SDH-verkon synkronointi digi-tv-siirrossa Diplomityöseminaari 10.2.2004

1. SDH-verkon synkronointi digi-tv-siirrossaDiplomityöseminaari 10.2.2004 Diplomityön tekijä: Heikki Törrönen Valvoja: professori Timo O. Korhonen Suorituspaikka: Digita Oy

2. Esityksen sisällysluettelo • Työn taustatietoja • Diplomityön tutkimusaihe • Käytetyt työmenetelmät • SDH-tekniikka ja synkronointi • Digi-tv-lähetysten siirto • SDH-verkon kellot • Synkronoinnin jakelu • Synkronoinnin suunnittelu • Synkronointipalvelut • Synkronointiin liittyvät mittaukset • Johtopäätökset

3. Työn taustatietoja (1/2) • Suomessa digi-tv-lähetykset alkoivat virallisesti 27.8.2001 • Vuoden 2004 loppuun mennessä n. 94 % väestöstä lähetysten peittoalueella • Digitalisoitumisen myötä katsojille mahdollisuus uusiin sisältöihin ja palveluihin sekä parempaan kuvan ja äänen laatuun • Digi-tv-lähetysten siirtoverkko toteutettu SDH-tekniikalla

4. Työn taustatietoja (2/2) • Digita vastaa Suomen valtakunnallisista lähetys- ja siirtoverkoista sekä radio- ja televisioasemista • Digita toteuttaa maanpäällisen radio- ja televisioverkon digitalisoinnin ja välittää mm. Ylen, MTV3:n, Nelosen, Urheilukanavan, Sub TV:n ja Radio Novan ohjelmat • Lisätietoja digi-tv:stä ja sen tarjoamista palveluista: • www.digitv.fi ja www.digita.fi

5. Diplomityön tutkimusaihe • Tavoitteena verkon suunnittelua ja synkronointia koskevaa päätöksentekoa tukeva selvitys SDH-verkon synkronoinnista • Pääkellon (PRC) toteutusvaihtoehdot Digitan SDH-verkossa ja kuinka synkronointi voidaan järjestää • Synkronoinnin suunnitteluun ja jakeluun vaikuttavat tekijät • Synkronointipalvelut, edut ja haitat • Synkronointiin ja vaihevärinään liittyvät mittaukset

6. Käytetyt työmenetelmät • Perehtyminen aihetta käsittelevään: • standardointiin (ITU-T ja ETSI) • kirjallisuuteen • mittauksia Digitan testilaboratoriossa

7. SDH-tekniikka ja synkronointi • SDH on synkroniseen digitaaliseen hierarkiaan pohjautuva tiedonsiirtotapa (ITU-T G.707) • Digi-tv-siirrossa käytössä STM-1- ja STM-4-kehysrakenteet (155,52 Mbit/s ja 622,08 Mbit/s) • Siirtomediana valokuitu ja radiolinkkiyhteydet • SDH-verkon laitteiden (syöttö-pudotusmultiplekserit, ristikytkentälaitteet) tulee toimia samassa tahdissa • Synkronoinnin tehtävänä on järjestää tämä tahdistus • Käytössä tarkoitusta varten suunniteltuja kelloja

8. Digi-tv-lähetysten siirto • Käytössä DVB-T-tekniikka (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) • Voidaan käyttää monitaajuusverkkoa (MFN) tai yksitaajuusverkkoa (SFN)

9. SDH-verkon kellot • Kellohierarkiassa kolme tasoa • PRC (Primary Reference Clock), verkon pääkello, antaa tahdin muille verkon kelloille, tarkkuus 1*E-11, (ITU-T G.811) • SSU (Synchronization Supply Unit), käytetään kellosignaalin jakelussa, poistaa siirrettävästä signaalista siihen siirron aikana kertynyttä vaihevärinää (ITU-T G.812) • SEC (SDH Equipment Clock), SDH-multipleksereissä ja ristikytkentälaitteissa oleva laitekello (ITU-T G.813) • Digi-tv-siirrossa synkronointi jaetaan käyttämällä STM-N-signaalia (N=1, 4) • Sama signaali sisältää itse siirrettävän ohjelmavirran • Toinen vaihtoehto olisi ITU-T G.703 kellosignaali 2,048 MHz • SSU:ssa ja laitekelloissa (SEC) holdover-ominaisuus

10. Synkronoinnin jakelu (1/2) • Synkronoinnin jakelussa käytetään master-slave-hierarkiaa • PRC (master) antaa tahdin muille verkon kelloille • SSU:t ja laitekellot orjia PRC:n suhteen, tahdistuvat PRC:ltä lähtöisin olevan signaalin perusteella, ovat tällöin lukitussa tilassa • Orjakelloissa käytössä vaihelukittu silmukka, jonka avulla tahdistus tapahtuu • Jos SSU tai laitekello menettää yhteyden synkronointilähteeseensä, holdover-tilan avulla kello voi jonkin aikaa säilyttää lähes lukittua tilaa vastaavan tarkkuuden • Ajan kuluessa alkaisi kuitenkin tapahtumaan SDH-tekniikan osoittimien siirtoja, jotka aiheuttavat vaihevärinää siirrettävään signaaliin

11. Synkronoinnin jakelu (2/2) Synkronoinnin jakelun kellohierarkia

12. Synkronoinnin suunnittelu (1/2) • Synkronoinnin toteutukseen vaikuttavat keskeisesti: • verkon koko ja rakenne, käytettävissä olevat resurssit • PRC:n toteutustapa strateginen päätös • PRC voidaan toteuttaa käyttämällä cesium-putkia tai hyödyntämällä GPS-vastaanottoa referenssinä • Oma PRC, tahdin hankkiminen synkronointipalveluna tai siirtokapasiteetin vuokraamisen yhteydessä • Synkronoinnin jakelun referenssiketju (ITU-T G.803) asettaa rajoja kellojen lukumäärälle siirtoketjussa • Tarkoituksena estää vaihevärinän ja vaeltelun kasvaminen liian suureksi pitkillä siirtoketjuilla

13. Synkronoinnin suunnittelu (2/2) • Synkronoinnin suunnittelussa tärkeätä kelloluuppien välttäminen • Häiriöitä siirrossa ja synkronoinnissa voivat aiheuttaa: • Häipymisilmiöt (fading) SDH-radiolinkkiyhteyksillä, etenkin syksyisin • Vaihevärinä ja vaeltelu, jos synkronointi ei kunnossa tai liian pitkiä jakeluketjuja • Kuituyhteyden mahdollinen katkeaminen esim. huoltotöiden yhteydessä

14. Synkronointipalvelut • Suomessa Sonera vastaa kansallisen PRC:n ylläpidosta • Sonera tarjoaa synkronointipalveluita: • Kansalliseen PRC:hen perustuvan tahdin tarjoaminen, synkronoinnin suunnittelu yhteistyössä asiakasoperaattorin kanssa, mittauspalveluita • Myös synkronoinnissa käytettävien kellojen valmistajat tarjoavat palveluita: • Synkronoinnin suunnittelu, kellojen käyttö, huolto • Edut asiakkaalle: • Mahdollisuus välttyä kalliilta kelloinvestoinneilta, tarkka tahti kansallisesta PRC:stä • Haitat: • Riippuvuus tahdistuksen tarjoajasta, vaihtokustannukset

15. Synkronointiin liittyvät mittaukset (1/3) • STM-N-signaalin taajuuden seuraaminen • Osoittimien (pointer) siirtojen esiintymisen seuraaminen, jatkuvasti esiintyvät siirrot merkkejä tahdistusongelmista • Testattu holdover-ominaisuutta, SDH-multiplekserin toimintataajuus siirtyi n. 0,1-0,3 ppm (osaa miljoonasta) kahden viikon aikana • Vaihevärinään liittyvät mittaukset SDH-analysaattorilla testilaboratoriossa: • Tutkittavan laitteen luoma vaihevärinä • Tutkittavan laitteen sietämä vaihevärinä • Vaihevärinän siirto (output/input eri taajuuksilla)

16. Synkronointiin liittyvät mittaukset (2/3) • Mittauksia SDH-multipleksereillä ja SDH-radiolinkkilaitteistolla • Tuloksia: • Laitteiden luoma vaihevärinä oli alle 0,1 UI (1 UI vastaa STM-1-tasolla n. 6,43 ns) • Laitteiden sietämä vaihevärinä ITU-T:n suosituksen G.825 mukaista • Vaihevärinän siirtomittaus, mitatuilla taajuuksilla (100 Hz-1,3 MHz) vaihevärinä ei kumuloitunut

17. Synkronointiin liittyvät mittaukset (3/3)

18. Johtopäätökset (1/3) • Synkronoinnin toteutukseen liittyviä vaihtoehtoja: • Synkronoinnin järjestämiseen vaikuttavat keskeisesti verkon rakenne ja käytettävät siirtomediat • Rengasverkot ja tikapuuverkko hyviä topologioita varmennusreittiensä ansiosta • Digitalla SDH-radiolinkkeihin liittyvää osaamista, kustannustehokas siirtotapa digi-tv-lähetyksille • Jos koko siirtoverkko omilla radiolinkkiyhteyksillä, mahdollisesti tehtävä kelloinvestointeja ajan myötä ja ylläpitokustannuksia (PRC ja SSU:t) • Valokuidun siirtokapasiteettia vuokraamalla mahdollisuus saada kansalliseen PRC:hen perustuva tahti • Digita voi myös erikseen ostaa synkronointipalveluna kansalliseen PRC:hen tai muuhun PRC:hen perustuvan tahdistuksen • Oma PRC (cesium-pohjainen tai GPS) ja SSU-laitteet

19. Johtopäätökset (2/3) • Suunnitteluvaiheita • Pääkellon (PRC) toteutustapa, hyvä olla myös varmistus • Laajenevan verkon yksityiskohtainen synkronoinnin jakelusuunnitelma voidaan tehdä kun tiedossa verkon lopullinen rakenne • Master-slave-hierarkia, ei liian pitkiä ketjuja • Laitekelloille ja SSU-laitteille vaihtoehtoisia synkronoinnin lähteitä • Kelloluuppien välttäminen • Dokumentointi synkronoinnin toteutuksesta • Synkronointipalveluita käytettäessä sovittava toimintatavoista jakelun vikatilanteiden varalta

20. Johtopäätökset (3/3) • Yksitaajuusverkossa (SFN) suurin sallittu vaihevärinä 5,6 ms, monitaajuusverkossa (MFN) ehdotus 10 ms • Mitatut SDH-verkon laitteiden vaihevärinän arvot selkeästi näitä arvoja pienemmät • Matalamman taajuuden vaeltelumittausten suorittamiseen tarvittaisiin PRC- tai SSU-tason kelloreferenssejä • SDH-multipleksereitä hankittaessa kannattaa tarkistaa holdover-ominaisuus • Ajoittain kannattaa tehdä siirtoyhteyksien laadunseurantaa • Jos siirrossa esiintyisi ongelmia, jotka liittyvät synkronointiin: • osoittimien siirtojen monitorointi, vaihevärinämittaukset