Modelos de Propagación Radio para Redes de TDT Móvil en la Banda UHF

Resumen Es e a ículo es udia la idoneidad de di e en es modelos de p opagación pa a despliegues de edes de Tele isión Digi al Te es e (TDT) mó il sob e la banda de UHF. La p ecisión de los modelos de p opagación de la señal es un aspec o cla e pa a la plani icación y minimización de cos es de in aes uc u a de es e ipo de edes, que se basan en es ánda es de adiodi usión ales como DVB- T/H, DVB-T2 o el u u o es ánda pa a e minales mó iles DVB-NGH. Es e a ículo analiza es modelos de p opagación: Okumu a-Ha a, Xia-Be oni, un modelo basado en la ó mula de Ha a que añade un é mino de di acción calculado usando el mé odo de Deygou y el modelo COST 231 Wal isch-Ikegami. Pa a e alua el endimien o de los modelos se ealizan campañas de medida sob e a ios escena ios y con di e en es condiciones, como son la al u a del ansmiso , el en o no y los da os geog á icos de los que se dispone. Po úl imo se e alúa la a iabilidad de la señal ecibida en unción del escena io, lo que supone un pa áme o cla e pa a un dimensionado de la ed e icien e. Abs ac This a icle s udies he sui abili y o di e en adio p opaga ion models o he deploymen o mobile TV ne wo ks o e he UHF band. Accu a e signal p opaga ion modelling is key o mobile DTT ne wo k planning in o de o minimize deploymen cos s. This a icle analyzes ou p opaga ion models: Okumu a- Ha a, Xia-Be oni, a model based on he Ha a o mulae adding a di ac ion e m calcula ed using he Deygou me hod and COST 231 Wal isch-Ikegami model. The pe o mance o he models is e alua ed wi h measu emen campaigns om se e al scena ios wi h di e en condi ions such as ansmi e heigh , en i onmen , and a ailable geog aphical da a. Finally, loca ion a iabili y is s udied as a key pa ame e o achie e an e icien ne wo k dimensioning. Palab as cla e Modelos de p opagación; plani icación de ed; TV mó il. Keywo ds P opaga ion models; ne wo k planning; mobile TV. 1 Fecha de ecepción: Agos o 23 de 2011 Fecha de acep ación: Sep iemb e 1 de 2011 Jo di Joan Giménez Gandia In es igado G upo de Comunicaciones Mó iles, iTEAM Uni e sidad Poli écnica de Valencia (España) jo gigan@i eam.up .es Jaime López Sánchez, M.Sc. In es igado G upo de Comunicaciones Mó iles, iTEAM Uni e sidad Poli écnica de Valencia (España) jailosan@i eam.up .es Da id Gómez-Ba que o, Ph.D. In es igado in i ado pos doc o al F aunho e Hein ich He z Ins i u e Be lín (Alemania) dagoba @i eam.up .es Na cís Ca dona Ma ce , Ph.D. Di ec o G upo de Comunicaciones Mó iles, iTEAM Uni e sidad Poli écnica de Valencia, España nca dona@i eam.up .es Ci ación: Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il en la banda UHF. Re is a S&T, 9(18), 9-27. Modelos de p opagación adio pa a edes de TDT mó il en la banda UHF Radio P opaga ion Models o Mobile DTT Ne wo ks in he UHF Band A ículo o iginal 9 10 www.icesi.edu.co/sis emas_ elema ica Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il... I. In oducción Pa a los p óximos años es á p e is o un ue e c ecimien o en el consumo de se icios mul imedia en disposi i os mó iles mo i ado po el c ecien e éxi o de es e ipo de ecnología ( elé onos in eligen es, able as, e c.). Pa adójicamen e, uno de los se icios mul imedia que no ha conquis ado de o ma masi a los elé onos mó iles es quizás el más común e impo an e de ellos: la ele isión digi al. La ele isión mó il es un ac o cla e pa a el desa ollo de la sociedad de la In o mación, ya que pe mi e el acceso uni e sal, en cualquie momen o y luga , a con enidos mul imedia. Además, pe mi e ab i nue as ías de negocio pa a los agen es de la indus ia audio isual y de las elecomunicaciones. La p es ación de se icios de TV o ien ados a e minales mó iles supone la necesidad de emplea edes de adiodi usión de ele isión como complemen o a las edes celula es. Sólo es as edes ienen la capacidad necesa ia pa a sopo a un consumo a g an escala de es e ipo de se icios, ya que pueden dis ibui se icios mul imedia de banda ancha en á eas ex ensas sin limi ación alguna en el núme o de usua ios que pueden ecibi el se icio. El desa ollo de nue as ecnologías pa a la di usión de se icios de ele isión hace posible la eu ilización, en g an medida, de la in aes uc u a de ed exis en e (que gene almen e ope a sob e ecuencias de la banda de UHF) sin que sea necesa io el despliegue de nue as edes dedicadas a la di usión de ele isión digi al mó il. El conso cio eu opeo DVB (Digi al Video B oadcas ing) ha desa ollado un pe il de ansmisión de TDT mó il, DVB-T2 Li e (2nd Gene a ion Li e) que p e ende se la an esala del nue o es ánda de di usión de ele isión en mo ilidad DVB-NGH (Nex Gene a ion Handheld), que e á la luz a inales de 2011. Una de las p incipales inquie udes a la ho a de pone en ma cha un se icio de TDT mó il eside en el cos e de la in aes uc u a de ed. Los e minales mó iles su en condiciones de p opagación más se e as que los ecep o es ijos no sólo po las mayo es pé didas de p opagación sino ambién po los e ec os de des anecimien o de la señal debidos a la p opagación mul icamino y el ocul amien o p oducido po la mo ilidad de los usua ios. A causa de la imposibilidad de los cen os ansmiso es de ele isión digi al de aumen a la po encia de emisión, pa a e i a in e e encias y pa a no sob epasa los lími es de exposición egulados po la legislación in e nacional igen e, en muchos casos se equie e de nue os emplazamien os pa a la ins alación de ansmiso es adicionales o eemiso es (gap- ille s) que complemen en las ac uales o es ansmiso as (Gómez- Ba que o, B ia, Monse a , & Ca dona, 2006). Es a penalización es pa icula men e e iden e pa a á eas de g an cobe u a (mayo es del 90%) e implica g andes in e siones en in aes uc u as. El mo i o es que es especialmen e cos oso ga an iza la cobe u a 17 Re is a S&T, 9(18), 9-27. Cali: Uni e sidad Icesi. Ve loock, & Ma ens, 2007). Finalmen e, se ecomienda lle a a cabo la calib ación usando ap oximadamen e 1/3 de las medidas pa a el ajus e de pa áme os del modelo de p opagación y los o os 2/3 pa a compa a las medidas y las p edicciones a in de alida la calib ación lle ada a cabo. Cua o escena ios di e en es han sido analizados con el in de es udia y compa a los modelos de p opagación pa a edes mó iles de ele isión digi al e es e. La Tabla 1 esume las ca ac e ís icas de es os escena ios. La ecepción se ealiza en ehículo y en ex e io es. A. Ba celona (España) Es a campaña de medidas ue lle ada a cabo po el ope ado de ed Abe is Telecom en no iemb e de 2006 den o del p oyec o eu opeo WingTV. La pa icula idad de es a campaña es que la an ena ansmiso a se encuen a si uada en una o e de ele isión de 320 m de al u a usada pa a p o ee se icios de ele isión digi al e es e. La ecuencia de ope ación es de 482 MHz. La in o mación ca og á ica disponible pa a es e escena io es un mapa del modelo digi al del e eno y un mapa de edi icios; ambos con una esolución de 5 m. B. Gä le (Suecia) Es a campaña ue ealizada po las compañías Joanneum Resea ch e ITV A ena. La ciudad es á ca ac e izada po una zona u bana en el cen o en o no a la cual se encuen as zonas subu banas con edi icios uni o mes. La ecuencia de la ed es de 818 MHz y la al u a del ansmiso es de 25 m. Pa a es e escena io de despliegue se dispone de mapas de e eno y edi icios con una esolución de 10 m. C. Valencia (España) Es a campaña de medidas se lle ó a cabo po el ins i u o de in es igación iTEAM, si uado en el campus p incipal de la Uni e sidad Poli écnica de Valencia. Las medidas ue on ob enidas median e la ed pilo o DVB-T/H del iTEAM. La ed pilo o cons a de un ansmiso si uado a 24 m de al u a den o del campus. El en o no puede conside a se subu bano. La ecuencia de ope ación es de 594 MHz. La in o mación ca og á ica disponible en es e escena io es un mapa del modelo digi al del e eno con una esolución de 200 m y un mapa de edi icios de 1 m de esolución. D. Buca amanga (Colombia) La campaña de medidas ue ealizada po el g upo de in es igación RadioGIS de la Uni e sidad Indus ial de San ande . La ecuencia de ope ación es de 880 MHz y la al u a del ansmiso de 40 m sob e el e eno. La p incipal ca ac e ís ica de Buca amanga es el pe il del e eno mon añoso, que debe se conside ado en el modelado de los mecanismos de p opagación. En es e caso los mapas de e eno y edi icio ienen una esolución de 1 m. 18 www.icesi.edu.co/sis emas_ elema ica Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il... E. Alcoy (España) El ins i u o de in es igación iTEAM lle ó a cabo una campaña de medidas de TDT en un escena io u al si uado a unos 6 km de la localidad de Alcoy. La oma de medidas se ealizó u ilizando el ansmiso de Ai ana, que da cobe u a a g an pa e de la p o incia de Alican e. La ecuencia de ope ación es de 474 MHz. Tabla 1. Ca ac e ís icas de las campañas de medida Escena io de medida F ecuencia de ope ación Al u a del e eno/ ansmiso En o no Buca amanga 880 MHz 940/40 m U bano, pe il del e eno mon añoso Ba celona 482 MHz 450/120 m U bano Gä le 818 MHz 19/25 m U bano Valencia 594 MHz 0/24 m Subu bano Alcoy 474 MHz 1479/25 m Ru al, mon añoso IV. Resul ados y discusiones Las Figu as 1 y 2 mues an una compa ación en e las pé didas de p opagación medidas y es imadas pa a el escena io de Ba celona. Es e escena io hace posible obse a los e ec os de la p opagación al u iliza ansmiso es de g an al u a. Los esul ados mos ados en la Figu a 1 co esponden a los modelos de p opagación de Okumu a Ha a y Ha a+Deygou (calib ados con medidas). La Figu a 2 es pa a Xia-Be oni, calib ado y sin calib a . El modelo de Okumu a-Ha a ob iene una buena ap oximación del ni el medio de señal ecibido (sin calib a ). Un esul ado simila se ob iene con el modelo de Xia-Be oni. Las p edicciones con Okumu a-Ha a y Xia-Be oni no modelan la a iabilidad de la señal ecibida. Po o o lado, el modelo de p opagación de Ha a+Deygou ob iene la mejo ap oximación al ni el de señal ecibido, pe o necesi a se ajus ado usando medidas con el in de ob ene unos esul ados ealis as. La Tabla 2 mues a los pa áme os es adís icos del e o en e las medidas y las p edicciones pa a los modelos de p opagación es udiados en Ba celona. También se calcula la co elación en e las medidas y las p edicciones. Se obse a que el alo medio y la des iación es ánda son simila es pa a Xia-Be oni y Ha a+Deygou ; en cambio, la co elación en e las p edicciones y las medidas es mayo pa a Ha a+Deygou . Po es e mo i o es posible u iliza Ha a+Deygou cuando se dispone de medidas de campo y de in o mación ca og á ica iable de al a esolución. 19 Re is a S&T, 9(18), 9-27. Cali: Uni e sidad Icesi. Figu a 1. Compa ación en e las pé didas de p opagación medidas y es imadas. Modelos de p opagación de Ha a+Deygou y Okumu a-Ha a. Escena io de Ba celona. Figu a 2. Compa ación en e los pun os medidos y las p edicciones. Escena io de Ba celona. Modelo de p opagación de Xia-Be oni. 20 www.icesi.edu.co/sis emas_ elema ica Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il... Tabla 2. Pa áme os es adís icos del e o en e las medidas y las p edicciones. Escena io de Ba celona. Tabla 3. Pa áme os es adís icos del e o en e las medidas y las p edicciones. Escena ios de Gä le y Valencia. Modelo de P opagación Valo medio Des iación ípica Co elación Okumu a-Ha a 0.6 dB 7 dB 0.48 Xia-Be oni No Calib ado 14 dB 10 dB 0.40 Xia-Be oni Calib ado 0 dB 5.7 dB 0.48 Ha a+Deygou 0 dB 5.1 dB 0.88 Modelo de P opagación Valo medio Des iación ípica Co elación Gä le Valencia Gä le Valencia Gä le Valencia Okumu a-Ha a 1 dB 4.3 dB 8 dB 7.5 dB 0.69 0.65 Xia-Be oni No Calib ado 40 dB 45 dB 20 dB 9.7 dB 0.40 0.50 Xia-Be oni Calib ado 0.5 dB 0 dB 0 dB 5.4 dB 0.86 0.88 Ha a+Deygou 0.1 dB -1 dB -1 dB 6.6 dB 0.73 0.70 La Figu a 3 mues a los esul ados pa a el escena io de Gä le. En es e escena io la al u a del ansmiso es compa able a la de los edi icios. El modelo de Okumu a-Ha a ob iene una buena ap oximación del alo medio de la señal ecibida; sin emba go, no p opo ciona una buena ap oximación a la a iabilidad de la señal. El modelo de p opagación de Xia-Be oni ajus ado o ece la mejo ap oximación a las pé didas de p opagación. Lo mismo sucede con el escena io de Valencia, donde la al u a del ansmiso es simila a la de los edi icios. La Figu a 4 mues a los esul ados pa a es e escena io y la Tabla 3 compa a los pa áme os es adís icos del e o en e las medidas y las p edicciones pa a Valencia y Gä le. 21 Re is a S&T, 9(18), 9-27. Cali: Uni e sidad Icesi. Figu a 3. Compa ación en e los pun os medidos y las p edicciones pa a el escena io de Gä le. Figu a 4. Compa ación en e los pun os medidos y las p edicciones. Escena io de Valencia 22 www.icesi.edu.co/sis emas_ elema ica Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il... Pa a ansmiso es ele ados, como el modelo de Xia-Be oni calcula las pé didas de di acción u ilizando el alo medio de los edi icios, las p edicciones no segui án la a iabilidad de la señal ecibida. Pa a ansmiso es no excesi amen e al os casi la o alidad de los edi icios en e ansmiso y ecep o end án un e ec o impo an e sob e la señal ecibida. Xia-Be oni p opo ciona á la mejo ap oximación de la señal ecibida al ene en cuen a odos los edi icios si uados en e ansmiso y ecep o ; Ha a+Deygou sólo iene en cuen a los más al os. Finalmen e, la Figu a 5 p esen a los esul ados pa a el escena io de Buca amanga, ciudad que se ca ac e iza po un pe il del e eno muy i egula . En es e caso se op a po es udia el modelo de p opagación COST 231 Wal isch-Ikegami, el que ob iene la mejo ap oximación a las p edicciones. Okumu a-Ha a no p opo ciona p ecisión en las p edicciones debido a que el modelado de la di acción sólo u iliza in o mación sob e el pe il de edi icios sin ene en cuen a el pe il del e eno, que iene una mayo in luencia en es e ipo de escena ios. Figu a 5. Compa ación en e los pun os medidos y las p edicciones. Escena io de Buca amanga. 23 Re is a S&T, 9(18), 9-27. Cali: Uni e sidad Icesi. En cuan o al es udio de la a iabilidad de las ubicaciones, la Figu a 6 compa a los alo es de des iación ípica (media, máxima y mínima) ob enidos median e las campañas de medida de Alcoy (escena io u al) y Valencia (escena io u bano). Pa a ello se ha calculado la des iación ípica de las medidas conside ando amaños de celda que an desde los 5x5 m has a los 500x500 m como se ha explicado en secciones an e io es. Figu a 6. Va iabilidad de la señal pa a en o nos u bano (Valencia) y u al (Alcoy). Los alo es aquí ob enidos deno an que la a iabilidad de la señal depende del ipo de escena io conside ado, y es mayo pa a escena ios u banos, donde exis e una mayo p esencia de obs áculos. En es e a ículo se ha in es igado la aplicación de di e en es modelos de p opagación adio UHF pa a el despliegue de edes de TDT mó il. Los esul ados ob enidos en es e a ículo son, po an o, aplicables a edes que ope an en UHF basadas en los es ánda es DVB-H/T, DVB-T2, DVB-T2 Li e o DVB-NGH. El endimien o de los modelos de p opagación ha sido analizado u ilizando esul ados de di e sas campañas de medidas en escena ios con ca ac e ís icas di e en es: al u a del ansmiso , ecuencia del despliegue, en o no y pe il del e eno. Conclusiones 24 www.icesi.edu.co/sis emas_ elema ica Giménez, J., López, J., Gómez-Ba que o, D. & Ca dona, N. (2011). Modelos de P opagación Radio pa a edes de TDT mó il... Los esul ados mues an que la elección del modelo de p opagación adecuado debe lle a se a cabo omando en conside ación el escena io de despliegue, la in o mación ca og á ica disponible, la al u a del ansmiso y el pe il del e eno del escena io conside ado. O a conclusión impo an e es que son necesa ias medidas con el in de ajus a los pa áme os ca ac e ís icos de los modelos de p opagación. La elección del modelo de p opagación más adecuado depende ue emen e de la al u a del ansmiso . Cuando el ansmiso es al o, Okumu a-Ha a y Xia-Be oni no modelan el des anecimien o de la señal. El modelo de Ha a+Deygou es adecuado pa a es e ipo de escena ios, pe o debe se calib ado pa a ajus a se a la ecuencia del despliegue y al en o no. Si la al u a del ansmiso es compa able a la de los edi icios, el modelo de Xia-Be oni calib ado p opo ciona mejo exac i ud que el modelo de Ha a+Deygou . Las p edicciones son más iables si la di acción se modela a pa i de la in o mación del e eno y los edi icios; sin emba go, cuando no se dispone de es e ipo de in o mación, los modelos de p opagación empí icos o ecen una buena ap oximación al alo medio de la señal ecibida. Finalmen e, pa a e enos mon añosos el modelo más ap opiado es el de Xia-Be oni, que iene en cuen a los pe iles del e eno pa a es ima las pé didas de p opagación. El modelo COST 231 puede se aplicado en egiones u banas ubicadas sob e e enos esca pados donde en el mismo en o no se encuen an mon añas, alles, colinas y edi icios. Los au o es ambién han e aluado la a iabilidad de la señal en unción del escena io de despliegue de la ed, y encon a on que el alo de co ección pa a un escena io u bano se encuen a en unos 3 dB pa a un amaño de celda de 100x100 m; es e es lige amen e meno pa a un en o no u al. Ambos alo es se encuen an po debajo del alo de 5.5 dB ecomendado po ITU-R y las guías de implemen ación de ETSI. Ag adecimien os Es e abajo ha sido pa cialmen e inanciado po el Minis e io de Indus ia, Tu ismo y Come cio español bajo el p oyec o FURIA. Los au o es quie en da las g acias a odas las compañías, uni e sidades y cen os de in es igación que han pa icipado en las di e en es campañas de medida incluidas en es e a ículo. 25 Re is a S&T, 9(18), 9-27. Cali: Uni e sidad Icesi. Re e encias bibliog á icas B ia, A. & Gómez-Ba que o, D. (2005, Sep iemb e). Scalabili y o DVB-H deploymen on exis ing wi eless in as uc u e. P oceedings, IEEE PIMRC. Be lín, Alemania. Damosso, E. (Ed.). (1999). Digi al mobile adio: COST 231 View on he e olu ion owa ds 3 d gene a ion sys ems. B uselas (Bélgica): Commission o he Eu opean Communi ies and COST Telecommunica ions. Deygou , J. (1966). Mul iple kni e edge di ac ion o mic owa es. IEEE T ansac ions on An ennas and P opaga ion, 14, 825-873. Eu opean Telecommunica ions S anda d Ins i u e [ETSI], (2008, Oc ub e). Digi al ideo b oadcas ing (DVB); Implemen a ion guidelines o DVB e es ial se ices; T ansmission aspec s. ETSI TR 101 190 V1.3.1 (Technical epo ). Sophia An ípolis ,F ancia: Au o . ETSI (2009, Junio). Digi al ideo b oadcas ing (DVB); DVB-H Implemen a ion guidelines. ETSI TR 102 377 V1.4.1 (Technical epo ). Sophia An ípolis, F ancia: au o . Ga cía, A.P., O ega. H., Na a o, A., & Rod íguez, A. 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Sus emas de in e és son el es udio de las soluciones écnicas desa olladas en los nue os es ánda es de di usión e es e DVB pa a la p o isión de se icios mul imedia, la plani icación de edes de ele isión digi al e es e y el es udio de écnicas pa a la ex ensión de cobe u a de TDT. Da id Gómez-Ba que o, Ph.D. In es igado in i ado pos doc o al en el ins i u o F aunho e Hein ich He z (HHI) en Be lín (Alemania). Es Doc o Ingenie o de Telecomunicación po la Uni e sidad Poli écnica de Valencia (España) y Más e en Telecomunicaciones po la Uni e sidad Poli écnica de Valencia y de la Uni e sidad de Gä le (Suecia). Du an e su o mación doc o al ealizó es ancias como in es igado in i ado en la Uni e sidad KTH de Es ocolmo (Suecia), la Uni e sidad de Tu ku (Finlandia) y la Uni e sidad de B aunschweig (Alemania). También ealizó p ác icas en E icsson Eu olab en Aachen (Alemania). Ac ualmen e es á ealizando una es ancia pos -doc o al en el Ins i u o de Telecomunicaciones F aunho e HHI. Su p incipal á ea de in e és es la adiodi usión de con enidos mul imedia mó iles an o en sis emas DVB como en 3GPP MBMS. Ac ualmen e es di ec o del g upo de especial in e és de edes hí idas y de adiodi usión de la acción de coope ación eu opea COST2100; ue coedi o del bluebook de DVB en mecanismos de co ección de e o es en capas supe io es UL-FEC, como expe o in i ado; y pa icipa en el p oceso de es anda ización de la nue a gene ación de ele isión digi al mó il DVB-NGH. Jaime López Sánchez, M.Sc. Nació en Sogamoso (Colombia) en 1981. Se g aduó de Ingenie o Elec ónico en la Uni e sidad Dis i al F ancisco José de Caldas en Bogo á (Colombia) en 2005. De 2005 a 2008 ue ingenie o de emisión y ansmisión del canal p i ado de ele isión Ca acol TV, en Bogo á. Recibió el í ulo de Más e en Tecnologías Redes y Sis emas de Comunicaciones de la Uni e sidad Poli écnica de Valencia (UPV) en 2009. Ac ualmen e es es udian e de Doc o ado de la UPV e in es igado del g upo de comunicaciones mó iles del ins i u o iTEAM. Su in es igación ecibió el p emio Valencia Idea 2010 en la ca ego ía TIC (Tecnologías de la In o mación y la Comunicación). Sus á eas de in e és son el es udio de nue as soluciones écnicas en la e olución de los es ánda es DVB (Digi al Video B oadcas ing) pa a la p o isión de se icios a anzados mul imedia en edes de ele isión digi al, la plani icación y op imización de es as edes pa a ecepción ija, po able y mó il. Cu ículum i ae