Metodología para planificación de redes de
televisión digital terrestre en Colombia.
Tesis para optar por el título de Magister en Ciencias de la Información y las
Comunicaciones
Autor
Edgar Andrés López Salamanca
Tutor
Elvis Eduardo Gaona García. M.Sc.
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones
Énfasis en Teleinformática
Bogotá, Colombia
1
Resumen
Este proyecto propone el desarrollo de una metodología que estandarice la planificación y puesta en marcha de redes de televisión digital terrestre, herramienta que podrá ser aprovechada y utilizada por los diferentes operadores de televisión abierta del país para el diseño y despliegue de redes homogéneas, garantizando niveles de servicio equivalentes y minimizando los riesgos de auto-interferencia e interferencia de canal adyacente entre operadores. El uso de esta metodología beneficiará a los usuarios de televisión, promoviendo la utilización de una única infraestructura de recepción y coadyuvará a las administraciones estatales en la gestión eficiente del espectro electromagnético.
Palabras Clave
2
Tabla de contenido
Resumen ... 1
Palabras Clave ... 1
1. Introducción ... 9
2. Planteamiento del problema ... 10
3. Objetivos ... 13
3.1. Objetivo general ... 13
3.2. Objetivo Específico ... 13
4. Modelos de propagación para simulación de señales para el servicio de televisión en la banda UHF ... 14
4.1. Descripción de las características técnicas de la estación piloto ... 15
4.2. Modelos determinísticos... 17
4.2.1. ITU-R P.525 Cálculo de la atenuación en el espacio libre ... 17
4.2.2. ITU-R P.526 Propagación por difracción ... 18
4.2.3. Deygout 94 ... 20
4.2.4. Simulación de los modelos determinísticos ... 21
4.3. Modelos Estadísticos ... 23
4.3.1. ITU-R P.370 Curvas de propagación en ondas métricas y decimétricas para la gama de frecuencias comprendidas entre 30 y 1000 MHz ... 23
4.3.2. ITU-R P.1546 Métodos de predicción de punto a zona para servicios terrenales en la gama de frecuencias de 30 a 3000 MHz ... 25
4.3.3. Simulación de los modelos estadísticos ... 27
4.4. Modelos semi-determinístico ... 28
4.4.1. ITU-R P.1812 Método de predicción de la propagación específico del trayecto para servicios terrenales punto a zona en las bandas de ondas métricas y decimétricas ... 28
4.4.2. Simulación del modelo semi-determinístico ... 30
4.5. Análisis comparativo de las simulaciones con mediciones en campo ... 30
4.6. Conclusiones ... 37
5. Televisión Digital Terrestre en Colombia ... 39
5.1. Parámetros de modulación y transmisión ... 41
5.1.1. Definiciones preliminares ... 41
3
5.1.1.2. Propagación ... 41
5.1.1.3. Zona de servicio ... 41
5.1.1.4. Reflexión ... 41
5.1.1.5. Difracción ... 41
5.1.1.6. Modulación ... 42
5.1.1.7. Interferencia... 42
5.1.1.8. Umbral de recepción ... 42
5.1.1.9. Márgenes de protección ... 42
5.1.2. Modulación vectorial con OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex ... 42
5.1.2.1. Tamaño de portadoras e intervalos de guarda ... 43
5.1.3. Arquitectura física DVB-T2 ... 46
5.1.3.1. Physical Layer Pipes PLP ... 48
5.1.3.2. Codificación Alamouti ... 49
5.1.4. Símbolos preámbulo P1 y P2 ... 49
5.1.5. Patrón de portadoras piloto ... 50
5.1.6. Constelaciones rotadas ... 51
5.1.7. Códigos de control de error LDPC ... 51
5.1.8. Reducción de la potencia pico a la potencia media ... 52
5.2. Elección de parámetros de modulación DVB-T2 para canales de 6 MHz ... 53
5.2.1. Elección de tamaños de portadora OFDM ... 53
5.2.1.1. Elección de modo extendido de portadoras ... 54
5.2.1.2. Elección de la fracción de intervalo de guarda ... 56
5.2.2. Elección de patrones de dispersión de portadoras piloto ... 59
5.2.3. Elección de la tasa de transmisión ... 61
5.2.3.1. Longitud del marco T2 ... 62
5.2.3.2. Cálculo de la tasa de transmisión... 64
5.3. Parámetros de potencia ... 66
5.3.1. Márgenes de protección ... 70
5.4. Herramienta para simulación de canales DVB-T2 de 6 MHz ... 72
5.5. Conclusiones ... 76
6. Planificación de redes DVB-T2 para canales de 6 MHz ... 77
4
6.2. Cálculo de parámetros de transmisión ... 85
6.3. Estimación de la propagación de señales ... 87
6.4. Comparación de los resultados... 101
6.5. Cálculo de incidencia de las señales ... 105
6.6. Conclusiones ... 112
Bibliografía ... 114
Anexo 1 ... 117
5
Índice de figuras
Figura 4.1: Diseño del patrón de radiación para la estación piloto de estudio Padre Amaya ... 16
Figura 4.2: Puntos de medición de cobertura para la estación Padre Amaya (Mapa Google Earth) ... 17
Figura 4.3: Pérdidas básicas en el espacio libre para trayectos de hasta 300 km, en la banda UHF ... 18
Figura 4.4: Valores de admitancia para el cálculo de pérdidas debidas a las características eléctricas de la tierra (ITU, 2013b) ... 19
Figura 4.5: Difracción para un trayecto transmisor-receptor, sin línea de vista despejada ... 20
Figura 4.6: Difracción por obstáculos tipo filo de cuchilla (Deygout, 1966) ... 21
Figura 4.7: Propagación de señales con el modelo ITU-R 525/ITU-R P.526, geometría de difracción cilíndrica... 21
Figura 4.8: Propagación de señales con el modelo ITU-R 525/ITU-R P.526, geometría de difracción filos de cuchilla ... 22
Figura 4.9: Propagación de señales con el modelo ITU-R 525, geometría de difracción Deygout 94 ... 22
Figura 4.10: Curvas de intensidad de campo para para trayecto terrestre, en la banda de frecuencias 450 MHz a 1000 MHz (ITU, 1995) ... 24
Figura 4.11: Factor de rugosidad del terreno para los modelos estadísticos ... 24
Figura 4.12: Factor de corrección para la rugosidad del terreno en la banda de frecuencias de 450 MHz a 1000 MHz (ITU, 1995) ... 25
Figura 4.13: Curvas de intensidad de campo para para trayecto terrestre, en la frecuencia de transmisión de 600 MHz (ITU, 2013a) ... 26
Figura 4.14: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.370 ... 27
Figura 4.15: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.1546 ... 27
Figura 4.16: Pérdidas por difracción en obstáculos tipo filo de cuchilla ... 29
Figura 4.17: Geometría requerida para el análisis de la reflexión de señales (ITU, 2015) ... 29
Figura 4.18: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.1812 ... 30
Figura 4.19: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R 525/ITU-R P.526 Cilindros ... 34
Figura 4.20: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R 525/ITU-R P.526 Filos de cuchilla ... 35
Figura 4.21: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R 525 Deygout 94 ... 35
Figura 4.22: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R P.370 ... 35
Figura 4.23: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R P.1812 ... 36
Figura 4.24: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R P.1546 ... 36
Figura 5.1: Tamaños de portadora OFDM para DVB-T2 (ETSI, 2015a) ... 44
Figura 5.2: Comparación de flujos 8K y 32K con intervalos de guarda de 1/32 y 1/128 respectivamente ... 45
Figura 5.3: Comparativa del modo normal y extendido de portadoras (ETSI, 2015a) ... 46
Figura 5.4: Diagrama de bloques de la cadena DVB-T2 (ETSI, 2012) ... 46
6
Figura 5.6: Diferentes PLP (color) ocupan diferentes portadoras (celdas) (Vangelista et al.,
2009) ... 48
Figura 5.7: Topología de una red MISO Alamouti (ETSI, 2012) ... 49
Figura 5.8: Dispersión de portadoras piloto DVB-T (izquierda) y DVB-T2 (derecha) (Polák & Kratochvíl, 2012) ... 50
Figura 5.9: Comparación entre sistemas con constelación rotada y sin constelación rotada (ETSI, 2015a) ... 51
Figura 5.10: Comparación de códigos convolucionales (CC) y códigos LDPC (ETSI, 2012)... 52
Figura 5.11: Incidencia del tamaño de portadoras en redes SFN ... 53
Figura 5.12: Comparativa entre modos normal y extendido de portadoras ... 55
Figura 5.13: Tiempos y distancias de intervalo de guarda ... 57
Figura 5.14: Simulación y mitigación de interferencias DVB-T2 ... 58
Figura 5.15: Dispersión de portadoras piloto en OFDM... 59
Figura 5.16: Estructura del marco T2... 62
Figura 5.17: Estructura de los símbolos OFDM ... 63
Figura 5.18: Tasa de trasmisión para sistemas DVB-T2 en canales de 6 MHz con tamaño de portadoras de 32K ext., fracción de intervalo de guarda de 1/128 y patrón de portadoras piloto PP7 ... 66
Figura 5.19: Factor de corrección 𝐷 por desvanecimiento ... 68
Figura 5.20: Entorno gráfico del software de simulación de canales DVB-T2 de 6 MHz ... 73
Figura 5.21: Simulación de canal SISO, 32K extendido, GIF 1/128 y PP7 (recepción outdoor) . 74 Figura 5.22: Simulación de canal SISO, 4K, GIF 1/4, PP1 y TR (recepción móvil) ... 75
Figura 6.1: Esquema general del proceso de planificación de redes para la radiodifusión de señales de televisión digital ... 78
Figura 6.2: Actividades que hacen parte de la identificación de la población objeto de cobertura ... 79
Figura 6.3: Estaciones de la red Telecom – Cundinamarca y Bogotá (Mapa Google Earth) ... 80
Figura 6.4: Análisis comparativo para la identificación de emplazamientos DVB-T2 ... 82
Figura 6.5: Mapa de emplazamientos potenciales DVB-T2 para la cobertura de Cundinamarca y Bogotá ... 84
Figura 6.6: Procesos de la etapa de cálculo de los parámetros de transmisión ... 85
Figura 6.7: Cálculo de los parámetros de transmisión para el operador local de televisión ... 87
Figura 6.8: Procesos para la estimación de la propagación de señales ... 88
Figura 6.9: Predicción preliminar de propagación de señales para las estaciones Cerro El Águila y Cerro Cruz Verde ... 89
Figura 6.10: Predicción preliminar de propagación para cobertura indoor. ... 91
Figura 6.11: Patrones de radiación vertical de sistemas radiantes de alta directividad ... 92
Figura 6.12: Patrones de radiación vertical para mitigar las pérdidas por obstrucción ... 92
Figura 6.13: Características técnicas de un elemento unitario para radiodifusión de televisión . 93 Figura 6.14: Perfiles de elevación para la zona objeto de servicio de la estación Cerro El Águila ... 94
Figura 6.15: Diseño preliminar del sistema de radiación para la estación Cerro El Águila. Ganancia máxima igual a 12,5 dBd ... 96
7
Figura 6.17: Diseño definitivo del sistema de radiación para la estación Cerro El Águila.
Ganancia máxima igual a 12 dBd ... 98
Figura 6.18: Comparativa de cobertura indoor para el sistema de trasmisión de la estación Cerro El Águila ... 99
Figura 6.19: Cobertura conjunta indoor de las estaciones Cerro El Águila y Cerro Cruz Verde ... 100
Figura 6.20: Comparativa de cobertura entre emplazamientos ... 102
Figura 6.21: Cobertura total de la red DVB-T2 para Cundinamarca y Bogotá ... 104
Figura 6.22: Actividades de la etapa de cálculo de influencia de las señales ... 105
Figura 6.23: Interferencia cocanal para la red local de televisión – canal 20 ... 106
Figura 6.24: Proceso de sincronización de la red local – tres estaciones ... 107
Figura 6.25: Proceso de sincronización de la red local – cinco estaciones ... 108
Figura 6.26: Límite del proceso de sincronización ... 109
Figura 6.27: Zonas de servicio y ocupación para la red del operador local... 111
8
Índice de tablas
Tabla 4.1: Características técnicas de la estación Padre Amaya ... 15
Tabla 4.2: Niveles de intensidad de campo medidos y simulados ... 31
Tabla 4.3: Estimaciones de las diferencias absolutas entre resultados y medidas en campo .... 33
Tabla 5.1: Diferencia entre dos topologías TDT (DVB-T y DVB-T2) implementadas en el Reino Unido – 8 MHz ... 40
Tabla 5.2: Configuración de redes SFN similares con los estándares DVB-T y DVB.T2 ... 40
Tabla 5.3: Tamaño original de portadoras ... 54
Tabla 5.4: Tiempos de guarda en µs para canales de 6 MHz. ... 58
Tabla 5.5: Distancias de guarda en km para canales de 6 MHz. ... 58
Tabla 5.6: Portadoras piloto para el modo de transmisión SISO ... 60
Tabla 5.7: Portadoras piloto para el modo de transmisión MISO ... 60
Tabla 5.8: Conformación de los patrones de portadoras piloto ... 61
Tabla 5.9: Número máximo de símbolos en un marco T2 para canales de 6 MHz ... 64
Tabla 5.10: Número de símbolos P2 en un marco T2 ... 64
Tabla 5.11: Número de celdas disponibles en un símbolo de datos ... 65
Tabla 5.12: Relación señal a ruido para la modulación vectorial en el estándar DVB-T2 ... 67
Tabla 5.13: Factores de corrección para la relación 𝐶/𝑁 ... 68
Tabla 5.14: Degradación adicional de la relación 𝐶/𝑁 por índice de redundancia en modulación ... 69
Tabla 5.15: Márgenes de protección de canal adyacente DVB-T2 vs DVB-T2, por modulación 71 Tabla 5.16: Márgenes de protección de canal adyacente DVB-T2 vs DVB-T2, por tamaño de portadoras ... 72
Tabla 6.1: Relación de emplazamientos potenciales DVB-T2 para la cobertura de Cundinamarca y Bogotá ... 83
Tabla 6.2: Diseño preliminar del sistema de trasmisión para la estación Cerro El Águila ... 95
Tabla 6.3: Diseño definitivo del sistema de trasmisión para la estación Cerro El Águila ... 98
Tabla 6.4: Diseño definitivo de los sistemas de trasmisión DVB-T2 ... 101
9
1.
Introducción
Actualmente en Colombia los diferentes operadores de televisión abierta radiodifundida están iniciando el proceso de diseño y despliegue de redes de televisión digital terrestre bajo el estándar Digital Video Broadcasting Second Generation Terrestrial - DVB-T2. Si bien los organismos estatales han definido condiciones técnicas relevantes que deben considerarse en la planificación, no existe una metodología unificada para el diseño de estaciones de televisión digital y la configuración de parámetros técnicos de modulación y transmisión, y esto a su vez genera incertidumbre en los resultados deseados de cobertura y servicio, y una gestión ineficiente del espectro electromagnético.
10
2.
Planteamiento del problema
En la actualidad los operadores de televisión abierta en Colombia están iniciado el despliegue de redes de televisión digital terrestre – TDT bajo el estándar DVB-T2, desarrollado por el proyecto DVB para radiodifusión de contenidos digitales. Este despliegue requiere de un proceso preciso de análisis de las técnicas incluidas en el estándar para configurar las redes de transmisión en función del propósito de servicio. Así, los operadores de televisión pueden ajustar los parámetros de trasmisión e implementar estaciones de tal manera que provean servicios con modalidad indoor, es decir para recepción al interior de las edificaciones, outdoor o recepción en exterior con antena fija, móvil o recepción al interior de vehículos en movimiento, o incluso una combinación todas las modalidades de recepción para un mismo canal de trasmisión (Polák & Kratochvíl, 2012).
El estándar DVB-T2 nace de la demanda constante por contenidos digitales radiodifundidos en alta definición (Vangelista et al., 2009), lo que no era posible con el estándar de primera generación DVB-T debido a las limitaciones en las opciones de configuración de las modulaciones vectoriales y el uso excesivo de portadoras para la estimación del canal en recepción. Esto se traduce en la reducción de la capacidad máxima del flujo de datos de transmisión del sistema (Li Fu, Songlin Sun, Xiaojun Jing, 2010). Este estándar incluye además la técnica de multiplexación por división de frecuencia ortogonal, Orthogonal Frequency Division Multiplex – OFDM, con la cual se transmite la información de forma segmentada a través de multi-portadoras reduciendo la probabilidad de error en la trasmisión de datos y minimizando los requerimientos de potencia de trasmisión. OFDM permite planificar redes de frecuencia única Single Frequency Network – SFN por medio de la configuración de intervalos de guarda. De esta manera los receptores están en la capacidad de tolerar señales reflejadas y ecos en segmentos de tiempo determinados y esto permite un uso más eficiente de las frecuencias (Floch, Alard, & Berrou, 1995).
Es claro entonces que para el diseño de redes de televisión digital terrestre bajo el estándar DVB-T2 existen múltiples configuraciones de los parámetros técnicos de diseño, según los criterios de planificación que se establezcan y el tipo de recepción deseada. DVB-T2 incluye, entre otras opcionalidades, la posibilidad de configurar redes para recepción tipo MISO (multiple-input single-output) o tipo SISO (single-input single-single-output) en redes SFN (Alamouti, 1998); la posibilidad de seleccionar entre diferentes multi-portadoras OFDM de tamaños 1k, 2k, 4k, 8k, 16k y 32k, cuya elección afecta principalmente el alcance máximo de la red SFN, la probabilidad de interferencias co-canal y la tasa de transmisión máxima; la posibilidad de configurar diferentes tipos de modulación vectorial QPSK, 16QAM, 64QAM o 256QAM, etc. (Samo, Slimani, Baruffa, & Rugini, 2015).
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requerimientos de trasmisión tales como la potencia de los transmisores, pérdidas máximas admisibles y configuración de los patrones de radiación (Kateros et al., 2009), y con ello efectuar los análisis de cobertura e interferencias usando herramientas computacionales y aplicando modelos de propagación, que deben ser previamente ajustados y parametrizados en función de la banda de frecuencias de operación de los servicios y las condiciones atmosféricas del entorno (Östlin, Suzuki, & Zepernick, 2008).
Los modelos de propagación para la predicción de cobertura y simulación de redes poseen características particulares y pueden ser parametrizados cada uno de formas distintas según tipo, es decir si son modelos determinísticos o estadísticos; y según las condiciones climatológicas y características particulares del terreno que afectan la reflexión y difracción de las señales. Al contar con diferentes modelos y diferentes formas de parametrizar las condiciones del medio, se obtienen resultados disímiles comparativamente para un mismo entorno de simulación. En consecuencia, el número de predicciones que se pueden obtener para una sola estación equivale al número de modelos aplicables, según banda de frecuencias de servicio, y al número de combinaciones distintas de parametrización que soporta cada uno de estos modelos (Andersen & Rappaport, 1995).
El desconocimiento de las funcionalidades técnicas del estándar DVB-T2 y de la elección y aplicación de un modelo idóneo para el análisis de cobertura e interferencias de las redes de televisión, genera incertidumbre y dificulta los procesos para establecer condiciones técnicas tales como la ubicación de las estaciones, la potencia de transmisión mínima requerida y máxima permitida para la protección de los servicios, la configuración eficaz de los sistemas radiantes, el ajuste de retardos para la sincronización, etc. A su vez, resulta imposible calcular de forma precisa las zonas de servicio y cobertura que provee una estación y, consecuentemente, las regiones afectadas por interferencias. Sin esta información los operadores de televisión no pueden hacer uso de técnicas de ajuste para mejorar el cubrimiento y mitigar interferencias, considerando que la probabilidad de hallar zonas interferidas es mucho mayor principalmente en redes con configuración SFN (Alamouti, 1998).
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De la falta de una metodología unificada para planificación de redes de televisión, que involucre la elección de los parámetros técnicos y la parametrización de un modelo idóneo para la predicción de cobertura contemplando las condiciones atmosféricas y de elevaciones del terreno particulares de Colombia, se deriva otro problema que tiene relación específicamente con la asignación de frecuencias y gestión del espectro electromagnético. La incertidumbre en el cálculo de cobertura de una red induce al error para el establecimiento de los contornos de interferencia de las estaciones. Por esta causa, en algunos casos se obtienen contornos interferentes que originan la asignación imprecisa de frecuencias en zonas que una estación en particular no atiende pero que debido a que se mantienen los márgenes de protección se puede hacer re-uso de frecuencias y conservar la disponibilidad para otro operador u otra estación de televisión. Adicionalmente, sin una metodología clara de planificación, los diferentes operadores de televisión continuarán desplegando redes de radiodifusión con características técnicas diferentes dando continuidad incompatibilidad entre las redes y a los problemas de recepción a nivel de usuario por cuenta de las diferencias en los niveles de intensidad campo eléctrico, las interferencias co-canal y de canal adyacente, y la infraestructura no homogénea de recepción, esto último en los casos donde se hace forzosamente necesario implementar más de una antena de recepción para sintonizar las señales que se transmitan desde diferentes estaciones. Así mismo seguirá existiendo incertidumbre para la identificación precisa de las zonas de servicio y ocupación de frecuencias de una estación de televisión, ocasionando el sobredimensionado del alcance de propagación de las señales y a su vez el uso ineficiente del espectro radioeléctrico, recurso escaso que puede ser aprovechado para permitir la participación de otros operadores de televisión o incluso para la prestación de nuevos servicios de telecomunicaciones en bandas de frecuencias que puedan ser liberadas.
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3.
Objetivos
3.1. Objetivo general
• Desarrollar una metodología para el diseño y planificación de redes de televisión digital terrestre en entornos urbanos y rurales de Colombia.
3.2. Objetivo Específico
▪ Analizar comparativamente los modelos de propagación de señales en las bandas atribuidas al servicio de televisión.
▪ Plantear criterios para definir los parámetros de modulación y transmisión, y la configuración de un modelo para los cálculos de cobertura e interferencias en redes de televisión digital terrestre.
▪ Establecer un procedimiento que permita la planeación y asignación eficiente de frecuencias del servicio de televisión digital terrestre.
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4.
Modelos de propagación para simulación de señales para el
servicio de televisión en la banda UHF
El servicio de televisión digital terrestre en Colombia, adoptado en el año 2011 con el estándar de radiodifusión DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Second Generation Terrestrial), se atribuyó a la banda de operación de frecuencias UHF, específicamente en el rango de 470 MHz a 698 MHz (Agencia Nacional del Espectro, 2012). Esta determinación constituye un factor absolutamente relevante para la planificación de redes de radiodifusión de televisión digital, dado que los modelos de propagación existentes se ciñen a porciones específicas del espectro radioeléctrico y en ese sentido, se hace necesario identificar aquellos modelos válidos que eventualmente se puedan utilizar en la planificación de estaciones de televisión.
El estado del arte propone tres clases de modelos de planificación: Determinísticos que son aquellos basados en expresiones matemáticas que producirán el mismo resultado en condiciones semejantes; los estadísticos que se basan en resultados experimentales y campañas de mediciones en campo bajo condiciones disimiles de recepción, incluyendo las afectaciones que eventualmente puedan generar los cambios atmosféricos; y los semi-determinísticos que recurren una combinación parcial de modelos estadísticos y semi-determinísticos, a fin de proporcionar directrices para el cálculo de los niveles de intensidad de campo en función de la ubicación del punto de recepción en particular.
De acuerdo a la experiencia en diferentes países, el factor que genera mayor incertidumbre para el cálculo de cobertura en la planificación de redes de radiodifusión, corresponde a al efecto causado por la difracción en entornos donde las señales sufren desvanecimiento por obstrucción (Östlin et al., 2008). Los modelos estadísticos y semi-determinísticos, incluyen la parametrización necesaria para emular dichas condiciones gracias al amplio rango de resultados obtenidos a través de las campañas de mediciones. No obstante, algunos modelos determinísticos deben complementarse con el uso de otros modelos para el cálculo específico de los niveles de intensidad de campo que se generen por la difracción de las señales.
Este proyecto parte con el análisis de los modelos de propagación utilizados para la planificación de redes de televisión en la banda UHF, a fin de definir, de forma comparativa y con un alto grado de certidumbre, el modelo que mejor se ajuste a las condiciones reales del país. Para ello, el desarrollo del presente trabajo propone el estudio de los modelos determinísticos recomendados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones – ITU, para el cálculo de la atenuación en el espacio libre ITU-R P.525 y el cálculo de niveles de intensidad de campo debido a la propagación por difracción Deygout 94 e ITU-R P.526. Así mismo, en este proyecto se analizan los modelos estadísticos de curvas de propagación ITU-R P.370 e ITU-R P.1546, y el método semi-determinístico para la predicción de propagación de servicios terrenales ITU-R P.1812.
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4.1. Descripción de las características técnicas de la estación piloto
Tal como se ha mencionado, el análisis de los modelos de propagación requiere una serie de simulaciones a fin de obtener los resultados necesarios para comparar, junto con resultados de mediciones en campo, el modelo que se aproxima a las condiciones de propagación en el territorio colombiano. Así, para el desarrollo del presente proyecto, resulta conveniente hacer uso de una estación cuya zona de servicio abarque poblaciones tanto urbanas como rurales y donde los efectos de la difracción sean apreciables.
En la Tabla 4.1, se relacionan las características técnicas del centro transmisor de televisión digital, denominado con el nombre Padre Amaya y ubicado en área rural del departamento de Antioquia.
Tabla 4.1: Características técnicas de la estación Padre Amaya
COORDENADAS Latitud 6° 16’ 47,8” N Longitud 75° 41’ 10,3” W
ALTURA 3098 msnm
POTENCIA DE TRANSMISIÓN 6000 W
ARREGLO DE ANTENAS
Configuración (8:8:8:8)
Azimut (10°:100°:190°:280°) Inclinación (1°:5°:1°:1°)
Relleno de nulos (10%:20%:10%:10%) Ganancia del arreglo 13,2 dBd
Centro de radiación 136 m PÉRDIDAS ESTIMADAS DEL SISTEMA
DE TRANSMISIÓN 2,88 dB
La ubicación de la estación permite la incidencia de sus señales con línea de vista directa, sobre casco urbano de la ciudad de Medellín, incluyendo el área metropolitana. Sin embargo, en términos de área territorial, la mayor cobertura por este centro transmisor se obtiene en virtud a los efectos de difracción de las señales transmitidas dado que, como consecuencia de las irregularidades del terreno, la mayor parte del territorio cubierto no posee línea de vista despejada con la estación.
Las características relacionadas en la Tabla 4.1 incluyen la información de ubicación del centro transmisor en el sistema de coordenadas geográficas WGS84 (World Geodetic System 84), la potencia nominal de transmisión para un canal de 6 MHz de ancho de banda, la configuración del arreglo de antenas por cara (número de paneles por cara), el azimut de cada cara del arreglo de antenas, la inclinación eléctrica y el relleno del primer nulo de los diagramas de radiación verticales por cada cara del sistema radiante, la ganancia del arreglo referida a un dipolo de media onda y la altura central del mismo junto con las pérdida estimadas de todos los elementos de interconexión desde el transmisor hasta dicho arreglo (filtros, líneas rígidas y flexibles de transmisión, latiguillos y conectores).
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a) Diagrama de radiación horizontal con 1° de inclinación
b) Diagrama de radiación horizontal con 5° de inclinación
c) Diagrama de radiación vertical en los azimut 10°, 190° y 280°
d) Diagrama de radiación vertical en el azimut 100°
Figura 4.1: Diseño del patrón de radiación para la estación piloto de estudio Padre Amaya
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Figura 4.2: Puntos de medición de cobertura para la estación Padre Amaya (Mapa Google Earth) 4.2. Modelos determinísticos
Esta sección contiene la descripción de los modelos determinísticos válidos para la simulación de propagación de señales en la banda de frecuencias de televisión digital en Colombia, y la simulación del escenario de propagación de la estación Padre Amaya utilizando dichos modelos. Dado que el cálculo de los niveles de intensidad de campo en estos modelos depende en gran medida de las características del terreno, se utilizó de una cartografía digital de altimetría con 50 metros de resolución, a fin de emular condiciones reales de propagación.
4.2.1. ITU-R P.525 Cálculo de la atenuación en el espacio libre
El análisis determinístico de la propagación de señales involucra, en todos los casos y de forma independiente al servicio trasmitido y su banda de operación, el cálculo de las pérdidas de las señales en razón al medio de trasmisión. En las comunicaciones por radiodifusión, el medio de transmisión corresponde, por supuesto, al espacio libre, que se ve influenciado por los diferentes fenómenos atmosféricos que a su vez causan absorción de energía radioeléctrica.
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Dado que el análisis computacional se efectúa por cada pixel correspondiente a la zona de recepción, resulta conveniente en la simulación de redes considerar antenas isótropas tanto en trasmisión como en recepción, a fin de realizar los cálculos de las pérdidas básicas de trasmisión desde el centro transmisor hasta cada punto de análisis de recepción, de forma independiente. Para esto, el modelo de propagación ITU-R P.525 incorpora la expresión teórica de pérdidas básicas de trasmisión que se relaciona en la ecuación Ec. 1:
𝐿𝑝𝑓= 34,2 + 20 ∙ log(𝑓) + 20 ∙ log(𝑑) Ec. 1 Donde:
𝐿𝑝𝑓: pérdida básica de transmisión en el espacio libre (dB) 𝑓: frecuencia (MHz)
𝑑: distancia (km)
Claramente, y tal como se puede observar en la Figura 4.3, el incremento de la frecuencia de transmisión o de la distancia entre el punto transmisor y receptor, genera aumento en las pérdidas por propagación en el espacio libre. Naturalmente, este fenómeno condiciona los parámetros técnicos de transmisión para una cobertura deseada, dado que la potencia radiada efectiva de los sistemas de trasmisión depende de las pérdidas totales del enlace, es decir, de la frecuencia de transmisión y la zona acotada de servicio, entre otros factores.
Figura 4.3: Pérdidas básicas en el espacio libre para trayectos de hasta 300 km, en la banda UHF
Dado que el modelo de propagación ITU-R P.525 hace referencia a comunicaciones con línea de vista despajada, sin la presencia de obstrucciones entre los puntos transmisor y receptor y donde los fenómenos de difracción son despreciables, se hace necesario complementar este modelo con métodos de cálculo para escenarios donde se obstruya parcial o totalmente los elipsoides de Fresnel y propagación resulte por la difracción de las señales.
4.2.2. ITU-R P.526 Propagación por difracción
19
elipsoide de Fresnel se encuentra obstruido. Este aspecto resulta ser relevante por cuanto, identificar las zonas cubiertas por difracción de las señales, maximiza el potencial de cobertura de una estación y reduce el número de frecuencias o canales requeridos para la operación de una red de radiodifusión.
La recomendación ITU-R P.526 propone los métodos de cálculo determinísticos de niveles de intensidad de campo en trayectos de propagación por difracción, asumiendo formas geométricas tipo filo de cuchilla o redondeadas de los obstáculos que se presenten. De igual manera, la recomendación incluye el cálculo de las pérdidas debido a una obstrucción y la característica eléctrica de su superficie. Así, a partir del cálculo del factor normalizado de admitancia de superficie 𝐾, se determina la influencia de las características eléctricas de la tierra sobre el enlace y las pérdidas asociadas, siendo éstas mucho más relevantes en enlaces con polarización vertical tal como se observa en las curvas de la Figura 4.4 (ITU, 2013b).
Figura 4.4: Valores de admitancia para el cálculo de pérdidas debidas a las características eléctricas de la tierra (ITU, 2013b)
20
de las señales que se propagan hacia los picos montañosos de obstrucción. Un ejemplo de ello se puede evidenciar en la Figura 4.5, escenario típico en las comunicaciones radiodifundidas donde la línea de vista entre el transmisor y el receptor se encuentra totalmente obstruida y cada pico montañoso de obstrucción actúa básicamente como un re-transmisor de la señal, por supuesto guardando las proporciones, dado que la señal se difracta en diferentes direcciones y ello conlleva pérdidas adicionales.
Figura 4.5: Difracción para un trayecto transmisor-receptor, sin línea de vista despejada
A diferencia de otros métodos de difracción, el modelo propuesto por la ITU especifica el análisis puntual de difracción por cada punto de obstrucción, de manera tal que los obstáculos se consideran independientes y no agrupados (ITU, 2013b). Por supuesto, este tipo de análisis tiene un mayor costo computacional a fin de asegurar la emulación de escenarios reales. De igual manera, el modelo de difracción permite la elección de formas geométricas redondas o puntiagudas de obstrucción, de acuerdo al área de superficie de las zonas donde se produce la difracción. En la mayoría de los casos, resulta conveniente asumir formas puntiagudas de obstrucción dado que, con las formas redondas, se plantea un mayor contacto entre las señales y los obstáculos y ello por supuesto se ve reflejado en mayores pérdidas en los puntos de recepción. No obstante, es recomendable verificar y contrastar las condiciones de difracción de una zona en particular con información cartográfica de elevación y mediciones en campo. 4.2.3. Deygout 94
Otra de las técnicas utilizadas para el cálculo de los niveles de intensidad de campo causados por la difracción, cosiste en el modelo determinístico desarrollado por Jacques Deygout el cuál interpreta como un obstáculo único tipo filo de cuchilla una agrupación de obstáculos entre dos puntos, utilizando un algoritmo recursivo a fin de identificar los obstáculos relevantes en el enlace para luego despejarlo y repetir la operación sobre el siguiente obstáculo relevante (Deygout, 1966). Adicionalmente, este modelo propone la aplicación de factores de corrección en función de las alturas diferenciales de los obstáculos presentes y los puntos transmisor y receptor a fin de proporcionar valores de pérdidas más ajustados a la realidad.
21
pérdidas generadas por los obstáculos que interceptan la primera zona de Fresnel, sin llegar a bloquear dicha zona en más del 60% en el sub-trayecto, se suman entre sí.
Figura 4.6: Difracción por obstáculos tipo filo de cuchilla (Deygout, 1966)
En la figura se observa, de manera general, la geometría de difracción del modelo Deygout 94 donde 𝑑1 y 𝑑2 corresponden a las distancias desde los extremos hasta el punto más alto del obstáculo, el parámetro ℎ hace referencia a la altura de la cima del obstáculo con respecto a los extremos, y los ángulos 𝛼1 y 𝛼2 se refieren a la dirección de visibilidad del punto más alto de los obstáculos con respeto al origen y destino de la señal.
4.2.4. Simulación de los modelos determinísticos
En la Figura 4.7 y la Figura 4.8 se observan los resultados de simulación para el modelo ITU-R 525 e ITU-R P.526, con geometrías de difracción cilíndricas y filo de cuchillas respectivamente. El primero modelo empleado, ITU-R 525, incide esencialmente en las zonas con línea de vista despejada. Los cálculos con este modelo resultan exactamente idénticos en los dos escenarios y ello se puede evidenciar en los resultados de mediciones relacionados en el Anexo 1, donde para algunos puntos, los valores de intensidad de campo son iguales o muy aproximados.
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Figura 4.8: Propagación de señales con el modelo ITU-R 525/ITU-R P.526, geometría de difracción filos de cuchilla
Figura 4.9: Propagación de señales con el modelo ITU-R 525, geometría de difracción Deygout 94
El modelo ITU-R P.526 incide, por lo tanto, en aquellas regiones donde la zona de Fresnel se obstruye total o parcialmente y la propagación es el resultado de la difracción de las señales. La diferencia entre las dos simulaciones está dada por la geometría de difracción implementada para la cúspide de las elevaciones intermedias entre el transmisor y el receptor, que para el caso de la Figura 4.7 corresponde a formas cilíndricas y para el caso de la Figura 4.8 corresponde a filos de cuchilla aislados. Así, se observa que contemplar obstáculos con formas geométricas cilíndricas conlleva asumir mayores pérdidas en la programación, dado que el área de superficie en la que inciden las señales es mayor en comparación con los obstáculos tipo filo de cuchilla. Sin embargo, el resultado entre las dos simulaciones no varía de forma sustancial y la diferencia da cuenta de un error que puede mitigarse con la aplicación de factores de corrección.
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difracción Deygout 94 propone la agrupación de obstáculos entre transmisor y receptor con geometría tipo filo de cuchilla, los niveles de atenuación se reducen y ello a su vez conlleva un incremento en el área de cobertura en comparación con los dos modelos anteriores.
De manera progresiva se observan los cambios en los resultados hallados con los modelos determinísticos, observando que los resultados varían de forma sustancial especialmente en la propagación por difracción entre los métodos de cálculo ITU-R P.526 y Deygout 94. La aplicación de uno u otro modelo depende, esencialmente, del tipo de servicio que se pretenda estudiar e implementar. Es decir, las topologías de red orientadas a la recepción en interiores o en movimiento, como las redes de telefonía móvil, requieren la aplicación de modelos de propagación probablemente diferentes a los utilizados para aquellas redes de recepción fija, donde las pérdidas por difracción y refracción de las señales se mitigan en función de la antena de recepción.
4.3. Modelos Estadísticos
En esta sección se describen los modelos determinísticos aplicados a la simulación de redes en la banda de frecuencias UHF, caracterizando los mismos al entorno geográfico de simulación a través de una cartografía digital, suponiendo áreas terrestres no influenciadas por los cambios climáticos del mar. Se presenta, además, los resultados de simulación para la estación Padre Amaya aplicando estos modelos, a fin de comparar el grado de precisión de los mismos.
4.3.1. ITU-R P.370 Curvas de propagación en ondas métricas y decimétricas para la gama de frecuencias comprendidas entre 30 y 1000 MHz
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Figura 4.10: Curvas de intensidad de campo para para trayecto terrestre, en la banda de frecuencias 450 MHz a 1000 MHz (ITU, 1995)
Como es usual en la planificación de redes, las curvas de los niveles de intensidad de campo se hallaron con antenas receptoras caracterizadas e implementadas a 10 metros de altura sóbrele nivel del suelo, en dirección del centro transmisor. Esta premisa se incluyó con base en la recomendación ITU-R SM.1875 (ITU, 2014), propuesta para mediciones de cobertura y verificación de criterios de planificación y ampliamente adoptada a nivel mundial para la comparación de datos en las mismas condiciones tanto de mediciones como de simulación de coberturas.
Figura 4.11: Factor de rugosidad del terreno para los modelos estadísticos
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aprecia de manera gráfica el concepto de rugosidad que introduce el modelo, para una distancia dada entre un punto transmisor y el borde esperado de cobertura (ITU, 1995). Es así que, dado que no se recolectaron pruebas y mediciones en América del Sur y específicamente en Colombia, se deben ajustar los factores de corrección del terreno y comparar las predicciones con los resultados en campo.
Las curvas que se relacionan en la Figura 4.10, corresponden a los niveles de intensidad de campo experimentales del modelo ITU-R P.370 para alturas del centro transmisor respecto al punto de recepción (ℎ1), entre 37,5 m y 1200 m (ITU, 1995). Dado que las curvas se hallaron para valores de rugosidad típicos de 50 m, en el evento de que se hallen otros valores de rugosidad, según el estudio específico que se realice, se debe aplicar el factor de corrección que se observa en la Figura 4.12, obteniendo con ello, por ejemplo para una altura del centro transmisor de 1200 m y una medida de rugosidad de 300 m, un factor de atenuación equivalente a 20 dB sobre la curva específica de la Figura 4.10. Así, el nivel resultante de intensidad de campo en el punto de análisis correspondería a aproximadamente 47 dBµV/m.
Figura 4.12: Factor de corrección para la rugosidad del terreno en la banda de frecuencias de 450 MHz a 1000 MHz (ITU, 1995)
4.3.2. ITU-R P.1546 Métodos de predicción de punto a zona para servicios terrenales en la gama de frecuencias de 30 a 3000 MHz
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Figura 4.13: Curvas de intensidad de campo para para trayecto terrestre, en la frecuencia de transmisión de 600 MHz (ITU, 2013a)
A diferencia del modelo ITU-R P.370, el modelo ITU-R P.1546 establece parámetros dinámicos experimentales para el cálculo de pérdidas por el efecto de difracción de las señales. Con esta inclusión, los niveles de intensidad de campo se ven afectados por el nivel de rugosidad del terreno y, además, por el grado de obstrucción de las distintas señales hasta el punto particular de recepción. Para ello, la ITU recomienda disponer de la base de datos de altimetría del terreno y propone dos métodos de cálculo del factor de pérdidas por difracción, considerando de manera explícita en uno y menos explícita en otro la cartografía.
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caracterización precisa de las condiciones de propagación utilizando los métodos descritos en la misma recomendación.
4.3.3. Simulación de los modelos estadísticos
Figura 4.14: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.370
Figura 4.15: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.1546
En la Figura 4.14 se observa el resultado de la simulación de propagación para la estación de estudio, haciendo uso del modelo ITU-R P.370 y de cartografía digital para el cálculo de la rugosidad del terreno por cada punto de recepción. No obstante, con la mancha de cobertura se aprecia que la topología del terreno causa un efecto mínimo sobre los resultados, teniendo do en cuenta que la forma geométrica de la mancha se asemeja a la forma del patrón de radiación, a pesar de que la mayoría de los puntos de recepción no cuentan con línea de vista despejada hacia el transmisor.
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función de la distancia de propagación, y en el segundo caso, para el modelo ITU-R P.1546, atenuaciones en función de la altimetría del terreno. Para este último modelo se observan niveles de intensidad de campo elevados en zonas muy alejadas al transmisor, a distancias entre 300 km y 400 km, esto se debe a que las elevaciones en estas regiones son en gran medida menores a la del puno transmisor y con la aplicación del modelo ITU-R P.1546 se asumen pérdidas muy pequeñas o incluso nulas por difracción.
4.4. Modelos semi-determinístico
La ITU ha desarrollado una serie de métodos de cálculo mixtos para propagación de señales radioeléctricas donde, según las condiciones del entorno, se aplican factores extraídos de los resultados en campo o expresiones matemáticas de estimación. Este tipo de modelos se denominan semi-determinísticos, e incluyen en la mayoría de los casos el análisis puntual de fenómenos tales como la variación de la propagación troposférica en función de los cambios atmosféricos y climáticos. En esta sección se estudia el modelo semi-determinístico válido para la predicción de señales en la banda UHF de frecuencias, suponiendo afectación nula por los cambios climáticos del mar debido a que la estación Padre Amaya se encuentra en un entorno enteramente montañoso alejado de las costas colombianas.
4.4.1. ITU-R P.1812 Método de predicción de la propagación específico del trayecto para servicios terrenales punto a zona en las bandas de ondas métricas y decimétricas
El modelo de propagación radioeléctrica ITU-R P.1812, surge como complemento a la recomendación ITU-R P.1546 para la predicción de cobertura y análisis de los efectos de las señales no deseadas en frecuencias cocanal y canal adyacente. Este modelo introduce el cálculo de las pérdidas básicas de transmisión en el espacio libre, pérdidas debidas a la penetración en edificios para estimar los niveles de intensidad de campo indoor y, factores de variabilidad de emplazamientos caracterizados estadísticamente utilizando distribuciones log-normal (ITU, 2015).
Uno de los aspectos más relevantes que incluye el modelo ITU-R P.1812 es la posibilidad de simular estaciones transmisoras con trayectos de hasta 3000 km de distancia. Por supuesto, esto se presume como una ventaja sobre otros modelos de propagación como el correspondiente a Okumura Hata, donde a partir de los 50 km de trayecto de una señal no se puede asegurar sus niveles de intensidad de campo incidentales (Hata, 1980). Esta optimización de modelo requiere, en todo caso, del uso de información cartográfica del terreno, dado que el modelo propone un método de cálculo por cada perfil del terreno hasta los puntos de cobertura más lejanos, que incluye el análisis de ubicaciones distintas de los receptores a lo largo del trayecto.
Por otra parte, el modelo ITU-R P.1812 postula un método de cálculo determinístico de la difracción debida a los obstáculos y la curvatura de la tierra (modelo de tierra esférica), y el resultado final se obtiene mediante la combinación de las pérdidas calculadas en los dos escenarios. El cálculo del valor estimado de pérdidas para todos los trayectos, sean marítimos, costeros o terrestres, se realiza empleando una aproximación de las pérdidas por difracción para un único obstáculo tipo filo de cuchilla como función de parámetro adicional (𝑣), tal como se expresa la ecuación Ec. 2:
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Para el cálculo de la difracción total, el modelo establece expresiones matemáticas que consideran los parámetros de la tierra esférica, la curvatura efectiva de la tierra, el trayecto de difracción transhorizonte para largas distancias y por supuesto, las pérdidas estimadas para obstáculos tipo filo de chuclla cuyo resultado se describe en la Figura 4.16. Los valores de pérdidas para el parámetro 𝑣 de obstrucción, menores a 0,78, resultan negativos, lo que se traduciría erróneamente en una ganancia en el enlace. Se establece que las pérdidas por difracción en dicho rango son despreciables.
Figura 4.16: Pérdidas por difracción en obstáculos tipo filo de cuchilla
El modelo ITU-R P.1812 también introduce el concepto de reflexión en superficies, enfocado al análisis de ecos en los receptores. Normalmente, este tipo de análisis se realiza para entornos urbanos con información cartográfica de un metro de resolución. La geometría requerida para el análisis de la reflexión se describe la Figura 4.17, donde T corresponde al punto de recepción de análisis y S corresponde al origen de la reflexión o centro transmisor para un enlace con línea de vista directa. Este tipo de análisis suele ser relevante para la estimación de interferencias de una señal producida por ecos con niveles de intensidad de campo perjudiciales o ecos fuera de los intervalos de guarda.
30 4.4.2. Simulación del modelo semi-determinístico
Figura 4.18: Propagación de señales con el modelo ITU-R P.1812
La predicción de propagación de señales con el modelo ITU-R P. 1812 se observa en la Figura 4.18 para la cual se tiene una cobertura relativamente media con respecto a los modelos estudiados anteriormente. A pesar de que este modelo parte de curvas experimentales, la inclusión de expresiones para el cálculo de atenuaciones por difracción plantea un nuevo escenario de propagación en comparación con el modelo ITU-R P. 1546, cuyos resultados se pueden considerar optimistas.
El resultado de predicción de cobertura con el modelo ITU-R P. 1812 se asemeja a los resultaos obtenidos con los modelos determinísticos, especialmente con los escenarios donde se contempló geometrías de difracción tipo filo de cuchilla para los obstáculos. Es así que, necesariamente, la elección de uno de estos modelos depende sustancialmente de los resultados comparativos con mediciones en campo, considerando que los resultados son similares en algunas regiones de cobertura y ello puede concluir en la elección del modelo erróneo si no se cuenta con mediciones a lo largo del área de cobertura, especialmente en las regiones con línea de vista obstruida.
4.5. Análisis comparativo de las simulaciones con mediciones en campo
31
Tabla 4.2: Niveles de intensidad de campo medidos y simulados
MEDICIONES
COORDENADAS WGS-84 GEOGRÁFICAS
VISTA
INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO (dBµ/m)
LATITUD LONGITUD CAMPO ITU-R P.526 CILINDRO ITU-R P.526 FILOS DEYGOUT ITU-R 525 ITU-R P.370 P.1546 ITU-R P.1812 ITU-R
1 Angelópolis
(urbano) 6° 6' 42,4" N 75° 42' 35,5" W LOS 91,4 89 89 89 83 89 89 2 Angelópolis
(rural) 6° 4' 7,7" N 75° 42' 2,58" W NLOS 56,95 14 43 58 76 73 48 3 Betulia
(urbano) 6° 6' 48,05" N 75° 59' 2,56" W NLOS 52,42 0 24 54 71 63 43 4 Caicedo
(urbano) 6° 24' 19,47" N 75° 58' 57,71" W LOS 87,77 91 91 91 73 91 91 5 Caldas
(urbano) 6° 5' 34,4" N 75° 38' 15" W NLOS 91,31 56 68 80 88 93 72
6 Concordia
(urbano) 6° 2' 47,65" N 75° 54' 26,1" W NLOS 57,68 22 51 63 73 66 52 7 Copacabana
(urbano) 6° 20' 46,5" N 75° 30' 26,4" W NLOS 70,53 38 58 74 86 94 64 8 Copacabana
(rural) 6° 20' 34,7" N 75° 30' 53,2" W NLOS 71,81 35 60 71 87 91 60
9 Copacabana
(rural) 6° 21' 16,5" N 75° 29' 44,4" W NLOS 69,11 33 53 74 84 91 64 10 Girardota
(rural) 6° 22' 39" N 75° 26' 44,6" W NLOS 56,83 48 64 74 75 86 64 11 Hispania
(rural) 5° 47' 58,2" N 75° 54' 26,31" W NLOS 54,89 2 34 54 51 69 43
12 Jericó
(urbano) 5° 47' 30,66" N 75° 47' 10,24" W NLOS 57,59 0 26 61 52 58 49 13 La Unión
(urbano) 5° 58' 24,7" N 75° 21' 40,3" W NLOS 53,03 20 42 55 47 77 45
14 (urbano) Marinilla 6° 10' 24,1" N 75° 20' 5" W NLOS 49,43 8 37 60 63 84 49
15 Pueblorrico
(rural) 5° 47' 30,46 75° 50' 28,25" W LOS 74,36 89 89 89 53 89 89 16 El Retiro
(rural) 6° 3' 26,5" N 75° 30' 8,9" W NLOS 46,87 0 25 46 64 61 35 17 Rionegro
(urbano) 6° 8' 28,8" N 75° 22' 41,2" W NLOS 49,37 27 51 63 68 87 52
18
San Jeronimo
(rural)
6° 26' 33,76" N 75° 43' 39,27" W LOS 79,43 81 81 81 75 81 81
19
San Pedro de los Milagros
(rural)
32
MEDICIONES
COORDENADAS WGS-84 GEOGRÁFICAS
VISTA
INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO (dBµ/m)
LATITUD LONGITUD CAMPO ITU-R P.526 CILINDRO
ITU-R P.526 FILOS
ITU-R 525
DEYGOUT ITU-R P.370
ITU-R P.1546 ITU-R P.1812 20 Santa Rosa de Osos (urbano)
6° 38' 55,84" N 75° 27' 39,09" W NLOS 70,08 58 67 81 53 75 73
21
Santafe de Antioquia
(urbano)
6° 33' 23" N 75° 49' 40,27" W LOS 79,75 80 80 80 63 80 80
22
Santafe de Antioquia
(rural)
6° 33' 50,12" N 75° 49' 34,12" W LOS 79,2 81 81 81 63 81 81
23 Támesis (urbano) 5° 39' 46,32 75° 42' 45,82 NLOS 53,07 0 33 58 42 64 47
24 Tarso
(rural) 5° 51' 54,12" N 75° 49' 20,02" W LOS 88,66 89 89 89 57 89 89 25 Valparaiso
(urbano) 5° 36' 54,09" N 75° 37' 29,19" W LOS 83,38 40 57 69 39 53 58
26 Barbosa (rural) 6° 29' 19,4" N 75° 19' 56,2" W NLOS 75,86 24 46 57 47 69 47
27 La Ceja
(urbano) 6° 1' 50,8" N 75° 25' 53,4" W NLOS 52,68 0 18 50 58 66 40 28 Venecia
(urbano) 6° 57' 46,6" N 75° 44' 4,15" W NLOS 52,37 0 0 39 45 52 32 29 Barbosa
(urbano) 6° 26' 14,4" N 75° 19' 53,8" W LOS 61,57 81 81 81 52 81 81 30 Barbosa
(rural) 6° 25' 50,2" N 75° 20' 43,2" W NLOS 67,44 68 68 77 55 77 70 LOS: Línea de vista despejada entre el punto de medición respectivo y el centro transmisor
33
A partir de los resultados gráficos y numéricos obtenidos, es congruente afirmar que existen modelos que pueden llegar a ser pesimistas u optimistas con respecto a la propagación dado que la diferencia entre los valores medios y calculados es relativamente alta. Este es el caso, por ejemplo, de los resultados obtenidos con los modelos ITU-R 525/ITU-R P.526 con geometría de difracción cilíndrica e ITU-R P.1546, que resultan pesimistas y optimistas respectivamente en comparación con las medidas en campo.
Tabla 4.3: Estimaciones de las diferencias absolutas entre resultados y medidas en campo
ESTIMACIÓN ITU-R P.526 CILINDROS ITU-R P.526 FILOS ITU-R 525 DEYGOUT ITU-R P.370 ITU-R P.1546 ITU-R P.1812
Valor medio 28,92 14,38 7,14 15,41 13,63 8,92
Varianza 401,18 163,77 42,35 82,33 132,35 56,95 Desviación
estándar 20,03 12,80 6,51 9,07 11,50 7,55
Para determinar la fiabilidad de los modelos de propagación se estiman los valores medios, varianza y desviaciones estándar de las diferencias absolutas entre las mediciones en campo y cada uno de los resultados. Las diferencias hacen referencia al grado de error de cada uno de las predicciones, considerando que el error es directamente proporcional a la magnitud de las estimaciones. Así, se hace necesario identificar aquellos modelos cuyos valores diferenciales sean más bajos, premisa que asegura mayor precisión en las simulaciones.
En la Tabla 4.3 se muestran los estimadores estadísticos para cada uno de los modelos, considerando el valor absoluto de las diferencias con las mediciones en campo. Con base en estos resultados resulta adecuado afirmar que los modelos de propagación propuestos por la ITU con una magnitud de error considerable para planificación de redes en Colombia, corresponden a las recomendaciones ITU-R 525/ITU-R P.526 (determinísticas), ITU-R P.370 e ITU-R P.1546 (estas dos últimas estadísticas).
Estos resultados se obtienen partiendo del hecho de que el cálculo aislado de la atenuación, generada por obstáculos con geometrías cilíndricas y filos de cuchilla, hacen alusión a entornos densamente obstruidos. Se sugiere el uso de este tipo de modelos para la simulación de redes de telefonía móvil, dado que los factores de pérdida por difracción y penetración son considerables por cuenta de la ubicación de los receptores. Así mismo, los modelos estadísticos analizados presentan una magnitud de error elevada como consecuencia de que éstos se caracterizaron y tipificaron para las regiones europeas y norteamericanas. Teniendo en cuenta este hecho, no resulta conveniente hacer uso de los modelos estadísticos para planificación de redes de televisión digital en Colombia.
34
Por tratarse de un análisis netamente experimental que incluye mediciones en campo, se deben tener en cuenta los errores por la estimación de las mediciones, los errores en la caracterización de los elementos de medición y los errores por fallas en el centro transmisor. No obstante, el margen de precisión de los modelos analizados no se modifica suponiendo alguno de estos eventos, dado que todas las estimaciones se sometieron al mismo error en la medición y por lo tanto se espera la misma tendencia de variabilidad en los resultados.
Para identificar, con mayor precisión, el modelo cuyos resultados se aproximan a las mediciones en campo, es conveniente utilizar otros métodos de análisis complementarios como la regresión lineal que, asociada con la variabilidad, permite observar gráficamente tendencias en los resultados. Con la regresión lineal simple se establecen las rectas de cada uno de los resultaos junto con las mediciones en campo, donde los puntos de medición corresponden a la variable aleatoria independiente 𝑋𝑖 y los niveles de intensidad de campo corresponde la variable aleatoria dependiente 𝑌𝑖, con la forma 𝑌𝑖 = 𝛽0+ 𝛽1𝑋𝑖 (Sheluhin, Smolskiy, & Osin, 2007).
Claramente, cada recta 𝑌𝑖 depende de los parámetros 𝛽0 y 𝛽1, que corresponden a la posición y pendiente de cada recta respectivamente, y se calculan a partir de la regresión lineal así:
𝛽̂0= 𝑦̅ − 𝛽̂1𝑥̅ y 𝛽̂1=∑(𝑥−𝑥̅)(𝑦−𝑦̅)∑(𝑥−𝑥̅)2 Ec. 3
Por supuesto, la precisión en los modelos de propagación es proporcional a la aproximación de los valores de posición y pendiente entre las rectas resultantes para las mediciones en campo y las simulaciones de propagación.
35
Figura 4.20: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R 525/ITU-R P.526 Filos de cuchilla
Figura 4.21: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R 525 Deygout 94
36
Figura 4.23: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R P.1812
Figura 4.24: Regresión lineal de las mediciones y resultados del modelo ITU-R P.1546
37 4.6. Conclusiones
• En este capítulo se realizó el análisis y descripción de los modelos de propagación para la simulación de señales en la banda UHF de televisión, a fin de establecer el modelo que más de ajusta a las condiciones reales de propagación en Colombia. La eficacia en la identificación del modelo idóneo es producto, básicamente, de la comparación de las mediciones de cobertura, en entornos urbanos y rurales de Colombia, de un sistema de transmisión de televisión digital terrestre, con los niveles simulados de intensidad de campo en cada punto específico de medición. En ese sentido, el modelo establecido como el más apropiado para la simulación de redes de televisión puede extenderse a otros servicios que se transmitan en la banda UHF, teniendo en cuenta que la comparación sólo incluye el análisis de los niveles de intensidad de campo en puntos con línea de vista despejada y obstruida, aspectos que comparten todos los servicios punto a zona.
• Con los resultados de cada modelo de propagación y las mediciones en campo se corroboró que el efecto diferenciador de las coberturas simuladas está dado por la difracción de las señales. En entornos con línea de vista despejada los resultados de los niveles de intensidad de campo de cada modelo de propagación son comparativamente semejantes entre sí. Es decir que, en condiciones ideales donde no existen obstrucciones entre el centro transmisor y los receptores, se puede hacer uso de cualquier modelo de propagación analizado con la aplicación de ciertos factores de ajuste. Cuando la cobertura está dada por la difracción, los niveles de intensidad de campo en las zonas con línea de vista obstruida varían drásticamente en cada modelo de propagación, generando incertidumbre en los resultados simulados si no se contara con el análisis previo de identificación del modelo idóneo.
• El análisis estadístico para la comparación de los resultados proporciona información del error estimado entre los valores medidos y los simulados para los modelos que más se ajustan al escenario real (ITU-R 525/Deygout 94 e ITU-R P.1812). Con la magnitud de este error se pueden compensar los resultados simulados agregando un factor de corrección, en este caso de pérdidas, en los sistemas de transmisión. No obstante, en el análisis estadístico también se incluyeron ciertos factores de error por cuenta de la estimación de pérdidas y ganancia del set de mediciones y la caracterización del sistema radiación. En ese caso se sugiere la caracterización previa de todos los elementos de medición y de la forma geométrica del patrón de radiación, a fin de establecer un factor de compensación confiable utilizando la información verificada de un centro transmisor.
• Con la aplicación de la regresión lineal se identificó el método de propagación que más se aproxima al escenario real de radiodifusión de señales de TDT en la banda UHF, para regiones urbanas y rurales de Colombia, el cual corresponde a una combinación de los modelos determinísticos ITU-R 525 para entornos con línea de vista despejada, y Deygout 94 para entornos de línea de vista obstruida. Si bien la regresión lineal se aplica de manera independiente para las mediciones en campo y para cada modelo, el análisis de las pendientes de las rectas resultantes, y la proximidad entre éstas, proporciona la información confiable en cuanto a la tendencia y similitud de los datos.
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5.
Televisión Digital Terrestre en Colombia
Debido a las ventajas tecnológicas que supone los estándares de televisión digital sobre los clásicos formatos de transmisión de televisión analógica, en Colombia se adoptó a mediados del año 2008 el estándar de radiodifusión de contenidos de televisión digital DVB-T (primera generación). Sin embargo, como consecuencia de las actualizaciones técnicas y la evolución del mercado para la instalación de infraestructura de transmisión, en el año 2011 se adoptó el estándar DVB-T2 cuyas características técnicas, que se describen más adelante en este capítulo, permiten maximizar la tasa de transmisión para un umbral de recepción mediano mínimo dado. En la actualidad, los operadores de televisión abierta están iniciado el despliegue de redes de TDT bajo el estándar DVB-T2. Este despliegue requiere de un proceso preciso de análisis de las técnicas incluidas en el estándar para configurar las redes de transmisión en función del propósito de servicio. No obstante, el estándar DVB-T2 publicado en la actualidad no incluye definiciones técnicas para canales de televisión con ancho de banda de 6 MHz, probablemente debido a la baja adopción de este estándar en países que cuentan con la misma canalización adoptada en Colombia. Por supuesto, esto supone una dificultad en la planificación de redes de TDT en el país, obligando la aplicación de métodos de ensayo y error que en la mayoría de los casos concluyen en resultados no deseados o, en gran medida, indeterminados.
A lo largo de este capítulo se establecen los parámetros técnicos para canales de 6 MHz a partir del análisis matemático de las definiciones establecidas en el estándar DVB-T2 para canales de 7 y 8 MHz, a fin de establecer la relación entre la tasa de transmisión y el umbral de recepción mínimo requerido para sistemas de trasmisión TDT en canalizaciones de 6 MHz. Con este desarrollo, los operadores de televisión pueden ajustar los parámetros de trasmisión e implementar estaciones para proveer servicios, por ejemplo, con modalidad indoor, es decir para recepción al interior de las edificaciones, modalidad outdoor para recepción en exterior con antena fija, modalidad móvil para recepción al interior de vehículos en movimiento o, incluso, modalidades que correspondan a una combinación de los diferentes tipos de recepción en un mismo canal de transmisión (Polák & Kratochvíl, 2012).
El estándar DVB-T2 incluye, además, técnicas de multiplexación por división de frecuencia ortogonal, Orthogonal Frequency Division Multiplex – OFDM, con lo cual se transmite la información de forma segmentada a través de multi-portadoras, reduciendo la probabilidad de error en la trasmisión de datos y minimizando los requerimientos de potencia. Este tipo de modulación con multi-portadoras permite planificar redes de frecuencia única, Single Frequency Network – SFN, con la implementación de intervalos de guarda. De esta manera, los receptores están en la capacidad de tolerar señales reflejadas y ecos en segmentos de tiempo determinados y esto se traduce a su vez en reducción de la demandad de espectro radioeléctrico y usos más eficiente de las frecuencias (Floch et al., 1995).
Para el desarrollo de DVB-T2 se tuvieron en cuenta los siguientes requerimientos comerciales, en base a la operación del estándar de primera generación (ETSI, 2015a):
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• Centrar fundamentalmente el modelo de servicio para recepción fija y móvil.
• Maximizar la capacidad de tasa de transmisión en mínimo 30%, comparado con DVB-T.
• Mantener la compatibilidad de diseño de redes de frecuencia única SFN.
• Permitir la configuración de un mismo canal para la trasmisión de servicios fijos y móviles de forma simultánea.
• Proporcionar mecanismos para reducción de potencia pico.
En la Tabla 5.1 se observan los parámetros de configuración de la red TDT tanto para los estándares de radiodifusión DVB-T y DVB-T2, sobre una canalización de 8 MHz para el Reino Unido (ETSI, 2015a). Como resultado de la actualización del estándar se observa que la capacidad de transporte aumenta significativamente, de 24,1 a 36,1 Mbps. Este incremento equivale a aproximadamente un 50% de mayor tasa de transmisión con respecto al estándar de primera generación. En este capítulo se estudian los efectos de las modificaciones en los diferentes parámetros establecidos en el estándar DVB-T2 sobre la capacidad de trasporte del sistema y, además, sobre otros factores tales como las zonas de cobertura e interferencia y la modalidad de servicio.
Tabla 5.1: Diferencia entre dos topologías TDT (DVB-T y DVB-T2) implementadas en el Reino Unido – 8 MHz
Parámetro DVB-T DVB-T2
Modulación 64 QAM 256 QAM
Tamaño de portadoras 2 K 32 K Modo de portadoras Normal Extendido Intervalo de Guarda 1/32 1/128 Portadoras piloto 10,30% 1,53%
Capacidad 24,1 Mbps 36,1 Mbps
El estándar DVB-T2 es altamente robusto frente a interferencias por multitrayectoria o de tipo impulsiva, debido a la inclusión de OFDM y a la implementación de los códigos de corrección de errores Low Density Parity Check - LDPC, obteniendo con ello la recepción de un número de bits incorrectos menor para modulaciones que aseguren una tasa de transmisión dada, sin que ello conlleve el incremento de la relación energía de bit a potencia de ruido 𝐸𝑏/𝑁𝑜 o, a nivel de canal, incremento en la relación portadora a ruido 𝐶/𝑁.
En la Tabla 5.2 se observa un ejemplo para dos redes SFN donde los transmisores se encuentran aproximadamente a la misma distancia producto de que las dos redes estén configuradas con el mismo intervalo de guarda absoluto. La red DVB-T está configurada con portadoras de 8 K mientras que la red DVB-T2 está configurada con un tamaño de portadoras de 32 K. Como resultado de seleccionar intervalos de guarda de 1/4 y 1/16 respectivamente, el tiempo de intervalo de guarda para las dos redes es el mismo, y dado que se han seleccionado dos modulaciones vectoriales distintas de 6 y 8 bits respectivamente, la tasa de transmisión para la red DVB-T2 se maximiza en aproximadamente un 67%. Por supuesto, se pueden planificar redes SFN con el estándar DVB-T2 para obtener mayores distancias de cobertura, pero ello conllevaría la reducción en la capacidad de transmisión.
Tabla 5.2: Configuración de redes SFN similares con los estándares DVB-T y DVB.T2
Parámetro DVB-T DVB-T2
Modulación 64 QAM 256 QAM
