DVB par satellite : de la diffusion à l'interactivité

21/10/2017
Publication REE REE 2005-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-4:20541
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DVB par satellite : de la diffusion à l'interactivité

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Dossier TRÈS COURTE OU TRÈS LONGUE PORTÉE ? a DVB par satellite : &fa de la diffusion à l'interactivité Par Alban DUVERDIER, Caroline BAZILE CNES Mots clés Services fixes, DVB, Diffusion, Interactivité, Multimédia, Adaptativité, LDPC Cet article présente le groupe DVB (Digital Video Broadcasting) qui coordonne l'élaboration de standards pour la transmission de données numériques. Il détaille éga- lement les principales normes DVB de diffusion par satellite, les DVB-S, DVB-DSNG et , Il 1- .... 1.. I.... 1 DVB-S2. Enfin, il décrit la norme DVB pour interactivité par satellite, le DVB-RCS. Introduction Depuis de nombreuses années, la diffusion correspond à une utilisation majeure du satellite en télécommunications. En effet, elle exploite une des propriétés essentielles de ce dernier, sa capacité à émettre vers un grand nombre d'utilisateurs. Récemment, de nouvelles solutions ont ajouté au canal de diffusion, appelé « voie aller », un canal interactif, appelé « voie retour » pour offrir de nouveaux services à l'utilisateur. Cet article présente tout d'abord le groupe DVB (Digital Video Broadcasting) qui coordonne l'élaboration de standards pour la transmission de données numériques. Puis les principales normes DVB de diffusion par satellite sont détaillées. Enfin, la norme DVB pour l'interactivité par satellite est expliquée. 1. DVB et satellites de télécommunications 1.1. Groupe DVB Dans le cadre des études sur la télévision, l'Europe a décidé à partir de 1991 d'étudier la transmission de données numériques. Elle a ainsi donné naissance en 1993 au projet DVB (Digital Video Broadcasting) qui regroupe des organisations publiques et privées pour étudier et normaliser la transmission de données numériques. Le groupe DVB a aujourd'hui une audience internationale et coordonne de nombreux standards enregistrés à l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute). 1.2 Satellite géostationnaire Le canal satellite géostationnaire correspond principalement à un fort bruit blanc additif gaussien et à 1- SYNOPSIS Les standards pour les transmissions par satellite doivent offrir une bonne protection contre les erreurs et des modulationspeu sensiblesaux non linéarités. Le DVB proposeplusieursstandardsrépondantà ce besoin pour latransmissionde donnéesnumériquestant pour ladiffusion que l'interactivité. Pourla diffusion, lesDVB-Set DVB-DSNGcomplètent le MPEG-2 d'une couchephysiqueadaptéeau satellite tandis que le DVB-S2 offre également la possibilitéde transmettre directement de l'IP, et introduitdes schémasde modulation/codageplus performants. Pour'interactivité, ! e DVB-RCS est une solution globaled'interfa- ce air qui gère lacoucheMAC et combine voie alleret voie retour. Standardsfor satellite transmissionshaveto protect data against errors and to use modulations resistantto non-linearities. DVB proposes standards answering to this need and allowing broadcastingand interactivity for numericaldata. For broadcasting,DVB-Sand DVB-DSNGare based on MPEG-2 and define a physical layeradaptedto satellite communications, while DVB-S2offers also direct IP transmission and introduces more efficient modulation and codingschemes. For interactivity, DVB-RCSis a globalsolution of air interfacethat managesMAC layer and combineforward and return links. REE No 4 Avril2005 DVB par satellite : de la diffusion à 'interactivité Lnusi il'1111 1 1>1 tiii il i) i il il il ..' Lit'] l 1 [] Il] d, L ulidi [il > 1 ; Iti ; \It '. > il- i'ilUc u\ft ; sCiCl'i Vf ! Desc-t-iltioii du céiiial satellite. P-iiicil ? e dit ('odcige et de Ici iiiodiil (itioii I ? ott- li iioi-iie DVB-S. des dégradations linéaires (filtres bord) et non linéaires (amplificateur bord). Un tel canal demande une bonne protection contre les erreurs, et des modulations peu sen- sibles aux non-linéarités. C'est avant tout à ces objectifs que doivent répondre des standards pour les transmissions par satellite. 1.3. Standards DVB Satellite Les normes utiles à la transmission de données pour un satellite géostationnaire validées par le groupe DVB sont : . la norme DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) [1] qui propose une couche physique pour la diffusion par satellite . la norme DVB-DSNG (Digital Video Broadcasting - Digital Satellite News Gathering) [2] qui enrichit la norme précédente pour la diffusion depuis des stations (trans) portables . la norme DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Digital 2nd generation) [3] qui propose une seconde génération des normes précédentes adaptée également à des liaisons point à point . la norme DVB-RCS (Digital Video Broadcasting - Return Channel by Satellite) [4] qui permet des communications interactives par satellite basées sur une liaison de diffusion. 2. Standards DVB pour la diffusion par satellite En diffusion, les données numériques sont compressées et multiplexées préalablement sous la forme d'un train de transport MPEG-2 (Moving Pictures Experts Group - 2) [5]. On obtient ainsi un flux de paquets de longueur fixe de 188 octets basés sur une même horloge, qui incluent des informations système utiles au récepteur définies par la norme MPEG-2 appelées PSI (Program Specific Information) et des informations définies par la norme DVB-SI (Digital Video Broadcasting - Service Information) [6] appelées SI (Service Information). Les normes DVB-S [11, DVB-DSNG [2] et DVB-S2 [3] proposent des couches physiques adaptées au canal satellite pour transmettre un tel flux. 2.1. Norme DVB-S La norme DVB-S correspond à un codage basé sur des codes concaténés avec entrelaceur, précédé par une dis- persion d'énergie et suivi d'une modulation QPSK. La dispersion d'énergie permet d'éviter les longues séries de " 1" ou de "0" en multipliant le train de bits par une suite de bits pseudo-aléatoires. Une adaptation du flux MPEG-2 qui améliore la synchronisation en réception lui est associée. Le code externe est un code raccourci RS(204,188), tandis que le code interne est un code convolutionnel de rendement 1/2 qui peut être poinçonné. Les différents taux de codage proposés par la norme sont 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 et 7/8. L'utilisation d'un codage concaténé avec entre- laceur permet de réduire la complexité du codeur à per- formances égales. La modulation QPSK est associée à un filtrage en racine de cosinus surélevé. La norme définit les points de fonctionnement requis pour chaque taux de codage pour atteindre des paquets z quasiment sans erreurs ou QEF (Quasi Error Free) après décodage en réception. 2.2. Norme DVB-DSNG La norme DVB-DSNG est une extension de la norme DVB-S. Elle reprend à l'identique ses solutions basées sur une modulation QPSK et lui rajoute des solutions basées sur la modulation 8-PSK et sur la modulation 16-QAM. Dans le cas des solutions basées sur les modulations 8-PSK et 16-QAM, on retrouve les mêmes fonctions en début de chaîne qu'en DVB-S : la dispersion d'énergie, l'adaptation, le codage RS et l'entrelacement. Puis, on réalise le codage convolutionnel de certains bits et un étiquetage adapté à la modulation. Enfin, le signal est modulé après un filtrage en racine de Zn REE No 4 Avril 2005 Dossier TRÈS COURTE OU TRÈS LONGUE PORTÉE ? Scqncnccur i 1 ) !17.t·mbolc.l P. \H : : -r7>L r C'odcur Codcur ('t) li\ 0 ltitiolifi ci Poittconnust ; uetase Q 1 PP -Ptuullelz'Para (Lrle Il ic Priizcil) e du cociage ti-eillis pi-agiiiaticliie I ? ol (i- la iioi-iie DVB-DSNG. 14 1 - - 4-- ir:, t l J - 1 - 'I' - - 6 IHO oi 16- ? 00 bit, ..._.._._-,-_..,. 7>t'l- - =- Sbine--(le 9 (-) es -- t i . ei ,, 1 ,e, :., -1 - -- 1 - l î ï 1 t t - 1 [i, -,À " i 1 - PlllfAOLH -' : - i lf) li,.. " Z " 1 l'I HEADf-R ... Principe de 1 1éiiiissioii potir la izoriiie DVB-S2. cosinus surélevé. Le choix d'un étiquetage adapté à la modulation correspond à une modulation codée treillis. On parle dans le cas de la norme de codage en treillis pragmatique parce que le codage convolutionnel avec ou sans poinçonnage de la norme DVB-S est réutilisé. Les différents taux de codage proposés par la norme sont pour la 8-PSK 2/3, 5/6 et 8/9 et pour la 16-QAM 3/4 et 7/8. La branche NE génère des bits non codés U. La branche E est traitée par un codeur convolutionnel avec ou sans poinçonnage et génère des bits codés C. Les bits U et C sont répartis sur chaque symbole de manière à maximiser la distance euclidienne entre les bits non-codés. Suivant qu'on a 1 ou 2 bits codés par symbole, on parle de 1 ou 2 CBPS (Coded Bits Per Symbol). 2.3. Norme DVB-S2 La norme DVB-S2 propose de remplacer le DVB-S et le DVB-DSNG en utilisant de nouvelles techniques de codage associées à de nouvelles modulations permettant un gain de 30 % en capacité pour une largeur de bande et une puissance données. Elle permet de mettre en oeuvre des modes de codage et modulation constants, variables ou adaptatifs et généralise la transmission de flux continus à des paquets non MPEG-2 pour des appli- cations de type IP. Elle correspond à un codage basé sur la concaténation d'un code BCH et d'un code LDPC, précé- dé par une dispersion d'énergie et suivi d'une modulation QPSK, 8-PSK, 16-APSK ou 32-APSK, de l'insertion d'un REE No 4 Avnl 2005 DVB par satellite : de la diffusion à nteractivité - 1 TcrmHn-). ! 4.11 [111111 ; 11 'i'ermnu-i) ll (i 11 e, l% " A 1 -7 -l -lû ill e\\ i,l 1111111 z Réseau i lcsc,ILI -' v 1.,', Modèle de r-éfërencedu réseau satellite iiitei-É-ictif poii- Ici iio-iiie DVB-RCS. en-tête en n/2BPSK, optionnellement de pilotes, et d'un brouillage (I,Q). Le code BCH introduit une redondance très faible, tandis que le code LDPC propose des taux de 1/4 à 9/10. L'en-tête et les pilotes sont utiles en réception pour identifier le codage et la modulation de chaque bloc de 64 800 ou 16200 bits codés et pour améliorer la synchronisation. Le brouillage (I,Q) évite l'apparition de raies spectrales dues aux pilotes. Les modulations sont associées à un filtrage en racine de cosinus surélevé. 3. Standard DVB pour l'interactivité par satellite L'interactivité DVB est basée sur l'ajout à une voie de diffusion d'une voie retour et sur la mise en oeuvre d'une couche MAC (Medium Access Control) qui détaille les échanges de signalisation nécessaires à la connexion des utilisateurs, l'allocation des ressources et la gestion du Z7 réseau. La norme DVB-RCS [4] propose un standard pour les télécommunications interactives par satellite qui définit une couche MAC et ajoute une voie retour à une voie aller de diffusion en DVB-S ou DVB-S2. 3.1. Réseau interactif Le réseau interactif DVB-RCS comprend les éléments suivants : a un centre de contrôle réseau ou NCC (Network Control Centre) qui fournit et gère les fonctions de contrôle et de synchronisation des stations (Gateways) qui diffusent des données et mettent à disposition différents services interactifs et/ou connexions à des réseaux ou des fournisseurs d'accès un grand nombre de terminaux utilisateurs qui se c connectent aux Gateways avec différents débits selon les utilisations. 3.2. Voie aller La voie aller DVB-RCS transporte la signalisation transmise par le NCC aux terminaux utilisateurs en DVB-S ou en DVB-S2. L'apport de la norme DVB-RCS concerne donc les compléments de signalisation nécessaires aux utilisateurs dans le cadre du réseau interactif. La norme utilise, pour la gestion des programmes et la mise en réseau de plusieurs répéteurs de satellite, les informations de service du MPEG-2 et du DVB-SI. Elle insère de plus de nouvelles tables pour : . la position du satellite SPT (Satellite Position Table) . la description de la signalisation de la voie aller RMT (RCS Map Table) . la description de la trame MF-TDMA SCT, FCT, TCT (Superframe, Frame, Time-slot Composition Table) . l'allocation de la capacité fixe ou dynamique (en débit, volume absolu, volume cumulé ou capacité restante) TBTP (Terminal Burst Time Plan) . les corrections à effectuer en émission sur la fréquence, le temps et l'amplitude CMT (Cowection Message Table). c REE N 4 Avril 2005 Dossier TRÈS COURTE OU TRÈS LONGUE PORTÉE ? Récep tables d'i ion des form ation stCSC (Demande de connexu -5m JZMT- Synchronisation initiale Terminal RCS : > Connexiorf Autorisation Synchron) sat ! on grossière Synchronisation fina Maintien dela synchronisation NCC Synchronisation du tet-iiiiiial poiti- la iloriiie DVB-RCS. Enfin, elle diffuse une horloge réseau NCR (Network Zn Clock Reference) définie sur le principe du MPEG-2 et des messages broadcast ou unicast de configuration du terminal TIM (Terminal Information Message). 3.3. Voie retour Sur la voie retour DVB-RCS, les terminaux sont en concurrence et utilisent un accès de type MF-TDMA soit fixe soit dynamique suivant la souplesse désirée au niveau de la gestion des utilisateurs. Un groupe de terminaux communique alors avec une Gateway en utilisant un ensemble de fréquences porteuses, chacune étant divisée en intervalles de temps. L'unité d'allocation des ressources est le burst (il s'agit de séries de bits compor- tant au plus quelques centaines d'octets séparées par des intervalles de garde, un burst étant défini par une fréquence centrale, une largeur de bande, un instant de début et une durée). Les spécifications portant sur la voie retour au niveau MAC concernent l'accès : requêtes de capacité, messages de gestion et contrôle, messages relatifs au chiffrement des données. Au niveau de la couche physique, les spéci- fications définissent la formation de bursts, la dispersion d'énergie, le codage de canal et enfin la modulation. Les bursts transmettent : . des paquets CSC pour la connexion . des paquets SYNC pour la réalisation et le maintien de la synchronisation et l'envoi de messages MAC . des paquets ACQ pour la synchronisation fine optionnelle . des paquets TRF pour l'envoi de données de trafic ATM ou MPEG-2 qui peuvent inclure de la signa- lisation en préfixe ou encapsulation de type AALS. La dispersion d'énergie est semblable à celle de la norme DVB-S. Le codage de canal consiste soit en une chaîne de codage type DVB-S (Reed-Solomon et codage convolu- tionnel mais sans entrelacement), soit en un turbocode. Même si durant une même session l'un ou l'autre des schémas de codage est choisi, les deux doivent être implémentés au niveau du terminal. La modulation est une QPSK avec une mise en forme en racine de cosinus surélevé. Conclusion Cet article a présenté le groupe DVB qui standardise en Europe les transmissions de données numériques, ses principales normes de diffusion par satellite et son stan- dard de transmission interactive par satellite. Aujourd'hui, ces standards sont très répandus parce qu'ils dominent le marché très lucratif de la télévision. REE No 4 Avril2005 DVB par satellite : de la diffusion à l'interactivité Cette popularité leur a naturellement ouvert le marché de l'interactivité qui doit permettre la création de nouveaux services. Néanmoins, ce domaine est beaucoup plus complexe que celui de la diffusion, car il demande une infrastructure réseau complète. En particulier, dans les nouveaux projets de télécommunication par satellite qui envisagent un traitement bord, le satellite va corres- pondre à un des noeuds du réseau et va devoir gérer de nombreux éléments de la norme. C'est un des grands défits des futurs satellites de télécommunication. Références [1] Digital Video Broadcasting (DVB) : " Fram/ng' structure, channel coding and modulation for 11112 GHz satellite services " (ETSI EN 300-421 vl. 1.3). [2] Digital Video Broadcastlng (DVBI ; " Modulation and channel coding system for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution applications by satellite " (ETSI EN 301 210 vl. 1. 1) [3] Digital Video Broadcasting (DVB), " Second generation fra- ming structure, channel coding and modulation sysiems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications " (ETS ! EN 302-307 vl. 1. 1). [41 Digital Video Broadcasting (DVB) ; " Interaction channel for satellite distribution systems " IETSI EN 301 790 vl.3.1). [5] H. BENOIT, " La Télévision Numérique, MPEG-1, MPEG-2 et les principes du système européen DVB ", Dunod, 1996 [6] Digital Video Broadcasting IDVB) ; " Specification for Service information (SI) in DVB systems " IETSI EN 300 468 vl.5.1) L'ensemble des standards ETSI htip //pda. elsi. org/pda/q ueryf orm.a s p. est accessible Les a u e u r 5 Alban Duverdier a obtenu son Diplôme d'Ingénieur en Electronique en 1993 et sa Thèse en Traitement du Signal en 1997 à l'ENSEEIHT de Toulouse Depuis 1998, Il exerce une fonction d'ingénieur de recherche au Centre Spatial de Toulouse du CNES. Il a participé à plusieurs projets et activités de R&D CNES en Télécommunications. Actuellement, il définit l'interfa- ce air pour le projet Agora, réalise le suivi de la standardisation DVB et anime un forum sur le TSI pour le spatial (CCT TSt). Ses principaux domaines de recherche sont les nouvelles techniques de codage (turbo codes et LDPC), d'accès multiple (spectre étalé) et de traitement bord (processeurs bord génératifs. Caroline Bazile a obtenu son diplôme d'ingénieur Télécom Paris en 2000 Elle travaille depuis pour le CNES dans le domaine des communications numériques pour les futurs systèmes de télécommunications par satellite. Elle est impliquée actuellement à la fois dans les interfaces air fixes (DVB) et mobiles (UMTS par satellite, adaptation du DVB-RCS pour les terminaux mobiles) sur REE N 4 AN,ril 200