Sendernetzstrukturen und Kosten für flächendeckende DVB-T-Versorgung

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1 Bericht Nr. B 174 / 2001 Sendernetzstrukturen und Kosten für flächendeckende DVB-T-Versorgung Inhalt: Bei der Einführung neuer digitaler terrestrischer Übertragungssysteme wie T-DAB oder DVB-T sind auf der Senderseite die mit der Programmverbreitung verbundenen Kosten von besonderem Interesse. Auch wenn sich wie bei DVB-T je nach Variante mehrere Programme in einem 8 MHz breitem TV-Kanal unterbringen lassen, kann nicht von vornherein von einer Kostenersparnis ausgegangen werden, da die Kosten für die neue Gerätetechnik und ein dichteres Sendernetz diese Vorteile schnell zunichte machen können. Erste Untersuchungen der Landesanstalt für Kommunikation in Baden-Württemberg (LfK) haben so auch die ursprünglichen Erwartungen gedämpft, wenn als Versorgungsziel der portable Empfang im Hause angestrebt wird. Im vorliegenden Bericht wird am Beispiel Schleswig-Holsteins untersucht, welcher Versorgungsgrad sich mit dem dort bestehenden Sendernetz und dem Versorgungsziel "portabler Empfang im Hause" erreichen lässt. Daraus lassen sich dann Rückschlüsse auf die zu erwartenden Kosten herleiten. Es zeigt sich, dass sich auf der Basis der DVB-T-Variante 16QAM, R=2/3 mit dem bestehenden Netz Versorgungswahrscheinlichkeiten von 70% für portablen Empfang im Hause erreichen lassen. Höhere Versorgungsgrade, z. B. 95% lassen sich nur mit anderen Sendernetzstrukturen, wie Gleichwellennetzen, sinnvoll und kostengünstig realisieren. München, März 2001 Verfasser: Jürgen Frank Verteiler: PTKO ARD/ZDF/DLR/ORF/SRG Arbeitsgruppe Rundfunkversorgung Leiter Fernsehbetrieb Leiter Hörfunkbetrieb Leiter Senderbetrieb AKO Gerd Petke INSTITUT FÜR RUNDFUNKTECHNIK GmbH Prof. Dr. Gerd Bock

2 1. Einleitung Die bestehenden analogen Sendernetze für Hörrundfunk und Fernsehen sind in der Vergangenheit für eine weitgehend flächendeckende Versorgung ausgelegt worden. Die dafür erforderliche Senderdichte stellt einen beachtlichen Kostenfaktor bei der Programmverbreitung dar. So sind für die Verbreitung der drei öffentlich rechtlichen Programme (ARD, ZDF und Dritte) etwa 320 Grundnetzsender und mehr als 8000 Füllsender in Betrieb. Bei der Umstellung auf digitales terrestrisches Fernsehen besteht natürlich der Wunsch bei der Programmverbreitung Kosten zu sparen. Im IDR (Initiative Digitaler Rundfunk) bestand Konsens darüber, dass sich bei DVB-T etwa 50% der Kosten per Programm einsparen lassen könnten, wenn die Zahl der Sender sich für das angestrebte Versorgungsziel nicht nennenswert erhöht, d. h. die Sendernetzstruktur der neuen digitalen Dienste wird die zukünftigen Kosten stark beeinflussen. Zur Abschätzung der mit der Einführung von DVB-T verbundenen Gesamtkosten wurden daher in jüngerer Zeit wiederholt Kostenanalysen durchgeführt, denen bestimmte Sendernetzstrukturen zugrunde gelegt wurden. So hat die Landesanstalt für Kommunikation (LfK) in Baden-Württemberg im Jahre 1999 bereits eine Untersuchung zu den Verbreitungskosten von DVB-T für die Region Stuttgart veröffentlicht. Wegen des topografisch schwierigen Geländes war eine Extrapolation der dort benötigten Netzstruktur auf Gesamtdeutschland nicht möglich. Daher wurden in einer weiteren Untersuchung die Verbreitungskosten für das Bundesland Schleswig-Holstein ermittelt, das weitgehend eben ist und damit auch die Anwendung einfacherer Feldstärkevorhersageverfahren (z. B. ITU- R-Empf. 370) erlaubt. Der mit einer gewählten Sendernetzstruktur erzielbare Versorgungsgrad hängt u. a. sehr stark von der gewählten DVB-T-Variante ab. Am Beispiel des Bundeslandes Schleswig-Holstein soll aufgezeigt werden inwieweit mit der vorhandenen Infrastruktur eine flächendeckende Versorgung erreicht werden kann. Als DVB-T- Variante wird für die nachfolgenden Untersuchungen 16QAM mit der Coderate 2/3 gewählt. Dieser Variante liegt ein C/N-Wert von 17 db zugrunde und sie erlaubt das Übertragen einer Bitrate von 13.3 Mbit/s. Es wird davon ausgegangen, dass sich mit dieser Bitrate 4 Programme in einem 8 MHz breitem TV-Kanal unterbringen lassen. 2. Analoge Versorgungssituation Ausgangsbasis in der LfK-Studie ist die derzeitige Situation für das zweite Programm (ZDF). Es wird gezeigt, dass sich mit den 9 in Schleswig-Holstein in Betrieb befindlichen analogen Sendern eine flächendeckende Versorgung erreichen lässt. Dabei wird für die Ermittlung der Versorgungsgrenzen die sogenannte Mindestfeldstärkekontur zugrunde gelegt, welche die Reichweite in Abwesenheit von Störungen bestimmt. Da keine Störer berücksichtigt werden, ist dieser Wert im allgemeinen zu optimistisch. Die Beschreibung der Versorgungsgrenzen durch die sogenannte Interferenzkontur, bei der alle potentiellen Störer berücksichtigt werden, kommt der tatsächlichen Situation im allgemeinen deutlich näher. Bild 1 zeigt die analoge Versorgung für Schleswig Holstein unter der Berücksichtigung von Interferenzen. Das Bild zeigt deutlich, dass sich mit den zugrunde liegenden Strahlungsleistungen (Tabelle 1) bei der theoretischen Bestimmung der Interferenzkonturen Versorgungsdefizite im Raum Neumünster-Heide- Itzehoe ergeben. Die Gründe für diese Versorgungsdefizite liegen auch hier wieder in der angenommenen Topografie. Das Feldstärkevorhersageverfahren auf der Basis der ITU-R-Empfehlung 370 setzt u. a. eine bestimmte Geländerauhigkeit voraus, die durch den sogenannten h-wert beschrieben wird. Dieser Wert wird zu 50 m angenommen. In weiten Teilen Schleswig-Holsteins ist dieser Wert jedoch noch unter 10 m. Für die Empfangsnutzfeldstärke ergeben sich damit je nach Entfernung deutlich höhere Werte. Tatsächlich sind die genannten Versorgungsdefizite auch nicht vorhanden. Seite 2

3 3. Digitale Versorgung Bei der Betrachtung der digitalen Versorgung muss zwischen Startphase, Übergangszeit und dem Endzustand unterschieden werden. Start- und Übergangsphase sind dadurch gekennzeichnet, dass Sender gemäss dem Abkommen von Chester (CH97) von analog auf digital umgestellt werden. Dabei können aus einem analogen Sender auch mehrere digitale Sender werden, die in einem kleinzelligen SFN arbeiten. Auch freie Frequenzen (z. B. Kanäle oberhalb K 60) könnten dazu verwendet werden. Bei der Umstellung der analogen Sender auf digital gemäß Chester muss deren Leistung um 7 db reduziert werden (Tabelle 1). Nach Umstellung aller Sender wäre diese Reduktion nicht mehr erforderlich, falls alle digitalen Sender ihre Leistung um diesen Betrag anheben. Im Endzustand soll die flächendeckende Versorgung durch großflächige Gleichwellennetze realisiert werden. Dieses Ziel lässt sich nur mit einer Revision des Stockholmer Abkommens von 1961 erreichen, da wie erwähnt die gegenwärtige Netzstruktur nur kleinzellige SFNs zulässt und weitere Frequenzressourcen im allgemeinen nicht vorhanden sind. Mit einem Inkrafttreten eines revidierten Stockholmer Abkommens vor dem Jahr 2010 ist kaum zu rechnen. Erst dann können Programme flächendeckend realisiert werden. In der Übergangsphase werden kaum mehr als 12 Programme realisiert werden können. 4. Übergangsphase Zunächst soll die Übergangsphase, die auch der LfK-Studie zugrunde liegt, betrachtet werden. Mit dem Versorgungsziel "portabler Indoor-Empfang" und der DVB-T- Variante 16QAM, R=2/3 liegen die Werte für die Mindestfeldstärke (Tabelle 2) deutlich über denen für analoges Fernsehen. Bild 2 zeigt die DVB-T-Versorgung von Schleswig-Holstein mit 9 Sendern auf der Basis der ITU-R-Ausbreitungskurven für 70% Ortswahrscheinlichkeit. Es sind sowohl Mindestfeldstärke- als auch die Interferenzkonturen dargestellt. Nennenswerte Unterschiede zwischen beiden Konturen sind kaum vorhanden. Die theoretischen Versorgungslücken sind selbst für 70% Versorgungswahrscheinlichkeit erkennbar größer als die beim analogen Fernsehen. In Bild 3 ist zusätzlich die Versorgung für 95% Ortswahrscheinlichkeit dargestellt (innere Konturen). Mit Hilfe einer auf topografischen und morphografischen Daten basierenden Versorgungsberechnung, welche die günstigeren Ausbreitungsverhältnisse besser berücksichtigt, lassen sich realistischere Aussagen machen. Bild 4 zeigt, dass sich für eine Versorgungswahrscheinlichkeit von 70% mit den vorhandenen Standorten nur geringe Versorgungsdefizite ergeben. Für eine Versorgungswahrscheinlichkeit von 95% reicht die vorhandene Sendernetzstruktur dagegen nicht aus (Bild 5). Die Versorgung für ortsfesten Empfang mit Dachantenne für eine Ortswahrscheinlichkeit von 95% ist in Bild 6 dargestellt. Trotz der um 7 db reduzierten Sendeleistung wird die gesamte Fläche gut versorgt. 5. Endzustand Nach der Übergangsphase, d. h. wenn die Ergebnisse der ST61-Folgekonferenz in Kraft treten, sollen die Sender in einem Gleichwellennetz betrieben werden. Durch den bei SFNs üblichen Netzgewinn ist mit einer deutlichen Verbesserung der Versorgungssituation zu rechnen. Bild 7zeigt die Versorgungssituation für portablen Indoor-Empfang, wenn alle Sender in einem Gleichwellennetz betrieben werden. Die Sendeleistungen liegen dabei zwischen 50 und 100 kw (Tabelle 1). Aufgrund der Abmessungen Schleswig-Holsteins macht sich in einigen Gebieten die Selbstinterferenz bereits deutlich bemerkbar. Es ist zu erwarten, dass eine Unterteilung (z. B. auf der Basis der 62 Gebiete) die Situation sichtlich verbessert. Auch ein anderes Standortkonzept könnte zu weiteren Verbesserungen führen. Der Sender Cuxhaven liegt in Niedersachsen und ist für die Versorgung des südwestlichen Teils von Schleswig-Holstein mit Seite 3

4 dem zweiten Programm geeignet, da eine Regionalisierung des ZDF nicht erforderlich ist. Für eine regional angepasste Versorgung werden im 1. und 3. Programm in diesem Raum dagegen andere oder zusätzliche Senderstandorte genutzt. Versuchsweise wurde bei Itzehoe ein weiterer Standort eingeführt. Dieser Sender führt zu deutlichen Verbesserungen für den Raum nördlich von Itzehoe (Bild 8). Darüber hinaus könnte auch eine Laufzeitoptimierung, auf die hier aus Zeitgründen verzichtet wurde, hilfreich sein. 6. Kosten Die Versorgungsdarstellungen zeigen, dass die zu erwartenden Kosten stark durch den angestrebten Versorgungsgrad und das Senderkonzept beeinflusst werden. Aufgrund der Linearitätsanforderungen des COFDM-Signals ist ein sogenannter "back-off" von 6 db erforderlich, d. h. die Ausgangsleistung der Senderendstufe muss mindestens 6 db über der Betriebsleistung liegen. Gemäß der Vereinbarungen von Chester müssten die digital gewandelten Sender mit mindestens 7 db geringerer Leistung betrieben werden, d.h. die Leistung der Senderendstufen für analogen und digitalen Betrieb wäre annähernd identisch. Bei Einhaltung dieser Bedingung kann man daher ohne Berücksichtigung des Multiplexers in erster Näherung von konstanten Kosten per Programm auf der Senderseite ausgehen. Eine möglicherweise nicht ausreichende Infrastruktur an einzelnen Senderstandorten (Stromversorgung, Räumlichkeiten, Antennen usw.) kann zu einer entsprechenden Erhöhung der Kosten führen. Für eine Versorgungswahrscheinlichkeit von 70% ergäbe sich damit pro digitalem Programm als theoretische Untergrenze ein Kostenfaktor von 25% bezogen auf ein analoges Programm. Für höhere Versorgungsgrade steigt dieser Wert bei MFNs proportional mit der Zahl der erforderlichen Sender an. Der Übergang auf SFNs nach der Übergangsphase lässt für höhere Versorgungsgrade gegenüber MFNs Verbesserungen erwarten. Inwieweit diese Werte auch für topografisch schwieriges Gelände gelten, wäre noch näher zu untersuchen. 7. Schlussfolgerungen Standort Kanal (analog und MFN digital) Senderleistung analog ERP (kw) Senderleistung digital, MFN ERP (kw) Senderleistung digital, SFN ERP (kw) Cuxhaven Eiderstedt Eutin Flensburg Hamburg Kiel Lübeck Niebüll Schleswig Itzehoe Tabelle 1: Analoge und digitale Strahlungsleistungen der Sender Versorgungswahrscheinlichkeit (Vw) Empfangsmodus Fester Empfang (Dachantenne) Ant.-Höhe=10m Feldstärkeprognose mit digitalem Höhenmodell: Ant.-Höhe=1,5 m Portabler Empfang im Hause Feldstärkeprognose gemäß ITU-R- Empfehlung 370: Ant.-Höhe=10 m Vw=70% 44(48) 59(63) 71(75) Vw=95% 50(54) 69(73) 81(85) Tabelle 2: Mindestfeldstärkewerte für DVB-T (16QAM, R=2/3) UHF-Bereich Band IV/V (Werte für Band V in Klammern) Mit den angenommenen Planungsparametern lässt sich beim Einzelsenderkonzept für Schleswig-Holstein eine zufriedenstellende flächendeckende Versorgung für portablen Indoor-Empfang mit Versorgungswahrscheinlichkeiten von knapp 70% erreichen. Eine flächendeckende Versorgung mit höheren Ortswahrscheinlichkeiten (95%) lässt sich mit dem existierenden Sendernetz nur für ortsfesten Empfang mit Dachantenne realisieren. Mit dem Einzelsenderkonzept (MFN) sollte in der Übergangsphase die die Realisierung höherer Versorgungswahrscheinlichkeiten nur in finanziell vertretbarem Seite 4

5 Rahmen angestrebt werden. Unter Umständen könnte dies zu Sendernetzstrukturen führen, die im Endzustand, d. h. bei der Realisierung von Gleichwellennetzen, nicht benötigt werden. Beim Betrieb dieses Sendernetzes als SFN könnte eine Unterteilung von Schleswig-Holstein zur Reduzierung der systembedingten Selbstinterferenzen hilfreich sein. Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse lassen sich für die Startphase auch Aussagen bezüglich der zu erwartenden Kosten machen. Für ein MFN-Sendernetz hängen diese Kosten stark vom angestrebten Versorgungsgrad ab. Für Werte um 70% und portablem Empfang im Hause dürfte die zu erwartende Kostenuntergrenze für ein digitales Programm etwa bei 25% der Kosten für ein analoges Programm liegen. Aufgrund der unterschiedlichen topographischen Gegebenheiten innerhalb Deutschlands, lassen sich die Ergebnisse nicht ohne weiteres auf andere Bundesländer übertragen. Zusammenfassung Bei digitalem terrestrischen Fernsehen (DVB-T) lassen sich in Abhängigkeit von der gewählten DVB-T-Variante 2-6 oder sogar mehr TV-Programme in einem 8 MHz breiten Fernsehkanal unterbringen. Dies weckt die Erwartung, dass sich mit der Einführung dieser Technik die Kosten für die Verbreitung eines Programms deutlich reduzieren lassen. Neben der neuen Sendertechnik wird auch die Sendernetzstruktur entscheidenden Einfluss auf die für die Programmverbreitung erforderlichen Kosten haben. Erste Untersuchungen, die von der Landesanstalt für Kommunikation (LfK) in Baden-Württemberg durchgeführt wurden, haben die optimistischen Erwartungen hinsichtlich des Kosteneinsparpotentials gedämpft. Durch die Verbreitung der TV- Signale über Kabel und Satellit ist die Akzeptanz des terrestrischen Empfangs in Deutschland auf unter 10 % abgesunken mit weiter abnehmender Tendenz. Es wird daher angestrebt, neben einer größeren Programmvielfalt mit portablen Empfang im Hause, d. h. ohne die bisher erforderliche Dachantenne, die Akzeptanz beim Zuschauer zu verbessern. Im vorliegenden Bericht wird am Beispiel des Bundeslandes Schleswig-Holstein untersucht, ob sich flächendeckend ein portabler Empfang im Hause mit der vorhanden Sendernetzstruktur erreichen lässt. Für die Einführungsphase sind durch die Konferenz von Chester Grenzen bei der Sende-leistung vorgegeben, die bei einer Umstellung der Sender auf DVB-T- Betrieb Defizite in der flächendeckenden Versorgung erwarten lassen. Mit der Umstellung des in Schleswig-Holstein vorhandenen Sendernetzes auf DVB-T (MFN) lassen sich flächendeckend Versorgungswahrscheinlichkeiten von etwa 70% erreichen. Die zu erwartenden Kosten hängen stark vom angestrebten Versorgungsgrad ab. Für einen Versorgungsgrad von 70 % und portablem Empfang im Hause dürfte bei einem MFN-Sendernetz ohne Berücksichtigung des Multiplexers die Kostenuntergrenze pro digitalem Programm bei etwa 25% der Kosten für ein analoges Programm liegen. Eine möglicherweise nicht ausreichende Infrastruktur an einzelnen Senderstandorten (Stromversorgung, Räumlichkeiten, Antennen usw.) kann zu einer entsprechenden Erhöhung der Kosten führen. Für höhere Versorgungswahrscheinlichkeiten steigen die Kosten proportional mit der Senderzahl an. Hohe Versorgungswahrscheinlichkeiten lassen sich für portablen Empfang im Hause nur durch den Übergang auf Gleichwellennetze kostengünstig realisieren. Vorraussetzung dazu ist aber die Revision des Stockholmer Abkommens von Seite 5

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