Cobertura y Compatibilidad Electromagnetica de IPTV para la ciudad de Quito

Simulación y comprobación de cobertura y compatibilidad electromagnética de operadoras de transmisión de televisión digital para la ciudad de Quito. Darwin Aguilar, Member, IEEE, Nikolai Espinosa, Paola León, Jorge Álvarez, Javier Parreño y Marco García Departamento de Eléctrica y Electrónica, Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE Quito-Ecuador, UIO 171-5-231B {dlaguilar, ndespinosa, rpleon1, jdalvarez, fjparreno, magarcia }@espe.edu.ec

Abstract— This paper proposes the simulation and verification of coverage and electromagnetic compatibility (EMC) for the implementation of digital television transmitters in Quito city. To analyze and simulate uses SIRENET like electronic tool and compares the results obtained for the simulation with field tests conducted to digital television. The digital TV service provider in this work was ECTV. The purpose of this research is to identify the coverage area and determine the location of sectors which could be put relay stations, should it be required; this aims to ensure the transmission of television in digital form, according to the new standard adopted in Ecuador including Quito, (ISDB-Tb). Additionally, based on the study of electromagnetic compatibility, the effect on transmission / reception when transmission technology digital and analog simultaneously present is described. Index Terms — Sirenet, Compatibility, TDT, ISDB-Tb, Digital_TV, Gapfiller.

I. INTRODUCCIÓN L 25 de Marzo del 2010, el Ecuador adopto el estándar de televisión digital ISDB-Tb (Integrated Service Digital Broadcasting Terrestrial), basado en el desarrollo Japonés y las innovaciones desarrolladas por el Brasil. [1] ISDB-Tb, fue elegido por el Ecuador, ya que ha demostrado tener un mejor desempeño en lo que se refiere a la transmisión-recepción de la Televisión Digital Terrestre (TDT) además de tener una vasta experiencia y operatividad demostrada tanto en el Japón como el Brasil. [2] A continuación, se describen algunas de las características técnicas del estándar ISDB-Tb: [3]

E

  

Alta calidad: TDT en alta definición (HD), con 6 MHz de ancho de banda. Robustez: Contra ruidos urbanos, desvanecimiento y cualquier tipo de interferencia. Flexibilidad de Servicio: El ancho de banda de 6 MHz, soporta cualquier tipo de servicio.

  

Múltiple Recepción: Acepta recepción, fija, móvil y portátil, en el mismo ancho de banda. SFN: Red de Frecuencia Simple, permite desplegar una red única dentro de un mismo estado, en una única frecuencia o canal. Interactividad: Soporta aplicaciones interactivas, en plataformas como Java, Ginga, Android, etc.

El proceso de inclusión de televisión digital en Ecuador se encuentra en su etapa de implementación, por lo que a nivel local no existe un registro de trabajos similares de acuerdo al alcance que se evidencia en este documento, sin embargo para la decisión de adoptar el estándar BrasileroJaponés, existe un reporte de varios trabajos relacionados al tema, desde estudios de factibilidad, hasta aplicaciones de interactividad en televisión digital. [4] Varias operadoras locales, han seguido el camino de realizar un estudio del comportamiento electromagnético, determinando en primera instancia las zonas de cobertura en la ciudad de Quito, y a partir de un estudio de perfil identificar posibles zonas de sombra que de existir necesitarían que se propongan métodos de radiación adicionales complementarios para recibir señal de cobertura. Este estudio por tanto resulta prioritario como una referencia técnica a las próximas operadoras al momento de implementar la tecnología de Televisión Digital o a su vez puede servir a las operadoras que ya disponen de esta tecnología como una recomendación con el fin de optimizar o incrementar su área de cobertura. Este documento está dividido en una parte introductoria que hace mención al estándar adoptado, seguido de una descripción del protocolo de pruebas que fueron desarrolladas para poder simular el escenario y posteriormente para cotejar estos valores con las muestras de campo obtenidas y finalmente identificar conclusiones y hacer tentativas de futuros estudios sobre este tema.

II. HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN SIRENET SIRENET es una aplicación informática que permite la planificación y gestión de redes de radiodifusión en un ambiente muy amigable para el usuario. - Elementos Contiene en un mismo programa un potente sistema de información geográfica, que permite la representación de entidades y simulaciones radioeléctricas sobre cartografía digital, complementado con los algoritmos de cálculo más difundidos y reconocidos a nivel internacional en materia de telecomunicaciones y comunicaciones inalámbricas.

Fig. 1.Imagen Herramienta de Simulacion Sirenet

Estructura Tiene distintas funcionalidades con gran complejidad que parten desde el simple análisis de la propagación radioeléctrica entre dos puntos, a la asignación automática de frecuencias en una red compuesta por cientos de estaciones de telecomunicaciones o la comprobación del nivel de interferencia producida en todos los puntos del área cubierta por dicha red.

dentro del rango de ICE definido, con esta consideración inicial se determina al Distrito Metropolitano de Quito como la “Zona de Cobertura”. 3.1. Parámetros de Radiación Hablar de un parámetro es referirse a aquella consideración que determinará lineamientos en un estudio. En virtud a lo mencionado en la presente investigación se considera parámetros de acuerdo a los organismos internaciones de regulación referentes a las tecnologías aquí detalladas. Así, es un valor ya establecido el manejar 51 dBμV/m como el valor mínimo para garantizar una recepción óptima en una antena receptora de TDT con estándar ISDB- Tb. Adicionalmente se observa que dentro de los elementos de radiación usados se manejan parámetros propios de los fabricantes como niveles de potencia bajo regulaciones de organismos internacionales o propios de cada país, en orden a esto se identifica que las estaciones repetidoras GAP FILLERS manejan una potencia máxima de 50 [W]. Las antenas transmisoras manejan una potencia individual de 0.5 [Kw] por antena logrando a través de un arreglo de 2 antenas por sector 1[Kw] y alcanzado una potencia total del transmisor de 2 [Kw]. Los azimuth con los que se orientan las antenas transmisoras 45° y 135° obedecen a un estudio de campo previo de cobertura, línea de vista, propagación y demás variables a nivel de radio frecuencia de acuerdo a la topografía de la ciudad, así como la configuración del Tilt Eléctrico y Tilt Mecánico influye directamente en la forma de onda, zona de cobertura, y forma de propagación de la señal. Dichas consideraciones son indispensables para garantizar el correcto funcionamiento operativo conforme a las regulaciones de radiación. [5] IV. SIMULACIÓN Y PRUEBAS DE CAMPO

- Complementos Dentro del proceso de simulación es indispensable contar con programas que trabajan paralelamente para importar mapas georeferenciados a la plataforma de SIRENET, como por ejemplo GOOGLE EARTH que es una herramienta que sirve como complemento para identificar con mayor precisión coordenadas, perfiles y demás características del terreno en donde se ubican los elementos del Sistema Radiante a ser simulado otorgando un escenario más cercano al real.

La simulación y las mediciones de campo, proporcionan los datos necesarios para evaluar el desempeño electromagnético de señales digitales de televisión, a partir de la definición de un escenario de interés “Zona de Estudio”. Siendo este el Distrito Metropolitano de Quito y considerando la influencia electromagnética del sistema radiante de la Operadora de Televisión Pública de Ecuador (ECTV). A continuación en la TABLA 1, se detallan los aspectos técnicos involucrados en la señal digital radiada por ECTV:

III. ÁREA DE ESTUDIO

TABLA 1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL TRANSMISOR DIGITAL DE ECTV.

Definir la zona de estudio, consiste en identificar geográficamente el área o espacio territorial en la que se va a desarrollar la investigación, esto se lo realiza a través de mapas georeferenciados (Google Earth) y pruebas específicas de cobertura en el simulador (SIRENET). Dado que el umbral mínimo de recepción de señal digital es 51 dBμV/m, se busca identificar en el mapa, el radio de cobertura o huella digital desde el transmisor hasta el punto en el cual la Intensidad de Campo Eléctrico (ICE) sea 51 dBμV/m. Con estas consideraciones se realiza una primera simulación identificando que la ciudad de Quito y sus valles aledaños (Tumbaco y Sangolquí) son zonas que se ubican

Site

Power [W]

Azimut

N° Antenas

G [dBi]

PARA [W]

Tilt

Cerro Pichin cha

2000

45° y 135°

4

20,5

33145,9

-7°

Para ello fue necesario conocer los niveles de ICE así como el radio de cobertura del transmisor digital sobre el cual se hará el análisis. Con estos elementos se procedió a realizar y obtener los resultados de la simulación de cobertura, perfil e interferencia. Posteriormente estos

resultados serán comparados con los resultados obtenidos en las mediciones de campo. A. Cobertura: La cobertura obtenida de la simulación del sistema radiante de ECTV, permitió conocer la huella digital sobre la ciudad de Quito, esto se puede apreciar en la Figura 2.

En las Figuras 3a y 3b, se observa los obstáculos naturales que provocan la degradación de la señal, los cuales afectan a múltiples zonas residenciales y comerciales de la ciudad, donde el ICE definitivamente es menor a 51 dBμV/m y por lo cual no se puede garantizar la óptima recepción de canales de TDT. B. Perfil La simulación de perfil, permitió conocer los niveles de ICE, presentes en las zonas de sombra definidas en el estudio topográfico de la ciudad de Quito. Se observó que la distribución electromagnética de la señal digital con relación al perfil topográfico del terreno en las zonas del Sur de Quito y La Mitad del Mundo, presenta niveles cercanos al umbral mínimo de recepción; definido por el estándar ISDB-Tb. Estos resultados se evidencian en las Figuras 4a y 4b.

Fig. 2. Transmisión Digital cobertura de ECTV en Quito

En base a los resultados de la Figura 2, la cual nos muestra una óptima cobertura digital dentro de la ciudad de Quito y sus valles aledaños, podría asumirse que no existe problemas de recepción de señal de TDT, pues la cobertura refleja valores por encima del umbral mínimo de recepción digital (51 dBμV/m, definido por el estándar ISDB-Tb). Sin embargo es apresurado afirmar que ICE obtenida en la zona de estudio, está sobre el nivel necesario para garantizar la recepción digital, esto debido principalmente a la existencia de múltiples factores interferentes que degradan la señal transmitida. El factor más relevante y motivación para realizar este estudio es la topografía del terreno, pues en una ciudad montañosa como es Quito, se observan múltiples obstáculos. [6]. El estudio topográfico que se realizó permitió definir dos zonas de sombra que se evidencian y muestran en la Figura 3a y Figura 3b.

Fig.4a. Perfil sector Sur de Quito

Fig.4b. Perfil sector Mitad del Mundo

En ambos casos la simulación nos indica un margen de señal menor que 55 dBμV/m, lo cual indica una alta probabilidad de que existan problemas con recepción de la señal, por ello es necesario cotejar estos resultados con las mediciones de campo.

Fig. 3.a Zona de sombra sector Mitad del Mundo.

Fig. 3.b Zona de sombra sector Sur de Quito.

C. Drive Test El Drive Test o Mediciones de Campo, permitió recabar información real en cuanto a los niveles de señal digital radiada en la ciudad de Quito y específicamente en las zonas de sombra. Estas mediciones fueron efectuadas con un analizador de espectros digital (R&S TV Analyzer ETL), un módulo de posicionamiento global (R & S TSMX –PPS) y una antena UHF de 2.5 m calibrada a la frecuencia digital (545.1428 MHz) del canal 26. D. Mediciones La metodología para el proceso de medición fue desarrollado mediante recorridos motorizados (Drive Test), durante los cuales se toman mediciones constantes de la

señal radiada a la frecuencia del canal deseado (Ch 26), si esta lectura es menor a 51 dBμV/m se procede a realizar mediciones estáticas de diez minutos en este punto.[7] En base a esta metodología utilizada se pudo obtener las siguientes muestras, que son representadas en la Figura 5.

La ruta indicada en la Figura 6 nos muestra valores más críticos en la recepción digital obteniendo un 75% de muestras por debajo de 51 𝑑𝐵𝜇𝑉/𝑚, lo cual nos indica la existencia de una amplia zona de sombra al sur de la ciudad. Al analizar las mediciones de campo y comparar sus resultados con los datos obtenidos en la simulación de perfil, es concluyente la existencia de dos importantes zonas de sombra:  Zona de Sombra Sur: Ubicada en la zona suroccidental de la ciudad, a partir del la Av. Mariscal Sucre y hacia la Cima de la Libertad. 

Fig 5: Muestras tomadas en la ruta, La Pampá – San Antonio – El Condado (sector Mitad del Mundo) TABLA 2. VALORES MEDIOS DE ICE TOMADOS (DRIVE TEST) Color

𝐈𝐂𝐄 [𝐝𝐁𝛍𝐕/𝐦]

%

Verde Obscuro

78,49

50

Verde Claro

60,74

23

Amarillo

50,52

15

Naranja Rojo

47,83 42,83

12 0.1

En la Tabla 2, se indican los valores medios de ICE, así como el porcentaje de puntos de toma de medición (muestra). Los valores en color naranja reflejan una pésima recepción de la señal digital. Estos lugares se encuentran ubicados al inicio de la zona de sombra en el sector de la Mitad del Mundo. La Figura 6, nos muestra los niveles de radiación medida en la zona del sector Sur de Quito.

Fig 6: Muestras tomadas en la ruta, Cima de La Libertad – La Mena - Atahualpa (sectro Sur de Quito). TABLA 3. VALORES MEDIOS DE ICE TOMADOS (DRIVE TEST)

Color Verde Obscuro

𝑰𝑪𝑬 [𝒅𝑩𝝁𝑽/𝒎]

Verde Claro

60,74 50,52 47,83 42,83

Amarillo Naranja Rojo

78,49

% 15 10 35 33 7

Zona de Sombra Norte: Ubicada en la zona noroccidental de la ciudad, la Parroquia de San Antonio y el monumento a la Mitad del mundo.

En las zonas indicadas anteriormente existe problemas de recepción, tales como congelamiento de imagen, desvanecimiento del audio o definitivamente no hay señal, por ello es importante rellenar estos huecos de cobertura, a través de estaciones amplificadoras (reforzadoras) de señal o GAPFILLER. E. Gap Filler Una estación reforzadora de señal, es un dispositivo de repetición de señal, cuya función primordial es rellenar los espacios vacíos (zonas de sombra) no cubiertos por el transmisor principal de la estación. Este elemento básicamente se compone de una antena receptora, un repetidor, un amplificador de señal y una antena de transmisión. Al contar con una antena de recepción, se debe garantizar que la ubicación del GAPFILLER, esté dentro del área protegida en la cual la intensidad de campo eléctrico deberá ser de mínimo de 51 dBµV/m, de esta manera estaremos garantizando que en el GAPFILLER tenga una recepción óptima de señal previo a su amplificación. Una vez que el GAPFILLER, ha recibido la señal deseada, el repetidor convierte dicha señal en una de frecuencia intermedia en la cual el canal deseado es filtrado, evitando la retransmisión de señales no deseadas, y posteriormente amplificada y convertida a la frecuencia original de RF; la cual será finalmente radiada por la antena transmisora apuntada hacia la zona de sombra previamente definida. [8] F. Compatibilidad Electromagnética El estudio de compatibilidad de señales, permite conocer sobre la existencia o no de interferencia entre canales adyacentes. Permite adicionalmente analizar la intensidad de campo eléctrico en un determinado punto en el cual es óptima la recepción de señal digital. Para ello se ubica un receptor digital en dicho punto, el cual está configurado para discriminar las frecuencias adyacentes no deseadas por medio de un factor de rechazo. Bajo esta premisa dentro de la transmisión simultánea de señales se han definido y simulado los siguientes escenarios: transmisión analógica deseada y transmisión digital deseada. El rango de frecuencias se define en la TABLA 4 [9].

TABLA 4. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL TRANSMISOR DIGITAL DE ECTV

Channel

Frecuencia (MHz)

Descripción canal

25

539,142857

Analógico

26

545,142857

Digital

27

551,142857

Analógico

Los resultados en base de las variables que se consideraron dentro de cada uno de los escenarios son mostrados a continuación: a) Una torre de transmisión con dos transmisores a diferentes alturas como se muestra en la Figura7 [10].

TABLA 6. POTENCIA Y CAMPO ELÉCTRICO OBTENIDOS DE LA TRANSMISIÓN DESDE UNA MISMA TORRE Y TRANSMISORES A LA MISMA ALTURA. Caso 1: Transmisión Analógica

Medición Potencia Campo Canal

Transmisión Pd Ed

Potencia Campo Canal

Interferencia Pi Ei

−76.957 dBm 51.244 dBu

26 545.1428 Mhz 25 Caso 2: Transmisión Digital

539.1428 Mhz

Medición

−18.198dBm 99.650 dBu

Transmisión

Interferencia

Pd Ed

−20.892 dBm 97.052 dBu

Pi Ei

26

545.1428 Mhz

25

−75.388 dBm 51.433 dBu 539.1428Mhz

c) Dos torres de transmisión Se simulo la transmisión de señal (Análogica - Digital), ubicando los transmisores en dos torres con la misma altura y a una separación máxima de 2 Km como se muestra en la Figura 9 [10].

Fig. 7.Transmisión desde una misma torre con transmisores ubicados a diferentes alturas

Resultados. TABLA 5. POTENCIA Y CAMPO ELÉCTRICO OBTENIDOS DE LA TRANSMISIÓN DESDE EN LA MISMA TORRE Y TRANSMISORES A DIFERENTE ALTURA. Caso 1: Transmisión Analógica Medición Potencia Campo Canal

Transmisión Pd Ed 25

Medición Potencia

−18.198 dBm 99.650 dBu

Interferencia Pi Ei

539.1428 Mhz 26 Caso 2: Transmisión Digital Transmisión

−76.948 dBm 51.245 dBu 545.1428 Mhz Interferencia

Campo

Pd Ed

−20.892dBm 97.052 dBu

Pi Ei

Canal

26

545.1428 Mhz

25

−75.327 dBm 51.436 dBu 539.1428 hz

b) Una torre de transmisión con dos transmisores a la misma altura representada en la Figura 8 [10].

Fig.9 : Transmisión desde dos torres separadas.

Resultados. TABLA 7. POTENCIA Y CAMPO ELÉCTRICO OBTENIDOS DE LA TRANSMISIÓN EN DOS TORRES A LA MISMA ALTURA. Caso 1: Transmisión Analógica

Medición Potencia Campo Canal

Transmisión Pd Ed

Pi Ei

−78.206 dBm 51.168 dBu

26 545.1428 Mhz 25 Caso 2: Transmisión Digital

539.1428 Mhz

Medición

Fig.8. Transmisión desde una misma torre con transmisores

−18.198dBm 99.650 dBu

Interferencia

Transmisión

Interferencia

Potencia Campo

Pd Ed

−20.892 dBm 97.052 dBu

Pi Ei

−75.884 dBm 51.306 dBu

Canal

26

545.1428 Mhz

25

539.1428 Mhz

Las TABLAS 5, 6 y 7 resumen los efectos de la transmisión de canales adyacentes, en estas tablas se puede observar que la potencia interferente es mínima por lo cual podemos concluir que los canales que se tienen transmitiendo al aire en los rangos de frecuencia indicados en la Tabla 4, no interfieren con sus adyacentes.

ubicados a iguales alturas

V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Resultados.

Simulación de cobertura: Se observó que en el Distrito Metropolitano de Quito y sus Valles aledaños, que alrededor del 90% del área que está

cubierta presenta una intensidad de campo eléctrico superior a la norma establecida para ISDB-Tb (51 dBμV/m). Simulación de perfil: El estudio del perfil de terreno permitió identificar huecos de cobertura, en donde la ICE (señal recibida), es menor a 51 dBμV/m impidiendo la óptima recepción de la señal digital y estableciéndose conforme a los resultados obtenidos en las pruebas de campo dos zonas de sombra: Sur de Quito: Av. Mariscal Sucre, hacia la cima de la Libertad y Norte de Quito: Parroquia San Antonio en la Mitad del Mundo. Estaciones reforzadoras de señal: Las estaciones reforzadoras o “GAPFILLER”, permiten mejorar los niveles de señal en las zonas de sombra de la ciudad de Quito. En la simulación sus emplazamientos han sido ubicados frente a estas zonas, consiguiendo que un nuevo patrón de radiación cubra en su totalidad aquellos huecos que el transmisor principal (Cerro Pichincha) no logra cubrir por problemas propios de la topografía de la ciudad, los niveles de potencia obtenidos con estas estaciones reforzadoras se encuentran por encima de los 70 dBμV/m. Compatibilidad electromagnética: La simulación de compatibilidad electromagnética nos ha permite observar que no existe interferencia adyacente entre señales Analógicas/Digitales, debido a la diferencia en la potencia de transmisión y la tecnología involucrada. VI. DISCUSIÓN. La huella digital obtenida en la ciudad de Quito y sus valles aledaños, refleja condiciones optimas para la recepción de TDT, salvo ciertas excepciones (zonas de sombras), esto debido en gran medida a que los emplazamientos de radiodifusión sonora, se encuentran en el cerro Pichincha, facilitando la propagación de la señal con un arreglo sencillo de cuatro o seis paneles, configurados con 1/3 de su potencia máxima de transmisión. La simulación del perfil del terreno y el Drive Test, permitieron discriminar ciertas zonas de la ciudad de Quito en las cuales existen huecos de cobertura, donde la ICE está por debajo de los 51 dBμV/m necesarios para garantizar la recepción digital, en base a esto se define como “Zonas de Sombra”, el sur occidente la ciudad de Quito Av. Mariscal Sucre hacia la cima de la Libertad y La Parroquia San Antonio en la Mitad del Mundo. Como resultado de la simulación de compatibilidad electromagnética, se puede evidenciar que no existe interferencia Co-canal o Adyacente, entre canales analógicos/digitales, por tanto en el caso de darse una migración de tecnologías, los 2 servicios podrían seguir siendo entregados a los usuarios sin ningún inconveniente relativo con interferencias. Se verificó que el modelo de canalización establecido por el ente regulador de Ecuador ARCOTEL, se ajusta a la realidad, previniendo conflictos a nivel del espectro radioeléctrico, permitiendo que durante el proceso simultaneo de operación “SIMULCAST” no exista ningún tipo de afectación electromagnética, ya que asigna rangos de frecuencias lejanos entre tecnologías, lo cual en una red poco saturada como la ecuatoriana es altamente beneficioso.

REFERENCIAS [1] L. Chuurei, « Measurement of digital Transmite rNHKCTI Training Material,» Channel Planning for Digital Terrestrial Television Broadcasting, vol. 1, nº 4, pp. 8596, 2013. [2] ABNT, « Televisión Digital Terrestre,» ABNT Asociación Brasileña de Normas Técnicas, vol. 1, nº 1, pp. 30-66, 2015. [3] M. Villamarín, « Implementación de un transmisor de pruebas de TV digital terrestre ISDB-Tb para la emisión de aplicaciones interactivas, pp. 10-30, 2012. [4] Superintendencia de Telecomunicaciones del Ecuador, « Informe para la definición e implementación de la televisión digital terrestre en Ecuador», 2014. [5] N. Chicago, Radian Engineering Study System ECTV, Quito, pp. 1-10, December 2015. [6] B. Pabon, Prosped Technical Standard digital TV Service, Quito, pp. 1-20, October 2011. [7] Rohde & Schwarz, “Broadcasting Test and Measurement”, Germany, pp 1-48, May 2014. [8] Data Sheet OMB Broadcasting, “Gapfiller OMB”,Italy, pp 1-2, May, 2014. [9] H. Katou, “Channel Planing for Digital Terrestrial Television Broadcasting”, Japan, pp 28-88, April 2013. [10] ANATEL, “Digital Terrestrial TV-Channel Planing”, Brasilia, pp 34-46, September 2014.