Codifica concatenata e relative prestazioni nello standard DVB-RCS

Introduzione vii
esempio VoIP, oltre ai servizi naturali quali Web e posta elettronica.
Nel presente lavoro si e` studiato il collegamento DVB-RCS e in parti-
colare si sono analizzate le prestazioni della codifica di canale utilizzata in
tale collegamento.
In generale una tecnica di codifica di canale efficiente trova il giusto compro-
messo fra tre requisiti che in fase di progettazione si cerca di soddisfare:
• Protezione dell’informazione
• Latenza ridotta
• Complessita` ridotta
Risulta essere chiaro che la giusta scelta si pone a un livello di compromesso
tra le precedenti, tuttavia attraverso l’utilizzo del sistema DVB-RCS e` pos-
sibile effettuare una scelta non fissa per ogni scenario applicativo, bens`ı e`
possibile adattare lo schema di codifica al contesto, ad esempio in termini
di condizioni fisiche del canale o della percentuale di banda disponibile, e ai
requisiti di qualita` richiesti dalla trasmissione, sia questa real-time, http etc.
Al centro dello studio effettuato e` proprio la versatilita` del sistema di co-
difica utilizzato dal sistema DVB-RCS, e di conseguenza quelle che sono le
prestazioni relative ad ogni possibile configurazione al variare dei parametri
operativi. In particolare si cerchera` di identificare quali sono le configurazio-
ni che assicurano un ottimale livello di qualita` di trasmissione, in termini di
Bit Error Ratio.
Capitolo 1
Comunicazioni Satellitari
Lo Standard DVB
L’idea di poter realizzare un sistema di videodiffusione digitale non piu`
basato su tecnologie proprietarie, abbattendo cos`ı i costi di progetto e di
implementazione, ha iniziato a farsi spazio dal 1991, quando broadcasters e
produttori si posero come obiettivo quello di sviluppare uno standard pan-
Europeo che permettesse lo sviluppo di un sistema basato su questo tipo
di tecnologia. La creazione del gruppo ELG (European Launching Group)
rappresenta il primo passo in questa direzione. Tuttavia e` con la creazione
nel settembre 1993 del consorzio DVB (Digital Video Broadcasting Project)
che si inizia a lavorare realmente alla realizzazione di uno standard. Compo-
sto da piu` di 300 broadcasters, produttori, network operators, sviluppatori
di software, enti di regolamentazione e altri gruppi appartenenti a piu` di 35
paesi, il consorzio DVB identifica come obiettivo quello di racchiudere in un
unico gruppo gli interessi dei principali produttori e fornitori di videodiffusio-
ne digitale, esaminando le implicazioni e le soluzioni tecnologiche disponibili,
scegliendo quelle maggiormente adatte, e racchiudendole in specifiche tecni-
che relative ad ogni campo della videodiffusione studiato. Una volta definite
le linee guida di suddette specifiche, l’operazione di perfezionamento e ste-
sura degli standard viene poi affidata a gruppi esterni di standardizzazione,
quali ETSI, CENELEC o EBU, i cui documenti finali sono spesso adottati e
Capitolo 1. Comunicazioni Satellitari Lo Standard DVB 2
utilizzati in ambito internazionale.
Il consorzio DVB si occupa di piu` ambiti di implementazione della video-
diffusione; oltre allo studio dei sistemi satellitari (DVB-S, DVB-S2, DVB-
RCS) si interessa anche di diffusione digitale terrestre (DVB-T), via cavo
(DVB-C) e mobile (DVB-H).
Nel seguito viene data una panoramica sui sistemi DVB-S e DVB-RCS.
1.1 Il DVB-S
Fin dal 1993 lo standard DVB-S, specificato nel documento ETSI EN 300
421, si occupa di esporre le soluzioni da implementare per la realizzazione
di un sistema di diffusione broadcast di televisione digitale. Piu` dettagliata-
mente il suo ambito di definizione riguarda l’analisi della modulazione, della
codifica di canale e della struttura dei frame nella trasmissione di un segna-
le televisivo tradizionale o ad alta definizione (TV/HTDV) distribuito nelle
bande definite per il Servizio fisso (FSS, Fixed Satellite Service) e per quello
Broadcast (BSS, Broadcast Satellite Service) via satellite, in applicazioni di
tipo Direct To Home (DTH).
Per quanto riguarda le caratteristiche dello strato di trasporto, lo stan-
dard DVB-S prevede la multiplazione temporale (TDM) e multi-portante
(FDM) degli stream video sorgenti, e la creazione di un flusso di uscita codi-
ficato con la tecnica MPEG-2. Questo processo e` visualizzato in figura 1.1:
ogni flusso (audio, video, dati) relativo a una particolare applicazione viene
codificato secondo la tecnica di codifica di sorgente scelta, e successivamente
multiplexato con gli altri n flussi delle altre applicazioni.
Successivamente sul segnale uscente dal multiplexer vengono effettuate
altre operazioni, quali:
• Adattamento del multiplexer temporale e randomizzazione per distri-
buire l’energia spettrale del segnale.
• Codifica di canale esterna Reed-Solomon.
Capitolo 1. Comunicazioni Satellitari Lo Standard DVB 3
Figura 1.1: Schema del multiplexer DVB-S
• Interlacciamento.
• Codifica di canale interna (ad es. convoluzionale punturata).
• Baseband shaping.
• Modulazione Q-PSK.
L’uso concatenato delle due tecniche di codifica di canale (Reed-Solomon
e convoluzionale) porta ad un’elevata capacita` di correzione degli errori da
parte del ricevitore, ed alla conseguente affidabilita` della trasmissione. Inoltre
attraverso opportune matrici di punturazione, e` possibile scegliere quello piu`
adatto tra i code rate disponibili, {1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8}, adottando quello
che garantisce il livello di BER (Bit Error Ratio) richiesto dall’applicazione,
in funzione delle condizioni di propagazione e del valore di SNR (Signal to
Noise Ratio) da cui e` affetto il canale. In questo modo la trasmissione si pone
al miglior livello di compromesso tra massimo bit rate, realizzabile utilizzando
il code rate maggiore, e minimo livello di BER sostenibile, che si riflette sulle
prestazioni totali della comunicazione. La struttura a valle del multiplexer e`
visualizzata in figura 1.2
Capitolo 1. Comunicazioni Satellitari Lo Standard DVB 4
Figura 1.2: Schema a blocchi del trasmettitore DVB-S
1.2 Il DVB-RCS
Specificato nel documento ETSI EN 301 790, il sistema DVB-RCS (Digi-
tal Video Broadcasting - Return Channel on Satellite) rappresenta l’elemento
di feedback della comunicazione via satellite. Esso definisce infatti un canale
di ritorno verso la sorgente del flusso forward, implementando di fatto una
rete interattiva.
Per realizzare questo tipo di servizio interattivo dall’utente finale al Ser-
vice Provider utilizzando un canale di ritorno, viene utilizzata una sem-
plificazione del modello a pila protoccolare ISO-OSI. Per un modello di
comunicazione semplice sono previsti tre livelli (si veda figura 1.3):
• Livello fisico.
• Livello di trasporto.
• Livello di applicazione.
La struttura della rete che si viene a creare utilizzando il canale di ritorno
puo` essere divisa in canali logici secondo il doppio criterio direzione–scopo.
Capitolo 1. Comunicazioni Satellitari Lo Standard DVB 5
Access mechanism
Packet structure
Higher medium
layers
Proprietary layers
Network Dependent
Protocols
Network Independent
Protocols
Synchronization
Modulation
Channel coding
Freq. Range
Filtering
Power
Figura 1.3: Modello generale della pila protocollare
In particolare due macrocanali sono stabiliti tra il fornitore del servizio e
l’utente finale, mentre il canale di ritorno viene suddiviso in due sottocanali:
• Canale broadcast: canale unidirezionale verso gli utenti finali utilizzato
per trasmettere gli stream video, audio e dati. In generale puo` includere
il canale interattivo forward.
• Canale interattivo: canale di ritorno diviso in due sottocanali.
– Cammino interattivo di ritorno: dall’utente finale verso il fornitore
del servizio, utilizzato per effettuare richieste e trasferire dati.
– Cammino interattivo forward: dal fornitore del servizio all’utente
finale, utilizzato per comunicare informazioni necessarie al man-
tenimento dell’interattivita`.
Lo schema della rete cos`ı realizzata e` visualizzato in figura 1.4.
Gli elementi fondamentali che costituiscono la rete interattiva sono:
• RCST: Return Channel Satellite Terminal, rappresenta il punto di ac-
cesso alla rete ed alle sue funzioni da parte dell’utente, si tratta di
un’antenna e di un decoder con funzioni interattive.
Capitolo 1. Comunicazioni Satellitari Lo Standard DVB 6
Return Channel Satellite Terminal (RCST)
Figura 1.4: Rete interattiva DVB-RCS
• NCC: Network Control Centre, fornisce il controllo e le funzioni di
controllo (CMF). Genera i segnali di controllo e di temporizzazione per
le operazioni della rete satellitare interattiva che sono trasmessi da una
o piu` stazioni Feeder.
• Traffic Gateway: riceve il segnale di ritorno degli RCST e provvede ad
effettuare funzioni di controllo sullo stato dell’account dell’utente, ge-
stisce il traffico da e verso fornitori di servizi esterni, pubblici o privati,
e verso altre reti esterne a quella satellitare (Internet, PSTN, ecc.).
• Feeder: trasmette fisicamente il segnale forward al satellite. Il segnale
inviato e` un segnale broadcast che rientra nelle specifiche DVB-S, sul
quale sono multiplati i segnali contenenti le informazioni per gli utenti
e i segnali di controllo e temporizzazione.