نظام نقل البيانات الموزع

في البث التلفزيوني الرقمي الأرضي في أمريكا الشمالية ، يُعد نظام الإرسال الموزع ( DTS أو DTx ) شكلاً من أشكال الشبكات أحادية التردد، حيث تُنقل إشارة بث واحدة عبر الموجات الدقيقة أو الخطوط الأرضية أو الأقمار الصناعية للاتصالات إلى مواقع متعددة لأجهزة إرسال الراديو الأرضية المتزامنة . ثم تُبث الإشارة في وقت واحد على نفس التردد في أجزاء متداخلة مختلفة من نفس منطقة التغطية، مما يجمع فعلياً العديد من أجهزة الإرسال الصغيرة لتوليد منطقة بث تُضاهي منطقة جهاز إرسال كبير واحد، أو لسد فجوات التغطية الناتجة عن التضاريس أو العوائق المحلية.

على الرغم من أن فكرة شبكة تردد واحد تضم عدة أجهزة إرسال تبث نفس البرامج على نفس القناة من مواقع إرسال متعددة ليست مفهومًا جديدًا، إلا أن معيار ATSC للتلفزيون الرقمي المستخدم في أمريكا الشمالية لم يُصمم لهذا النمط من التشغيل، وكان غير ملائم لهذه التطبيقات. فقد حالت متطلبات التوقيت الصارمة وضعف معالجة تداخل المسارات المتعددة في تطبيقات ATSC المبكرة دون وجود عدة أجهزة إرسال متزامنة على نفس التردد عند أول نشر تجاري واسع النطاق لتقنية ATSC عام 1998؛ وقد خُففت هذه القيود نوعًا ما مع تطور تصميم أجهزة الاستقبال في السنوات اللاحقة. وبحلول عام 2004، توفرت تقنية تُمكّن أجهزة استقبال التلفزيون الرقمي من اكتشاف تداخل المسارات المتعددة الثابت (غير المتحرك أو المتغير) (مع مراعاة قيود زمنية معينة) والتعويض عن آثاره على الإشارة الرقمية.

أُجريت اختبارات من قِبل العديد من محطات البث الفردية أو مجموعات البث، بما في ذلك تحالف متروبوليتان للتلفزيون (MTVA، وهو اتحاد لمحطات التلفزيون في مدينة نيويورك). [ 1 ^{] أُنجزت سلسلة} من الاختبارات الأولية التي شملت أربعة مواقع بث موزعة وأكثر من 100 موقع قياس اختبار في مدينة نيويورك ونيوجيرسي في يونيو 2008، إلى جانب اختبارات أصغر نطاقًا في نيويورك عام 2007. يُعد سوق نيويورك سوقًا فريدًا من نوعه يُمثل تحديًا لاستقبال الإشارات متعددة المسارات نظرًا للعدد الكبير من العوائق التي صنعها الإنسان والتي تمنع التغطية الرقمية الكافية للمدينة بأكملها من مرافق البث الرئيسية أعلى مبنى إمباير ستيت .

بالنسبة للمستقبل، تظهر الإشارة من شبكة أحادية التردد كبث واحد مع تداخل قوي متعدد المسارات ؛ في أسوأ الأحوال، يتم اكتشافها كإشارة رئيسية وانعكاس متساويين في القوة حيث تصل الإشارات من أجهزة إرسال متعددة إلى نفس الموقع الوسيط في أوقات مختلفة قليلاً.

يستخدم معيار ATSC المستخدم للتلفزيون الرقمي في أمريكا الشمالية، على عكس معيار DVB - T في أوروبا ودول أخرى، 8VSB بدلاً من OFDM - وهو تعديل سمح للمحطة بالبث عند مستويات طاقة ذروة أقل، ولكنه كان تاريخيًا أقل كفاءة بكثير في التعامل مع انعكاسات المسارات المتعددة وتداخل الترددات اللاسلكية .

بدأ أول انتشار تجاري واسع النطاق للتلفزيون الرقمي ATSC في الولايات المتحدة عام 1998، وكانت المحطات في أكبر الأسواق (بما في ذلك مدينة نيويورك، التي كانت تبث عبر أجهزة إرسال فوق مركز التجارة العالمي ) من أوائل من تبنوا هذه التقنية. كانت أجهزة الاستقبال الرقمية في ذلك الوقت، على الرغم من ارتفاع تكلفتها، ضعيفة الإمكانيات للتعامل مع الإشارات المنعكسة، وهو عيب كبير في البيئات الحضرية. وقد حسّنت الأجيال اللاحقة من تصميم أجهزة الاستقبال هذه القيود بشكل ملحوظ؛ فبحلول عام 2004، توفرت تقنية لبناء أجهزة استقبال قادرة على اكتشاف ومعالجة ظروف التداخل متعدد المسارات الثابتة، حيث يكون صدى واحد أضعف بمقدار 10 ديسيبل (ضمن فرق زمني قدره 30 ميكروثانية) أو بنفس القوة (أسوأ حالة، ولكن ضمن نطاق 12 ميكروثانية). ^{[ 2 ]}

إذا أمكن الحفاظ على تزامن أجهزة الإرسال بدقة كافية وتقاربها الجغرافي بما يكفي للعمل ضمن هذه الحدود، فسيكون من الممكن إنشاء شبكة أحادية التردد باستخدام تصميم جهاز الاستقبال الجديد حتى مع معايير البث الرقمي ATSC الحالية في أمريكا الشمالية. ^{[ 3 ]}

أُجريت الاختبارات الأولية لمحطة WPSX-TV التعليمية العامة التابعة لجامعة ولاية بنسلفانيا (التي تُعرف الآن باسم WPSU-TV) في عام 2003 ^{[ 4 ].} كانت WPSU محطة تناظرية تعمل على تردد VHF 3، وتخدم مدينة ستيت كوليدج بولاية بنسلفانيا من جهاز إرسال بعيد، وكان من المفترض أن يغطي أيضًا مدينتي جونزتاون وألتونا . وبصفتها محطة رقمية، استخدمت WPSU جهاز إرسال UHF 15 كبيرًا في موقع برج البث الأصلي ذي التردد المنخفض VHF ، مما أدى إلى مشاكل محلية تتعلق بحجب التضاريس ، الأمر الذي أعاق استقبال إشارة UHF في ستيت كوليدج نفسها. وكان من شأن نقل جهاز الإرسال الرئيسي أن يؤثر على قدرة المحطة على خدمة المدينتين الأخريين. وقد أثبتت إضافة جهاز إرسال تلفزيوني رقمي متزامن صغير (50 كيلوواط ) في ستيت كوليدج، على نفس تردد إشارة UHF 15 الرئيسية، أنها وسيلة لتحسين الاستقبال؛ ويمكن تحقيق المزيد من التحسينات بإضافة أجهزة إرسال صغيرة مشتركة القناة بقدرة 50 كيلوواط في كل مدينة من المدن التي ستُخدم.

أصدرت لجنة معايير الاتصالات الأمريكية (ATSC) معايير في 25 سبتمبر 2004، كإرشادات لتصميم أجهزة إرسال متعددة، وشبكات أحادية التردد، وشبكات متعددة الترددات. ^{[ 5 ]} تضمنت معايير 2004 الجديدة ما يلي:

• A/110A، "معيار التزامن للإرسال الموزع، المراجعة أ"
• A/111، "تصميم شبكات الإرسال المتعددة المتزامنة" ^{[ 6 ]}

شملت المشكلات التقنية التي تم تناولها مسألة التزامن بين أجهزة الإرسال ( حيث استُخدم نظام تحديد المواقع العالمي GPS لتوفير تردد مرجعي 1 هرتز و10 ميجاهرتز، بالإضافة إلى معلومات التوقيت) والتحكم الدقيق في الترددات المرسلة (في حدود 1 هرتز). كان من الضروري تضمين تعريف لكل جهاز إرسال على حدة في الإشارة لأغراض استكشاف الأخطاء وإصلاحها، ومع ذلك، يجب أن يكون تدفق البيانات الرئيسي على كل جهاز إرسال متزامن متطابقًا؛ ويتم ذلك بإضافة إشارة ثانية ذات معدل بت منخفض، ذات طيف منتشر، أضعف بمقدار 27-30 ديسيبل من الإشارة الرئيسية. ولأن مُعرّف "العلامة المائية" هذا مُدمج تحت الإشارة الرئيسية الأقوى، فإنه يمكن استقبال نسخ متعددة من هذا المُعرّف نفسه وجمعها لتوفير نسخة قابلة للقراءة من العلامة المائية لفنيي البث. في الوقت نفسه، سيستقبل جهاز الاستقبال القياسي الإشارة نفسها من جميع أجهزة الإرسال بحكم تصميمه.

يجب أن تتطابق بيانات غير MPEG المُولَّدة كجزء من طبقة النقل (مثل موضع مزامنة الإطار المُرسَل، أو الحالة الأولية لأجهزة ترميز الشبكة) بدقة بين كل جهاز إرسال متزامن. على الرغم من تجاهل هذه البيانات بعد فك تشفير الإشارة المُستقبَلة، إلا أن أي عدم تطابق قد يُسبب تداخلًا بين إشارات القناة المشتركة. لذا، يلزم إضافة حزمة إرسال موزعة إضافية "للعمليات والصيانة" (OMP، مُعرِّف الحزمة PID:0x1FFA) إلى بيانات ATSC في الاستوديو، وتُستخدم للتحكم في مختلف المعايير اللازمة لتكوين ومزامنة أجهزة الإرسال الفردية.

يجب اختيار موقع كل جهاز إرسال ونمطه الاتجاهي ومستويات طاقته بعناية فائقة، إذ يخضع نظام ATSC لقيود صارمة للغاية على الحد الأقصى للفارق الزمني بين وصول نسخ متعددة من الإشارة نفسها إلى جهاز الاستقبال. في المناطق التي تعاني من ضعف الاستقبال، يمكن تحقيق تحسينات ملحوظة، ولكن يتطلب ذلك تصميمًا دقيقًا لتشغيل أجهزة إرسال متعددة تعمل على نفس القناة دون حدوث تداخل هدّام. ^{[ 7 ]}

أظهرت اختبارات إضافية أجرتها محطة WNJU التابعة لشركة تيليموندو ، بالتعاون مع Ion TV وشركة Richland Towers المالكة لأبراج البث، باستخدام جهاز إرسال رئيسي واحد في نيوجيرسي وجهاز إرسال ثانوي DTS في تايمز سكوير ^{[ 8 ]} عام 2007، أنه من بين 15 موقعًا تجريبيًا لاستقبال المحطة في مدينة نيويورك، سيشهد 40% منها تحسنًا ملحوظًا في الإشارة بإضافة جهاز إرسال ثانٍ إلى المحطة الحالية، ^{[ 9 ]} بينما ستحصل جميع المواقع باستثناء موقع واحد على الأقل على نفس جودة الإشارة التي لوحظت بدون نظام إرسال موزع. ^{[ 10 ]} وكان من المقرر أن يُجري تحالف متروبوليتان للتلفزيون في نيويورك اختبارات مماثلة، ولكن على نطاق أوسع، في عامي 2007 و2008. ^{[ 11 ]}

على الرغم من أن لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية قد دعمت نظام DTS من حيث المبدأ منذ عام 2004، إلا أن دعوة اللجنة للتعليق العام في نهاية عام 2005 قد حظيت بمجموعة واسعة من الردود في أوائل عام 2006، تراوحت بين دعم قوي من قبل مجموعات مثل الرابطة الوطنية للمذيعين ^{[ 12 ]} ومعارضة واسعة النطاق من قبل مجموعات تدعو إلى الاستخدام المجاني لـ "المساحات البيضاء" (ترددات البث غير المستخدمة) ^{[ 13 ]} لأغراض غير البث ^{[ 14 ]} مثل البيانات اللاسلكية. ^{[ 15 ]}

منحت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) ترخيصًا تقنيًا خاصًا لمدة ستة أشهر لمحطة WTVE في ريدينغ، بنسلفانيا، في ديسمبر 2006، مما سمح لها بتشغيل نظام إرسال موزع على أساس تجريبي، لكنها لم ترخص هذه الأنظمة بشكل دائم في ذلك الوقت. ^{[ 16 ]}

أدى اختبار سوقي برعاية لجنة الاتصالات الفيدرالية في ويلمنجتون، بولاية كارولاينا الشمالية، إلى إيقاف جميع البث التجاري التناظري بكامل طاقته ظهر يوم 8 سبتمبر/أيلول 2008. ورغم كثرة المكالمات الواردة من المشاهدين، إلا أنها كانت عبارة عن استفسارات مباشرة حول تركيب الهوائيات والمحولات، أو ضرورة البحث عن القنوات قبل مشاهدة التلفزيون الرقمي. في المقابل، ركزت مئات المكالمات الأخرى على مشكلة أكثر تعقيدًا. فقد توقف مشاهدو محطات البث منخفضة التردد VHF ذات الطاقة الكاملة، مثل WECT ( NBC 6 ويلمنجتون)، التي كانت إشارتها التناظرية تصل إلى أطراف ميرتل بيتش ، عن استقبال المحطة، حتى مع وجود المحول وتركيب الهوائي بشكل صحيح. وقد أدى الانتقال إلى تردد UHF 44 وموقع إرسال مختلف إلى تقليص منطقة تغطية WECT بشكل كبير ^{[ 17 ]} ، وبالنسبة للكثيرين ممن كانوا لسنوات طويلة على أطراف نطاق إشارة NBC 6 التناظرية، فقد انتهى بث WECT تمامًا. ^{[ 18 ]}

في 7 نوفمبر 2008، أصدرت لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) قرارًا بالموافقة على استخدام أنظمة البث الموزعة من قبل محطات البث التلفزيوني الرقمي الأرضي، مع مراعاة قيود مختلفة. ^{[ 19 ]} يسمح هذا القرار لمحطات البث بالتقدم بطلبات للحصول على تراخيص استخدام أنظمة البث الموزعة لتغطية المناطق التي كانت تُغطى سابقًا بالبث التلفزيوني التناظري، دون توسيع نطاق التغطية خارج منطقة التغطية التناظرية الحالية. كما يحظر على محطات البث اختيار منطقة تغطية محددة بحيث تغطي المناطق الحضرية على حساب المناطق الريفية.

جاء هذا الإعفاء متأخراً جداً بحيث لا يسمح بإنشاء وتشغيل مرافق نظام نقل البيانات الرقمي المقترحة حديثاً قبل إيقاف التشغيل التناظري الذي فرضه القانون الفيدرالي في عام 2009. ^{[ 20 ]}

اقترحت جمعية الإلكترونيات الاستهلاكية وجمعية صناعة الاتصالات اللاسلكية (CTIA) في ديسمبر 2009 إلزام جميع المحطات باستخدام هذه الطريقة، حتى تتمكن الشركات التي تمثلها من استخدام المساحة المتبقية في نطاق التلفزيون لخدمات النطاق العريض للهواتف المحمولة . وعلى عكس التحول إلى التلفزيون الرقمي في الولايات المتحدة ، لا تقترحان إلزام المحطات بدفع تكاليف ذلك، على غرار ما حدث مع خدمة البث المساعدة بتردد 2 جيجاهرتز التي أُجبرت على الانتقال من قبل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC)، ولكن فقط بعد أن عوضت الشركة المستفيدة ( سبرينت نيكستل ) محطات البث عن الاستيلاء التنظيمي . ^{[ 21 ]}

في بورتوريكو ، قامت محطة WSTE 7 "Super Siete" المستقلة عن اللغة الإسبانية بتشغيل العديد من أجهزة الإرسال التناظرية على نفس التردد لتغطية أجزاء مختلفة من نفس الجزيرة؛ وقد أظهر هذا النظام القيود الناتجة عن التداخل بين أجهزة الإرسال إذا كانت جميعها تعمل في وقت واحد.

في ولاية بنسلفانيا ، حصلت محطة WTVE المستقلة على ترخيص لبث برامجها في مدينة ريدينغ ، على الرغم من أن جمهورها الرئيسي يتركز في فيلادلفيا . ويتيح لها نظام البث الموزع الآن تعديل منطقة تغطيتها لتحسين التغطية في المناطق التي تكون فيها إشارتها ضعيفة حاليًا .

في ولاية فرجينيا، تشغل محطتا WVPT و WVPY التلفزيونيتان العامتان ما مجموعه خمسة أجهزة إرسال متزامنة إضافية على نفس القناة لتغطية المناطق التي تحجبها الجبال عن جهازي إرسال رئيسيين يعملان بترددات VHF/UHF؛ ويمكن لمجموعة من أجهزة الإرسال الرقمية المتزامنة التي تبلغ تكلفتها 100,000 دولار أمريكي أن تحل محل الخدمة التي يقدمها نفس العدد من أجهزة إعادة البث التناظرية التقليدية ، كما أنها تتيح بث المواد التعليمية ليلاً إلى 188 مدرسة في المنطقة . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

في نيو مكسيكو ، تقترح محطة KTDO التابعة لشبكة تيليموندو تقنية البث الرقمي عبر الأقمار الصناعية (DTS) كوسيلة لربط محطة بث تلفزيوني رقمي منخفضة الطاقة تعمل حاليًا في منطقة ترخيصها ( لاس كروسيس ) بمحطة ثانية تقع على قمة جبل يطل على مدينة إل باسو بولاية تكساس، وذلك بهدف الوصول إلى جمهور أوسع. ^{[ 24 ]}

في ولاية ميسوري ، تدير محطة KRBK التابعة لشبكة FOX نظام DTS لخدمة سوق سبرينغفيلد، ميسوري، من خلال 5 نقاط بث موزعة حول منطقة سبرينغفيلد الإعلامية. وقد بدأ بث هذا النظام في أواخر عام 2011.

في ألاسكا ، تعمل محطة KAUU التابعة لشبكة CBS في أنكوريج بموارد ومعدات محدودة، وتغطي منطقة واسعة قليلة السكان تضم العديد من محطات إعادة البث الصغيرة . ورغم أن تزامن إشارات البث ليس مشكلة (إذ يقع التداخل بين الإشارات بالكامل في مناطق غير مأهولة)، فإن إمكانية إعادة استخدام عدة أجهزة إرسال صغيرة قد تُمكّن المحطة من تجنب تكلفة بناء جهاز إرسال رئيسي كبير ومكلف لإشارتها الرقمية.

• ATSC
• مترجم البث
• MediaFLO (وهي أيضًا شبكة أحادية التردد ، ولكنها تستخدم تقنية OFDM )
• 8VSB