Особенности использования беспроводных камер для телевизионного показа спортивных соревнований

Предисловие

В предыдущей статье, посвященной использованию беспроводных камер в системах электронного сбора новостей, мы подчеркивали, что главным содержанием проектирования систем было стремление сэкономить самый ограниченный ресурс — частотный спектр. Не секрет, что для «живого» репортажа с помощью беспроводных средств самым подходящим является диапазон частот 2-3 ГГц.
Но этот диапазон плотно занят системами сотовой связи, локальными сетями передачи данных и наземными системами сбора электронных новостей. Попытки использовать полосы частот на участке спектра от 3 до 7 ГГц давали желаемый результат далеко не всегда. Единственным действительно эффективным путем было создание гибридных сетей сбора видеоинформации на основе симбиоза беспроводных и волоконнооптических линий связи. Острота проблемы сохраняется и в настоящее время.

Однако при показе спортивных соревнований и при «живом» вещании из студии могут возникнуть специфические условия, которые позволяют эффективно использовать сигналы крайне высоких частот (диапазона КВЧ). Эта статья посвящена трем случаям использования миллиметровых волн: использованию их для студийного репортажа, для репортажа с легкоатлетических соревнований по бегу и для репортажа с соревнований по скоростному бегу на коньках. Какие же преимущества дает использование диапазона КВЧ?
1. Преимущества от использования диапазона КВЧ

Возможность использования диапазона КВЧ (EHF) для «живого» HD-вещания с помощью беспроводных камер вызывает большой интерес. Этот интерес связан с возможностью занять не требующий лицензирования диапазон и при этом получить возможность построения мульти-гигабитной RF-линии, по которой можно будет передавать даже несжатое видео большого разрешения со скоростью 1,485 Гб/с, т. е. с возможностью поддержки несжатого сигнала формата HD 1080i.
Надо всегда помнить о том, что работа в диапазоне 60 ГГц сопряжена с большими потерями в свободном пространстве и в гидрометеорах. Однако если решать задачу покрытия ячеек малых размеров, то на первый план будут выступать такие преимущества линий связи в этом диапазоне, как широкая полоса, занимаемая в эфире, и высокая скорость передаваемых данных. Кроме того, из-за больших потерь в пространстве есть возможность несколько раз повторно использовать частоты, что позволяет достичь высокой спектральной эффективности для всей сети. Для того чтобы расширить зону покрытия, вводится архитектура, состоящая из множества ячеек, в которых используются Удаленные Антенные Блоки (RAU).
Главным преимуществом модуляции COFDM является то, что с ее помощью преодолеваются вредные эффекты многолучевого режима распространения. Однако достигается это за счет увеличения мощности передатчика. При этом оба фактора — и увеличение полосы радиоканала, и увеличение дистанции связи приводят к необходимости увеличивать выходную мощность передатчика. Таким образом, мощность передатчика должна быть увеличена при увеличении полосы, ширины луча и дистанции связи (площади покрытия). Снижению требуемой мощности может способствовать правильный выбор методов кодирования и исправления ошибок. Но для ячеек малых размеров, которые соответствуют покрытию внутри студии, большие мощности будут не нужны.
В проекте RF on fibre Mobile Data Network Demonstrator, реализованном в рамках программы DTI LINK, был продемонстрирован потенциал системы беспроводных камер миллиметрового диапазона в соединении с технологией RF-on-fibre. Проект, реализация которого продолжалась с 2004 по 2006 гг., достиг своей цели — была разработана и проверена в действии гибридная беспроводно-оптоволоконная студийная TV-система, в которой для передачи широкополосных сигналов от беспроводных камер использовалась радиолиния на частоте 60 ГГц. По данной радиолинии осуществлялась двунаправленная передача HDTV сигналов к фиксированным удаленным антенным блокам (RAU), как показано на Рисунке 1.

cam_img_1Мобильные терминалы данных (в этом случае входящие в состав систем беспроводных камер) посылают широкополосные данные на частоте 60 ГГц к приемникам удаленных антенных блоков (RAU), закрепленным на потолке студии. Блоки RAU образуют непрерывную зону покрытия внутри студии, которая формируется из нескольких взаимно перекрывающихся ячеек. На мобильном передатчике данные видео модулируют несущую с частотой 60 ГГц. Модулированный сигнал принимается отдельным блоком RAU и по оптоволоконной линии передается на базовую станцию, расположенную в комнате управления.

Ключевые свойства системы таковы:

    В состав студийного демонстратора, использующего мобильные и фиксированные антенные блоки на 60 ГГц, входят: одна базовая станция, два RAU и два мобильных терминала данных, которые покрывают рабочую зону размерами 30 х 22 (м).
    Поток видео HD-SDI, который имеет скорость 1,485 Гб/с, сжимается в отношении 6:1, что позволяет получить канал SD-SDI со скоростью 270 Мб/с. Конечно, в идеальном случае можно было бы передавать несжатое видео, но ограничения по сложности для модема вызывают необходимость в компромиссе, в соответствии с которым можно будет передавать видео с вещательным качеством при незначительном сжатии.
    За счет использования модема 16-QAM COFDM для передачи потока видео HD-качества со скоростью 270 Мб/с потребуется радиоканал с полосой 200 МГц.
    Если RAU поднят над полом на высоту 5 м, то радиус его ячейки покрытия достигает 15 м. При этом несколько мобильных станций, взаимодействующих с несколькими такими RAU, могут покрыть значительную площадь.
    Сеть имеет структуру RF-on-fibre (с передачей радиочастотного сигнала по оптоволоконному кабелю).
    Методы модуляции и кодирования позволяют минимизировать воздействие режима многолучевого распространения.
    Переход мобильного терминала из ячейки в ячейку происходит без потери сигнала.

Количество камер, которые могут использоваться внутри зоны покрытия базовой станции и взаимодействующих с ней удаленных антенных блоков (RAU), зависит от полосы, требуемой для отдельной камеры. Это количество ограничено выделенным спектром. Студийный демонстратор включает две двунаправленных HD-системы беспроводных камер, хотя в полосе 200 МГц можно было бы задействовать до 45-ти однонаправленных или до 20-ти двунаправленных блоков беспроводных камер. Этот расчет сделан в предположении использования полосы шириной 10 ГГц и защитного интервала между радиоканалами отдельных камер шириной 20%. Вследствие больших потерь в свободном пространстве на частоте 60 ГГц вторая базовая станция для связи со своим блоком RAU может использовать частоты повторно и, в свою очередь, поддерживать 20 двунаправленных камер.
2. Гибридное проводно-беспроводное решение для мест проведения соревнований, в котором используются передвижные камеры, работающие в миллиметровом диапазоне

Есть несколько фирм, предлагающих изделия такого рода. В частности, в Японии вещательная корпорация NHK использует подобную систему для комплектования OB (блоков наружной установки) для «живого» показа спорта. Система представляет собой комплект оборудования для мест проведения соревнований, в зоне которых беспроводная камера может перемещаться по фиксированному маршруту, двигаясь по специальным рельсам или проводам.
Кроме того, что в Японии разрешено вещание в диапазоне 60 ГГц, здесь возможно резервирование для этих целей и нелицензируемых диапазонов 42 ГГц и 55 ГГц, что вызвано невозможностью или сложностью использования более низких диапазонов.
Корпорация NHK может изготовить реальную недорогую систему, поскольку может использовать уже существующий коммерческий набор микросхем и устройств широкого применения.
Для камер, которые двигаются по фиксированному пути, таких как используемые корпорацией NHK, влияние проблем, связанных с многолучевым распространением, можно смягчить за счет использования направленных антенн, обладающих большими коэффициентами усиления. Такое применение является самым изученным. Заметим, что для систем, которые работают внутри студии, применение беспроводных камер в диапазоне 60 ГГц потребует дополнительных исследований.
3. Беспроводные камеры корпорации NHK в диапазоне КВЧ

Беспроводные системы в диапазоне 60 ГГц были созданы в 2004 году и продолжают использоваться для «живого» вещания преимущественно в виде систем, перемещающихся по фиксированному пути, в которых камера и передатчик устанавливаются на тележке, подвешенной на канатах или опирающейся на рельсы.
В Японии технологии беспроводных камер в диапазоне КВЧ продолжают развиваться, что обусловлено такими тремя факторами:

    дефицитом спектра в более низких диапазонах;
    наличием нелицензируемого спектра для вещания в диапазоне КВЧ;
    потенциальной возможностью передачи на высоких частотах несжатого видео.

Первая система на миллиметровых волнах была продемонстрирована на внутренних легкоатлетических соревнованиях в 2005 г. Для показа соревнований по скоростному бегу на коньках на Зимних Олимпийских Играх 2006 в Турине японская вещательная корпорация NHK использовала «псевдо систему передачи HDTV без задержки» в диапазоне 60 ГГц. После Турина NHK продолжила производство беспроводных камер в диапазоне 60 ГГц. Эти системы использовались для решения некоторых спортивных и не только спортивных задач. Например, в 2007 г. NHK применила радиолинию на частоте 60 ГГц для показа соревнований по плаванию в Японии, нескольких национальных чемпионатов по легкой атлетике, а также Рождественского шоу-концерта в Токио.
В настоящее время в Японии для вещания выделено 16 каналов шириной по 120 МГц в диапазонах 42 ГГц и 55 ГГц.
4. Применение решений в диапазоне 60 ГГц для показа легкоатлетических соревнований

Впервые радиолинии на частоте 60 ГГц были применены NHK для «живого» показа Национального чемпионата по легкой атлетике. Камера была смонтирована на дистанционно управляемой тележке, подвешенной на двух проводах диаметром 5 мм, которые проходили параллельно друг другу на расстоянии 60 см.

Технические характеристики системы:

Оборудование камеры: Ikegami HDL-40
Передача видео: диапазон 60 ГГц, модуляция ASK
Перемещение тележки: в пределах от 10-ти до 300 м, скорость — до 25 км/ч
Зона охвата: панорама 360 град., наклон от +10 до — 100 град.(горизонтальная позиция — 0 град)
Управление камерой: частота 2,4 ГГц, управление движением, панорамой, наклоном, зумом, фокусом, диафрагмой
Мощность передатчика: > 10 мВт
Общая масса: около 45 кг.

cam_img_2То, как подвес камеры располагается относительно беговой дорожки на стадионе, показано на Рисунке 2. Позиция подвеса тележки определялась из соображений того, чтобы на финише спринта момент пересечения финишной черты можно было наблюдать с высоты птичьего полета. Трансивер на 60 ГГц позволяет достаточно просто интегрировать сигнал, полученный от беспроводной камеры, с изображениями, полученными от камер других стандартов (кабельных), поскольку в системе достигается минимальная задержка. Близкая к нулевой задержка является результатом MPEG-2 обработки несжатых сигналов HD-SD, которая обычно вносит задержку в системах, работающих в ограниченной полосе. Приемная система в диапазоне 60 ГГц комплектуется тремя различными антеннами, с помощью которых она принимает несжатый HD-SDI сигнал от передатчика беспроводной камеры и этот сигнал затем ретранслирует в направлении приемника с разделением, которое производит также исправление ошибок.

cam_img_3Антенны имеют в вертикальной плоскости перекрывающиеся зоны покрытия, как показано на Рисунке 3.

Основные параметры системы:

Частота передачи - 60,25 ГГц
Выходная мощность передатчика - 8 мВт
Модуляция - ASK
Занимаемая полоса частот - 2,5 ГГц
Битовая скорость - 1,5 Гб/с.

Дистанция связи для воздушной камеры равна 200 м, а ее полезный интервал перемещения — 180 м. Движение камеры в вертикальной плоскости происходит не строго по прямой, поскольку удерживающие ее провода провисают в центре трассы на 4 м ниже уровня стартовой отметки.

Приемник 1: На старте (диэлектрические линзы)
Диаметр: 8 см
Коэффициент усиления: 32 дБи
Половина ширины луча: 4,2 град.

Приемник 2: По центру дистанции (диэлектрические линзы)
Диаметр: 10 см
Коэффициент усиления: 33 дБи
Половина ширины луча: 3,2 град.

Приемник 3: Конец трассы (Кассегрена)
Диаметр: 20 см
Коэффициент усиления: 38 дБи
Половина ширины луча: 1,8 град.

5. Показ соревнований по скоростному бегу на коньках на XX Зимних Олимпийских играх 2006 в Турине с помощью беспроводных камер, работающих в диапазоне 60 ГГц

Вещатель, производивший показ соревнований по скоростному бегу на коньках, был оснащен оборудованием корпорации NHK, изготовившей современную беспроводную передающую систему, которая перемещалась по рельсам и была главным источником контента, позволяя осуществить беспрецедентный показ соревнований в формате HD.
Большая скорость перемещения, которая требовалась от системы, делала невозможной передачу сигнала с помощью кабеля. Можно было применить только беспроводную систему. Корпорация NHK нашла решение, отличающееся от обычного, поскольку для существующих на тот момент беспроводных камер была характерна большая задержка, которая возникала в результате обработки сигнала при его сжатии. Эта задержка затрудняла при «живом» показе взаимодействие с другими (кабельными) камерами. NHK изготовила радиолинию, работающую на частоте 60 ГГц, в состав которой входила перемещающаяся по рельсам на тележке беспроводная камера, которая передавала несжатый HD-сигнал видео без задержки при перемещении камеры вдоль большей части беговой дорожки. Обычно сигнал HD-SDI (1,485 Гб/с) сжимается с целью уменьшения скорости данных для последующей беспроводной передачи или вещания, и эта компрессия обычно выполняется в соответствии со стандартом MPEG-2.
Для данного применения хорошо подходила система беспроводной камеры, использующей технику приема с разделением, которая была изготовлена NHK для показа соревнований Национального чемпионата по легкой атлетике, о чем речь шла ранее.
6. Описание системы

Система беспроводной камеры в диапазоне 60 ГГц включает в себя передатчик и приемники на 60 ГГц, HD-SDI процессоры разделения и применяет «алгоритм преимущественного разрешения» и диэлектрические линзовые антенны с большим коэффициентом усиления. В передатчике и приемнике используются коммерческие компоненты на 60 ГГц. Антенна с большим коэффициентом усиления необходима для получения достаточного для демодуляции сигнала с модуляцией ASK отношения C/N.
Вызванные многолучевым режимом распространения эффекты преодолевались за счет использования метода приема с разделением, с помощью которого достигалась устойчивая передача при движении. В каждом из постов приема было установлено несколько приемников, как показано на Рисунке 4. Рельсы, по которым передвигалась камера, имели длину, равную примерно половине общей длины беговой дорожки. На тележке были установлены два передатчика: один был ориентирован в направлении движения, а другой перпендикулярно этому направлению и лицом к центру дуги беговой дорожки. Это необходимо для того, чтобы покрыть зону поворота.
cam_img_4Всего использовалось три базовых станции, каждая из которых обслуживала свою часть беговой дорожки: встречное направление, второй поворот и прямое направление. Та базовая станция, которая обслуживала зону поворота, размещалась на подвесе над центром окружности. Ее антенны были специально разработаны для данного применения.
На фото внизу показаны базовая станция №3 и базовая станция №2. Каждая из них имеет несколько приемников.cam_img_5
Заключение

Представлены три конкретных случая использования систем, работающих в миллиметровом диапазоне длин волн. Использование диапазона КВЧ в этих, а, возможно, и в некоторых других случаях выглядит перспективным. Достаточно широкое использование диапазона КВЧ поможет смягчить остроту проблемы нехватки частотного спектра. Возможность передачи несжатого или слабо сжатого видео по беспроводным линиям связи миллиметрового диапазона позволяет уменьшить задержку при обработке сигнала видео и таким путем облегчить взаимодействие беспроводных систем с другими системами, предназначенными для передачи «живого» видео.