Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVBT2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales Autor: Ciro Diego Radicelli García Director: David Gómez Baquero Tutor: Narcís Cardona Marcet Fecha de comienzo: 01/02/2013 Lugar de trabajo: Grupo de Comunicaciones Móviles del iTEAM

1 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL: 

Diseñar un nuevo estándar para dotar de canal de retorno inalámbrico a la tecnología de Televisión Digital Terrestre (TDT) de segunda generación DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Terrestrial 2nd Generation), enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales donde sólo llega la señal de televisión.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 

Estudiar los estándares de TDT de primera generación DVB-T, ISDB-Tb, así como de segunda generación DVB-T2, y principalmente el estándar que provee de canal de retorno a DVB-T conocido como DVB-RCT.



Evaluar las prestaciones de DVB-T2 en enlace descendente, y las posibles prestaciones de un nuevo estándar DVB-RCT2 (basado en DVB-T2) en enlace ascendente para brindar servicio de Internet en zonas rurales.



Diseñar y validar el nuevo estándar DVB-RCT2.



Hacer ejercicios de diseño y planificación de cobertura e interferencias de DVB-T2 – DVB-RCT2, tomando como escenario la provincia de Chimborazo, República del Ecuador.



Realizar la estimación de otras tecnologías Tv analógica, ISDB-Tb, utilizando el escenario anterior.

METODOLOGÍA Se obtuvo el mapa digital del terreno (DTM – Digital Terrain Map) de la zona a estudiar, para ello se descargaron las imágenes raster en formato GRID de la Misión Topográfica de Radar Shuttle (SRTM Shuttle Radar Topography Mission), con una precisión de 3 arcos de segundo (1 punto por cada 90 metros). Dichas imágenes se procesaron mediante un software de información geográfica, en el cual se unieron en una sola imagen raster. Posterior a esto se recortaron los límites fronterizos con otros países, y las divisiones político administrativas internas (provincias), mediante la utilización de una capa que contiene los límites territoriales a nivel de país y provincia, que fue descargada del Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC). La imagen recortada se proyectó con el sistema de coordenadas WGS84 (World Geodetic System 84). Y por último se hizo un cambio de formato de imagen al DTM para ser cargado en el software de simulación profesional ICS Telecom, mediante el cual se analizaron e identificaron las zonas de cobertura e interferencia, previa la configuración de algunos parámetros técnicos. La metodología de planificación siguió las recomendaciones establecidas en las guías de implementación y planificación de redes de TDT [ETSI TR 101 190], [ABNT NBR 15608-1], [ETSI EN 301 958], [EBU TECH 3348], [ETSI TR 102 831]. DESARROLLOS TEÓRICOS REALIZADOS Se han estudiado los estándares de TDT de primera generación DVB-T, ISDB-Tb, así como de segunda generación DVB-T2, y principalmente el estándar DVB-RCT, con el fin de obtener el conocimiento base para diseñar el nuevo estándar DVB-RCT2. DESARROLLO DE PROTOTIPOS Y TRABAJO DE LABORATORIO El trabajo de laboratorio, se desarrolló mediante la utilización de la herramienta ArcMap de ArcGIS, con la que se obtuvo el DTM del Ecuador, previa la descarga de cinco imágenes ráster, que fueron juntadas en una sola mediante la creación de un mosaico dataset. Posterior a esto se recortaron los límites fronterizos e

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 2 internos del país utilizando como base el mapa descargado del INEC. Este mapa fue proyectado con un sistema de coordenadas, y posteriormente cargado en el software ICS Telecom, en donde se configuraron los parámetros técnicos de la red como la potencia de transmisión de las antenas, patrón de radiación, frecuencia de operación, ubicación geográfica de los transmisores, entre otros. Posterior a esto se eligieron tanto el modelo de propagación, como los umbrales para el cálculo de cobertura (previamente calculados), y con esta información se realizaron ejercicios de diseño y planificación de cobertura e interferencias para cada estándar propuesto en esta investigación. RESULTADOS Basado en DVB-T2 y adoptando características de DVB-RCT, se propuso el diseño del estándar DVB-RCT2 para proporcionar conectividad a Internet a zonas rurales, luego de lo cual se evaluó y comparó los parámetros de CNR, capacidad y cobertura en canal descendente para DVB-T, DVB-T2; así como en canal ascendente para DVB-RCT, DVB-RCT2, notándose que RCT2, presentó ganancia en los parámetros evaluados, gracias a que está basada en DVB-T2 con lo cual utiliza tamaños extendidos de FFT (16K y 32K) y constelaciones de mayor orden como 256-QAM, que junto con intervalos de guarda más grandes proveen la utilización eficiente del ancho de banda, pudiendo además brindar servicios adicionales mediante el uso de las tramas de extensión futura (FEF). LÍNEAS FUTURAS Obtención de una beca por parte del estado ecuatoriano para desarrollar el trabajo de investigación previo a la obtención del título de Doctor en Telecomunicación, en donde el objetivo es desarrollar y validar el nuevo estándar DVB-RCT2, además de analizar posibles tecnologías sustitutivas como redes celulares de cuarta generación para brindar servicios de Internet en zonas rurales donde sólo llega la señal de televisión. Se plantea además la construcción de un prototipo del receptor/transmisor DVB-RCT2. Es importante mencionar además que en Colombia se están desarrollando proyectos en base al estándar DVB-T2, en donde sería interesante poder realizar un piloto de prueba para validar la solución propuesta. PUBLICACIONES Se tiene previsto enviar los resultados de este TFM al IEEE Latinoamerican Transactions. ABSTRACT This Master Thesis investigates the coverage, capacity performance and CNR of DVB-RCT2, designing this standard based on DVB-T2 and DVB-RCT technologies, and performing coverage and interference exercises for different modes of transmission. Coverage was analyzed by CNR thresholds obtained for a rural setting characterized by the use of base stations operating at the same frequency, and fixed receiving antennas located on the roof of the user. The coverage was evaluated by analyzing the percentage of area covered; the lower is the CNR and capacity by the number of Mbps that can be served. Thus obtaining the corresponding conclusions. Autor: Ciro Diego Radicelli García, email: [email protected] Director: David Gómez Barquero, email: [email protected] Fecha de entrega: 08-09-2013

3 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

ÍNDICE I. Introducción .............................................................................................................................. 4 I.1. Antecedentes ........................................................................................................................ 4 I.2. Motivación ........................................................................................................................... 5 I.2.1. Tecnologías para proporcionar Internet en zonas rurales ............................................. 5 II. Estado del arte: características de las tecnologías de Televisión Digital Terrestre (TDT) . 8 II.1. DVB-T................................................................................................................................ 8 II.2. ISDB-Tb ............................................................................................................................. 9 II.3. DVB-RCT .......................................................................................................................... 9 II.4. DVB-T2............................................................................................................................ 11 III. Diseño del estándar DVB-RCT2 ......................................................................................... 14 IV. Evaluación de prestaciones deDVB-T2 y DVB-RCT2 para brindar servicios de conectividad a Internet .............................................................................................................. 17 IV.1. DVB-T2 .......................................................................................................................... 18 IV.1.1. Ganancia en CNR y capacidad de DVB-T2 con respecto a DVB-T........................ 18 IV.2. DVB-RCT2 ..................................................................................................................... 18 IV.2.1. Ganancia en CNR y capacidad de DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT ............. 18 V. Planificación de redes ............................................................................................................ 19 V.1. Cálculo de la relación portadora a ruido (CNR) ............................................................... 19 V.2. Link Budget...................................................................................................................... 21 IV.2.1. Cálculo de Link Budget .......................................................................................... 22 V.3. Diferencias en el cálculo de Link Budget para tecnologías TDT ...................................... 24 V.4. Intensidad de campo eléctrico para tecnologías de TDT .................................................. 24 V.5. Escenario .......................................................................................................................... 26 V.6. Análisis de cobertura ........................................................................................................ 27 V.6.1. Cobertura de TV analógica e ISDB-Tb .................................................................... 28 V.6.2. Cobertura enlace ascendente DVB-RCT y DVB-RCT2 para diferentes modos de transmisión.......................................................................................................................... 29 V.7. Análisis de interferencia ................................................................................................... 29 V.7.1. Cobertura e interferencias en enlace descendente DVB-T y DVB-T2 en SFN ......... 30 V.7.2. Interferencias enlace ascendente para tecnologías con canal de retorno .............. 31 VI. Conclusiones y Trabajos Futuros ........................................................................................ 33 VI.1. Conclusiones ................................................................................................................... 33 VI.2. Trabajos Futuros ............................................................................................................. 34 BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................................................X

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 4

I. Introducción I.1. Antecedentes Internet ha evolucionado rápidamente desde sus orígenes, en el año 1969. En los últimos años se ha observado un crecimiento significativo en las infraestructuras de red, el acceso móvil, y en el propio uso de Internet especialmente en los países en desarrollo (Latinoamérica y el Caribe), contando con 255 millones de usuarios de los 2.400 millones existentes en el mundo al finalizar 2012, lo que representa un 10,4% de la población mundial [1].

Fig.1. Usuarios de Internet en el mundo, distribución por regiones [2]

Dado que Internet amplía el acceso a la información, tiene un gran potencial para mejorar la educación, la ciencia, la cultura, la comunicación, y la información; incluidos también los principios de los derechos humanos como la democracia, la libertad de expresión y el acceso al saber [3]. En este sentido la Cumbre Mundial sobre la Sociedad de la Información (CMSI), celebrada en Ginebra (2003) y Túnez (2005), trató una amplia gama de temas relacionados con las Tecnologías de la Información y Comunicación (TICs) para el desarrollo, definiendo diez objetivos [4] además de diversas recomendaciones para el 2015, destinados a fomentar la creación de una sociedad de la información inclusiva. Siguiendo esta línea, el gobierno del Ecuador crea el Plan Nacional del Buen Vivir 20092013, cuyo principal desafío es reducir la brecha digital existente entre ciudades y zonas rurales, así como entre hombres y mujeres de diferentes edades, razas, niveles de educación y condiciones económicas mediante el uso de las TICs, generando igualdad de oportunidades y fomentando la participación ciudadana. Sin embargo, los datos disponibles indican que tres cuartas partes de la población mundial no tienen todavía acceso a Internet [4]. Y aunque el porcentaje de penetración en América del Sur es del 48,2% el problema persiste. En Ecuador por ejemplo con un porcentaje de penetración del 43,8% solamente el 1,3% de la población cuenta con este servicio [2]. En lo referente a acceso a Internet en zonas rurales, concretamente en los países en desarrollo de América Latina, la situación es peor ya que la población rural o no tiene acceso a esta tecnología, o lo hace desde emplazamientos públicos en muchas ocasiones con una muy baja velocidad de conexión, lo que demuestra que aún queda mucho por hacer para llevar Internet a este tipo de zonas.

5 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

Si bien el acceso a Internet seguirá siendo limitado en el mundo en desarrollo, no sucede lo mismo con la tecnología móvil, considerada hoy en día como la TIC más expandida, debido a la gran penetración de teléfonos móviles y de servicios 3G e incluso 4G, es así que en América Latina la penetración de dispositivos móviles es del 130% y en Ecuador del 105% y va en aumento [5]. Sin embargo, la televisión suele ser más popular y accesible que el Internet, la telefonía móvil, e incluso que la radio en muchos países y regiones en desarrollo, llegando a tener tasas de superiores al 90% [4], pero uno de los inconvenientes que presenta este servicio es que las bandas UHF/VHF que utiliza tienen un espectro muy congestionado en muchos países latinoamericanos, lo que se convierte en un problema para la introducción de nuevos servicios. Debido a esto se está llevando a cabo el proceso de transición que implica el paso de la televisión analógica a digital (apagón analógico), con el objetivo de liberar frecuencias. Para posteriormente, con el llamado dividendo digital, asignar esas frecuencias de televisión liberadas (parte alta de la banda UHF), para brindar servicios 4G. La cantidad de espectro liberada, depende entre otras cosas de particularidades tales como la geografía y topografía del país, de la utilización del espectro en los países vecinos, y de la tecnología de TDT que sustituirá a los servicios analógicos, mismos que convivirán en un principio con las emisiones de la señal digital, en una etapa conocida como Simulcast, todo esto hará que el tamaño de dicho dividendo cambie de una región y/o país a otro [6]. Es así por ejemplo que en Colombia ya se ha producido este dividendo (banda 700 MHz) y la subasta del espectro 4G está pendiente, mientras que en Ecuador se dispuso que el Consejo Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL), sea el organismo que defina las bandas para la implementación de la TDT y que la Secretaría Nacional de Telecomunicaciones (SENATEL), efectúe un análisis para ocupar el rango de 482-512 MHz [7]. Además la situación con respecto al manejo del espectro radioeléctrico se detalla en [8] y [9].

I.2. Motivación I.2.1 Tecnologías para proporcionar conectividad a Internet en zonas rurales En lo referente a las alternativas de conexión para entornos rurales, la tecnología a elegir depende de la identificación de los requerimientos de la población, además de poder cubrir grandes áreas, tener bajo coste y ser de fácil implementación, y para esto se debe tomar en cuenta a parte de los servicios que se desea proveer, la topología de la red y las características concretas del escenario a ser considerado. Aunque las alternativas de conectividad son varias, la provisión de servicios de telecomunicaciones para áreas rurales es significativamente más costosa que en áreas urbanas, debido a que hay que cubrir zonas extensas y la densidad de población es baja. Es por esto que en muchas zonas rurales, las conexiones mediante cable o tecnologías DSL no están físicamente

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 6

disponibles, además que en términos de velocidad y cobertura no proveen las mejores características. Las redes de fibra óptica mejoran estos dos aspectos, pero son mucho más costosas y por tanto no es viable su implementación. Es por esto que en su lugar se proveen opciones de conectividad inalámbricas en donde se puedan brindar servicios con mayor facilidad y con mayor tasa de penetración, como por ejemplo el satélite, que proporciona un medio de transmisión/recepción de datos de alta velocidad, en donde las velocidades de subida irán entre los 64 Kbps y los 2.048 Kbps, y las de bajada desde los 256 Kbps a los 38 Mbps [10] (Internet por satélite – acceso bidireccional), además de poder brindar servicios de voz y televisión (TV por satélite). Asimismo para brindar conectividad inalámbrica, se tienen tecnologías como 4G LTE ( Long Term Evolution), que permiten la navegación móvil a velocidades muy superiores que la tecnología de tercera generación 3G UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Pudiendo llegar a velocidades máximas de 150 Mbps [11] comparadas con los 0,2 y 0,4 Mbps de 3G UMTS [12]. Además de estas grandes velocidades, 4G presenta mayor potencial para las áreas rurales, debido a que su despliegue en el espectro del dividendo digital está situado entre los 200 Mhz y 1 GHz. Estas frecuencias bajas, facilitan la cobertura y por consiguiente logran un equilibrio óptimo entre la capacidad de transmisión y el alcance operacional, necesitando menos infraestructura para obtener una cobertura móvil más amplia, con la consiguiente reducción de los costes de los servicios de comunicación [7]. A parte de la tecnología 4G, se puede considerar también para entornos rurales la utilización de acceso por microondas, mediante la tecnología WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), la cual presenta velocidades de 70 Mbps y coberturas de hasta 50 Km. Pero con el inconveniente de que los enlaces de microondas se ven afectados por obstáculos como las montañas, o por factores climatológicos como la nieve, la lluvia, o la niebla [13]. Otra alternativa de conexión a Internet para este tipo de entorno, podrían ser los sistemas de TV en concreto las redes de TDT ya que ofrecen un gran porcentaje de penetración, y costos de despliegue más baratos, debido a la posibilidad de reutilizar la infraestructura existente de la TV analógica y/o digital, con lo que además aumentan la eficiencia de transmisión, y maximizan la cobertura en condiciones adversas, permitiendo abrir nuevos escenarios de recepción, sin interferir con los servicios de difusión análogos y digitales presentes. Bajo estas condiciones, las redes de TDT se convierten en una interesante alternativa que provee un uso eficiente del espectro radioeléctrico y genera significativos ahorros de infraestructura. En este sentido arquitecturas de TDT como ISDB-Tb, DVB-T, DVB-RCT y DVB-T2, podrían ser eficaces para proporcionar este servicio de conexión a zonas en donde sólo llega la señal de TV.

7 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrial), conocido también como EN 300 744 fue publicado en 1998, provee una gran eficiencia espectral y es considerado como un sistema flexible que permite diseñar redes de difusión, para brindar una amplia gama de servicios entre los que se tiene la TV digital de Alta Definición (HDTV) [14]. Para mejorar las capacidades de DVB-T en lo referente a brindar interacción a usuarios fijos, así como proveer de servicio a usuarios móviles, se propuso la utilización de un canal de retorno inalámbrico para esta tecnología. En este sentido se desarrolló el estándar EN 301 958, conocido como DVB-RCT (Digital Video Broadcasting – Return Channel Terrestrial) el mismo que fue publicado en Abril de 2001 por el Instituto de Normas de Telecomunicaciones Europeo ETSI. El canal de retorno de este estándar hacía uso de un único canal de radiofrecuencia (RF) dedicado y lo organizaba para permitir el acceso concurrente desde muchos terminales interactivos de usuario, usando técnicas TDMA/OFDMA [15]. A pesar de esta idea innovadora, DVB-RCT nunca llegó a desplegarse comercialmente, puesto que no tuvo el apoyo necesario de la industria para imponerse como una tecnología que despertara interés, esto sumado a las trabas impuestas por los operadores de telefonía móvil, y al poco desarrollo tecnológico del canal de retorno, hicieron que esta tecnología sea considerada como no “madura”, no obstante se llegaron a hacer pruebas piloto en Suecia. Debido a esto, y con el objetivo de impulsar el rendimiento robustez y mejora de la cobertura en las redes de frecuencia única (SFN- Single Frequency Network), y de facilitar la implementación de transmisores y receptores. En 2008, el DVB publicó la segunda generación del estándar denominada DVB-T2 (Digital Video Broadcasting 2nd Generation Terrestrial), conocido también como el estándar ETSI EN 302755 el cual incorpora los últimos avances tecnológicos en modulación y codificación de canal, a más de la utilización nuevos tamaños de FFT (Fast Fourier Transform), tramas FEF (Future Extension Frames), constelaciones rotadas, tuberías de capa física, codificación Alamouti, entrelazado temporal, capacidad de soportar muchos usuarios mediante la utilización de un canal múltiplex, y demás que lo convierten en el más potente sistema de transmisión de TDT con un alto grado de eficiencia, flexibilidad y robustez. Este estándar se desarrolló para ofrecer un medio de transporte eficiente para radiodifundir servicios avanzados de televisión tales como TV en alta definición (HDTV) o televisión tridimensional (3D TV) [16], y fue implementado inicialmente en marzo de 2010 por el Reino Unido y posteriormente continuaron con la implementación otros países dentro y fuera de Europa tales como Italia, Suecia, Finlandia, Colombia, entre otros [17]. Con el objeto de extender las capacidades del estándar DVB-T2, se propone en esta tesina de máster, dotar a esta tecnología con un canal de retorno, al cual se lo definirá como DVB-RCT2 (Digital Video Broadcasting – Return Channel Terrestrial 2nd Generation), por lo que se

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 8

procurará que el mismo ofrezca todas las características que brindan robustez a DVB-T2, a más de adoptar/ modificar características de la tecnología con canal de retorno DVB-RCT. Luego de haber repasado brevemente las características de los sistemas de TDT, es importante mencionar el avance desarrollado en los medios de propagación de señales, desde una televisión abierta analógica, hacía una televisión digital, que permite entre otros aspectos la mejora en la calidad de la imagen y la posibilidad de agregar servicios complementarios. Es así, que los gobiernos de muchos países alrededor del mundo a fin de facilitar la inclusión a esta nueva forma de ver televisión, han definido según su propio análisis el estándar de televisión digital que implementarán. Latinoamérica no ha sido la excepción, y ya varios países han tomado su decisión y se encuentran en la fase de implementación de la TDT. En la figura siguiente se ilustran los diferentes sistemas adoptados mundialmente.

Fig. 2. Sistemas de Televisión Digital Terrestre en el mundo [23]

II. Estado del arte: características de las tecnologías de Televisión Digital Terrestre (TDT) II.1 DVB-T El sistema DVB-T se refiere a la difusión terrestre de señales de TV con codificación MPEG-2 (Motion Pictures Experts Group). Para esto utiliza una modulación con un amplio número de subportadoras como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), que

junto a la

utilización de tres esquemas de modulación (QPSK, 16-QAM, 64-QAM), que a su vez pueden combinarse con cualquiera de las cinco tasas para corrección de errores FEC (½, 2/3, ¾, 5/6, 7/8), marcan el rendimiento de un modo de transmisión específico. Es así que la capacidad de datos disponible y la relación portadora a ruido (CNR – Carrier to Noise Ratio), se incrementan con tasas de código mayores. Además DVB-T utiliza cuatro intervalos de guarda de longitud ¼, 1/8, 1/16, 1/32, para proteger la señal frente a interferencias y dos modos de operación (2K y 8K) que hacen del mismo un sistema flexible y robusto [18]. Con el modo 8k, 68 símbolos OFDM (trama) siempre llevan un número entero de paquetes MPEG2, codificados con un

9 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

código Reed-Solomon (RS) sin importar el MODOCOD elegido. Desafortunadamente no sucede lo mismo con el modo 2K, por lo que aparece el concepto de supertrama, la misma que es el conjunto de 4 tramas sucesivas (sea cual sea el tamaño de la FFT). DVB-T tiene además tasas de bit de datos comprendidas entre los 5 y 32 Mbps, lo que significa que 5 o 6 canales de TV digital, pueden ser asignados en un solo canal de TV analógica [19]. Además para permitir la máxima eficiencia de espectro cuando se usan las bandas VHF (Very High Frequency) y UHF (Ultra High Frequency) los transmisores pueden operar a la misma frecuencia y estar modulados con la misma señal, para cubrir grandes áreas (entornos rurales) o para mejorar la cobertura puertas adentro (in-door), a esto se lo conoce como red de frecuencia única (SFN). El estándar hace uso también de dos perfiles de canal, Rice (Ricean) para recepción con antena fija en el tejado (ambiente exterior), y Rayleigh para un sistema de recepción con un equipo portátil, en un ambiente interior. Este estándar presenta una separación entre canales de 8 MHz (aunque se podría utilizar en anchos de banda de 6 o 7 MHz), al igual que ISDB-Tb, DVB-RCT y DVB-T2.

II.2 ISDB-Tb El estándar ISDB-Tb contempla tres modos de operación, el primero con una FFT 2K y dos restantes con 4K y 8K respectivamente, emplea además señalización, sincronización y estimación de canal muy similares a las de DVB-T por el hecho de utilizar la misma modulación OFDM. Así mismo los dos estándares presentan iguales tasas de codificación. Con respecto a los esquemas de modulación a más de los que ya DVB-T, el estándar brasileño utiliza DQPSK (Differential QPSK), e implementa entrelazado en frecuencia y temporal sobre símbolos OFDM consecutivos para mejorar la robustez de la modulación OFDM y para atenuar algunos efectos como el desvanecimiento dentro de un canal en un grupo de frecuencias determinado [20]. La principal novedad de ISDB-Tb es la transmisión jerárquica en capas (Layers). Así el sistema permite organizar la información a transmitir en tres capas jerárquicas diferentes denominadas A B y C, esta función es muy importante y es el motivo por el cual el canal trabaja en una banda segmentada de 13 segmentos. Es importante destacar que la señal ISDB-Tb en el espectro añade un offset en frecuencia, con lo cual la señal de transmisión es desplazada en 1/7 MHz (142,857 kHz) con relación a la frecuencia central del canal utilizada.

II.3 DVB-RCT DVB-RCT utiliza dos portadoras de tamaño 1K y 2K, y tres distancias de separación (CS Carrier Spacing) entre estas; CS1 de 1KHz, CS2 de 2KHz, y CS3 de 4KHz. Al igual que DVBT, DVB-RCT define tres esquemas de modulación y cuatro intervalos de guarda, pero a diferencia de la primera utiliza solamente dos tasas de codificación (½ y ¾). DVB-RCT utiliza

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 10

además codificación concatenada y turbo para reducir la relación portadora a ruido (CNR) en 1,5 dB o más. En sí la tecnología DVB-RCT es definida como una red inalámbrica de difusión bidireccional, puesto que para la comunicación desde el proveedor del servicio hasta el usuario, se utiliza un canal de difusión (forward interaction path), empleando la arquitectura DVB-T estándar; es por esto que se considera que DVB-RCT tiene señalización de bajada en banda (inband), utiliza además modulación OFDM normal, mientras que para la comunicación inversa se emplea un canal de retorno (return interaction path), que utiliza propiamente la arquitectura DVB-RCT utilizando modulación OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), lo que permite que múltiples portadoras sean asignadas en paralelo a diferentes usuarios en diferentes instantes de tiempo. Específicamente en el canal de retorno se utiliza la capa de control de acceso al medio MAC (Medium Access Control), que está constituida sobre la capa física para proveer seguridad y un canal de retorno inalámbrico compartido, entre el terminal de usuario (RCTT - Return Channel Terrestrial), y la estación base. El protocolo MAC ofrece un uso transparente de la capa física a los protocolos de capas superiores, habilitando en la estación base el adaptador de red interactivo (INA – Interactive Network Adapter), quien es el responsable de de asignar los recursos de subida (ranuras de frecuencia y tiempo) a los RCTTs, cuando las capas superiores lo necesiten. Por su parte el RCTT, es responsable de solicitar más recursos, si la estación base no se los ha provisto, o le ha dado muy pocos. Dichos mensajes MAC de subida pueden ser enviados como se detallará posteriormente como acceso de tasa fija, acceso de contención, y acceso de reserva en el canal de subida, y pueden ser encapsulados en células ATM o mapeados directamente dentro de una ráfaga física, en cambio que los datos de bajada (difusión), son encapsulados en paquetes MPEG2, mientras que los datos de subida (interacción), se encapsulan en celdas ATM.

Fig. 3. Arquitectura DVB-RCT [15]

El canal de radiofrecuencia usado en DVB-RCT es dedicado y organizado para permitir accesos concurrentes entre los RCTTs, dicho canal es dividido de tal manera que se tiene una “malla” de ranuras de tiempo/frecuencia, en donde en cada ranura de tiempo se pueden usar

11 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

diferentes frecuencias simultáneamente para transmitir, a esto se lo conoce como estructura de ráfaga y es la ranura de transmisión básica asignada a un RCTT. El estándar define tres de estas estructuras conocidas como BS1 con 1 BS2 con 4 y BS3 con 29 portadoras. Usa además dos tramas de transmisión (TF –Transmission Frame), TF1 que organiza el canal en el dominio del tiempo utilizando conformado de tráfico rectangular y de Nyquist para transmitir un símbolo nulo, 6 símbolos de alineación y 176 símbolos de usuario. Y TF2 que organiza el canal en el dominio de la frecuencia utilizando solo conformado rectangular para transmitir 8 grupos de 6 símbolos de propósito general [21]. La combinación de BS y TF, constituyen los esquemas de acceso al medio (MAS-Medium Access Scheme), entre los que se tiene MAS1 (TF1-BS1) o Acceso de tasa fija (Fixed Rate Access) en donde el INA asigna una lista de ranuras al RCTT cuando una conexión es establecida; MAS2 (TF1-BS2) o Acceso de Contención (Contention Access), en donde los mensajes MAC son enviados en las ranuras no reservadas que el INA identifica en la transmisión de bajada; y MAS3 (TF2-BS3) o Acceso de Reserva (Reservation Access), en donde el INA concede una lista de ranuras para una conexión requerida por un RCTT, pero aparte se utiliza un cuarto modo de acceso conocido como Acceso Aleatorio (Ranging Access), el mismo que es usado para realizar la sincronización de potencia, frecuencia y tiempo, del RCTT al inicio de la conexión, y para mantener la sincronización durante la misma. Por otra parte los RCTTs, no requieren una potencia superior a los 0,5 vatios para transmitir, mientras que las estaciones base pueden soportar grandes picos de tráfico llegando a procesar hasta 20.000 interacciones por segundo, haciendo que su implementación sea económica. Cabe destacar además que la estación base es quién controla la asignación de las portadoras a los usuarios y provee la sincronización a estos para que accedan de manera adecuada a la red. MODCOD

QPSK ½ QPSK ¾ 16-QAM ½ 16-QAM ¾ 64-QAM ½ 64-QAM ¾

Capacidad (Mbps) CS1 0,688 1,031 1,375 2,063 2,063 3,094

1 y 4 portadoras CS2 1,375 2,063 2,750 4,125 4,125 6,188

CS3 2,750 4,125 5,500 8,251 8,251 12,376

CS1 0,684 1,026 1,368 2,052 2,052 3,078

29 portadoras CS2 CS3 1,368 2,736 2,052 4,103 2,736 5,471 4,103 8,207 4,103 8,207 6,155 12,310

Tabla 1. Capacidad de transmisión de DVB-RCT para diferentes MODCODs, con un GI = ¼

II.4 DVB-T2 DVB-T2 utiliza modulación OFDM con un gran número de subportadoras y esquemas de corrección de errores más robustos como LDPC (Low Density Parity Check) y BCH (BoseChaudhuri-Hocquengham) que proveen de una importante mejora comparado con el rendimiento de los mecanismos FEC del estándar DVB-T e ISDB-Tb (codificación

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 12

convolucional y Reed Solomon). Estos mecanismos FEC junto a la utilización de cuatro esquemas de modulación (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM), seis tasas de codificación (½, 3/5, 2/3, ¾, 4/5, 5/6), siete intervalos de guarda (1/4, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16, 1/32, 1/128), y seis portadoras (1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K) [22], hacen que DVB-T2 consiga una capacidad de transmisión de hasta el 70% y una cobertura de más del 100% con respecto a los estándares predecesores, lo que se traduce en una significativa reducción del número de transmisores y frecuencias y en un ahorro en la potencia total radiada [23]. Así mismo el estándar define 8 patrones de portadoras piloto (PPP) con el fin de minimizar la sobrecarga en función del tipo de recepción a la que está orientado el servicio, esto debido a que existe mayor número de portadoras en recepción móvil que en fija. Dichos PPP son símbolos con amplitud y fase, los mismos que son conocidos por los receptores, quienes los usan para estimar/ecualizar las características del canal en tiempo y frecuencia. El estándar utiliza también supertramas, las mismas que están conformadas por varias tramas T2 y entrelazadas entre estas las tramas de extensión futura (FEF – Future Extension Frame), que son utilizadas para poder brindar servicios adicionales. La duración de una supertrama es de 64 segundos (cuando las FEF no son usadas), mientras que las tramas FEF al igual que las T2, tienen una duración máxima de 250 ms. Cada una de ellas contiene un preámbulo OFDM P1 que indica el inicio de una trama y posibilita una rápida detección y sincronización, posterior a este se insertan uno o varios símbolos OFDM P2 con señalización de capa física e información sobre como decodificar los datos de usuario, en el caso de tamaños de FFT 16K y 32K existe un único símbolo. Y por último la trama tendrá un número configurable de símbolos de datos OFDM.

Fig. 5. Estructura de trama del sistema DVB-T2 [24]

Por otro lado la utilización de múltiples tuberías de capa física (MPLPs), permiten la transmisión de los servicios solicitados en un mismo canal de RF, con independientes esquemas de modulación, protección FEC y entrelazado temporal en capa física que son aplicados separadamente a cada PLP, de tal manera que se transmiten los datos de un mismo PLP en diferentes instantes de tiempo, combatiendo de esta manera la pérdida de información

13 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

provocada por los efectos de desvanecimiento lento (Shadowing). Además estas PLPs pueden ser codificadas con bajos niveles de CNR, lo que provee de servicios a terminales fijos de una forma más flexible. Además DVB-T2 usa un método de diversidad de transmisor, conocido como codificación de Alamouti, que mejora la cobertura en redes de frecuencia única (SFN). Y el uso de la técnica de constelaciones rotadas que consiste en aplicar un determinado ángulo de giro a todos los puntos de la constelación, de tal forma que cada una de las componentes de fase (I) y cuadratura (Q) que definen un símbolo contengan información suficiente para identificar el punto exacto en recepción. También el estándar define dos Mecanismos de Reducción de la Potencia de Pico de la Señal Transmitida PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), una de las técnicas es conocida como Tonos Reservados (TR), donde el 1% de las portadoras útiles de datos son reservadas para insertar valores previamente calculados que contrarresten los picos de potencias del resto de portadoras. La transmisión es señalizada para indicar al receptor que ignore la información presente en estas portadoras. La otra técnica es la Extensión Activa de la Constelación (ACE), la cual consiste en separar del centro de la constelación los símbolos que están en los bordes de la misma, con el objetivo de causar una reducción en los picos de la señal. Es importante mencionar además que DVB-T2 presenta la transmisión eficiente de contenidos IP, ya que aunque las tramas banda base de DVB-T2 son paquetes MPEG-TS, los campos de señalización del encabezado son compatibles con el formato IP para el transporte de información. Un sistema DVB-T2, puede ser dividido en 3 subsistemas en la parte de transmisión y 2 subsistemas en la parte de recepción. En transmisión los subsistemas Multiplexador, Gateway T2 y Modulador T2, cuentan con 2 interfaces de comunicación entre ellos; TS (Transport Stream) / GSE (Generic Standar Encapsulation) y T2-MI (T2 Modulator Interface).

Fig. 4. Arquitectura general de un sistema DVB-T2 [24]

El Gateway T2, adapta el flujo y transporte de la señal a los moduladores que conforman la red y sincroniza la SFN, a más de distribuir y asignar recursos. El Gateway construye paquetes

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 14

T2-MI con la información de las tramas banda base, la información de señalización L1, las marcas de tiempo de los servicios y las referencias de sincronización, los encapsula en paquetes MPEG2-TS y los transmite a través de la red de distribución. Por su parte el Modulador T2 recibe las tramas banda base T2 (datos + encabezado de trama) contenidas en cada T2-MI y construye la señal DVB-T2 de capa física siguiendo todas las opciones de configuración de entrelazado, codificación de canal, mapeado y modulación OFDM. En transmisión en cambio los dos subsistemas existentes Demodulador T2 y Decodificador de Video, comparten una interfaz de comunicación entre ellos (TS ó GSE). El Demodulador T2, recibe la señal de radiofrecuencia de uno o varios transmisores de la red y entrega un flujo MPEG2-TS o GSE al subsistema de decodificación. Este flujo de datos contiene uno o más servicios, así como la señalización derivada de la tubería de capa física (PLP – Physical Layer Pipes) común, además de estimadores de canal, entre otros. Por su parte el Decodificador de Video recibe el flujo del Demodulador y decodifica el audio, video y datos de cada servicio.

III. Diseño del estándar DVB-RCT2 Con el objeto de extender las capacidades del estándar DVB-T2, se propone dotar a esta tecnología con un canal de retorno, al cual se lo definirá como DVB-RCT2 (Digital Video Broadcasting – Return Channel Terrestrial 2nd Generation), por lo que se procurará que DVBRCT2, ofrezca todas las características que brindan robustez a DVB-T2, como el uso de tramas FEF, constelaciones rotadas, tuberías de capa física, diversidad espacial en transmisión (MISO – Multiple Input Single Output) mediante el uso de la codificación Alamouti, entrelazado temporal, uso de patrones de portadoras piloto; la capacidad de soportar muchos usuarios, mediante la utilización de un canal múltiplex, y demás. A más de adoptar/modificar características de la tecnología con canal de retorno DVB-RCT, tales como la utilización de los canales de difusión y retorno, los modos de acceso para el canal de subida, entre otros. Esquemas de Modulación FEC GI Tamaño de FFT PPP MPLPs Entrelazado temporal Constelaciones rotadas MISO PAPR FEF

DVB-T2

DVB-RCT2

QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM

Si

LDPC + BCH ½, 3/5, 2/3, ¾, 4/5, 5/6 ¼, 19/128, 1/8, 19/256, 1/16, 1/32, 1/128

Si Si

1K, 2K, 4K, 8K, 16K, 32K

Si

PP1 a PP8 Máximo 255

Si Si

para cada PLP

Si

Ángulo de giro a todos los puntos de la constelación Codificación Alamouti TR y ACE Brindan servicios adicionales

Observaciones

Específicamente 16K y 32K

Si Si Si Si

Específicamente TR enviar datos de usuario en enlace ascendente

15 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales Transmisión de Contenidos IP

Compatibilidad con formato IP

Si

IP sobre GSE

Tabla 2. Parámetros de DVB-T2 y DVB-RCT2

DVB-RCT2, permitirá al igual que DVB-T2 para zonas rurales con muy poca densidad de población la configuración de redes SFN de gran tamaño gracias a la utilización de FFTs de 16K y 32K, lo que permitirá menor overhead de GI para una distancia de SFN dada, y por lo tanto ampliación de la distancia máxima entre transmisores, puesto que presenta una caída del espectro fuera de banda mucho más rápida que los modos con FFTs más pequeños. Además la implementación y decodificación de constelaciones de mayor orden como 256-QAM con un nivel de CNR bajo será permitida por DVB-RCT2 debido al mejor rendimiento de los algoritmos de codificación FEC (LDPC + BCH), lo que se verá reflejado en un aumento de hasta un 30% de la capacidad de transmisión del sistema con respecto a DVB-RCT, además de ofrecer un significativo aumento de la robustez de la señal y por tanto de la máxima cobertura, que también podrá ser obtenida mediante el uso del mecanismo de reducción de la potencia de pico de la señal transmitida PAPR de Tonos Reservados (compatible con la técnica de constelaciones rotadas) y la técnica de entrelazado temporal, que será configurable para cada PLP utilizada. También con el objetivo de ajustar la densidad a la mínima necesaria el estándar podrá utilizar un patrón de portadoras no muy denso como PP7 (combinación de FFT e GI), mediante el cual aumentará la capacidad para recepción fija y portable. Así también el uso de la técnica MISO basada en codificación Alamouti, mejorará la recepción en áreas donde la cobertura se sobrepone, puesto que con esta técnica se asegura que los transmisores no difundan información idéntica, pero si relacionada, con lo que se destruyen las interferencias. La robustez de la señal en canales con desvanecimientos selectivos en tiempo y frecuencia podrá ser aumentada además mediante la combinación de la técnica de constelaciones rotadas con MPLPs. El uso de constelaciones se utilizará para recuperar la información con la correcta recepción en el receptor, mientras que la funcionalidad de MPLPs permitirá la transmisión simultánea de servicios en el mismo canal de RF (mismo múltiplex) de una forma más flexible; así mismo el uso de las tramas FEF serán utilizadas para enviar los datos del usuario en enlace ascendente, pudiendo en el mismo canal/frecuencia haber transmisiones tanto en DL como en UL lo que no es posible en DVB-RCT. Además a diferencia de la transmisión con múltiples PLPs, la utilización de las tramas FEF permite configurar un modo de transmisión totalmente independiente a las tramas T2 base incluyendo tamaño de FFT, intervalo de guarda y patrón de portadoras piloto. También puesto que DVB-RCT2 será utilizado para proporcionar servicios de conectividad a Internet es importante que provea transmisión eficiente de contenidos IP, en este

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 16

caso encapsulando IP sobre GSE tal como en DVB-T2, con lo que se tiene menor overhead de encapsulamiento, siendo más eficiente. Además tomando en cuenta la tecnología con canal de retorno DVB-RCT, el estándar DVBCT2 será una red de difusión inalámbrica bidireccional, que permitirá brindar un amplio rango de aplicaciones de banda ancha. En este sentido para la comunicación desde el proveedor del servicio (contenidos de TV e Internet) hasta el usuario, se utilizará un canal de difusión, empleando para esto la arquitectura DVB-T2, y para la comunicación inversa, se empleará un canal de retorno, utilizando la arquitectura DVB-RCT, pero adaptada para DVB-RCT2. El canal ascendente se utilizará OFDMA, lo que permitirá que múltiples portadoras sean asignadas en paralelo a diferentes usuarios en diferentes instantes de tiempo, mientras que para el canal descendente se usará modulación OFDM normal. Para esto en la estación base se encontrará el controlador de la capa MAC, quien habilita el adaptador de red interactivo INA, que conjuntamente con el Gateway T2/RCT2 son los encargados de asignar los recursos de subida, por ejemplo las ranuras de tiempo y frecuencia a los usuarios, además de proveer la sincronización necesaria a los RCTT, para que puedan acceder a la red, utilizando eficientemente el ancho de banda disponible entre todos los usuarios interactivos. El nuevo estándar definirá también para el canal de subida los cuatro modos de acceso controlados por el protocolo MAC, mencionados en DVB-RCT. En el sitio del usuario el RCTT se encargará de recibir o enviar las peticiones que el cliente haya solicitado o enviado. DVB-T2 Tx DVB-RCT2 Rx

Canal de Difusión

Internet

Proveedor de Contenidos de TV/Internet

Adaptador de red de difusión (BNA)

Canal de Retorno

Proveedor de Servicio Interactivo

Adaptador de red de interacción (INA)

Da

tos

dif us

ión

MP EG

SD U

Estación Base/ Gateway T2-RCT2

-TS

FE F int er

ac

tiv

o

Unidad de Interfaz de red

Módulo de Interfaz de Difusión Modulo de Interfaz Interactiva

Decodificador

RCTT (Retrurn Channel Terrestrial Terminal) usuario

Fig. 5. Arquitectura propuesta del estándar DVB-RCT2 para proveer servicios de Internet a zonas rurales

17 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

IV. Evaluación de prestaciones de DVB-T2 Y DVB-RCT2 para brindar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales La tabla 3, resume las capacidades de transmisión para diferentes tecnologías y MODCODs, para un ancho de banda de 6MHz, recepción fija Canal Rice, tomando en cuenta para ISDB-Tb el modo de transmisión con FFT 8K, GI ¼. Para DVB-T y DVB-T2 se utilizó FFT 32K extendido y un GI pequeño de 1/128 con el objetivo de maximizar la capacidad, además de acuerdo a la combinación de FFT y GI, se utilizó un PPP no muy denso como PP7; mientras que para DVB-RCT se utilizó una FFT 2K, GI ¼, MAS3 (TF2-BS3), además de un esquema de conformado rectangular, para CS3, y la utilización de turbo códigos. Con respecto a DVB-RCT2, se proponen los mismos valores que para DVB-T2, asumiendo como antes que la capa física no cambia entre estas dos tecnologías. Analizando la tabla se puede ver que las tecnologías DVB-T2 y DVB-RCT2 al presentar tamaños de FFT más grandes como 16 Y 32K, permiten esquemas de modulación mayor como 256-QAM, que combinado con tasas de codificación más grandes (5/6), permiten transmitir mayor cantidad de información. Siendo este el caso por ejemplo de la tecnología DVB-T2 que alcanza valores cercanos a los 40 Mbps. Se puede ver además que para un MODCOD específico, por ejemplo QPSK ½, la menor relación señal a portadora se encuentra en la tecnología DVB-T2 y por ende en DVB-RCT2, y que estas dos tecnologías presentan la mayor capacidad. Los valores de la tabla se los representa en la figura 6. ISDB-Tb MODCOD QPSK ½ QPSK ¾ QPSK 5/6 16-QAM ½ 16-QAM ¾ 16-QAM 5/6 64-QAM ½ 64-QAM ¾ 64-QAM 5/6 256-QAM ½ 256-QAM ¾ 256-QAM 5/6

CNR 6,23 9,15 10,44 11,61 15,62 16,78 17,34 21,06 22,6 ----

Capacidad 3,65 5,47 6,08 7,30 10,95 12,17 10,95 16,43 18,25 ----

DVB-T CNR 5,9 9,1 10.3 11,6 15,7 16,9 17,2 21,2 22,7 ----

Capacidad 4,73 7,09 7,88 9,45 14,18 15,76 14,18 21,27 23,63 ----

DVB-RCT CNR 4,6 7,8 -10,6 14,0 -15,7 19,6 -----

Capacidad 4,26 6,40 8,53 12,80 12,80 19,21 -----

DVB-T2/DVBRCT2 CNR Capacidad 2,67 5,64 5,87 8,49 7,07 9,46 7,87 11,34 11,87 17,03 13,17 18,91 12,27 16,98 16,91 25,52 18,64 28,43 16,31 22,67 22,06 34,07 24,26 37,88

Tabla 3. Capacidades de transmisión para diferentes tecnologías y MODCODs

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 18

Fig. 6. Cobertura de diferentes tecnologías para un ancho de banda de 6 MHz según sus capacidades de transmisión

IV.1 DVB-T2 IV.1.1. Ganancia en CNR y capacidad de DVB-T2 con respecto a DVB-T Tecnología

Modo de transmisión

CNR (dB)

DVB-T2 DVB-T Diferencia

64-QAM ¾ 64-QAM ¾

16,91 21,20 4,29

Capacidad de transmisión (Mbps) 25,52 21,27 4,25

Tabla 4. Ganancia en CNR y capacidad para un sistema DVB-T2 con respecto a DVB-T

Se puede notar en la tabla 4 que el valor de CNR es menor con respecto al de DVB-T en más de 4 dB. Esto se ve reflejado en la capacidad de transmisión, en donde con DVB-T2 se puede conseguir 25,52 Mbps, y para el mismo MODCOD DVB-T alcanza 21,27 Mbps. Lo que quiere decir que DVB-T2 presenta una ganancia en capacidad de aproximadamente 5 Mbps aunque la cobertura de las dos tecnologías para un mismos modo de transmisión es muy parecida.

IV.2 DVB-RCT2 IV.2.1. Ganancia en CNR y capacidad de DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT Puesto que DVB-RCT2 estará basada en DVB-T2, es de esperarse que exista ganancia. Es así que en la tabla 5 para una CNR parecida; 18,64 de DVB-RCT2 utilizando MODCOD 64-QAM 5/6 y 19,6 de DVB-RCT usando MODCOD 64-QAM ¾, la capacidad de esta última tomando la mayor cantidad de portadoras es de 19,21 Mbps, mientras que para DVB-RCT2 la capacidad es mayor, dando un valor de 28,43 Mbps.

19 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales Tecnología

Modo de transmisión

CNR (dB)

DVB-RCT2 DVB-RCT Diferencia

64-QAM 5/6 64-QAM ¾

18,64 19,6 0,96

Capacidad de transmisión (Mbps) 28,43 19,21 9,22

Tabla 5. Ganancia en capacidad para un sistema DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT

Si analizamos capacidades parecidas (Tabla 6), vemos que con DVB-RCT2 se utilizan alrededor de 7 dB menos de CNR que con DVB-RCT, lo que permitirá tener mayor cobertura con DVB-RCT2, además que para un modo de transmisión más robusto de DVB-RCT2 (16QAM 3/5), comparado con un modo de transmisión de mayor capacidad como 64-QAM ½ de DVB-RCT, la capacidad de transmisión de DVB-RCT2 sigue siendo mayor en casi 1 Mbps. Tecnología

Modo de transmisión

CNR (dB)

DVB-RCT2 DVB-RCT Diferencia

16-QAM 3/5 64-QAM ½

9,27 15,7 6,43

Capacidad de transmisión (Mbps) 13,62 12,80 0,82

Tabla 6. Ganancia en CNR para un sistema DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT

Si hablamos de capacidades máximas, vemos que DVB-RCT llega a tener 19,21 Mbps, mientras que como se ve en la Tabla 7, DVB-RCT2 podría llegar a tener 37,88 Mbps, es decir casi el doble de capacidad que la primera, con aproximadamente 5 dB de diferencia en CNR. Tecnología

Modo de transmisión

CNR (dB)

DVB-RCT2 DVB-RCT Diferencia

256-QAM 5/6 64-QAM ¾

24,26 19,6 4,66

Máxima capacidad de transmisión (Mbps) 37,88 19,21 18,67

Tabla 7. Máxima capacidad de transmisión de un sistema DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT

Tomando en cuenta la CNR mínima para ambas tecnologías, podemos ver en la tabla 8 que DVB-RCT2, requiere casi 2dB menos de CNR para el mismo MODCOD (utilizado en UL), lo que hace que la capacidad de transmisión en DVB-RCT2 sea de casi 2 Mbps comparada con la tecnología DVB-RCT. Tecnología

Modo de transmisión

CNR (dB)

DVB-RCT2 DVB-RCT Diferencia

QPSK ½ QPSK ½

2,67 4,6 1,93

capacidad de transmisión (Mbps) 5,64 4,26 1,38

Tabla 8. Mínima CNR de un sistema DVB-RCT2 con respecto a DVB-RCT

V. Planificación de redes V.1. Cálculo de la relación portadora a ruido (CNR) Para los ejercicios de planificación se han tomado las siguientes consideraciones al momento de obtener la relación portadora a ruido (CNR) para diferentes tecnologías.

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 20

Para ISDB-Tb como para DVB-T de todos los MODCODs posibles, se va a trabajar con los que se detallan a continuación. QPSK ½, QPSK ¾, QPSK 7/8 16-QAM ½, 16-QAM ¾, 16-QAM 7/8 64-QAM ½, 64-QAM ¾, 64-QAM 7/8 Para DVB-RCT, se utilizaron todos los MODCODs posibles para dicha tecnología. QPSK ½, QPSK ¾ 16-QAM ½, 16-QAM ¾ 64-QAM ½, 64-QAM ¾ Para DVB-T2, de todos los MODCODs posibles, se va a utilizar los siguientes. QPSK ½, QPSK 2/3, QPSK ¾, QPSK 5/6 16-QAM ½, 16-QAM 2/3, 16-QAM ¾, 16-QAM 5/6 64-QAM ½, 64-QAM 2/3, 64-QAM ¾, 64-QAM 5/6 256-QAM ½,2516-QAM 2/3, 256-QAM 5/6 Para DVB-RCT2 se propondrá la utilización de los siguientes MODCODs. QPSK ½, QPSK ¾ 16-QAM ½, 16-QAM ¾ 64-QAM ½, 64-QAM ¾ 256-QAM½ - 256-QAM ¾ NOTA: las consideraciones anteriores fueron debido a que entre estas tasas de codificación, la separación en la CNR del Canal Gaussiano, según la norma EBU TECH 3348 es de aproximadamente 2 dB [25]. Se utilizó además la tasa de codificación ¾ que aunque no cumple con la separación de 2 dB, sirve para comparar con la tecnología DVB-RCT. Tal como se explica en [26], y siguiendo las guías de implementación de la norma ETSI TS 102 831 [27] para distintos canales de recepción, más las recomendaciones de [25], se ha calculado el CNR de la tecnología DVB-T2 para los diferentes MODCODS, tomando en consideración un canal Rice, con FFT 32K extendido, GI 1/128 y PP7, en tanto que los valores de CNR para para ISDB-Tb se obtuvieron de la norma ABNT NBR15601 [28], tomando en cuenta una FFT 8K, GI ¼ para canal Rice; en cambio que los valores de DVB-T fueron obtenidos de [29]. Para el caso de DVB-RCT los valores fueron tomandos de [21], y son menores a los de DVB-T ya que en esta tecnología se utilizaron turbo códigos para mejorar la robustez, y por lo tanto reducir los valores de CNR. Además en esta tesina se propone que los valores de CNR para DVB-RCT2 sean los mismos que se utilizan en DVB-T2, asumiendo que RCT2 está basado en T2, y que la capa física no se ha cambiado.

21 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

Constelación QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM

Tasa de codificación ½ 3/5 2/3 ¾ 4/5 5/6 7/8 ½ 3/5 2/3 ¾ 4/5 5/6 7/8 ½ 3/5 2/3 ¾ 4/5 5/6 7/8 ½ 3/5 2/3 ¾ 4/5 5/6 7/8

ISDBTb CNR [28] 6,23 --9,15 --11,1 11,61 --15,62 --17,72 17,34 --21,06 --23,35 --------

DVB-T CNR [29] 5,9 --9,1 --11,3 11,6 --15,7 --17,5 17,2 --21,2 --23,7 --------

DVBRCT CNR [21] 4,6 --7,8 ---10,6 --14,0 ---15,7 --19,6 -----------

DVB-T2/DVB-RCT2 CNR (calculado/propuesto) 2,67 3,87 4,87 5,87 6,47 7,07 -7,87 9,27 10,57 11,87 12,67 13,17 -12,27 14,07 15,39 16,91 18,14 18,68 -16,31 18,44 20,02 22,06 23,56 24,38 --

Tabla 9. Tabla comparativa de valores de CNR para diferentes tecnologías de TDT

En la tabla anterior, se puede notar que DVB-T2, tiene una menor relación portadora a ruido (CNR) que ISDB-Tb, DVB-T y DVB-RCT; esto gracias a la corrección de errores que utiliza DVB-T2 (FEC), lo que indudablemente se verá reflejado en una mayor cobertura de los transmisores en la red. Se propone además que como DVB-RCT2 estará basada en DVB-T2, tengan la misma CNR. Según la propuesta de la tabla anterior, se nota una diferencia notable de entre 2 y 4 dB, comparada con DVB-RCT. Además DVB-RCT2, al igual que su tecnología predecesora DVB-T2, utilizan altos órdenes de modulación (64-QAM y 256-QAM), y aunque estos permiten transmitir mayor cantidad de información, como se puede observar en la tabla anterior también necesitan más CNR.

V.2. Link Budget El cálculo del Link Budget permite establecer el valor de intensidad de campo mínimo requerido a la entrada del receptor, para hacer la estimación de cobertura.

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 22

Para los ejercicios de planificación, tanto en transmisión descendente como ascendente se ha tomado en cuenta el porcentaje de localización para recepción fija del 95% (cobertura buena).

V.2.1. Cálculo de Link Budget Para el cálculo del Link Budget, se ha tomado como base la recomendación EBU TECH 3348, definida para DVB-T2 y sobre esta se han variado los parámetros correspondientes para cada tecnología. Luego de haber definido la CNR mínima requerida para un determinado modo de transmisión se puede calcular el nivel potencia de ruido Pn, mediante la siguiente fórmula: Pn= NF +10 log10[KToB] Donde: NF = figura de ruido del receptor (7 dB para ISDB-Tb, según ABNT NBR15608-1 [30], 6 dB para DVB-T2 según [25], y 0 dB para DVB-RCT y DVB-RCT2 según [21]). En DVB-RCT y DVB-RCT2, el receptor cambia ya que en estas tecnologías se tiene enlace descendente y ascendente, por lo tanto la figura de ruido se utiliza para obtener el Link Budget en cada caso. K= constante de Boltzman (1.3806504x10-23Ws/K) To= temperatura absoluta (290K) B= ancho de banda (5,78x106 Hz), ancho de banda de 6 MHz Posterior a esto, se puede calcular el mínimo nivel de señal requerido en recepción Psmin. Psmin = Pn +CNR Donde: CNR= relación portadora a ruido Ahora se debe calcular la intensidad mínima de campo eléctrico Emin, pero primero se deben establecer la densidad de flujo de potencia mínima en recepción (ɸmin), y el valor medio mínimo de la densidad de flujo de potencia (ɸmed). Densidad de flujo de potencia mínima en recepción (ɸmin).ɸmin = Psim –aA + Corr ɸmin = Psim – GA(BS/RCTT) – 10 log10 (1,64*(ʎ2/(4*π)) Donde: aA = apertura efectiva de la antena; en donde está estipulado la ganancia de la antena GA(BS/RCTT) (11 dBd) Corr = factor de corrección en función de la frecuencia  Corr = 10 log10 (FA/FR)

23 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

Donde: FA = frecuencia actual que está siendo considerada (515 MHz  canal 21) FR = frecuencia de referencia correspondiente (500 MHz) Valor medio mínimo de la densidad de flujo de potencia (ɸmed).ɸmed = ɸmin + P mnm + Cl + Lh + Lb + Ld (BS/RCTT) + Lf (RCTT) - GC(RCTT) - GD(BS) Donde: Pmnm = margen de ruido artificial (0 dB) Cl= factor de corrección de ubicación (9,047 dB) Para calcular el factor de corrección de ubicación, se asume una distribución lognormal de la señal recibida, entonces se tiene que Cl = µ*σ [25]. Donde: µ = factor de distribución, que toma los valores de 0,5244 para una recepción al 70%, 1,28 para 90%, 1,6449 para 95% y 2,33 para 99%. En nuestro caso se ha utilizado el valor de 1,6449. σ = desviación estándar, y su valor es de 5,5 dB para recepción exterior. Lh = pérdidas en altura (0 dB) Lb= pérdidas en penetración (0 dB) Ld(RCTT) = pérdidas en el duplexor (4 dB) Afecta solo al enlace ascendente, es decir a las tecnologías DVB-RCT y DVBRCT2, ya que este elemento (duplexor) no existe en los demás estándares. Lf (BS/RCTT) = pérdidas en el alimentador del transmisor de la torre de TV/equipo de usuario (4 dB). En DVB-RCT, se utilizan los dos valores en la fórmula, mientras que en DVB-T2, solo se utiliza el valor de potencia del transmisor de la estación base. PT(BS/RCTT) = potencia del transmisor torre de TV/equipo de usuario (60dBm/30dBm) GC(RCTT) = ganancia de concentración (dB) Parámetro utilizado solo para tecnologías con canal de retorno (DVB-RCT, DVBRCT2). Es usado debido al hecho de que se transmite solamente en una porción del canal, para un escenario rural se toma en cuenta el esquema de acceso al medio MAS3 (Medium Access Scheme), el mismo que está formado por la combinación de la trama de transmisión 1 junto con la estructura de ráfaga 3 (TF1 –BS3), la misma que presenta 29 portadoras. El valor a utilizar será de 17,7 dB [21]. GD(BS) = ganancia de diversidad (0 dB) Por último se calcula calcular la intensidad mínima de campo eléctrico Emin Emin = ɸmed + 120 + 10*log10 (120*π)

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 24

V.3. Diferencias en el cálculo de Link Budget para tecnologías TDT La tabla 10, resume las principales diferencias en el cálculo de Link Budget entre los estándares de televisión digital terrestre.

PARÁMETRO Factor de ruido del receptor Potencia del transmisor torre de TV (PT(BS)) Potencia del transmisor del usuario PT(RCTT) Pérdidas en el duplexor Ld(RCTT) Ganancia de concentración GC(RCTT)

ISDB-Tb

Tecnologías TDT Link Budget en DL DVB-T DVB-T2

Link Budget en UL DVB-RCT DVB-RCT2 0 dB, basado en 0 dB [21] DVB-RCT

7 dB [30]

7 dB [29]

6 dB*[25]

Hasta 5000 W (67 dBm)

Hasta 5000 W (67 dBm)

Hasta 5000 W (67 dBm)

741 W (58,7 dBm) **

741 W (58,7 dBm) **

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

Hasta 1W (30 dBm)

Hasta 1 W (30 dBm)

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

4 dB

4 dB

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

0 (No utilizado)

17,7 dB

17,7 dB

Tabla 10. Parámetros de Link Budget para escenario rural tanto en enlace descendente (DL), como en enlace ascendente (UL)

* **

Menos 1 dB teniendo en cuenta las mejoras tecnológicas conseguidas para los receptores DVB-T2. Máxima potencia que el transmisor de la torre de TV puede tener. Este cálculo fue realizado tomando en cuenta que en UL se tiene una diferencia con respecto al DL de 28,7 dB debido al factor de ruido, la ganancia de concentración y las pérdidas en el duplexor, si se toma en cuenta además la potencia del transmisor del usuario, el valor aumenta a 58,7 dB, con lo cual la potencia del transmisor en la torre de TV sería aproximadamente de 741 W.

El resto de parámetros no incluidos en la tabla anterior son los mismos, debido a que el enlace descendente (DL) y ascendente (UL) es simétrico.

V.4. Intensidad de campo eléctrico para tecnologías de TDT En las tablas 11, 12, 13, 14 y 15 se muestran las intensidades de campo eléctrico para una recepción fija al 95% para ISDB-Tb, DVB-T, DVB-T2, DVB-RCT y DVB-RCT2. Constelación

Tasa de codificación

CNR Canal Rice [28]

QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM

½ ¾ 7/8 ½ ¾ 7/8 ½ ¾ 7/8

6,23 9,15 11,1 11,61 15,62 17,72 17,34 21,06 23,35

Intensidad de campo eléctrico Emin, para recepción fija 95% (dBVµ/m) 42,4 45,3 47,3 47,8 51,8 53,9 53,5 57,2 59,5

Tabla 11. Intensidad de campo eléctrico para recepción fija 95%, estándar ISDB-Tb

25 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales Constelación

Tasa de codificación

CNR Canal Rice [29]

QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM

½ ¾ 7/8 ½ ¾ 7/8 ½ ¾ 7/8

5,9 9,1 11,3 11,6 15,7 17,5 17,2 21,2 23,7

Intensidad de campo eléctrico Emin, para recepción fija 95% (dBVµ/m) 42,1 45,3 47,5 47,8 51,9 53,7 53,4 57,4 59,9

Tabla 12. Intensidad de campo eléctrico para recepción fija 95%, estándar DVB-T Constelación

Tasa de codificación

QPSK QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM 256-QAM

½ 2/3 ¾ 5/6 ½ 2/3 ¾ 5/6 ½ 2/3 ¾ 5/6 ½ 2/3 ¾ 5/6

CNR Canal Rice (calculado) 2,67 4,87 5,87 7,07 7,87 10,57 11,87 13,17 12,27 15,39 16,91 18,68 16,31 20,02 22,06 24,38

Intensidad de campo eléctrico Emin, para recepción fija 95% (dBVµ/m) 37,8 40 41 42,2 43 45,7 47 48,3 47,4 50,6 52,1 53,8 51,5 55,2 57,2 59,5

Tabla 13. Intensidad de campo eléctrico para recepción fija 95%, estándar DVB-T2. Constelación

Tasa de codificación

CNR Canal Rice [21]

QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM

½ ¾ ½ ¾ ½ ¾

4,6 7,8 10,6 14,0 15,7 19,6

Intensidad de campo eléctrico Emin, para recepción fija 95% (dBVµ/m) 20,1 23,3 26,1 29,5 31,2 35,1

Tabla 14. Intensidad de campo eléctrico para recepción fija 95%, estándar DVB-RCT Constelación

Tasa de codificación

QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 256-QAM 256-QAM

½ ¾ ½ ¾ ½ ¾ ½ ¾

CNR Canal Rice (propuesto) 2,67 5,87 7,87 11,87 12,27 16,91 16,31 22,06

Intensidad de campo eléctrico Emin, para recepción fija 95% (dBVµ/m) 18,1 21,3 23,3 27,3 27,7 32,4 31,8 37,5

Tabla 15. Intensidad de campo eléctrico para recepción fija 95%, estándar DVB-RCT2

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 26

De las tablas anteriores se puede concluir que para un mismo MODCOD, DVB-T2, presenta el menor CNR. Por ejemplo para un MODCOD robusto como QPSK ½, el valor de la relación portadora a ruido es de 2,67 mientras que para ISDB-Tb, DVB-T y DVB-RCT los valores son 6,23; 5,9 y 4,6 respectivamente. Esto indica que con DVB-T2, y en su defecto con DVB-RCT2, se podrá conseguir ganancia en cobertura, lo que se ve reflejado en la intensidad mínima de campo, en donde los valores para DVB-RCT2 son los más bajos, seguidos por los de DVB-RCT. Además DVB-RCT 2 puede trabajar con un esquema de modulación más potente como 256-QAM, que permite mayor capacidad de datos a ser transmitidos, y aunque la intensidad de campo eléctrico sea un poco más grande (37,5 dBVµ/m), el mismo es un valor aceptable ya que DVB-RCT para su máxima capacidad de transmisión (64-QAM ¾) requiere 35,1. Lo que quiere decir que para un modo de transmisión mejor DVB-RCT2 ocupa alrededor de 2,4 dB más, con lo que los usuarios que se encuentren cerca de la torre de TV, pueden aprovechar la posibilidad de utilizar una modulación con una eficiencia espectral mayor, debido a las buenas condiciones de propagación que tendrían.

V.5. Escenario Para los ejercicios de diseño y planificación de cobertura e interferencias, se tomará en consideración un escenario rural con línea de vista (LOS – Line Of Sight), ubicado en la provincia de Chimborazo, República del Ecuador. En la figura X5 se presenta el escenario en donde se realizarán dichos ejercicios.

Cerro La Mira 1º30’56’’S 78º 34’56’’O

Cerro Cacha 1º41’20’’S 78º 2’52’’O

Cerro Alausí 2º13’11’’S 78º 50’50’’O

Fig. 7. Mapa Provincia de Chimborazo

27 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

Para los sitios de transmisión principal se utilizarán las ubicaciones de las torres de TV analógica existentes en los cerros La Mira, Cacha y Alausí, mientras que para los sitios de usuario se tomarán como referencia cabeceras cantonales cercanas a dichas torres de TV (Riobamba, Penipe, Chambo y Alausí), las mismas que cuentan con zonas rurales. Las características principales de las mismas son detalladas a continuación. Ubicación del transmisor

Cerro La Mira Cerro Amula Cacha (Cacha) Cerro Alausí Cantón Riobamba Cantón Penipe Cantón Chambo Cantón Alausí

Altura Potencia antenas (W) (m) SITIOS DE TRANSMISIÓN PRINCIPAL (TORRES DE TV) Latitud Longitud 1º 30’ 56’’ S 78º 34’ 56’’ O 3645 36 1000* Coordenadas geográficas (*)

1º 41’ 20’’ S

78º 42’ 52’’ O

Altura sitio (m)

3076

36

Azimut de radiación (*)

10*

2º 13’ 11’’ S 78º 50’ 50’’ O 2692 36 2* SITIOS DE TRANSMISIÓN USUARIO (TRANSMISORES RCTT)

Canal/ Frecuencia (***)

200º 320 º

21 / 515 MHz

25 º

1º 40’ 00’’ S

78º 37’ 60’’ O

2757

10

1 **

--

1º 33’ 52,2’’ S

78º 31’ 43,8’’ O

1º 43’ 44,26’’ S

78º 35’ 57,46’’ O

2º 12’ 10’’ S

78º 50’ 46’’ O

2670 3056 2473

10 10 10

1 ** 1 ** 1 **

----

21 / 515 MHz

Tabla 16. Características principales torres de TV y sitios de usuario

* ** ***

Parámetros tomados de [31], a más del patrón de radiación. Parámetros tomados de [21]. Se trabaja en la frecuencia central 515 MHz, perteneciente al rango de frecuencias comprendido entre los 506 y 512 MHz (canal 21 banda IV) [5]. Con este dato se calcularon los valores de dBVµ/m representados en las tablas anteriores.

V.6. Análisis de cobertura Para conocer las zonas de cobertura e interferencia, se deberá tomar en cuenta los umbrales mínimos de la relación portadora a ruido (CNR) en canal Rice, así como la intensidad de campo eléctrico (Emin) obtenidos anteriormente para cada tecnología. Estos datos fueron introducidos en el software profesional de simulación ICS Telecom, el mismo que simuló la cobertura de los transmisores ubicados en la torres de TV, considerando una zona como cubierta, si los valores de CNR y de Emin, superaron los umbrales mínimos especificados. Con los antecedentes anteriormente mencionados, primero se realizó un ejercicio de cobertura para TV analógica utilizando los umbrales de recepción descritos en la tabla XX17, los mismos que corresponden a la intensidad de campo para receptores de usuario fijos a una altura de 10 metros, tomando como referencia la banda IV, para definir el umbral mínimo. También se realizó una aproximación de cobertura para la tecnología de TDT ISDB-Tb basada en la guía de implementación brasileña de este estándar [30], puesto que no se cuenta con los datos reales de planificación de la red de TDT en Ecuador. Banda dBVµ/m

I y II 68

III 71

IV y V 74

Tabla17. Intensidad de campo eléctrico para TV analógica [8]

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 28

Además para los estudios de cobertura de TDT DVB, se utilizaron antenas fijas directivas de transmisión/recepción en el sitio del usuario (RCTT), ubicadas al igual que en el caso anterior a una altura de 10 metros; conjuntamente con una infraestructura de transmisores DVBT/T2 en el sitio de la torre de TV. El este análisis se analizó la cobertura de los sitios de transmisión principal en enlace descendente (DL), utilizando el modelo de propagación ITU-R 526 por tratarse de una zona geográfica montañosa, utilizando una frecuencia central de 515 MHz, y tomando a modo de ejemplo el MODCOD 64-QAM ¾. Para representar la cobertura de TV analógica se ha definido el color amarillo, el verde para la cobertura ISDB-Tb, el azul para DVB-T y el color rojo para la tecnología DVB-T2, todas ellas evaluadas para una recepción fija al 95%. Por el contrario las zonas sin color sobre el mapa representan los lugares en donde no existe cobertura por no haberse superado el umbral de intensidad de campo mínimo.

V.6.1. Cobertura de TV analógica e ISDB-Tb

Fig. 8. Cobertura de los sitios de transmisión principal (Cerros La Mira, Cacha y Alausí) para TV analógica e ISDB-Tb respectivamente, para recepción fija al 95%

Para la cobertura de TV analógica con una intensidad de campo de 74 dBVµ/m, los sitios de transmisión principal utilizados llegan a cubrir un 5,61% del área de la provincia de Chimborazo, mientras que con ISDB-Tb, con una Emin de 57,4 dBVµ/m (64-QAM 3/4) la cobertura llegó a ser del 5,18%.

29 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

V.6.2. Cobertura enlace ascendente DVB-RCT y DVB-RCT2 para diferentes modos de transmisión Para el análisis de cobertura de transmisión en enlace ascendente (UL), el transmisor debería estar en el sitio del usuario y el receptor en la torre de TV, pero como el enlace es simétrico a modo de ejemplo se ha ubicado el transmisor del usuario en la torre de TV del cerro La Mira, utilizando los datos de balance de enlace para UL, mientras que para los receptores se asume que están dispersos en el mapa. La figura 9, muestra la cobertura obtenida, donde se pudo observar que para los MODCODs QPSK ½, QPSK ¾, 16-QAM ½, dicha cobertura es prácticamente la misma, e igual cosa sucede con 16-QAM ¾ y 64-QAM ½. En donde si existe diferencia es en los MODCODs 256-QAM ½, 64-QAM ¾ y 256-QAM ¾. Esto debido a que las CNR de estos MODCODs se encuentran en rangos iguales y diferentes respectivamente.

Fig.9. Cobertura transmisor usuario ubicado en el Cerro La Mira, para diferentes MODCODs DVBRCT2

V.7. Análisis de interferencia Para conocer las zonas de interferencia, al igual que en el análisis de cobertura se tomó en cuenta los umbrales mínimos de la relación portadora a ruido (CNR), así como la intensidad de campo eléctrico (Emin), los mismos que deben superar los umbrales mínimos, pero además se tomó en cuenta si las señales que alcanzan un punto dado son constructivas o destructivas, y esto depende de si llegan o no dentro del intervalo de guarda establecido. Específicamente para el análisis de interferencias ICS Telecom proporciona en cada punto la relación portadora a ruido más interferencia (C/N+I), que no es más que las diferencias de potencia entre la señal útil y la suma ponderada de las señales interferentes.

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 30

Es importante mencionar que existen dos tipos de interferencias, las de enlace descendente que son originadas por una torre de TV hacia usuarios que están asociados a otro sitio de transmisión principal, y las de enlace ascendente que son originadas por los equipos de usuario hacia una torre de TV a la que no están asociados, dicha interferencia se percibe en el sitio de transmisión principal. En la figura 10, se presentan los tipos de interferencias existentes, tomando como ejemplo el estándar DVB-RCT. Señal útil Se

úti l

L

L

I)D

I)U

+ /N (C

Tx/Rx DVB-RCT2

/N+ (C

DL

UL

en

Tx/Rx DVB-RCT2

en

ia nc

ia nc

ere erf Int

ere erf Int

ña l

Se l ña

Señal útil

il út

Tx/Rx DVB-RCT2

Tx/Rx DVB-RCT2

Fig.10. Interferencias en enlace descendente y ascendente

Cabe destacar que al tratarse de una simulación, en los ejercicios de diseño y planificación de cobertura e interferencias pueden existir diferencias entre la cobertura prevista y la real, debido por ejemplo a errores estadísticos intrínsecos del modelo teórico de propagación utilizado, a inexactitudes en los patrones de radiación de las antenas, y demás parámetros de las antenas de transmisión, así como del modelo digital de terreno utilizado.

V.7.1. Cobertura e interferencias en enlace descendente DVB-T y DVB-T2 en SFN

Fig.11. Cobertura e Interferencias de los transmisores principales usando DVB-T2, utilizando 64-QAM ¾

31 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

En la figura anterior se puede ver que el transmisor ubicado en el cerro La Mira (1), interfiere mediante una señal destructiva con los transmisores ubicados en los cerros Cacha (2) y Alausí (3) con una intensidad de campo de 4 y 27 dBµV/m respectivamente. Además se ve interferencia del transmisor 2 hacia el transmisor 1 también con una intensidad de campo de 4 dBµV/m; lo que era de esperarse ya que los transmisores siempre actúan de manera interferente por el hecho de transmitir diferente contenido a distintos usuarios. Se ve además que los puntos de recepción son cubiertos por los transmisores 1, 2 y 3 con una intensidad mínima de campo de 136, 114 y 109 dBVµ/m, siendo el valor mínimo requerido de 57 dBVµ/m. Y que la diferencia de potencias entre la señal útil y la suma ponderada de las señales interferentes C/N+I es de 113, 91 y 86 dB respectivamente.

V.7.2. Interferencias enlace ascendente para tecnologías con canal de retorno Se analizó si los equipos de usuario configurados con una potencia de emisión de 1W, y que se encuentren dentro del área de cobertura de un sitio de transmisión principal, generan o no interferencias con otros equipos de usuario, para lo cual se examinó si la diferencia de potencias entre la señal útil y la suma ponderada de las señales interferentes (C/N+I) de cada uno de ellos, es mayor que la relación señal a ruido (CNR) para un MODCOD específico. A modo de ejemplo se evaluará la interferencia hacia la torre de TV ubicada en el cerro La Mira, utilizando la tecnología DVB-RCT2 y tomando en consideración un MODCOD robusto como QPSK ½. Si el terminal de usuario (RCTT), no genera interferencia se lo pintará de color verde y en el caso contrario se lo representará de color rojo. En la tabla 18, se resumen los parámetros obtenidos mediante la herramienta ICS Telecom para 7 equipos de usuario (RCTT), ubicados en el área de cobertura de las estaciones principales correspondientes a los cerros La Mira y Cacha. En donde se puede ver que los RCTTs 2,3 y 7 generan interferencias en canal ascendente a la torre de TV ubicada en el Cerro La Mira, mientras que los equipos de usuario 1,4,5 y 6 no lo hacen ya que su valor de C/N+I (dB), supera al valor de CNR del MODCOD elegido . En la figura 12, se representa la situación propuesta. Equipos de usuario RCTT1 RCTT2 RCTT3 RCTT4 RCTT5 RCTT6 RCTT7

Interferencia causada al Cerro La Mira C/N+I (dB) CNR QPSK ½ Observación 12,35 No interferente -23 Interferente -1,60 Interferente 30,20 2,67 No interferente 8,08 No interferente 7,67 No interferente -2,36 Interferente

Tabla 18.Valores de C/N+I para analizar interferencias de RCTTs

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 32

Fig.12. Interferencias en canal ascendente causadas por distintos RCTTs hacia la torre de TV “La Mira”

33 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

Conclusiones y Trabajos Futuros VI.1. Conclusiones  Los sistemas de TDT ofrecen gran porcentaje de penetración y costos de despliegue más baratos, debido a la reutilización de infraestructura existente de la TV analógica y/o digital. Siendo además una interesante alternativa para brindar acceso a Internet, puesto que una vez que se tiene desplegada la infraestructura de TDT para recepción fija, se podrá reutilizar esta para proporcionar servicios de conectividad a Internet a zonas rurales.  DVB-RCT2 ofrecerá un canal de retorno inalámbrico para la TDT, estará basado en DVBT2 y adoptará características de DVB-RCT que harán de este un sistema flexible y robusto. De DVB-T2 utilizará el esquema de modulación 256-QAM lo que mejorará la capacidad de transmisión; usará los tamaños extendidos de FFT 16K y 32K con lo que se podrá ampliar la separación de los transmisores y por ende la cobertura; propondrá el manejo del mecanismo PAPR de Tonos Reservados que es compatible con la técnica de constelaciones rotadas con lo cual se aumentará la robustez de la señal, aunque en enlace ascendente no presenta el mismo rendimiento que en el enlace descendente puesto que no se utilizan todas las portadoras. Se usarán también las tramas FEF para brindar servicios adicionales, y se tendrá la capacidad de ofrecer hasta 4 canales de televisión en alta definición (HD) en un mismo multiplex. Con respecto a DVB-RCT adoptará su arquitectura, pero a diferencia de este, una nueva funcionalidad de DVB-RCT2 es que podría funcionar en el mismo canal que en el enlace descendente, pero perdiendo algo de capacidad. Por lo que mencionado anteriormente con DVB-T2 se pueden conseguir prestaciones muy superiores al estándar DVB-RCT.  Para el envío de las peticiones de usuario hacia la estación base (enlace ascendente), DVBRCT2 utilizará un canal de retorno, adaptando la arquitectura de DVB-RCT a RCT2, mientras que para el caso contrario (enlace descendente) se usará un canal de difusión basado en la arquitectura T2, lo que permitirá que DVB-RCT2 tenga áreas de cobertura similares a las obtenidas mediante DVB-T2, asumiendo recepción con antena fija ubicada en el tejado del usuario y teniendo servicios de interacción bajos.  Las características anteriormente mencionadas permiten que DVB-RCT2 presente mejoras con respecto a DVB-RCT en lo referente a capacidad, mismas que se midieron mediante la comparación de la cantidad de Mbps que pueden ser transmitidos por cada tecnología, es así que al estar DVB-RCT2 basado en DVB-T2, se tienen capacidades de transmisión

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 34

superiores a los otros estándares de TDT llegando a tener hasta 37,88 Mbps comparado con los 19,21 Mbps obtenidos por DVB-RCT.  En lo referente a las mejoras en cuanto a relación portadora a ruido (CNR), se buscó siempre el menor valor para un mismo MODCOD, pudiendo observar que T2/RCT2 presentan la CNR más baja de todas las tecnologías estudiadas en esta tesina de máster, por ejemplo para un MODCOD robusto como QPSK ½, DVB-RCT2 presenta una CNR de sólo 2,67 mientras que RCT tiene un valor de 4,6.  Las mejoras en cuanto a cobertura, se obtuvieron mediante el análisis de las huellas generadas por cada tecnología, es así que se puede notar claramente en la gráficas conseguidas para esta tesina de máster que la cobertura de las tecnologías T2/RCT2, es superior a las de las tecnologías ISDB-Tb y DVB-RCT, esto en parte debido a que un valor de CNR reducido permite aumentar la cobertura.  Para los ejercicios de cobertura e interferencia se ha considerado como escenario rural, el ubicado en la provincia de Chimborazo en donde se utilizaron como estaciones base de radiodifusión de TV las torres ubicadas en los cerros La Mira, Cacha y Alausí en donde actualmente se encuentran trasmisores de TV analógica. Para obtener propiamente las zonas de cobertura e interferencia se tomaron en cuenta los umbrales de CNR así como los valores de intensidad de campo previamente calculados, mismos que fueron cargados en el software ICS Telecom, con el cual se obtuvieron las coberturas del estándar de TV analógica y de la tecnología de TDT utilizada en Ecuador (ISDB-Tb), además de la cobertura e interferencias en enlace descendente de DVB-T y DVB-T2 en SFN, y la cobertura e interferencias en enlace ascendente de DVB-RCT y DVB-RCT2, en donde se estudió de una forma específica el comportamiento del estándar DVB-RCT2 tanto en canal de difusión como en canal de retorno, obteniendo resultados prometedores como se mencionó anteriormente en lo concerniente a mejoras en capacidad, CNR y cobertura.

VI.2. Trabajos Futuros  Ampliar el estudio de cobertura e interferencia de esta tesina de máster para las demás zonas rurales ubicadas en las diferentes provincias de la República del Ecuador.  Realización del trabajo de investigación previo a la obtención del título de Doctor en Telecomunicación, en donde el objetivo es mejorar el desarrollo y ampliar la validación del nuevo estándar DVB-RCT2.

35 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales

 Analizar posibles tecnologías sustitutivas a las redes de TDT como redes celulares de cuarta generación para brindar servicios de Internet en zonas rurales donde sólo llega la señal de televisión.  Construcción de un prototipo del receptor/transmisor DVB-RCT2, con el objetivo de realizar un piloto de prueba para validar la solución propuesta en Colombia, país en el cual se están desarrollando proyectos en base al estándar DVB-T2.

Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales 36

BIBLIOGRAFÍA [1]

Royal Pingdom. (2013). Internet 2012 in numbers. Consultado el 04 de Marzo de 2013, en http://royal.pingdom.com/2013/01/16/internet-2012-in-numbers/

[2]

Miniwatts Marketing Group. (2012). Internet Worlds Stats Usage and Population Statistics. Consultado el 04 de Marzo de 2013, en http://www.internetworldstats.com/stats.htm.

[3]

UNESCO, Conferencia General 36ª reunión, 36C/54, “Reflexión y Análisis sobre Internet”, Julio 2011.

[4]

ITU, “Informe sobre el Desarrollo Mundial de las Telecomunicaciones/TIC de 2010: Verificación de los objetivos de la CMSI, Examen Intermedio, Resumen Ejecutivo”, Suiza, 2010.

[5]

Paul O. Rojas Vargas, “La Televisión Digital Terrestre y su incidencia en las televisivas ecuatorianas”. Advicom Cia. Ltda., Marzo 2012.

[6]

Alexandre Kholod, John Lewis. “El dividendo digital: oportunidades y retos” [en línea]. Actualidades de la UIT. Enero-Febrero 2010. [Consultado el 11/03/2013].

[7]

Consejo Nacional de Telecomunicaciones, “Resolución RTV-38-02-CONATEL-2012”, 25 de Enero 2012.

[8]

CONARTEL “Norma Técnica para el Servicio de Televisión Analógica y Plan de Distribución de Canales” (Resolución No.1779-CONARTEL-01), Suplemento del Registro Oficial 335, 29V-2001.

[9]

Diego Cruz H., Gonzalo Olmedo C., Rubén León V, “Análisis de disponibilidad de espectro radioeléctrico para la transición de Televisión Analógica a Televisión Digital Terrestre en el Ecuador”. Escuela Superior Politécnica del Ejército. 2011.

[10]

Area 25 IT Desarrollo web & Hosting. Consultado el 13 de Marzo de 2013, en http://www.conexioninternetviasatelite.com/

[11]

José Luis Peñarredonda. “Las 13 cosas que usted tiene que saber sobre 4G” [en línea]. ENTER.CO. 2 de Noviembre 2012. . [Consultado el 13/03/2013].

[12]

About.com Consultado el 13 de Marzo de http://windowsespanol.about.com/od/RedesYDispositivos/a/Internet-Movil.htm

[13]

José Miguel Ruiz Padilla “802.16 vs. WiMAX”. [en línea]. Tendencias. Nº 156. Abril-Mayo 2006. [Consultado el 13/03/2013].

[14]

DVB, “DVB Fact Sheet Digital Terrestrial Television DVB-T”, DVB Project Office, Agosto 2012.

[15]

André Carlos Guedes de Carvalho Reis, Paulo Roberto de Lira Gondim, “Performance Evaluation of the DVB-RCT Standard for Interactive Services”. IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 57, no. 4, December 2011.

[16]

D. Gómez-Barquero, J. López-Sánchez, N. Cardona, Eladio Gutiérrez M., “Funcionalidades avanzadas de DVB-T2 para el diseño de redes de televisión digital terrestre en latinoamérica”. iTEAM.

[17]

DVB, “DVB Fact Sheet 2nd Generation Terrestrial DVB-T2”, DVB Project Office, Enero 2013.

estaciones

2013,

en

37 Diseño y validación de un canal de retorno para la TDT de segunda generación DVB-T2 enfocado a proporcionar servicios de conectividad a Internet en zonas rurales [18]

DVB Project Office. DVB-T.Digital Terrestrial Television, Agosto 2012.

[19]

DVB Project, ETSI: “Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation Guidelines for DVB Terrestrial Services; Transmission Aspects”, TR 101 190 v1.1.1. Diciembre 1997.

[20]

Manuel Fuentes Muela “Evaluación de prestaciones (rendimiento e interferencias) del estándar de Televisión Digital Terrestre ISDB-Tb, mediante simulaciones y mediciones”. Universidad Politécnica de Valencia. Marzo 2013. pp 86,88.

[21]

DVB Project, ETSI: “Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction Channel for Digital Terrestrial Television (RCT) incorporating Multiple Access OFDM”, EN 301 958 DVB-RCT standard v1.1.1, Marzo 2002.

[22]

DVB, “DVB Fact Sheet 2nd Generation Terrestrial DVB-T2”, DVB Project Office, Enero 2013.

[23]

Francisco Fraile Gil, David Gómez Barquero, “On the Capability of DVB-RCT to provide Interactive Services”, Department of Technology, University of Gävle, Suecia, Marzo 2004, pp 83-84.

[24]

D. Gómez-Barquero, J. López-Sánchez, N. Cardona, Eladio Gutiérrez M., “Funcionalidades avanzadas de DVB-T2 para el diseño de redes de televisión digital terrestre en latinoamérica”. iTEAM.

[25]

European Broadcasting Union. EBU-TECH 3348. “Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2”. Ginebra. Mayo 2012.

[26]

Gerardo Martinez Pinzón, “Primera fase de optimización de la red de televisión digital terrestre en Colombia con el nuevo estándar DVB-T2”. Universidad Politécnica de Valencia. Abril 2013. pp 15-20.

[27]

DVB Project, ETSI: “Digital Video Broadcasting (DVB); Implementation guidelines for a second generation digital terrestrial television broadcasting system (DVB-T2)”, ETSI TS 102 831 v1.2.1. Agosto 2012.

[28]

Norma Brasileña (traducción al español) “Televisión Digital Terrestre – Sistema de transmisión ISDB-Tb”, ABNT NBR15601. Primera edición. Diciembre 2007.

[29]

ITU RCC06. "Final Acts of the Regional Radiocommunication Conference for planning of the digital terrestrial broadcasting service in parts of Regions 1 and 3, in the frequency bands 174230 MHz and 470-862 MHz (RRC-06)".

[30]

Norma Brasileña “Televisión Digital Terrestre – Guía de operación Parte1: Sistema de transmisión – Guía para implementación de ABNT NBR 15601:2007. Primera edición. Agosto 2008.

[31]

Ivonne Vásquez Aumala, “Propuesta de reordenamiento de canales de televisión abierta a nivel nacional, conforme la nueva norma técnica de televisión analógica”. Escuela Politécnica Nacional. Septiembre 2007. pp 87, 216, 226.