LDM: Nova tecnologia per a la supervivència de la Televisió Digital Terrestre de la mà de la UPV

2015/12/01 Montalban Sanchez, Jon - TSR ikerketa-taldea EHUko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Telekomunikazioak
• Teknologia

Carretera aèria invisible: espectre electromagnètic i embussos

Som la societat de la informació. En aquesta època estem envoltats en tot moment per milers d'ones de ràdio que transporten d'un costat a un altre el flux d'informació imprescindible, malgrat ser invisibles a la vista humana. Per a donar un ordre a aquest caos, totes les comunicacions sense fils s'organitzen d'acord amb la normativa establerta pels organismes públics, i a cadascun se li assigna, entre altres coses, un rang d'espectre radioelèctric.

De manera senzilla, les ones electromagnètiques són un mitjà de transport invisible que transporta informació diària als nostres telèfons mòbils o a les antenes de televisió, que es propaguen per l'espai i contenen components elèctrics i magnètics perpendiculars entre si. Per a comprendre amb un exemple, la propagació d'ones és molt semblant a la de les ones marines que podem observar en la costa, però en lloc de ser aigua, el mitjà és aire. A més de l'amplitud i longitud d'ona, la freqüència és la magnitud pròpia de les ones radioelèctriques. En definitiva, la freqüència o freqüència d'una ona indica el nombre de vegades que la mateixa ona es repeteix en segon, per la qual cosa, a més de tenir un temps lliure per a transmetre qualsevol ona electromagnètica, el grup de freqüències corresponent hauria d'estar lliure d'interferències. L'explicació gràfica d'aquest fenomen es pot veure en la figura 2.

Figura . Representació d'una ona en el camp del temps i la freqüència.

Així, en fred, encara que ens pugui estranyar, en el dia a dia ens trobem amb freqüència amb aquest concepte de freqüència. Qui no té al cap, per exemple, la freqüència de la seva ràdio favorita a l'hora de sintonitzar el seu programa favorit (100.1 MHz, per exemple)? O qui no ha tingut que resintonizar el senyal de televisió en els últims anys o mesos? En essència, la clau d'aquesta pregunta radica en la disposició espectral dels senyals.

Així mateix, el coneixement d'aquesta característica de les ones, la freqüència, s'ha convertit en una eina imprescindible per al desenvolupament de tecnologies de nova generació. Aquesta característica permet, per exemple, emetre diversos programes de televisió simultàniament (durant el mateix temps) des d'una sola antena, adaptant a cadascun part de l'espectre freqüencial.

Posem un exemple pràctic: la transmissió sense fil pot assimilar-se al sistema de transport actual (veure figura 3). Suposem que les diferents fonts d'informació, representades en la imatge com a camions, han de viatjar des de Bilbao (antena emissora) fins a Donostia (receptor). Primera opció (en el cas 1: TDM (Time Division Multiplexing), es pot enviar a través d'una carretera nacional d'un sol carril (per exemple, per la ruta de la costa), assignant a cadascun un temps determinat, col·locant cada camió successivament. És evident que aquesta solució no és molt eficaç per la possibilitat de generar grans embussos que poden esmorteir el “flux d'informació”. Quina és la solució? Una de les opcions seria utilitzar el mateix espai per a utilitzar la freqüència de cada camió o senyal d'informació i situar el flux d'informació en diferents carrils (parts de l'espectre). D'aquesta manera, la carretera d'un sol carril s'ha convertit en una autopista multi-carril, augmentant la capacitat del vial (cas 2: FDM). Si busquem en llibres tècnics podem observar que darrere d'aquest fenomen es troba Frequency Division Multiplexing (FDM) o Multiplexació Freqüencial. És una tècnica molt utilitzada, entre altres coses perquè els senyals de televisió que rebem diàriament a casa s'organitzen així.

Nou sistema de multiplexació LDM: sense més embussos

Figura . Exemple gràfic dels diferents sistemes de multiplexació.

En el nou sistema de multiplexació LDM desenvolupat en la UPV-EHU (en col·laboració amb el Communication Research Centri del Canadà i l'Electronics and Telecommunications Research Institute de Corea), es distribueix pel temps assignat i aprofitant tota la freqüència en lloc de compartir la potència, freqüència o temps transmès. El funcionament és senzill: els fluxos d'informació es col·loquen un damunt de l'altre i a cadascun se li assigna un rang de potència. Aquesta estructura permet als emissors utilitzar al cent per cent els mitjans disponibles per a la transmissió de senyals, tant en l'àmbit temporal com en el de la freqüència. Vegem més clarament l'exemple dels transports. La tècnica LDM proposa la utilització de vehicles de dues o tres plantes per a augmentar l'eficiència, és a dir, camions que, en lloc de portar camions convencionals, portarien cotxes, o autobusos normals, autobusos de dues plantes que doblegarien la capacitat de transportar informació amb el mateix espai (cas 3).

Aquesta tecnologia serà imprescindible per a la futura TDT. De fet, quant a l'ús de l'espectre radioelèctric, en els últims anys s'ha produït el major debat entre tots els mitjans de comunicació d'informació sobre l'assignació del rang de freqüències que té la televisió digital. Segons molts experts, la televisió no gestiona de manera eficient els recursos que se li assignen, per la qual cosa les organitzacions encarregades de l'espectre han rebut una sèrie de propostes per a oferir els intervals de freqüències que han quedat lliures com a conseqüència de la digitalització de la televisió a altres serveis més eficients com la telefonia mòbil.

A més, acusen la primera generació de televisió digital, la TDT, de la seva incapacitat per a oferir serveis mòbils. Aquest problema és molt crític ja que, segons els últims estudis, el trànsit de dades mòbils augmentarà onze vegades entre 2015 i 2018, i a la fi d'aquest període, dos terços del trànsit total s'adequaran al videostreaming. Per tant, per als sistemes de ràdio de les generacions esdevenidores serà condició indispensable que puguin veure's en qualsevol lloc a través dels receptors mòbils de televisió en alta definició.

Entre les tecnologies que poden fer front a aquests problemes, els experts estan veient amb bons ulls el LDM. I és que, a més de ser un sistema més eficient, és una solució totalment compatible amb la tecnologia actual i, de fet, només seria necessari realitzar uns pocs canvis en la tecnologia existent. Cal destacar també que aquesta eficiència permet oferir més recursos als serveis mòbils, per la qual cosa amb aquest sistema de multiplexació es duplicaria o triplicaria la cobertura dels serveis mòbils respecte als sistemes de multiplexació convencionals.

Així, l'equip tècnic del nou Standard de la Televisió Digital Terrestre ATSC 3.0 d'Amèrica del Nord ha optat per la tecnologia LDM com a solució tecnològica per a la seva pròxima generació de televisió. Així, és possible que en un futur, entre altres, la majoria dels receptors de televisió que es vendran a Amèrica del Nord i Corea del Sud tinguin una implementació d'aquesta tecnologia desenvolupada per la Universitat del País Basc juntament amb altres grups.

Aportacions del Grup TSR de la UPV/EHU en matèria de LDC

El Grup de Tractament del Senyal i Radiocomunicacions de la UPV-EHU (TSR), liderat pels professors Manuel Velez Elordi i Pablo Angueira, va estar en els inicis del LDM, per la qual cosa va col·laborar estretament amb els grups que anaven a desenvolupar la idea des del principi. És més, els primers desenvolupaments teoricopràctics d'aquest nou sistema de multiplexació van ser liderats pel grup TSR, ja que els algorismes clau per al disseny del receptor es van desenvolupar dins de la tesi doctoral defensada per Jon Montalban Sanchez en la UPV. Els algorismes desenvolupats en el grup TSR van desenvolupar mecanismes per a diferenciar les fonts d'informació enviades en cada canal de freqüència o autobús. Malgrat no proposar un sistema complet, planteja una tecnologia concreta que pugui donar una solució directa als dos grans reptes que la TDT haurà d'afrontar en un futur pròxim, és a dir, un nou sistema de multiplexació que garanteixi l'ús eficient de l'espectre radioelèctric abans esmentat i l'oferta de serveis mòbils.

Finalment, cal destacar que en el grup TSR s'han dut a terme diversos estudis teòrics i pràctics per a demostrar la utilitat d'aquesta proposta. Cal destacar que per a això s'ha utilitzat el primer receptor LDM desenvolupat a nivell mundial. Posteriorment, aquest receptor ha traslladat el nom de la Universitat del País Basc a diverses exposicions internacionals per a mostrar els beneficis del LDM, entre ells el NABSHOW de Las Vegas en 2015, que reuneix a més de 100.000 professionals del sector. A més, les publicacions basades en la tesi anteriorment esmentada van obtenir el premi a la millor aportació en els congressos internacionals IEEE Broadband Multimèdia Systems and Broadcasting celebrats en 2014 a Pequín (la Xina) i 2015 a Gant (Bèlgica).

Bibliografia