基于现有的T-DAB广播基础架构构建5G广播SFN

介绍

广播公司和广播网络提供商对采用5G广播越来越感兴趣的主要推动力之一是使其内容可用于手持设备，例如手机和平板电脑。

那么一个关键问题是，是否可以使用现有的T-DAB或数字电视广播基础设施来提供此类手持服务。

本案例研究将尝试至少部分地回答这个问题。该研究应基于丹麦现有的T-DAB网络进行仿真。目的是评估其根据版本16 FeMBMS 使用5G广播3GPP提供手持接收的能力。在本研究中，我们使用PROGIRA®plan（广播网络规划软件）。

使用的T-DAB基础架构

丹麦的T-DAB单频网络（SFN）可以看作是高功率/高塔（HPHT）和中功率/中塔（MPMT）网络的混合。T-DAB SFN的特征如下：

• 站数：58
• 发射机间距：30 – 50 km
• ERP：100W – 10 kW
• 频率：VHF-大约200MHz（Ch11B，8B和13B）
• 天线高度：30 – 290m
• 垂直极化

T-DAB网络可为99.5％的人口提供室内覆盖，并接近移动汽车接收的100％。

在模拟中，使用相同的天线高度将网络“转换”为UHF信道37（602 MHz），以提供5G广播覆盖。在转换为UHF时，ERP增加了6 dB，以补偿更困难的UHF传播条件。

研究中使用的丹麦T-DAB网站。共有58个站点。

5G传输方式和规划参数

我们研究了几种不同的5G传输模式的应用，从使用QPSK的非常健壮的模式到使用256QAM的模式，这些模式提供的容量相当于当今使用的DVB-T2传输。传输方式有：

循环前缀（保护间隔）设置为300 µs，相应的符号时间为2700 us。此外，我们使用200 µs的CP进行了验证，以使用较短的保护间隔来评估影响。

FeMBMS信号的带宽（BW）设置为8 MHz。由于此带宽在3GPP标准版本16中不存在，因此我们分别使用两个相邻的带宽分别为5和3 MHz的块来模拟这种情况。我们选择8 MHz带宽，以便与DVB-T2 / ATSC 3.0轻松进行比较。

假设手持终端天线高度为1.5米，接收天线增益为-6 dBi。为了估计室内覆盖范围，应用了8 dB的建筑物入口损耗，并扩展了5.5 dB，这比ITU-R Rec.6建议书中给出的最不严格的值严格得多。BT。2033年。因此，我们正在评估一个相对乐观的室内案例，而不考虑具有厚混凝土墙的城市建筑物或使用金属化窗户的建筑物。

在评估覆盖范围时，未考虑CAS（小区获取子帧）在FeMBMS中的可能影响。为了使接收者能够正确解释广播内容，需要接收和解码FeMBMS中的CAS。从理论上讲，CAS应该非常健壮，但是对于CAS在实际情况下的表现，目前存在一些不确定性。

规划软件和数据库

为了获得覆盖，使用了带有5G广播模块的PROGIRA®plan规划软件。使用基于CRC-Predict地形的传播模型进行场强计算。使用现场测量数据，将传播模型调整为丹麦的杂波和高度数据。使用了以下地理数据库：

• 地形高程数据（25m分辨率）
• 杂波数据（50m分辨率）
• 人口数据（100m分辨率）

PROGIRA®Plan 射频规划软件的结构。地图处理是在ESRI ARCMAP 10.8或ARCGISPRO 2.5中完成的。

手持式室内覆盖

首先，计算网络的C /（N + I）。基于LTE系统性能的多项式逼近已用于将C /（N + I）值映射到容量。

下面显示的是可达到的原始容量，即未考虑CP前缀和接收器属性。

中位数（位置的50％）可达到的原始容量

在地图中，似乎可以在该国大部分地区提供超过25 Mbit / s的容量。但是请记住，这是中位数容量，仅对50％的位置有效。对于广播服务，我们通常使用95％位置的目标服务概率。此外，我们需要能够评估网络中可能出现的SFN自干扰的影响，这会对结果产生影响。这对于LTE中不太健壮的MODCOD（MCS）尤其重要。

通过针对不同的FeMBMS系统变体运行SFN仿真，我们可以获得以下人口覆盖率数据：

表1：不同MCS的95％位置的人口覆盖率。下面显示了MCS 24和04的覆盖图。

MCS 24和04的覆盖范围为20和2.8 MBIT / S。人口覆盖率分别约为3％和67％。

我们得出结论，为手持式室内终端提供大约3 Mbit / s以上的容量可能很困难。如果目标是实现90％以上的人口覆盖率，则将需要其他基础设施。

手持式户外覆盖

如果我们对手持式室外终端进行相同的计算，结果将大大改善。下表将结果与手持式室内覆盖范围进行了比较：

表2：比较手持室内和室外覆盖的人口覆盖率

从室外的结果来看，我们可以向大约95％的人口提供大约10-15 Mbit / s的速度。

提供10 MBIT / S的MCS 14和提供接近21 MBIT / S的MCS 24的覆盖范围

从上面的表2中可以看出，假定用于便携式室内和便携式室外的C / N之间存在很大差异。该值取自5G XCast可交付产品3.1。产生较大差异的原因是两种情况下使用的通道模型不同。5G-X Cast中使用的模型基于不同环境中的测量。在便携式户外环境中，使用了具有直接路径和许多分散路径的通道模型；尽管便携式室内路径更为关键，仅使用反射，但未使用直接路径。

这些与室内或室外的平均接收情况之间的关系如何尚待观察。

该研究使用了当前可用的5G广播规划参数，与现有的DVB-T2和ATSC 3.0系统相比，该参数似乎表明性能上的重大损失。这种“降级”性能的原因可能是FeMBMS（用于5G广播的3GPP版本16）当前缺乏时间和频率交织。

VHF的T-DAB和UHF的FeMBMS的比较覆盖范围
根据先前评估FeMBMS覆盖范围时的结果，我们将结果与VHF的T-DAB覆盖范围进行了比较。

表3显示了两种情况的链接预算比较：

• 理论上，与600 MHz相比，传播在200 MHz时应提高约9.5 dB
• FeMBMS的功率– UHF网络相对于T-DAB增加了7dB
• 天线增益相差2 dB（-6 dBd与-8 dBd）。应该注意的是，T-DAB网络计划用于使用外部天线的移动服务。对于手持式T-DAB服务，天线增益会更差。
• 这两个系统使用不同的带宽，这为T-DAB提供了约7 dB的优势。

比较表明，FeMBMS的C / N为0 dB时，其人口覆盖范围与T-DAB大致相同（> 99.5％）。这似乎是正确的顺序，因为FeMBMS的C / N为3 dB，人口覆盖率为99.3％。假设C / N为0dB会提供大约99.5％或更高的覆盖率，这似乎是现实的。

结论

通过比较来自不同循环前缀（即30µs和200µs）的结果，可以清楚地看出，该SFN需要300 µs的循环前缀。当使用200µs的循环前缀时，SFN自干扰的限制会很大。

关于提供的容量，我们得出结论，使用现有的广播基础设施提供高容量的手持式室内接收并非易事。对于手持式室内接收，所提供的容量将被限制为大约3-4 Mbit / s，这至少要远离发射器。在瞄准手持式室外或移动接收时，有可能提供可接受的接收质量，最高可达约10-15 Mbit / s。为了提供更高的容量，需要附加的基础设施，这将不可避免地增加传输成本。与MNO（移动网络运营商）合作，或者至少访问LPLT基础架构将是一个优势。

广播公司需要仔细考虑与5G广播相关的业务案例。