LTE-Advanced (LTE-A) offre già oggi un servizio broadcast chiamato eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast Multicast Service) che presenta però alcune limitazioni:

  • Funziona solo in modalità mista con servizi di tipo unicast impedendo quindi di allocare tutte le risorse al broadcast.
  • Opera solo con celle di piccole dimensioni: si parla in questo caso di servizi Low Power Low Tower, ovvero di trasmissioni a bassa potenza da torri di altezza molto contenuta, cioè delle tipiche installazioni della telefonia mobile. Questo tipo di approccio richiede pertanto un gran numero di celle per garantire una buona copertura del territorio e della popolazione.

Queste limitazioni hanno portato allo sviluppo in Germania, in ambito universitario, da parte della Technische Universitaet Braunschweig (TUBS) del progetto “Tower Overlay over LTE-A+”, più noto con il suo acronimo TOoL+. Questa soluzione permette di erogare servizi LTE-A su un’infrastruttura High Tower High Power cioè da trasmettitori ad alta potenza su torri a quota  elevata che sono i tipici trasmettitori utilizzati nel mondo televisivo e generalmente nelle trasmissioni di tipo broadcast. Questo approccio permette di ridurre i consumi energetici e i costi complessivi della rete. Un altro grande vantaggio dell’LTE-A+ è che può operare all’interno della trama di una trasmissione digitale di seconda generazione (DVB-T2) permettendo quindi di trasmettere sulla medesima frequenza dei servizi destinati all’utenza fissa (alta definizione e oltre) e quelli per l’utenza mobile. L’attuale standard LTE-A però è nato ed è stato ottimizzato per un ambito cellulare e quindi per poter superare i limiti che abbiamo illustrato sono necessarie delle modifiche dello standard.
In una prima fase TUBS ha dimostrato in laboratorio la fattibilità tecnica del sistema TOoL+. In seguito per valutare le modifiche proposte e le prestazioni del sistema in un ambiente reale sono stati attivate delle prove su campo in Italia e in Francia.
IL TEST DI PARIGI
In Francia, l’operatore di rete TDF, ha acceso un trasmettitore a Parigi, sulla torre Eiffel che copre una porzione della città in un ambiente densamente abitato. Il test di Parigi ha permesso la valutazione su campo del sistema TOoL+ in un ambiente urbano molto denso e in alcune aree suburbane. Nella zona urbana interessata dal test si incontrano edifici alti con strade particolarmente strette in alternanza con zone più aperte percorse a velocità più elevata. Il passaggio da aree in vista con il trasmettitore ad altre nascoste e gli echi generati dagli edifici più alti rendono la ricezione particolarmente complessa. Il trasmettitore utilizzato per questo test è situato presso la Torre Eiffel ed il lobo principale dell’antenna copre i quartieri a sud-est di Parigi. L’antenna ricevente è di tipo omnidirezionale ed è stata montata sul tetto dell’automobile utilizzata durante i test. A causa del traffico molto intenso la velocità media del veicolo è stata di circa 30km/h con punte massime di 70km/h.
IL TEST IN VALLE D’AOSTA
In Italia il Centro Ricerche e Innovazione Tecnologica Rai, con la collaborazione di Rai Way e della sede Rai di Aosta ha attivato tre trasmettitori che coprono buona parte della regione. Ed è di questa nuova sperimentazione che si sta svolgendo nel nostro territorio che desideriamo parlarvi in maniera più approfondita.
Il Centro Ricerche Rai ha nuovamente scelto la Valle d’Aosta per le prove di ricezione mobile. La regione Valle d’Aosta è stata spesso il teatro di numerose sperimentazioni del Centro Ricerche Rai, specialmente con l’avvento del digitale negli anni ’90. Per esempio nel 1995-96, agli albori della radio digitale, fu condotta un’intensa campagna di misure sul DAB; quando il digitale terrestre muoveva i primi passi, sul finire degli anni ’90, si sperimentò la possibilità di trasferire sui ponti radio analogici il segnale DVB-T; ancora, nei primi anni del 2000 si svolsero in Valle d’Aosta importanti test pre-operativi del digitale terreste.
Il motivo di questo connubio Rai CRIT- Valle d’Aosta va cercato nella particolarità di questa regione che, a causa della sua orografia, offre un ambiente particolarmente complesso dal punto di vista della diffusione e della ricezione dei segnali. Le numerose vallate laterali e il cospicuo numero d’impianti che sono necessari per coprire il territorio rendono la Valle d’Aosta perfetta per testare in maniera approfondita le reti a singola frequenza. Inoltre la possibilità di percorrere una fitta rete stradale secondaria, accanto a quella principale dei fondo valle, che spesso s’inerpica su scoscesi versanti montuosi frequentemente nascosti dai trasmettitori, rappresenta un banco di prova straordinario per la ricezione di segnali in movimento (si pensi alla radio digitale DAB o alla TV mobile come nel caso in questione). Infine, la Valle d’Aosta, essendo così ben “schermata” dal resto del territorio nazionale, grazie alle sue imponenti vette montuose, e avendo, rispetto al resto del Paese, un numero limitato di canali occupati, ha una maggior flessibilità nell’assegnazione di frequenze per la sperimentazione.
Per questi motivi, a Marzo del 2015, dopo aver verificato in laboratorio le prestazioni del sistema TOoL+ è partita la sperimentazione in area di servizio. L’obiettivo del progetto era l’attivazione di un test in cui associare ad una trasmissione DVB-T2, destinata alle utenze fisse e contenente dei programmi ad alta definizione, un segnale utilizzante il sistema LTE-A+ sviluppato da TUBS in modo da verificarne le potenzialità e le prestazioni in condizioni operative. In particolar modo la possibilità di poter attivare più siti trasmittenti ha permesso la valutazione di una rete a singola frequenza a differenza di quanto fatto a Parigi in cui è stato possibile accendere un solo trasmettitore.
Nella prima fase della sperimentazione sono stati attivati due trasmettitori: Aosta-Gerdaz che copre la città di Aosta, Aymavilles e la testa della Valpelline e Saint Vincent-Salirod che copre da Verres fino a tutta la città di Aosta, sovrapponendosi al trasmettitore di Gerdaz e garantendo la realizzazione di una rete a singola frequenza. L’unico modulatore disponibile è stato installato presso la sede regionale Rai di Saint Christophe e trasferito mediante un ponte radio analogico verso Gerdaz in cui abbiamo prelevato il segnale che è stato mandato al trasmettitore. Da Gerdaz il segnale modulato, proveniente dalla sede, è stato inviato a Salirod transitando per Saint Nicolas. Questo doppio salto è indispensabile dal momento che Gerdaz e Salirod non sono in vista. Gli impianti radianti e le potenze utilizzate sono le medesime impiegate per la sperimentazione T2-Lite: 100 W per Salirod e 50 W per Gerdaz. Riutilizzare le stesse antenne trasmittenti e la stessa potenza ha permesso di poter attivare la sperimentazione in maniera più semplice dal punto di vista amministrativo e inoltre ci permetterà di fare dei confronti diretti con quanto ottenuto con il T2-Lite.
Utilizzando un solo modulatore il ritardo della rete a singola frequenza è stato tarato mediante una linea di ritardo analogica in modo tale da garantire che tutta la zona di Aosta, compresa la fascia suburbana fra Nus e Aymavilles, fosse perfettamente sincronizzata.
Le  prove in area di servizio sono state effettuate mediante due mezzi appositamente attrezzati: un’automobile per le misure in movimento e un furgone dotato di palo telescopico per le misure in punti fissi. Lo scopo delle misure mobili era quello di valutare l’area di copertura e di rilevare la mappa dei livelli di campo all’altezza del tetto dell’automobile, in modo da avere i dati necessari per una futura pianificazione delle reti. In aggiunta a ciò sono stati anche registrati i segnali a radio frequenza ricevuti a bordo del veicolo in modo tale da poter essere riutilizzati in laboratorio per verificare eventuali miglioramenti dei ricevitori.
Durante i test abbiamo percorso più di 200km in ambito urbano, in Aosta, Saint Vincent, Chatillon ecc. a bassa velocità, in autostrada a velocità elevate e su strade suburbane spesso in zone raggiunte solo da alcune riflessioni dei segnali trasmessi.
Lo scopo delle misure fisse era quello di rilevare, in alcune posizioni dell’area di servizio, il livello del campo disponibile, in modo da verificare la concordanza con le previsioni ottenute mediante le simulazioni al computer. Questo permette di capire se la trasmissione avviene nel modo previsto oppure se ci sono dei problemi sull’impianto radiante o sugli apparati stessi. Queste misure hanno anche permesso di valutare il margine di ricezione sul segnale T2 Base. Oltre a ciò, con il mezzo attrezzato per le misure fisse, abbiamo potuto verificare la sincronizzazione della rete SFN, verificandone i parametri in maniera molto accurata.
Nella seconda fase abbiamo attivato un terzo trasmettitore, anch’esso già impiegato durante i test sul T2-Lite: Testa d’Arpy. Per rendere maggiormente performante la rete abbiamo deciso, dopo alcune prove, di cambiare la configurazione della rete, spostando l’unico modulatore disponibile dalla sede Rai al centro di Saint Nicolas. Il vantaggio è che da Saint Nicolas essendo in vista con Gerdaz, Salirod e Arpy, con un unico “salto” si riescono a raggiungere tutti e tre i trasmettitori. In questo modo migliora notevolmente la qualità del segnale irradiato e di conseguenza la copertura del segnale.
Il ricevitore utilizzato in questa campagna di misure è un prototipo sviluppato dall’Università di Braunschweig realizzato per dimostrare la fattibilità del TOoL+ e che non ha certo la pretesa di avere delle prestazioni eccelse. Nonostante ciò, pur mettendo in luce i limiti che erano già stati evidenziati durante le prove di laboratorio e ben noti ai progettisti, in molte zone in cui non erano presenti particolari criticità quali echi molto forti o segnali particolarmente deboli, il ricevitore ha funzionato egregiamente. Il fatto di aver registrato il segnale a radiofrequenza permetterà di valutare i miglioramenti del ricevitore direttamente in laboratorio man mano che arriveranno delle nuove versioni.

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Authors: Andrea Bertella, Vittoria Mignone, Silvio Ripamonti, Bruno Sacco, Mirto Tabone

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