Comparação da Implementação da rede de Televisão Digital Terrestre em Frequência Única e Multifrequência

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1 1 Comparação da Implementação da rede de Televisão Digital Terrestre em Frequência Única e Multifrequência T. Martins e P. Pinho Resumo Durante muitos anos as transmissões analógicas ocuparam grande parte do espetro eletromagnético que naturalmente ficou saturado. Com a divulgação da tecnologia Digital Video Broadcasting Terrestrial, e a sua aplicação na transmissão digital, a Comissão Europeia pensando numa utilização mais eficiente do espectro radioelétrico, deliberou no sentido de que esta tecnologia fosse introduzida em todos os países da União Europeia, estabelecendo um prazo (até 2012) para o switch-off da transmissão analógica. Em Portugal, o início da transição para a Televisão Digital Terrestre começou em Abril de 2009, tendo por base a tecnologia Digital Video Broadcasting Terrestrial e a norma MPEG-4/ H.264, suportada por uma Single Frequency Network, a qual apresenta diversos problemas de interferência dada a variabilidade das condições de propagação. Nesse sentido foi projetada uma rede multifrequência que elimina o problema da interferência e mantém a área de cobertura, embora à custa de um aumento do número de frequências utilizadas. No entanto, o espectro alocado é inferior ao utilizado na rede analógica. Palavras chave Digital Video Broadcasting Terrestrial, transmissão digital, Televisão Digital Terrestre, Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, Single Frequency Network and Multi-Frequency Network. C I. INTRODUÇÃO omo o espectro radioelétrico é um recurso limitado e saturado, tornou-se necessário encontrar tecnologias mais eficientes no uso deste recurso, razão pela qual a comissão europeia determinou que a TDT (Televisão Digital Terrestre) deveria ser introduzida em todos os países da União Europeia. Ao associar a TDT a uma SFN (Single Frequency Network), torna-se mais evidente a eficiência da utilização do espectro radielétrico, pois é possível num único canal de UHF (Ultrahigh frequency), transmitir com resolução SD (Standard - Definition), os mesmos quatro canais de TV que eram transmitidas pela transmissão analógica, e adicionalmente, um canal SD e outro com resolução HD (High-definition). A emissão da programação de uma rede TDT começa no centro de informação digital, onde os conteúdos recebidos dos provedores são multiplexados e codificados em MPEG-4 (Moving Picture Experts Group). De seguida, é feito o envio aos emissores através da rede de transporte que é predominantemente do tipo SDH (Synchronous Digital Hierarchy). O método de multiplexagem utilizado é o COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division) [1] que cria múltiplas portadoras, as quais não interferem entre si. É utilizado predominantemente na Europa, e suportado pela norma DVB (Digital Video Broadcasting). A principal razão pela utilização deste método de multiplexagem é a sua capacidade em superar os problemas de multi-percurso. A utilização de uma SFN requere que todos os emissores tenham que emitir a mesma informação precisamente no mesmo instante, sendo este desafio ultrapassado através do uso de GPSs (Global Positioning System) associados aos emissores. No entanto, a implementação de uma rede de frequência única trás problemas de propagação e interferência que não existiam na rede analógica. Para assegurar a transmissão numa única frequência, os sinais transmitidos não devem exceder uma distância fixa determinada pela norma DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) [2], algo que é muito difícil de garantir, uma vez que as condições de propagação variam constantemente ao longo do tempo, com fatores como as condições atmosféricas, o terreno e outros fatores incontroláveis. Este artigo está organizo em cinco secções. Na primeira é feita uma descrição do sistema em estudo. Na segunda secção é apresentado o modelo de propagação utilizado, neste caso o modelo de Okumura-Hata estendido com o modelo de difração ITU-R 526. É feito o link budget, a análise de cobertura e de interferência para os sistemas SFN e MFN (Multi-Frequency Network), respetivamente na secção III e IV. Finalmente são apresentadas as principais conclusões na secção V. A. Modelo de Okumura-Hata II. MODELO DE PROPAGAÇÃO O modelo empírico proposto por Okumura [3] em 1968, baseado na análise e nas medições na banda [ ] MHz, T. Martins é aluno de mestrado em Eng. Eletrónica e Telecomunicações no Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Portugal (a31972@alunos.isel.pt). P. Pinho é professor adjunto no Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Portugal (ppinho@deetc.isel.pt).

2 2 tornando-se um dos modelos mais utilizados para a previsão da atenuação de propagação em áreas urbanas. O principal resultado do trabalho de Okumura foi um conjunto de curvas, que posteriormente Hata [4], em 1980, utilizou para determinar uma serie de relações empíricas que aproximam essas curvas. Este modelo apresenta uma gama de valores nas quais é válido, sendo os mesmos apresentados na Tabela I. TABELA I: LIMITES DO MODELO DE OKUMURA-HATA Frequência 150 MHz 1500 MHz Distância 1 20 km Altura do emissor m Altura do 1 10 m O cálculo da atenuação de propagação determinada pelo modelo Okumura-Hata [5-6], está descrita na equação 1. PL=A+Blog(d)+C (1) onde A, B e C são fatores que dependem da frequência e da altura das antenas, sendo dados pelas equações 2 e 3. A= log(f) log (ht) a(hr) (2) B= log (ht) (3) onde ht é a altura do emissor, hr a altura do, f é a frequência em MHz, d é a distância em km, a(hr) é o fator de correção para a altura do e C um fator que depende do ambiente. Os valores destas variáveis podem ser encontrados em [6]. B. Modelo de Okumura-Hata estendido com modelo de difração ITU-R 526 Este modelo é baseado no de Okumura-Hata para prever o valor de sinal num ponto. É, portanto, um modelo hibrido especialmente útil para analisar a propagação em redes móveis, pois tem em conta os efeitos de elementos determinísticos (terreno, edifícios, ruas, entre outros). Esta correção no modelo utiliza as perdas por difração calculadas utilizando a recomendação ITU-R P.526 [7] como uma referência. III. SINGLE FREQUENCY NETWORK A capacidade dos sistemas OFDM funcionarem na presença de ecos (réplicas do mesmo sinal com atraso) permite ter vários emissores próximos uns dos outros a emitirem na mesma banda de frequências. Um não consegue distinguir se os sinais que chegam com atraso são provenientes de emissores distintos ou ecos do mesmo sinal vindo de um só emissor. Daqui resulta a possibilidade de ter uma zona geográfica alargada coberta por uma rede de emissores/repetidores que operam todos no mesmo canal de rádio frequência. Uma rede com estas características é designada por rede de frequência única. Este tipo de rede caracteriza-se por ter 3 restrições principais: Emitir na mesma frequência; Emitir ao mesmo instante (em simultâneo); Emitir exatamente os mesmos bits (ou símbolos). No caso concreto de Portugal, os parâmetros do DVB-T são os seguintes: Modulação 64-QAM; Taxa de código de 2/3; Intervalo de guarda de 1/4; Largura de banda de 8MHz. A utilização destes parâmetros garante uma distância máxima de 67,1 km, para a qual não existe interferência inter-simbólica. Para distâncias superiores torna-se problemático pois diversas replicas dos sinais recebidos não chegam dentro do tempo de guarda definido. A. Definição do Link Budget Como ponto de partida para o planeamento da rede TDT requerida, deve começar-se pela definição dos parâmetros que permitem calcular o link budget e avaliar as diferenças para as diversas configurações possíveis de introduzir no dimensionamento da rede. O link budget permite obter os valores de campo elétrico para um dado ponto de teste, bem como outras características do sistema. Com base nos valores obtidos nesta primeira abordagem teórica, passa-se a parte de simulação com uma ferramenta de planeamento [8]. O EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) define-se como a potência radiada por um determinado emissor e como tal, pode ser obtido pelo somatório da potência injetada no próprio emissor (Pe), com ganho da antena de emissão (Ge) e ao se subtrai as perdas associados à cablagem (Lc), aos conectores (Lca), ao duplexer (Ld) e perdas inerentes à polarização das antenas (Lp), tal como se mostra na equação 4. EIRP=Pe+Ge Lc Lca Ld Lp (4) A potência de ruído à entrada do, Pn, pode ser obtida com base na equação 5 expressa em dbm, onde Dn representa a densidade de ruído térmico e LB a largura de banda do canal. Pn=Dn+10log(LB) (5) A sensibilidade do, Psmin, é determinada tendo em conta a relação sinal/ruído exigida, C/N, e a potência de ruído à entrada do respetivo, Pn, como demonstrado na equação 6. Psmin=C/N+Pn (6) A partir da sensibilidade e do ganho do, Gr, sabendo a frequência central, fc, consegue-se obter a intensidade de campo mínima num ponto de teste, Emin, expressa na equação 7. Emin[dBμV]=Psmin Gr+20log(fc[MHz])+77,2 (7) A densidade de campo, Emed, equação 8, é obtida com base na intensidade de campo mínima, pelo fator de penetração em edifícios (BPL), pela margem de desvanecimento (LNF) e as diversas perdas definidas na equação 4.

3 3 Emed[dBμV]=Emin+LNF+BPL+Ld+Lp+Lc+Lca (8) No que diz respeito a atenuação máxima existente, Lpmáx, esta é expressa pela equação 9. Lpmáx[dB]=EIRP Psmin+Gr LNF BLP (9) O fator BPL (Building Penetration Loss) refere-se à margem que é adicionada consoante se deseje que o fator de cobertura considere ou não a penetração no interior de edifícios. Neste caso em concreto, o fator é tido em conta devido a possibilidade da existência de es no interior de edifícios, assumindo assim o valor 18 db [9]. O fator LNF (Log Normal Fading) refere-se à margem de desvanecimento Log-Normal ou desvanecimento lento. Este tipo de desvanecimento de sinal ocorre quando o tempo de coerência do canal é grande, quando comparado com o atraso plausível para o sinal, no qual as alterações provocadas na amplitude e fase do sinal se podem considerar relativamente constantes durante o período de propagação. Com base em [10] pode observar-se algumas simulações efetuadas no sentido de estudar qual a margem de desvanecimento log-normal num ambiente de propagação, com as quais se pode retirar valores de margens a assumir, tendo em consideração a percentagem de área de cobertura pretendida. Tendo em conta o requisito de 95% de área coberta, e como o ambiente de propagação deve consagrar o meio exterior e interior dos edifícios, determina-se os desvios respetivos para ambos os meios, com base nos quais se obtém a respetiva margem. Assim, assumindo o ambiente de propagação como sendo um meio urbano, tem-se um desvio de 12 db, o que se reflete numa margem de LNF de 8.4 db. Com base nas equações anteriores procede-se ao cálculo do link budget, obtendo-se o resultado presente na Tabela II. Alguns dos valores apresentados na tabela são valores médios, de forma a simplificar a abordagem, como é o caso das atenuações consideradas para os cabos e conectores [6]. TABELA II: LINK BUDGET PARÂMETROS UNIDADE VALOR Parâmetros Gerais Frequência Central MHz 754 Largura de banda do MHZ 8 canal Potência de emissão dbm 40,9 Ganho dbi 14 Duplexer db 0,5 Slant (polarização) db 1,5 Conectores db 0,6 Cabos db 2 EIRP db 50,3 Sensibilidade C/N exigido db 20 Temperatura absoluta K 290 Constante de J/K 1, Boltzmann Densidade de ruído dbm -174 térmico Fator de ruído db 6 Densidade de ruído do dbm -168 Potência de ruído do dbm -99,2 Sensibilidade do dbm -79,2 dbi 17 a Intensidade de campo dbµv 38,6 no Margens Margem LNF db 8,4 Perdas penetração db 18 edifícios Densidade de campo dbµv 69,56 Atenuação máxima db 148,49 B. Análise de cobertura Para analisar a cobertura foi utilizada a ferramenta de simulação Xirio Online [8], a qual permite fazer simulações de cobertura e interferência, no entanto esta apresenta algumas restrições a nível da cartografia (resolução). A escolha da localização e potência dos emissores foi feita com base na informação apresentada em [11], e cuja localização pode observar-se na Figura 1. Fig. 1. Localização dos emissores. As potências utilizadas são diferentes consoante o emissor, mas existem características semelhantes, as quais estão presentes na Tabela III. TABELA III: CARACTERÍSTICAS DOS EMISSORES LFMP da antena 60º 14 dbi Altura 20 m Perdas totais 4,6 db Downtilt 2º Polarização Horizontal Frquência Central 754 MHz (canal 56) No que toca ao tipo de existente, foi feita uma pesquisa do que existia no mercado nacional com o intuito de descobrir as características utilizadas pelos fabricantes, tendose chegado as características apresentadas na Tabela IV.

4 4 TABELA IV: CARACTERÍSTICAS DO RECETOR LFMP da antena 36º 17 dbi Altura 10 m Threshold 75 dbµv Para se analisar o mapa de cobertura e de modo a verificar se está garantido 95% de cobertura, tem-se que verificar se o nível de sinal é ou não superior a -52,8 dbm. Analisando a Figura 2 e a Figura 3, pode-se concluir que a cobertura na zona estudada é alcançada com sucesso. Fig. 4. Mapa de interferência A análise da Figura 4 permite concluir que as zonas apresentadas a verde cumprem esse requisito mínimo, no entanto existem diversas zonas representadas a roxo que não cumprem esse valor, resultando desta forma em interferência, o que limita a utilização deste tipo de rede. Simulações a posteriori mostraram que ainda que se mudem antenas para lugares diferentes, o problema de interferência continua a existir. C. Análise de interferência Fig. 2. Mapa de cobertura Fig. 3. Mapa de cores O cálculo da interferência consistiu em verificar quais as zonas onde o C/I era respeitado, e nas quais este não cumpria o requisito mínimo, definido em 20 db [12]. IV. MULTI-FREQUENCY NETWORK A escolha de redes multifrequência justifica-se pelo facto deste tipo de redes não ser tão exigente em termos técnicos, com óbvias consequências a nível económico, em comparação com as redes de frequência única. Esta solução embora de recurso já foi adotada para resolver alguns problemas pontuais, como aconteceu com a deliberação da ANACOM de 18 de Maio de 2012 [13], que atribui uma licença temporária para o emissor de Monte da Virgem no canal 42, para o emissor da Lousã no canal 46 e para o emissor de Montejunto no canal 49. Prevê-se que a rede TDT no futuro deverá evoluir para uma rede de multifrequência constituída por pequenas redes de frequência única. A. Link Budget De forma a testar a rede de multifrequência foram escolhidas 3 pequenas SFN s, Figura 5, que são:

5 5 Para os outros 2 canais, o link budget é realizado de igual forma, mudando apenas a frequência central e a potência de emissão. B. Análise de cobertura A opção da utilização deste tipo de rede vem no intuito de resolver os problemas de interferência da SFN. Na Figura 6 está representada a localização dos emissores nas 3 zonas em estudo (canal 45, 47 e 49), cada uma com a sua frequência. As características do emissor e neste tipo de rede são as mesmas da SFN, e podem ser observadas nas Tabelas III e IV. Fig. 5. Decisão da evolução da rede TDT em Portugal [14] Canal 49 (698 MHz) zona a verde-escuro; Canal 47 (682 MHz) zona a alaranja; Canal 45 (666 MHz) zona a azul; Na Tabela V encontra-se apresentado o link budget para uma das zonas que utiliza o canal 49. TABELA V: LINK BUDGET CANAL 49 (698 MHZ) PARÂMETROS UNIDADE VALOR Parâmetros Gerais Frequência Central MHz 698 Largura de banda do MHZ 8 canal Potência de emissão dbm 47,9 Ganho dbi 14 Duplexer db 0,5 Slant (polarização) db 1,5 Conectores db 0,6 Cabos db 2 EIRP db 57,3 Sensibilidade C/N exigido db 20 Temperatura absoluta K 290 Constante de J/K 1, Boltzmann Densidade de ruído dbm -174 térmico Fator de ruído db 6 Densidade de ruído do dbm -168 Potência de ruído do dbm -99,2 Sensibilidade do dbm -79,2 dbi 17 a Intensidade de campo dbµv 37,9 no Margens Margem LNF db 8,4 Perdas penetração db 18 edifícios Densidade de campo dbµv 68,89 Atenuação máxima db 127,09 Fig. 6. Localização dos emissores da MFN O mapa de cobertura proporcionado por estes emissores pode ser observado na Figura 7, que consultando o mapa de cores da Figura 3, chega-se facilmente à conclusão que a taxa de cobertura é garantida. Desta forma, pode-se concluir que com o uso de menos emissores, embora alguns deles com maior nível de potência, consegue-se garantir o mesmo nível de cobertura. Fig. 7. Mapa de cobertura da MFN

6 6 C. Análise de interferência Para verificar o nível de interferência na MFN, definiu-se o valor de C/I de 20 db e o resultado obtido pode ser observado na Figura 8, a qual permite concluir a não existência de interferência nas zonas em estudo. [7] International Telecommunication Union. Propagation by diffraction, Recommendation ITU-R P (02/2012). [8] [Online]. Disponível: [9] W.C. Jakes Jr. Microwave Mobile Communications. New York: John Wiley and Sons, [10] Binucci N. and Caselli M. Shadow Fading Margins for Omni, Three and Six Sectored Sites. TEI/TRB 00:006, [11] [Online]. Disponível: [Acedido em Abril de 2013] [12] Portugal Telecom. [Online]. Disponível: rtugal/events/slides_talk_11_2.pdf?previewstate=1&. [13] [Online]. Disponível: Id= &field=ATTACHED_FILE. [14] [Online]. Disponível: Fig. 8. Mapa de interferência da MFN V. CONCLUSÕES Em Portugal a rede TDT foi implementada recorrendo a uma SFN, utilizando o canal 56 UHF. No entanto, foram constantes os problemas de receção que se devem essencialmente a variabilidade das condições de propagação, levando ao aparecimento de interferência aquando da receção de sinais provenientes de emissores a distâncias superiores a 67,1 km. Para além disto, a solução de uma SFN contempla a utilização de um número elevado de emissores. Consequentemente, de forma a eliminar o problema de interferência, é proposto neste artigo a implementação de uma rede de multifrequência. Os resultados obtidos por simulação permitem verificar que se consegue garantir uma área de cobertura de 95%, sem os problemas de interferência da SFN e utilizando menos emissores, embora alguns deles emitindo a uma potência superior. O incremento do número de canais UHF ocupados pela MFN quando comparado com a SFN é uma desvantagem, no entanto ao comparar-se com o que existia na rede analógica, e com o significativo aumento da largura de banda disponível para novos conteúdos, continua a oferecer uma enorme vantagem. VI. REFERÊNCIAS [1] [Online]. Disponível: [2] European Telecommunications Standards Institute 2004, Final draft ETSI EN V1.5.1 ( ), [3] Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, K. Fukuda, Field strength and its variability in the VHF and UHF land mobile radio service, Rev. Elec. Commun. Lab., 16(9/10), [4] M. Hata, Empirical formula for propagation loss in land mobile radio services, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 29(3), , [5] J. D. Parsons. The Mobile Radio Propagation Channel. New York: John Wiley and Sons, [6] Pedro Vieira. Slides de apoio à cadeira de Planeamento de Optimização de Redes Móveis. ADEETC, 2012.