LDM: Nova tecnoloxía paira a supervivencia da Televisión Dixital Terrestre da man da UPV
2015/12/01 Montalban Sanchez, Jon - TSR ikerketa-taldea EHUko Ingeniaritza Goi Eskola Teknikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Estrada aérea invisible: espectro electromagnético e atascos
Somos a sociedade da información. Nesta época estamos rodeados en todo momento por miles de ondas de radio que transportan dun lado a outro o fluxo de información imprescindible, a pesar de ser invisibles á vista humana. Paira dar unha orde a este caos, todas as comunicacións inalámbricas organízanse de acordo á normativa establecida polos organismos públicos, e a cada un asígnaselle, entre outras cousas, un rango de espectro radioeléctrico.
De forma sinxela, as ondas electromagnéticas son un medio de transporte invisible que transporta información diaria aos nosos teléfonos móbiles ou ás antenas de televisión, que se propagan polo espazo e conteñen compoñentes eléctricos e magnéticos perpendiculares entre si. Paira comprender cun exemplo, a propagación de ondas é moi parecida á das ondas mariñas que podemos observar na costa, pero en lugar de ser auga, o medio é aire. Ademais da amplitude e lonxitude de onda, a frecuencia é a magnitude propia das ondas radioeléctricas. En definitiva, a frecuencia ou frecuencia dunha onda indica o número de veces que a mesma onda repítese en segundo, polo que, ademais de ter un tempo libre paira transmitir calquera onda electromagnética, o grupo de frecuencias correspondente debería estar libre de interferencias. A explicación gráfica deste fenómeno pódese ver na figura 2.
Así, en frío, aínda que nos poida estrañar, no día a día atopámonos con frecuencia con este concepto de frecuencia. Quen non ten en mente, por exemplo, a frecuencia da súa radio favorita á hora de sintonizar o seu programa favorito (100.1 MHz, por exemplo)? Ou quen non tivo que resintonizar o sinal de televisión nos últimos anos ou meses? En esencia, a clave desta pregunta radica na disposición espectral dos sinais.
Así mesmo, o coñecemento desta característica das ondas, a frecuencia, converteuse nunha ferramenta imprescindible paira o desenvolvemento de tecnoloxías de nova xeración. Esta característica permite, por exemplo, emitir varios programas de televisión simultaneamente (durante o mesmo tempo) desde unha soa antena, adaptando a cada un parte do espectro frecuencial.
Poñamos un exemplo práctico: a transmisión inalámbrica pode asimilarse ao sistema de transporte actual (ver figura 3). Supoñamos que as diferentes fontes de información, representadas na imaxe como camións, deben viaxar desde Bilbao (antena emisora) até Donostia (receptor). Primeira opción (no caso 1: TDM (Time Division Multiplexing), pódese enviar a través de una estrada nacional dun só carril (por exemplo, pola ruta da costa), asignando a cada un un tempo determinado, colocando cada camión sucesivamente. É evidente que esta solución non é moi eficaz pola posibilidade de xerar grandes atascos que poden amortecer o “fluxo de información”. Cal é a solución? Una das opcións sería utilizar o mesmo espazo paira utilizar a frecuencia de cada camión ou sinal de información e situar o fluxo de información en diferentes carrís (partes do espectro). Deste xeito, a estrada dun só carril converteuse nunha autoestrada multi-carril, aumentando a capacidade do viario (caso 2: FDM). Se buscamos en libros técnicos podemos observar que detrás deste fenómeno atópase Frequency Division Multiplexing (FDM) ou Multiplexación Frecuencial. É una técnica moi utilizada, entre outras cousas porque os sinais de televisión que recibimos diariamente en casa organízanse así.
Novo sistema de multiplexación LDM: sen máis atascos
No novo sistema de multiplexación LDM desenvolvido na UPV-EHU (en colaboración co Communication Research Centre de Canadá e o Electronics and Telecommunications Research Institute de Corea), distribúese polo tempo asignado e aproveitando toda a frecuencia en lugar de compartir a potencia, frecuencia ou tempo transmitido. O funcionamento é sinxelo: os fluxos de información colócanse un encima do outro e a cada un asígnaselle un rango de potencia. Esta estrutura permite aos emisores utilizar ao cento por cento os medios dispoñibles paira a transmisión de sinais, tanto no ámbito temporal como no da frecuencia. Vexamos máis claramente o exemplo dos transportes. A técnica LDM propón a utilización de vehículos de dous ou tres plantas paira aumentar a eficiencia, é dicir, camións que, en lugar de levar camións convencionais, levarían coches, ou autobuses normais, autobuses de dúas plantas que dobrarían a capacidade de transportar información co mesmo espazo (caso 3).
Esta tecnoloxía será imprescindible paira a futura TDT. De feito, en canto ao uso do espectro radioeléctrico, nos últimos anos produciuse o maior debate entre todos os medios de comunicación de información sobre a asignación do rango de frecuencias que ten a televisión dixital. Segundo moitos expertos, a televisión non xestiona de forma eficiente os recursos que se lle asignan, polo que as organizacións encargadas do espectro recibiron una serie de propostas paira ofrecer os intervalos de frecuencias que quedaron libres como consecuencia da dixitalización da televisión a outros servizos máis eficientes como a telefonía móbil.
Ademais, acusan á primeira xeración de televisión dixital, a TDT, da súa incapacidade paira ofrecer servizos móbiles. Este problema é moi crítico xa que, segundo os últimos estudos, o tráfico de datos móbiles aumentará once veces entre 2015 e 2018, e a finais deste período, dous terzos do tráfico total adecuaranse ao videostreaming. Por tanto, paira os sistemas de radio das xeracións vindeiras será condición indispensable que poidan verse en calquera lugar a través dos receptores móbiles de televisión en alta definición.
Entre as tecnoloxías que poden facer fronte a estes problemas, os expertos están a ver con bos ollos o LDM. E é que, ademais de ser un sistema máis eficiente, é una solución totalmente compatible coa tecnoloxía actual e, de feito, só sería necesario realizar uns poucos cambios na tecnoloxía existente. Cabe destacar tamén que esta eficiencia permite ofrecer máis recursos aos servizos móbiles, polo que con este sistema de multiplexación duplicaríase ou triplicaría a cobertura dos servizos móbiles respecto dos sistemas de multiplexación convencionais.
Así, o equipo técnico do novo Standard da Televisión Dixital Terrestre ATSC 3.0 de Norteamérica optou pola tecnoloxía LDM como solución tecnolóxica paira a súa próxima xeración de televisión. Así, é posible que nun futuro, entre outros, a maioría dos receptores de televisión que se venderán en Norteamérica e Corea do Sur teñan una implementación desta tecnoloxía desenvolvida pola Universidade do País Vasco xunto con outros grupos.
Achegas do Grupo TSR da UPV/EHU en materia de LDC
O Grupo de Tratamento do Sinal e Radiocomunicaciones da UPV-EHU (TSR), liderado polos profesores Manuel Velez Elordi e Pablo Angueira, estivo nos inicios do LDM, polo que colaborou estreitamente cos grupos que ían desenvolver a idea desde o principio. É máis, os primeiros desenvolvementos teórico-prácticos deste novo sistema de multiplexación foron liderados polo grupo TSR, xa que os algoritmos clave paira o deseño do receptor desenvolvéronse dentro da tese doutoral defendida por Jon Montalban Sanchez na UPV. Os algoritmos desenvolvidos no grupo TSR desenvolveron mecanismos paira diferenciar as fontes de información enviadas en cada canle de frecuencia ou autobús. A pesar de non propor un sistema completo, expón una tecnoloxía concreta que poida dar una solución directa aos dous grandes retos que a TDT terá que afrontar nun futuro próximo, é dicir, un novo sistema de multiplexación que garanta o uso eficiente do espectro radioeléctrico antes mencionado e a oferta de servizos móbiles.
Finalmente, cabe destacar que no grupo TSR leváronse a cabo diversos estudos teóricos e prácticos paira demostrar a utilidade desta proposta. Cabe destacar que paira iso utilizouse o primeiro receptor LDM desenvolvido a nivel mundial. Posteriormente, este receptor trasladou o nome da Universidade do País Vasco a diversas exposicións internacionais paira mostrar os beneficios do LDM, entre eles o NABSHOW das Veigas en 2015, que reúne a máis de 100.000 profesionais do sector. Ademais, as publicacións baseadas na tese anteriormente mencionada obtiveron o premio á mellor achega nos congresos internacionais IEEE Broadband Multimedia Systems and Broadcasting celebrados en 2014 en Pequín (China) e 2015 en Gante (Bélxica).
Bibliografía
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
