Ajuste na Recomendação ITU-R P para Predição de Campo Elétrico de TV Digital na Região Metropolitana de Belém

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1 Ajuste na Recomendação ITU-R P para Predição de Campo Elétrico de TV Digital na Região Metropolitana de Belém R. N. A. Nascimento, C. R. Gomes, B. W. Martins, M. Almeida, H. S. Gomes, G. P. S. Cavalcante Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Universidade Federal do Pará - UFPA Caixa Postal Belém Pará Brasil regina.nan@gmail.com, crisruiz@ufpa.br, brwallacy@ig.com.br, michelealmeida13@gmail.com, herminio@ufpa.br gervasio@ufpa.br Resumo As recomendações da União Internacional de Telecomunicações (ITU) são adotadas no Brasil para planejamento de cobertura e análise do comportamento do sinal eletromagnético. Porém, por vezes, o modelo disposto na recomendação não apresenta resultados satisfatórios, principalmente em ambientes muito peculiares como a floresta Amazônica. Este artigo propõe um modelo de propagação empírico baseado na recomendação ITU-R P para cálculo de intensidade de campo elétrico considerando correções devido à altura da antena transmissora, frequência de operação e distância de forma conjunta. A implementação e validação do modelo foi feita com dados de uma campanha de medições realizada na região metropolitana de Belém Pará (Amazônia Oriental). Palavras-chave: Recomendação ITU-R P , Modelo de Propagação Empirico. Abstract - The recommendations of the International Telecommunication Union (ITU) are adopted in Brazil to plan coverage and analysis of the behavior of the electromagnetic signal. However, sometimes the model of the recommendation does not present satisfactory results, especially in very peculiar environments as the Amazon rainforest. This article proposes an empirical propagation model based on the recommendation ITU- R P for calculation of electric field intensity considering corrections due to the height of the transmitting antenna, operating frequency and distance jointly. The implementation and validation of the model was made with data from a measurement campaign carried out in the metropolitan region of Belém - Pará (eastern Amazonia). Keywords- Recommendation ITU-R P1546-4, Empirical Propagation Model. I. INTRODUÇÃO O planejamento de canais de TV Digital é feito seguindo critérios que garantem a qualidade do sinal como, por exemplo, a intensidade de campo mínima para recepção com antena interna [1]. Porém, não é suficiente definir os parâmetros que mantêm a boa qualidade do sinal da TV Digital. São necessários estudos que mostrem o desenvolvimento do sinal transmitido até o momento em que ele chega ao receptor. Nesse percurso, dependendo da posição do receptor, o sinal pode sofrer degradação devido a diversos fatores como, por exemplo, a perda de penetração em edificações e ruído impulsivo [1]. Afim de que seja incluída, essa perda de propagação, no planejamento de canais de TV Digital, é importante que seja feita predição e estudo do sinal eletromagnético entre transmissor e receptor. A Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL), sob o decreto federal de 29 de julho de 2006 e resolução interna nº 398, adota as normas e recomendações da ITU (International Telecommunication Union). No que diz respeito à predição do sinal eletromagnético, a ANATEL adota a Recomendação ITU-R P Nesta recomendação estão os procedimentos adotados para a previsão de intensidade de campo para radiodifusão, móvel terrestre, móvel marítimo e certos serviços fixos na faixa de frequência de 30 a 3000 MHz e para distâncias entre 1 km e 1000 km. Este artigo propõe correções nas interpolações/ extrapolações da recomendação ITU-R P para melhor desempenho na região Amazônica. Uma campanha de medições foi realizada a fim de obter resultados qualitativos acerca da imagem transmitida por uma emissora de TV. Também foram gerados dados quantitativos, como a intensidade de campo elétrico, potência, perfis de atraso, etc, todos utilizando frequência de transmissão aproximadamente igual a 521 MHz. Estes dados foram utilizado para implementação, comparação e validação do modelo proposto. II. RECOMENDAÇÃO ITU-R P As recomendações publicadas pela ITU [2] têm como objetivo fornecer técnicas eficazes no planejamento de cobertura e se adéquam ao grupo dos métodos semi-empíricos. É um método de previsão ponto-área para serviços terrestres na faixa de frequências de 30 MHz a 3000 MHz, abrangendo distâncias entre 1 km e 1000 km. É aplicado às percentagens de tempo entre 1% e 50%, apresentando curvas de 10 m até 1200 m de altura efetiva da antena transmissora, correção do campo baseada no ângulo de visada do terreno, correção para terrenos mistos, dentre outras características. Diversos estudos foram realizados com a recomendação ITU-R para análise ou comparação com outros modelos proposto [4], [5], [6].

2 A recomendação ITU-R P [2] tem como principal característica a utilização de curvas de propagação apresentadas na forma tabular, obtidas de medidas realizadas em regiões temperadas dos EUA e da Europa. As curvas possuem limites superiores quanto a possíveis valores obtidos de intensidade de campo, sob diversas condições ambientais. Estes limites estão definidos no Anexo 5, 2 e aparecem como linhas tracejadas nos gráficos reproduzidos nos Anexos 2, 3, e 4 de [2]. Um importante parâmetro nestes mesmos anexos é a altura da antena transmissora (h 1 ). As curvas de intensidade de campo versus distância e as tabulações associadas são fornecidas para os valores dados de h 1 de 10; 20; 37,5; 75; 150; 300; 600 e 1200 m. Para qualquer valor de h 1, no intervalo de 10 m a 3000 m, deve-se usar interpolação ou extrapolação a partir das duas curvas apropriadas, como descrito no Anexo 5, 4.1 de [2]. III. INTERPOLAÇÕES E EXTRAPOLAÇÕES DA RECOMENDAÇÃO ITU-R P PARA PREDIÇÃO DA INTENSIDADE DO CAMPO ELÉTRICO Para determinar a intensidade de campo elétrico, utilizando o modelo ITU-R, é necessária análise das curvas de propagação nos anexos 2, 3 e 4 de [2]. Os valores da intensidade de campo elétrico tabelados dependem da distância. Dadas as principais características ou parâmetros reais do caso em análise buscamse, primeiramente, através das variáveis de entrada, as curvas de medidas que mais se aproximam do caso real a ser analisado. Nenhuma interpolação ou extrapolação é necessária se as intensidades de campo forem lidas diretamente destes gráficos. Para valores de distância não tabulados deve-se proceder com a interpolação ou extrapolação logarítmica admitindo quatro parâmetros diferentes: altura da antena transmissora, distância entre antenas transmissora e receptora, frequência e porcentagem do tempo. A. Interpolação e Extrapolação de intensidade de campo elétrico em função da altura da antena transmissora. Se o valor de h 1 (altura efetiva da antena transmissora) coincidir com uma das oito alturas (10, 20, 37,5, 75, 150, 300, 600 ou 1200 m) para os quais as curvas são fornecidas nominalmente [2] a intensidade de campo elétrico, E [db(μv/m)], pode ser obtida diretamente das curvas plotadas ou de suas tabulações associadas. Caso contrário, faz-se necessária uma interpolação ou extrapolação dos dados de duas curvas: [ ] (1) B. Interpolação e Extrapolação de intensidade de campo elétrico em função da freqüência Os valores de intensidade de campo para uma dada freqüência podem ser obtidos através da interpolação de valores de freqüências nominais 100, 600 e 1200 MHz, usando (2). Para freqüências inferiores a 100 MHz ou superiores a 2000 MHz faz-se uma extrapolação [2]. [ ] (2) sendo: f a frequência para a qual a previsão é desejada (MHz); f inf : frequência nominal inferior (100 MHz se, 600 MHz caso contrário); f sup : distância de tabulação imediatamente superior a d; E inf : valor de intensidade de campo para f inf, numa determinada distância; E sup : valor de intensidade de campo para f sup, numa determinada distância; Para percursos sobre o mar é necessária uma adequação da interpolação [2]. C. Interpolação de intensidade de campo elétrico em função da distância. Para este caso, a menos que d coincida com uma das distâncias tabuladas referidas em [2], a intensidade de campo, E [db(μv/m)] deve ser linearmente interpolada para o logaritmo da distância usando-se: [ ] (3) onde d é a distância para a qual a previsão é desejada; d inf : distância de tabulação imediatamente inferior a d; d sup : distância de tabulação imediatamente superior a d; E inf : valor de intensidade de campo para d inf ; E sup : valor de intensidade de campo para d sup ; Esta Recomendação não é válida para valores de d menores que 1 km ou maiores que 1000 km. D. Interpolação de intensidade de campo elétrico em função da porcentagem de tempo Os valores de intensidade de campo para uma dada porcentagem de tempo entre 1% e 50% do tempo devem ser calculados pela interpolação entre os valores nominais de 1%, 10% e 50% do tempo. sendo t a porcentagem de tempo para a qual a previsão é desejada; : porcentagem de tempo nominal inferior; : porcentagem de tempo nominal superior; : valor de intensidade de campo para porcentagem de tempo ; (4)

3 : valor de intensidade de campo para porcentagem de tempo ; : função complementar inversa da distribuição normal cumulativa. IV. CAMPANHA DE MEDIÇÕES Uma campanha de medições foi realizada por uma equipe técnica de uma emissora de televisão na região metropolitana de Belém (Pará). As medições foram feitas em 59 pontos (Tabela I) no período de 18/10/2010 a 30/10/2010. Os parâmetros analisados nas medições foram: nível de sinal, qualidade da imagem, a potência recebida, perfis de atraso, freqüência de transmissão e distância entre o transmissor e o receptor. A Fig.1 ilustra a disposição dos pontos em Belém. Os pontos de 1 a 14 estão situados em Mosqueiro (Distrito de Belém), o restante dos pontos, de 15 a 59, estão em Belém. A antena transmissora possui, aproximadamente, 100 m de altura e está localizada, aproximadamente, a 46 km de distância em linha reta do primeiro ponto P1. Possuí ainda, diagrama de irradiação omnidirecional, transmissor Toshiba de 6 kw, trinta painéis distribuídos em seis, sendo cinco painéis por nível, Katherein Werke kg, ganho de 11,10 db e está operando com frequência de 521,143 MHz. O valor mínimo para a altura representativa de cobertura do solo previsto na recomendação é de 10 m, porém a antena receptora utilizada possuía apenas 4 m de altura e ganho de 0 db. Neste trabalho não foi feita nenhuma correção para o cálculo da antena transmissora com relação ao ambiente, uma vez que a Região Amazônica (Oriental) é predominantemente plana. Dentre os pontos medidos a maior variação encontrada foi de 6 m de altura, dado este, considerado desprezível para a análise realizada. TABELA I. DISTÂNCIA ENTRE O TRANSMISSOR E OS PONTOS DE MEDIÇÕES Posição TX P01 P02 P03 P04 P05 P10 P20 P30 P40 P50 P59 Localização do Ponto Latitude Longitude Distância para TX (km) , ,8923 8,8969 3,6924 3,6322 V. IMPLEMENTAÇÃO DAS INTERPOLAÇÕES DA RECOMENDAÇÃO ITU-R P Neste trabalho foram feitas interpolações em função da altura da antena transmissora, da distância e da freqüência. Os parâmetros de entrada, para o modelo ITU-R, são a freqüência de transmissão, igual a 521,1428 MHz, a altura da antena transmissora, igual a 100 m e as distâncias dos pontos de medição. Segundo esses dados deve-se selecionar a tabulação que considera as frequências, inferior e superior, de 100 MHz e 600 MHz, respectivamente, alturas de antena transmissora, inferior e superior, 75 m e 150 m, respectivamente, de [2]. Considera-se, em todos os casos, percentagem de tempo de 50% e trajeto sobre a Terra. Utilizou-se ainda, um programa desenvolvido no software Matlab, para obter os resultados pretendidos. A. Intensidade de campo em função da altura da antena Para esta interpolação admite-se uma altura de antena transmissora e, portanto, as alturas inferior e superior tabeladas são, respectivamente. A tabulação é para a frequência de 600 MHz, 50% do tempo em distância que variavam de 1 a 50 km. A Fig. 2 ilustra o resultado obtido com o modelo ITU-R P.1546 para interpolação em função da altura da antena transmissora (curva em azul). As informações que o modelo expressa se aproxima dos dados reais (curva em vermelho) em pontos próximos a antena transmissora, o que não acontece para pontos mais distantes. Figura 1. Pontos de medições na região metropolitana de Belém Figura 2. Comparação de previsão do modelo ITU-R P.1546 a interpolação segundo a altura (azul) com os dados de medição (vermelho).

4 B. Intensidade de campo elétrico em função da freqüência Para esta interpolação a freqüência é considerada igual a 521,1428 MHz, valor obtido através dos dados de medição. Os dados de entrada são referentes aos dados tabulados considerando às freqüências de 100 e 600 MHz para uma antena de 150 m em 50% do tempo com distâncias que variaram entre 1 e 50 km. A Fig. 3 mostra o gráfico de intensidade de campo versus distância comparando a curva (azul) dos valores previstos pelo modelo e os dados de medição (vermelho). É possível observar que o modelo tem um bom comportamento para a quase todos os casos, havendo uma pequena discrepância para o primeiro ponto do gráfico (referente à P54), pois se encontra a uma distância menor que 1 km, situação não contemplada pelo modelo ITU-R P Observa-se que há uma queda brusca do sinal na região próximo a 35 km devido existir uma região de mata densa no local. qual é considerada uma antena de altura 150 m, ou melhor, segundo o resultado obtido com o modelo a altura da antena deveria estar entre 150 e 300 m, o que não condiz com o caso real. Observa-se que, novamente, o resultado predito é mais próximo do caso real em pontos próximos da antena transmissora. Para os pontos mais distantes deve-se considerar as perdas de propagação que são significantes devido, principalmente, a vegetação densa na região considerada. O modelo ITU-R foi desenvolvido em regiões que diferem da região analisada, sendo preciso ajustar os valores da refratividade atmosférica, por exemplo. Figura 4. Comparação de previsão do modelo ITU-R1546 utilizando a interpolação segundo a distância para antena transmissora de 75m (verde) e 150 m (azul) com os dados de medição (vermelho). Figura 3. Comparação de previsão do modelo ITU-R1546 utilizando a interpolação segundo a frequência (azul) com os dados de medição (vermelho). C. Intensidade de campo em função da distância. Para a interpolação da intensidade de campo elétrico em função da distância, a quantidade de dados de entrada foi bem maior que nos demais casos. A cada quilometro a previsão era totalmente recalculada. No novo conjunto de dados de entrada têm-se: Dados de distância e intensidade de campo elétrico medidos (matriz ); Dados de distância e intensidade de campo elétrico contidos na tabela referente a 600 MHz em 50% do tempo (matriz ). As matrizes possuíam dimensões diferentes, pois foram medidos 59 pontos distintos e a tabulação referente ao campo elétrico em função da distância [2] possui apenas 26 dados, pois a partir do quilometro 20 os intervalos passam a ser em passos de 5 em 5 km. Considerando que o ponto mais distante medido era de, aproximadamente, 47 km, consideram-se os dados de tabulação até, no máximo, 50 km. A Fig. 4 ilustra duas interpolações distintas: considerando a altura da antena transmissora igual a 150 m (em azul); e considerando a antena transmissora com 75 m (em verde). Os pontos de medição estão em vermelho. Neste caso foi desconsiderado o ponto P54 que está a uma distância menor que 1 km, distância não contemplada pelo modelo. A Fig. 4 mostra que os dados se aproximam mais de uma previsão na VI. COMPARAÇÃO ENTRE AS INTERPOLAÇÕES DA RECOMENDAÇÃO ITU-R P Para os três tipos de interpolação foram analisados Erros Médios (EM) e Erro Médio Quadrático (RMS), como mostrado na Tabela II. TABELA II. COMPARAÇÃO ENTRE AS DIFERENTES INTERPOLAÇÕES DO MODELO ITU-R P.1546 Interpolação EM RMS Em função da altura da antena 16, ,628 Em função da frequência 12, ,1079 Em função da distância 4,1077 8,2596 O modelo ITU-R1546 não apresenta previsões satisfatórias nos três tipos de interpolações, apresentando erro rms muito acima do aceitável principalmente nos casos da interpolação em função da altura da antena e em função da frequência. Pode-se observar que a interpolação em função da distância possui menores erros, dando maior confiabilidade a esta. Isto se deve possivelmente a quantidade de informação fornecida nesta interpolação (distâncias e intensidade de campo elétrico para cada ponto) ser bem maior que os demais casos. As curvas preditas estão sempre abaixo das curvas medidas, ou seja, a intensidade de campo elétrico predita é menor, na maioria dos pontos, que os campos medidos. Este fato, provavelmente, é devido a perdas mais significativas consideradas pelo modelo. Provavelmente, o ambiente no qual

5 as curvas foram obtidas proporcionam maior atenuação para o campo elétrico. As previsões mais eficientes são em pontos mais próximos da antena transmissora. Este fato deve-se a semelhança entre o ambiente analisado e aquele no qual foi calculado os dados tabulados. Os pontos mais próximos estão localizados num perímetro urbano denso e, à medida que o ponto se afasta da antena transmissora a vegetação passa a ser de floresta amazônica e rios que, neste caso, poder-se-ia considerar percurso sobre terrenos mistos para a predição. VII. PROPOSTA DE CORREÇÃO PARA O MODELO ITU-R P Para desenvolver um modelo que apresente menor erro rms é necessário que haja correções respectivas aos parâmetros que não podem ser alterados. Portanto, propõe-se aqui um modelo baseado na interpolação segundo a distância (melhor desempenho) que associe correções respectivas a altura da antena e da frequência. As interpolações da recomendação são todas compostas por uma intensidade de campo elétrico mínima acrescida de uma fator de correção. O que se propõe é utilizar todos os fatores de correção numa única interpolação, combinado, assim, informações das três variáveis. O modelo proposto é dado por: Sendo: distância; : intensidade de campo elétrico; : valor de intensidade de campo para dinf; [ [ altura da antena transmissora; frequência; [ (5) ] fator de correção devido a ] fator de correção devido a ] fator de correção devido a As demais variáveis recebem a mesma nomenclatura acima designada. VIII. COMPARAÇÃO ENTRE O ITU-R P E O MODELO PROPOSTO De forma semelhante aos demais, o modelo proposto foi implementado em Matlab e apresentou significativa melhoria em comparação a interpolação segundo distância do modelo ITU-R P A Tabela III mostra a comparação entre os erros para os dois modelos, nesta é possível observar uma diminuição tanto no erro médio como no erro rms. A Fig.5 ilustra esta comparação. Nesta observa-se que o modelo proposto apresenta uma correção com relação ao primeiro ponto da curva, fazendo com que a função toda seja transladada para cima. TABELA III. COMPARAÇÃO ENTRE O ITU-R P E O MODELO PROPOSTO Modelo EM RMS ITU-R P ,1077 8,2596 Proposto ,9414 Figura 5. Comparação entre o modelo ITU-R P interpolação em função da distância (azul) e o modelo proposto (preto). IX. CONSIDERAÇÕES FINAIS As interpolações descritas na recomendação ITU-R P são aplicáveis a uma grande quantidade de situações envolvendo diversos parâmetros distintos, porém estão restritas a uma análise individual destes parâmetros. Isto ocasiona erros oriundos de cada uma das variáveis que foram desconsideradas na interpolação. A relevância destes erros foi exposta na Tabela II. Este artigo propôs um modelo considerando correções respectivas a cada uma das variáveis. Os resultados mostraram uma melhora significativa nos erros considerados (erro médio e rms). Graficamente é possível observar que as correções transladam a interpolação original de modo que o primeiro ponto do modelo proposto é muito próximo ao medido, além disto, a correção minimiza o erro devido aos últimos pontos (Mosqueiro), pontos estes que eram subestimados em todas as interpolações da recomendação. Todos os modelos aqui abordados foram tratados como percursos totalmente sobre terra, aproximação internacionalmente aceita. Outro tratamento poderia ter sido dado ao se considerar percurso sobre terreno misto uma vez que os pontos sobre Mosqueiro atravessaram a Baía do Guajará (grande extensão de água), possivelmente em função desta peculiaridade a previsão para estes pontos seja mais trabalhosa. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a equipe de engenharia da emissora RECORD pela aquisição dos dados. Agradecem, também, à UFPA, CAPES, CNPq e ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Comunicação sem Fio pelo apoio financeiro.

6 REFERÊNCIAS [1] Fundação CpQD Centro de Pesquisas e Desenvolvimento em Telecomunicações. Planejamento de Canais de TV Digital. ANATEL, Campinas, [2] International Telecommunication Union, ITU-R P Method for point-to-area for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz, ITU Recommendation, Outubro [3] A. J. M. Soares, C.G. Rego, E.V. Melo, F.J.S. Moreira,G.W.O. Costa, J.P.D.M. Pinto, M.A.S. Mayrink, N. Pasquali,P.H.P. Carvalho, W.K. Guimaraes, Measurements of a CW signal in Brazil and Comparison with Prediction using ITUR P.1546, IEEE Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics, April, 2005, pp [4] K. Paran and N. Noori, "Tuning of the propagation model ITU-R p.1546 recommendation," Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 8, 2008, pp [5] Chang-Hoon Lee, Nam-Ryul Jeon, Seong-Cheol Kim, Jung-min Lim Comparison of Measurement and Prediction of ITU-R Recommendation P.1546, The 4th IEEE VTS Asia Pacific Wireless Communications Symposium (APWCS2007), Agust, 2007.