DAB+ Testuitzending Leiden

DAB+ Test Leiden

Door ing. Evert Verduin

Hans Disseveld

Henk van Ulden

 

 Inleiding
 Het initiatief
 De realisatie van de testlocatie
 Het aantoonbaar functioneren van de predictiesoftware
 Het afdekken van het verzorgingsgebied
 Mogelijkheid 1
 Mogelijkheid 2
 Mogelijkheid 3
 Mogelijkheid 4
 Mogelijkheid 5
 Conclusie
 Dankwoord
 Literatuurlijst/verwijzingen

 

Inleiding

Als onderdeel van de DAB+ pilot is er in Leiden een testuitzending gestart om een aantal eigenschappen van de DAB+ techniek voor de lokale omroepen te toetsen. Het belangrijkste vraagstuk was of het mogelijk is om met slechts een enkel opstelpunt,waarbij de antennes op een redelijke hoogte zijn opgesteld, genoeg gewenste radiodekking kan worden geboden voor de bestaande lokale omroepen. Om niet steeds een empirisch onderzoek met testzenders te hoeven doen is een software predictie tool gebruikt waarbij de testzender, door middel van een drivetest, als ijkpunt voor het predictie model dient. Op deze wijze kunnen toekomstige netwerken kunnen dan nauwkeurig softwarematig worden gesimuleerd. Tevens is een niet onbelangrijk bijkomend vraagstuk de financiële haalbaarheid. Dit rapport zal beide vragen beantwoorden en hopelijk een richtlijn zijn voor een eventueel toekomstig digitaal radio distributieplatform voor de regio. Deze test is geheel belangeloos en totaal onafhankelijk uitgevoerd door de drie initiatiefnemers; Henk van Ulden, Evert Verduin en Hans Disseveld. Ik wil ten strengste benadrukken dat er voor de initiatiefnemers geen enkel (financieel) belang is.

Het Initiatief

Het doel was om via een relatief hoge locatie ( <60 meter ) vanuit Leiden de regio zoveel mogelijk te bedekken met een betrekkelijk laag vermogen ( <100 Watt ERP ). Met deze parameters wordt de spectrale efficiëntie gewaarborgd ( herhalingsafstand=40Km ). Om de kosten van het experiment laag te houden is er gekozen voor deels voorhanden apparatuur. De gebruikte software, voor zowel de DAB+ carrier opwekking als voor de radioplanning software, is open source. Door slechts 1 zendlocatie te realiseren en hiervan nauwkeurig de radiodekking te bepalen kan de radiodekking van een eventuele 2e of zelfs 3e zendlocatie door middel van computer simulatie zeer nauwkeurig worden voorspeld. De radiodekking van de “test” zendlocatie zal door middel van een drivetest gemeten worden en vervolgens dienen als ijk waarden voor het predictie model van de radiodekking simulatie software. Dit ijken, betreft het toepassen van correctiewaarden op het bestaande model ( Longley-Rice ). Tevens is er gebruik gemaakt van een open clutter database en een open hoogtedatabase.

Het te bedekken gebied:

figuur 1: Het desbetreffende gebied.

Een aanzienlijke gebied, waarbij veel zowel (dense) urban clutter als rural clutter de boventoon voeren. 2 steden, nl. Leiden en Alphen aan den Rijn, diverse dorpen en wegen. De “test” zendlokatie bevind zich in Leiden op de Eschertoren 1A. De antenne hoogte bedraagt 55 meter en het ERP vermogen is 90 Watt op DAB kanaal 5D ( verstrekte data ). De antennerichting was niet gegeven. Gezien het gebied is er gekozen voor een elliptisch diagram met een “antennerichting” van 270°. Dit is gerealiseerd met 2 verticaal gestapelde dipoolantennes waarbij de mastafstand een ½ lambda bedraagt.

Figuur 2: De gesimuleerde radiodekking van de testlokatie.

Bij de initiële simulaties is gebruik gemaakt van de volgende gedetermineerde ( zie bijlage )
parameters:

Hieruit is op te maken dat voor indoor radiodekking een veldsterkte van ca. -55dBm (ca. het rode gebied ) benodigd is ( dit is af te lezen uit de predictie ). Voor outdoor radiodekking is een niveau van -70dBm ( ca. het oranje gebied ) noodzakelijk. In deze niveaus is een fadingmarging van 6dB meegenomen. Dit impliceert een waarschijnlijkheid van 95% kans op radiodekking naar plaats en tijd. Radiodekking voor autoradio’s is niet meegenomen in deze test ( deze is sowieso beter dan de gepresenteerd “outdoor” radio dekking).

De realisatie van de test zendlocatie

Het opstelpunt voor de DAB+ test uitzending is gerealiseerd met minimale middelen om de “testkosten” zoveel mogelijk te beperken. De dipoolantennes evenals de impedance transformer ( benodigd om de antennes te kunnen stapelen ) zijn zelfbouw ( H.D. van Ulden ). Het Critical mask filter is het meest kostbare onderdeel uit de setup ( Commtech).

Figuur 3: De apparatuurkast met het critical mask filter en daarboven de Eindversterker.

Figuur 4: De DAB+ bron ( Ettus Research ) en de bijbehorende eindversterker.

De gebruikte apparatuur:

  • Ettus research USRP2. I/Q Software defined radio.
  • UDV DAB+ RF driver en eindversterker. 40 Watt bij -10dB PAR.
  • Commtech CL7P60R T-7R.02, critical mask bandpass filter.
  • Trimble Thunderbolt, 10MHz GPDSO.
  • Dell poweredge R710 ( Dab Mux en modulator ).

Figuur 5: De antennemast met de 2 stuks gestapelde dipolen ( H.D. van Ulden )

Het aantoonbaar functioneren van de predictiesoftware

De simulaties volgen de drivetest data vrij nauwkeurig. Helaas lopen de legenda’s en dus ook de kleurindex iets uit elkaar ( dit was moeizaam te corrigeren ). ( De files zijn bijgevoegd voor postanalyse. )

figuur 6: De Simulatie met de meting in 1 plot.

Zoals op de plot in figuur 5 te zien is, volgen de dekkingsmeting en de predictie elkaar vrij nauwkeurig op. Om een echte zeer nauwkeurige analyse ( standaarddeviatie te berekenen ) te doen is meer statistisch onderzoek nodig, dit valt buiten de scope van dit rapport. Een snelle analyse laat zien dat de predictie ca. 3dB nauwkeurig is. Een aanname is dat de predictie nauwkeuriger wordt naarmate de antennehoogte groter wordt. Er dient bij een eventuele predictie dus rekening te worden gehouden met Line of sight met het te bedekken gebied. Met andere woorden, er dient een redelijk afstand tot de bestaande clutter ( gemiddelde gebouw/obstakel hoogte ) te worden gehanteerd. Een factor twee lijkt een veilige marge ( meer onderzoek/testen nodig. Dit is buiten de scope van dit rapport). Richting het geografische noorden lijkt er op grotere afstand ( Hoofddorp ) een offset tussen de meting en de predictie te ontstaan. Aangezien er geen demodulerende ontvanger is gebruikt voor de drivetest, maar een testontvanger met een RBW van 1MHz, bleek bij nader onderzoek dat er in-band/on-channel ( op kanaal 5D ) interferentie is.

Het afdekken van het verzorgingsgebied.

Als minimale eis met betrekking tot de radio dekking moet er outdoor dekking gehanteerd worden met een zekerheid van 95% naar plaats en tijd ( 6 dB fading marge, EEP2 = 10dB C/N ). Indoor dekking in het beoogde gebied ( figuur 2 ) is niet mogelijk met betrekkelijk lage vermogens ( <100Watt) en het aantal beoogde zendlocaties. Uit de metingen en de predictie volgt dat met 1 zendlokatie ( Leiden ) het verzorgingsgebied van Studio Alphen niet geheel voorzien wordt van outdoor radiodekking ( zie figuur 6, het oranje gebied van de predictie ). Er zijn verschillende soorten netwerken mogelijk om outdoor radio dekking in het gewenste gebied te realiseren. Er volgen in dit document een aantal mogelijkheden waarbij door middel van simulaties ( en in 1 geval ook een dekkingstest ) de performance van mogelijke oplossingen wordt bekeken.

Mogelijkheid 1

Het hergebruik van de testlocatie met 19dBW :

figuur 7: Het afdekken van het verzorgingsgebied met 1 zendlokatie ( <100Watt ERP ).

De huidige situatie, zoals de test momenteel draait in Leiden is te zien in figuur 7. Deze oplossing is een prima alternatief om het gewenste gebied naar best effort te voorzien van radiodekking. Een DAB+ netwerk met slechts 1 zendlocatie is erg kostenefficiënt. De geschatte kosten voor dit netwerk zijn ca. 2300 euro/jaar voor operationele kosten en eenmalig 3500 euro voor de aanschaf van de apparatuur. De installatie is niet meegenomen ( testlocatie draait reeds ).

Mogelijkheid 2

het hergebruik van de testlocatie met 26dBW :
In de simulatie van dit netwerk is de huidige testlocatie als zendlocatie gebruikt, echter wel met een ERP vermogen van 350/400Watt.

het hergebruik van de testlocatie met 26dBW :
In de simulatie van dit netwerk is de huidige testlocatie als zendlocatie gebruikt, echter wel
met een ERP vermogen van 350/400Watt.

Dit netwerk voldoet ook aan de gestelde eisen,echter is het gebied ten oosten van Alphen aan de Rijn slecht te bedekken vanuit Leiden. Een DAB+ netwerk met slechts 1 zendlocatie is erg kostenefficiënt. De geschatte kosten voor dit netwerk zijn ca. 3000 euro/jaar voor operationele kosten en eenmalig 5500 euro voor de aanschaf van de apparatuur. De installatie/huur is niet meegenomen.

Mogelijkheid 3

Het hergebruik van de testlocatie met (20dBW) + Alphen a/d Rijn (20dBw)

figuur 9: De outdoor radiodekking met 2 zendlokaties ( 20dBW ).

Een DAB+ netwerk met 2 zendlokaties.
Volgens een simulatie met 2 stuks zendlokaties kan de de beoogde outdoor radiodekking aanzienlijk worden verbeterd, echter schiet deze in het dunbevolkte buitengebied tussen Boskoop en Hazerswoude tekort. Echter moet er ook naar populatiedekking gekeken worden. Een ander punt van zorg is het gebied van Noordwijk tot aan Hillegom, dit gebied is lastig gedekt te krijgen vanuit Leiden. Na optimalisatie is dit iets te verbeteren, maar eigenlijk dient dit met een hoger ERP of hogere antennehoogte ( niet mogelijk ) van zendlokatie Leiden te geschieden. Er dient tenminste 6dB meer uitgangsvermogen te worden gemaakt. Echter komt dan de spectrum (trunking) efficiency in het geding ( herhalingsafstand <40Km ). De geschatte kosten voor dit netwerk zijn ca. 6000 euro/jaar voor operationele kosten eneenmalig 11000 euro voor de aanschaf van de apparatuur. De installatie/huur is niet meegenomen.

Mogelijkheid 4

Een SFN met 3 zenderlokaties ( 20dBW)

Een andere oplossing is het gebruiken van 3 zendlocaties, waarbij de symmetrie van de radiodekking van steeds groter belang wordt. Deze 3 zendlocaties zullen in co-channel SFN modus moeten opereren ( dit is het meest efficiënt ). Bij co-channel netwerken treedt op de equal power grenzen van de dekkingsgebieden interferentie op. Deze equal power grenzen zijn het kleinst indien de zendlocaties een uniform dekkingsgebied hebben. Met andere woorden, iedere zendlocatie dekt evenveel kilometers. Asymmetrie in de radiodekking levert grotere interferentie gebieden op, waarbij verlies van service optreedt. Symmetrie moet zoveel mogelijk worden gewaarborgd, bijvoorbeeld door het ERP vermogen aan te passen. Veel beter is om homogeniteit te borgen met de antenne hoogte van het desbetreffende opstelpunt.

Er is een netwerk gesimuleerd met daarin 3 low power (<50dBm ) zendlocaties:

  • Leiden, eschertoren ( bestaande DAB+ zend locatie. 57 meter DAB+ 50dBm ERP ).
  • Alphen aan den Rijn ( bestaande FM zend locatie studio Alphen. DAB+ 50dBm ERP ).
  • Fictieve locatie Noordwijk. ( 25 meter hoog DAB+ 50dBm ERP ).

figuur 10: De radiodekking met een SFN netwerk bestaande uit 3 zendlocaties.

Dit fictieve netwerk geeft aanzienlijke verbetering in de gestelde eisen, namelijk outdoor radiodekking in het verzorgingsgebied van de lokale omroepen. In deze predictie is de zendlocatie Leiden geoptimaliseerd ( azimuth ) en het ERP vermogen is met 2 dB verhoogd ( 150W ERP ).

Hiermee worden 2 problemen geadresseerd:

  • het dekkingsgebied tussen Katwijk en Noordwijk ( ligt in een kom ).
  • Het dekkingsgebied tussen Boskoop en Hazerswoude Rijndijk.

Figuur 11: Het servicegebied met 3dB C/I equal power grenzen.

De simulatie van het netwerk met 3 SFN zendlocaties toont duidelijk de equal power grenzen waar slechts 3dB Carrier over Interferer (C/I) gehaald wordt. Bij DAB+ betekent dit verlies van service ( geen geluid ). Deze slechtere C/I gebieden zijn echter onontkoombaar in een SFN netwerk, maar wel te verbeteren door DAB+ parameter optimalisatie. Ook kan er gekozen worden om de fading marge te verhogen, waardoor de kans op serviceverlies in de witte gebieden binnen het verzorgingsgebied kleiner worden. Echter betekent dit effectief dat het ERP vermogen van de zenders dient te worden verhoogd. De hoogte van de zendlocaties ligt immers vast. Het co-channel servicegebied is sowieso kleiner dan wanneer er geen co-channel transmissie zou plaatsvinden.

De geschatte kosten voor dit netwerk zijn ca. 9000 euro/jaar voor operationele kosten en eenmalig 16500 euro voor de aanschaf van de apparatuur. De installatie/huur is niet meegenomen.

Mogelijkheid 5

Een SFN met 6 zenderlokaties ( 20dBW)

Er is ter test een netwerk gesimuleerd met maar liefst 6 low power ( 43dBm ) opstelpunten met een hoogte van 30 meter. Hierbij zijn zoveel mogelijk de locaties van huidige zenders van de lokale omroepen meegenomen.

  • Leiden, eschertoren ( DAB+ locatie. 30 meter ( hoogte fictief ) DAB+ 43dBm ERP ).
  • Alphen aan den Rijn ( bestaande FM zend locatie studio Alphen. DAB+ 43dBm ERP ).
  • Noordwijk. ( 30 meter hoog DAB+ 43dBm ERP ).
  • Katwijk. ( 30 meter hoog DAB+ 43dBm ERP ).
  • Hazerswoude Rijndijk ( 30 meter hoog DAB+ 43dBm ERP ).
  • Roelofarendsveen ( 30 meter hoog DAB+ 43dBm ERP ).

figuur 12: Een co-channel netwerk bestaande uit 6 zendlokaties ( alle lokale omroepen ).

De outdoor radiodekking van dit netwerk is goed te noemen, er wordt praktisch overal aan de outdoor norm voldaan ( oranje gebied -70dBm, bij 95% kans op dekking naar plaats en tijd).

figuur 13: Het verzorgingsgebied met een C/I grens van 3dB.

Er zijn geen extreme service degradaties te zien ten gevolge van een verhoogde C/I. Dit is duidelijk te wijten aan de homogene opzet van dit netwerk. ( 30 meter , 25 Watt ERP ). In de praktijk is het echter heel erg lastig om met zendlokaties van ca. 30 meter een voorspelbaar co-channel netwerk te creëren. Veel onvoorziene effecten zoals shadowing en multipath ( via hoge gebouwen ) verslechteren het gepresenteerde beeld in figuur 11. Het is ook erg moeilijk om de homogeniteit van de radiobedekking van de zendlokaties te borgen. Dit dient getoetst te worden met behulp van een meting. In de praktijk zal de radiodekking van een netwerk zoals geschetst tegen kunnen vallen dit in verband met de complexiteit.

De geschatte kosten voor dit netwerk zijn ca. 10200 euro/jaar voor operationele kosten en eenmalig 30000 euro voor de aanschaf van de apparatuur. De installatie/huur is niet meegenomen.

Conclusie

Om een eventuele conclusie te verduidelijken is er een beslissingsmatrix gemaakt ( Kepner & Tregoe ).

Figuur 14: Beslissing matrix volgens de Kepner en Tregoe methodiek.

De beslissingsmatrix laat heel duidelijk zien dat maximale dekking en laagste kosten niet altijd samengaan. Echter de spectrale ( trunking )efficiëntie is er wel mee gemoeid. De 2 site 20dBW SFN heeft een hogere trunking efficiency ( Herhalingsafstand ), maar een slechtere radiodekking dan de 46dBW single site oplossing. De SFN netwerken hebben een lagere dekkingsgraad dan de single site netwerken in verband met de interferentie gebieden tussen de zendlocaties.

Tevens hebben de SFN netwerken de eigenschap dat deze tamelijk complex zijn in onderhoud en in de roll-out fase. De datatransmissie bij SFN netwerken is duurder dan bij single site netwerken. De synchroniciteit van de zendinstallaties en de synchroniciteit van het audiotransport is van groot belang.

De meest optimale keuze uit de matrix is door het meeste groen en geel te kiezen en het minste rood. Hierbij mag de zwaarte bijvoorbeeld op radiodekking of kosten worden gelegd. De keuze is uiteraard niet aan ons.

Wij hopen dat dit document als leidraad gebruikt gaat worden voor een toekomstige keuze van het DAB+ netwerk in de betreffende regio.

Dankwoord

Wij willen onze dank uitspreken aan de volgende personen/partijen. Zonder deze personen of partijen was het onmogelijk geweest om zowel de DAB+ test als dit document te realiseren.

Onze dank gaat uit naar Gerard Ritsema van het ministerie van economische zaken voor zijn flexibiliteit en het zeer snel beschikbaar stellen van de testvergunning.

Wij danken Fred van Laar, Dutch Telecom Broadcast Support voor het mogen gebruiken van de Anritsu coverage test set.

Luba bv.voor het beschikbaar stellen van de zendlocatie.

Ik dank ook alle meewerkende omroepen en personen:

  • Studio Alphen
  • KBRadio. Kaag en Braasem
  • RTVKatwijk
  • BO
  • Unity FM
  • Sleutelstad FM

Verder wil ik met nadruk mijn mede collegae, Henk van Ulden en Hans Disseveld danken voor hun tomeloze inzet en effort om dit project mogelijk te kunnen maken. Zonder deze personen was dit initiatief nooit en te nimmer tot stand gekomen.

Evert Verduin

DAB+ Testuitzending Leiden Eindrapport 2017 (PDF)

 

Literatuur lijst/verwijzingen

SFN frequency planning and network implementation:

https://tech.ebu.ch/docs/techreports/tr024.pdf

DAB+ Signal propagation in Tunnels:

https://tech.ebu.ch/docs/techreview/2017-03-10_DAB%20in%20Tunnels_RAI.pdf

Digital radio sensitivity:

https://www.ofcom.org.uk/__data/assets/pdf_file/0024/54717/annex-j.pdf

Radio Mobile Open Source RadioPlanning tool:

http://www.ve2dbe.com/english1.html

Digital Audio Broadcasting (DAB); Signal strengths and receiver parameters:

http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/101700_101799/101758/02.01.01_60/tr_101758v020101p.pdf

Opendigital Radio. Open Source DAB+ broadcasting tools:

https://www.opendigitalradio.org/mmbtools

 

Bij dit document kan op aanvraag worden verkregen:

  • Beslissingsmatrix
  • Radio design parameters
  • Drivetest data
  • Predictie files

 

Top