Výskum koexistencie širokopásmových sietí LTE
a pozemského digitálneho TV vysielania
DVB-T/DVB-T2
Táto práca je podporovaná Agentúrou
na podporu výskumu a vývoja
na základe Zmluvy č. APVV-0696-12
Príčiny rušenia medzi DVB-T/-T2 a LTE800

Blízkosť frekvencií vysielania základňových staníc LTE800 (BS) a vysielačov DVB T/-T2, v kombinácii so selektivitou prijímačov DVB-T, dáva predpoklady na vznik viacerých interferenčných mechanizmov, popísaných v nasledujúcich bodoch.

Obr. 1 - Frekvenčný plán pre nasadenie LTE800

  1. Vplyv selektivity prijímača DVB-T/-T2 – nebezpečenstvo prebudenia vstupných obvodov

    Selektivita prijímača je jeho schopnosť oddeliť užitočný signál od nežiaduceho signálu. Je možné ju vyjadriť pomocou C/I charakteristík, ktoré spočívajú v grafickom znázornení frekvenčného priebehu pomeru užitočného prijímaného signálu na vstupe prijímača a maximálneho rušiaceho signálu na meniacej sa frekvencii, pri ktorom je ešte prijímač schopný užitočný signál spracovať s definovanou úrovňou chybovosti.

    Na obr. 2 je zobrazený charakteristický priebeh selektivity ako priemer siedmich prijímačov DVB T využívajúcich diskrétne súčiastky a jeho porovnanie s požadovanými hodnotami podľa „D-Book“ združenia DigiTAG (DTG).

    Keďže DVB-T a základňové stanice LTE800 používajú technológie COFDM, dá sa očakávať, že C/I charakteristiky pre LTE800 do DVB-T budú podobné ako DVB-T do LTE800.

    Obr. 2 - Selektivita prijímačov DTT

    Pomocou týchto údajov by sa mali dať predikovať úrovne signálu, ktoré už spôsobia rušenie TV obrazu. Uvedené údaje vychádzajú zo zistení v Spojenom kráľovstve pre mód DVB-T s moduláciou 64 QAM, kódovej rýchlosti 2/3, ochrannom intervale 1/32 a systéme 8k.

    Testy televíznych prijímačov v zahraničí preukázali, že približne 5 % z nich, a najmä niektoré moderné riešenia prijímačov DVB-T s tunermi na báze kremíka, sú obzvlášť citlivé na rušenie z dôvodu odlišnej povahy mobilného signálu LTE800 a televízneho signálu. Niektoré TV prijímače pri rušení od LTE800 mali až o 30 % nižšiu odolnosť ako pri vysielaných signáloch digitálnej televízie. Tento efekt je znázornený na obr. 3, ktorý ukazuje, ako sa mení odolnosť v závislosti od prevádzkových podmienok a od úrovne rušenia. Pre danú úroveň rušenia (I) graf ukazuje úroveň požadovaného signálu (C) pre obnovenie príjmu v kanáli K60 pre 3 vzorky prijímačov v dvoch prevádzkových stavoch LTE800 – pri 100 % vyťaženej základňovej stanici LTE800 a pri kľudovom stave, kedy základňová stanica vysiela len synchronizačné symboly a sieťovú signalizáciu. Prijímač 1 (RX1) ukazuje neobvyklé správanie typické pre 5 % druhov prijímačov, kedy základňová stanica v kľudovom stave (idle) zle spolupracuje s AGC tunerom, čo vedie k zníženniu odolnosti o 20-30 dB. Toto správanie sa netýka všetkých prijímačov, napr. pri prijímači 2 (Rx2) sa zlepšila odolnosť na signály vysielané v kľudovom stave, ktoré sú výkonovo v priemere o 9 dB nižšie oproti signálom pri 100 % zaťaženej BS.

    Úroveň odolnosti prijímača DVB-T je nelineárna. Pri vyšších úrovniach rušenia sa z dôvodu interferencií znižuje odolnosť a krivky stúpajú, keďže dochádza k stavu prebudenia.

    Obr. 3 - Zmena odolnosti prijímača na K60 pre rôzne podmienky prenosu LTE

    Nebezpečenstvo prebudenia vstupných obvodov existuje aj v prípade použitia najmä anténových predzosilňovačov, ktoré v dôsledku nedostatočnej selektivity zosilňujú aj signály LTE800. Tieto bývajú obvykle už vo vonkajších alebo vnútorných anténach zabudované (tzv. "aktívne antény"). Prejavuje sa to najmä u zosilňovačov s vysokým ziskom (ktorý výrobcovia radi na svojich prospektoch uvádzajú) a s nízkou vybuditeľnosťou (max. výstupnou úrovňou pre definovaný odstup intermodulačných produktov, niekedy charakterizovanou aj IP bodom – ktorú až na veľmi malé výnimkyvýrobcovia neuvádzajú vôbec).

  2. Rušenie LTE800 do kanála DVB-T K60

    Vzhľadom na to, že medzi TV vysielaním v UHF kanáli K60 a prvým zostupným kanálom (downlink) LTE je len 1 MHz ochranné pásmo, možno očakávať, že pri prekročení požadovaného ochranného pomeru susedného kanála dôjde k vzniku rušenia. K tomu obvykle dochádza vtedy, keď je úroveň signálu LTE800 o 27 dB vyššia než signál DVB-T (pozri obr. 4).

    Ak teda na okraji oblasti pokrytia je úroveň prijímaného signálu DTT -72 dBm, tak maximálna tolerovateľná úroveň signálu LTE800 môže byť -45 dBm. Projektované úrovne vyžiareného výkonu základňových staníc bývajú až 64 dBm, preto sa odporúča minimálne oddelenie medzi základňovou stanicou a prijímačom DTT na úrovni 109 dB. To zodpovedá vzdialenosti 24 km medzi základňovou stanicou a uvažovanou prijímacou TV anténou DTT so ziskom 7 dBi pre najhorší prípad za predpokladu, že signál od základňovej stanice sa šíri na priamu viditeľnosť. Pre oblasť s hustou zástavbou, kde platí prímestský model šírenia Hata, sa predpokladajú problémy s rušením vtedy, ak uvažovaná anténa DTT je vo vzdialenosti do 900 m od základňovej stanice.

    Obr. 4 - Rušenie DVB-T/-T2 kanála K60 základňovou stanicou LTE800

  3. Rušenie DVB-T/-T2 mobilným telefónom LTE800

    Miera rušenia prijímača DVB-T/-T2 sa so zvyšujúcim sa ofsetom medzi rušiacim a užitočným signálom postupne znižuje. Toto je možné očakávať pri prijímači DVB T s MF a VF filtrami. Pre klasické CAN tunery (tunery v kovovom kryte) s 1. medzifrekvenciou 36 MHz však dochádza k značnému zvýšeniu miery rušenia na kanáli N+9 (72 MHz od žiadaného kanálu), a to z dôvodu obmedzenej schopnosti prijímača potlačiť zrkadlový signál. V dôsledku toho mobilný telefón (handset) na kanáli N+9 (od prijímaného kanála DVB-T) môže spôsobiť rozpad obrazu. Tento scenár je znázornený na obr. 5.

    Obr. 5 - Rušenie DTT kanálov K57 až K60 mobilným telefónom LTE800 (UE)

    Pre typický mobilný telefón s EIRP = 25 dBm a prijatým signálom DVB-T/-T2 s úrovňou -72 dBm na okraji oblasti pokrytia by mala mať maximálna prípustná úroveň signálu od mobilného telefónu pre prah rušenia výkon -41 dBm, čo predstavuje požadované oddelenie (izoláciu) 66 dB medzi anténou DVB-T a mobilným telefónom LTE800. To zodpovedá minimálnej vzdialenosti 50 m medzi mobilným telefónom a anténou DVB-T. V praxi môže nastať ešte nepriaznivejšie rušenie, pretože skúšky telefónov LTE800 naznačujú, že charakteristiky signálov v časovej oblasti spôsobujú v prijímačoch s nižšou odolnosťou rozpad obrazu pri nižších úrovniach rušenia.

    Očakáva sa, že tento mechanizmus rušenia telefónmi LTE800 ovplyvní najmä domácnosti, ktoré využívajú antény pre vnútorný príjem DVB T/-T2.

  4. Rušenie spôsobené mimopásmovými emisiami LTE800

    V praxi základňová stanica LTE800 vyžaruje významnú energiu aj priamo na frekvenciách kanálov DVB-T/-T2 (tzv. „mimopásmové emisie“ – „out of band emissions“), čo má za následok rušenie aj napriek tomu, že sa v prijímači DVB-T použijú filtre pre potlačenie signálu základňovej stanice. Takéto rušenie nemožno riešiť v prijímači. Tento jav je znázornený na obr. 6, kde dovolené úrovne rušenia pre kanál LTE800 susediaci s TV kanálom K60, v súlade s odporúčaním pracovnej skupiny CEPT SE42, sa pohybujú až do 0 dBm.

    Dovolené úrovne mimopásmových emisií by mali za následok 20 dB degradáciu citlivosti prijímača vzdialeného do 500 m od základňovej stanice LTE800, čím by sa mohlo výrazne znížiť pokrytie vysielaným signálom. Minimálne požiadavky na potlačenie emisií základňovej stanice mimo pásma (OOB) boli definované skupinou CEPT SE42.

    Obr. 6 - Základňová stanica LTE800 spôsobujúca rušenie DVB-T/-T2 mimopásmovými emisiami v kanáli K60