Abstract— The TV evolution and the need of better quality and new services for the users have accelerated the migration from analogue to digital TV, forcing a renovation process in all fields of this communication system. Most of the DVB-T networks deployed in the world have been designed for fixed rooftop reception. The countries where it has not yet deployed the DTT network can introduce technological advances to planning DVB-T network for fixed and mobile reception and use the MPEG-4 video compression to provide high definition TV. This paper describes the technical solutions proposed in order to provide mobile DVB-T services to public transportation systems: antenna diversity, hierarchical modulation, and Application Layer Forward Error Correction (AL-FEC). These solutions compensate the negative effects caused by the mobility of the receivers, such as fading in the signal due to Doppler shift and the poor coverage at ground level. Furthermore, this paper describes the methodology carried out to evaluate the improvements in mobile reception of the DVB-T network in Colombia by using these techniques.

Keywords— Antenna diversity, Application Layer Forward

Error Correction (AL-FEC), dynamic simulations, hierarchical modulation, mobile DVB-T.

I. INTRODUCCIÓN

N LOS ÚLTIMOS años, la televisión digital se ha convertido en un fenómeno de gran relevancia para el

desarrollo de la sociedad de la información. Existen básicamente cuatro estándares para la transmisión de Televisión Digital Terrestre: ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting) adoptado en Japón y con algunas modificaciones en Brasil, Perú, Argentina entre otros países latinoamericanos; DMB-T (Digital Multimedia Broadcasting) adoptado por China, ATSC (Advanced Television System Committee) adoptado en Estados Unidos, Corea del sur, Canadá, México y otros países del Caribe; y el estándar europeo DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), que conforma la comunidad digital audiovisual más grande del mundo al ser adoptado en más de 120 países de los cinco continentes.

J. López-Sánchez, C. García Acero y D. Gómez-Barquero son

investigadores del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia iTEAM de la Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46022, Valencia-España. Teléfono 963 879 585, Fax: 963 879 583 (Correos e.: jailosan@iteam.upv.es, cargarac@iteam.upv.es, dagobar@iteam.upv.es).

N. Cardona es docente de la Escuela Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Valencia y Subdirector del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia iTEAM, (correo e: ncardona@dcom.upv.es)

El fenómeno de la transición a la TDT (Televisión Digital Terrestre) en Latinoamérica está siendo particular, ya que la adopción del estándar se está desarrollando de manera totalmente heterogénea, haciendo que pueda haber diferencias notables e incompatibilidades. A día de hoy, menos del 20% de la población de Latinoamérica queda pendiente de decidir el estándar de TDT, el resto ya adoptaron una norma. La decisión de Uruguay en el 2007, seguida por Colombia en agosto de 2008 y Panamá en mayo 2009, de adoptar DVB-T como el estándar nacional de Televisión Digital Terrestre, abre grandes oportunidades de negocios y cooperación científica con la Unión Europea y demás países que han adoptado el mismo estándar. A su vez, asegura la integración de estos países latinoamericanos en una economía de escala que garantiza la disponibilidad de equipos a bajo coste y ventajas en términos de inversión, empleo, exportación y cooperación internacional.

Colombia, al igual que Francia, Polonia, Noruega y otros países europeos, utilizará el sistema de compresión de video H.264/MPEG-4 AVC, que permite aumentar la capacidad de trasmisión aproximadamente 1.5 veces con relación a los estándares antecesores [1]. De esta forma, es posible transmitir en el mismo canal un programa con calidad de alta definición (HDTV), informaciones de interactividad y programas adicionales con calidad de definición estándar (SDTV).

El futuro de la televisión digital es la transmisión de video en alta definición y la prestación de servicios y contenidos multimedia a equipos portables y móviles. El estándar DVB-T fue originalmente diseñado para recepción fija, con un muy corto tiempo de entrelazado (pocos milisegundos) en la capa física, convirtiéndolo en un estándar muy vulnerable al fast fading, al shadowing y al efecto Doppler característico de un canal móvil. Sin embargo, algunos de los modos más robusto de transmisión de DVB-T, como QPSK o 16QAM, 2K sub-portadoras, largos intervalos de guarda y fuerte codificación para protección frente a errores (1/2, 2/3), permiten servicios de recepción móvil a velocidades cercanas a los 200 km/h [2].

El estándar europeo para la transmisión de televisión digital a terminales móviles es DVB-H (Digital Video Broadcasting –Handheld Terminals). DVB-H reutiliza la capa física de DVB-T e introduce una serie de mejoras en la capa de enlace con el fin de adaptar la transmisión a las características propias del canal móvil. Aunque DVB-H mantiene la compatibilidad con DVB-T, transmite toda la información sobre paquetes IP, requiere de un canal radioeléctrico específico y el despliegue de una nueva red con mayor número de transmisores, aumentado los costes de implementación.

J. López-Sánchez, C. García Acero, David Gómez-Barquero and N. Cardona

Planning a Mobile DVB-T Network for Colombia

E

444 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO. 4, AUG. 2010

La mayoría de redes DVB-T en el mundo han sido implementadas en modos de transmisión de baja robustez (16QAM o 64QAM) para lograr una alta capacidad de transmisión, orientadas a recepción fija con antenas directivas en los tejados de los edificios. Las características de propagación en entornos móviles son mucho más severas debido a la falta de visión directa, la propagación multicamino, menor tamaño y ganancia de antenas receptoras.

En países que aun no han desplegado la red de TDT, como es el caso de Colombia, planificar una única red que contemple desde el inicio la provisión de servicios móviles, puede proporcionar grandes beneficios económicos y tecnológicos. Se reduce la infraestructura necesaria, se minimiza el coste de despliegue y se evita la implementación de una red dedicada y el uso de canales radioeléctricos para este tipo de servicios móviles como puede ser DVB-H.

En los últimos años han surgido una serie de avances en las técnicas de transmisión y recepción que permiten planificar una red DVB-T no solo para recepción fija sino también portable y móvil (especialmente en vehículos). Las soluciones técnicas investigadas son: diversidad de antenas en recepción, modulación jerárquica, codificación de video escalable (SVC por sus siglas en ingles) y algoritmos de protección frente a errores en capas de aplicación (AL-FEC por sus siglas en ingles).

El resto del artículo se organiza de la siguiente manera: la planificación y estimación de cobertura de la red DVB-T para Colombia se describe en la sección II. Las soluciones técnicas para mejorar la recepción TDT móvil son detalladas en la sección III. Las simulaciones dinámicas para evaluar el rendimiento de recepción DVB-T móvil en vehículos, son descritas en la sección IV. En la sección V, se discuten los resultados de cobertura obtenidos para la red TDT en recepción fija con antena en tejados y móvil en autobuses de servicio público en la ciudad de Cali-Colombia, Finalmente, en la sección VI se establecen las principales conclusiones de esta investigación.

II. PLANIFICACIÓN DE LA RED DVB-T EN COLOMBIA

En general, el objetivo de planificar una red de radiodifusión digital terrestre es proveer suficiente calidad de señal en toda el área de servicio con el mínimo coste, mientras se mantiene el nivel de interferencia por debajo de un umbral específico. Sin embargo, la planificación de una red de TV digital móvil requiere un enfoque diferente comparado con el utilizado para planificar una red para recepción fija. Debido a que en redes de TV móvil, la calidad del servicio experimentada por el usuario depende de la posición y velocidad instantánea y de la evolución temporal de los errores percibidos por el terminal. La Fig. 1, muestra el procedimiento general utilizado para la planificación de la nueva red DVB-T en Colombia. Esta planificación es una tarea multidimensional que requiere diversos parámetros técnicos de entrada como son: información acerca del escenario de despliegue, posición exacta de los posibles transmisores, altura y tipo de antenas, potencia de transmisión, frecuencia de operación, modo de transmisión DVB-T, tipos de recepción y criterios tales como

velocidad y posición del móvil, modelos de rendimiento del estándar DVB-T, tasas de datos, tasas de protección, mínima C/N requerida entre otros. A partir de esta información es posible estimar el nivel de cobertura ofrecido por cada configuración e identificar el modo de transmisión y topología de red que mejores prestaciones ofrece en condiciones típicas andinas como es el caso de Colombia. Adicionalmente, estos ejercicios de planificación permiten obtener información acerca del coste de utilización de los transmisores, repetidores y gap-fillers, y optimizar la arquitectura de red a través de algoritmos como Simulated Annealing o algoritmos genéticos [3]. La planificación de la red TDT en Colombia incluye las siguientes etapas:

A. Escenario de Despliegue.

Para el ejercicio de planificación de la red DVB-T de este artículo se ha definido como escenario de despliegue la ciudad de Cali-Colombia, donde se espera dar cobertura a mas de 4.5 millones de potenciales usuarios en recepción tanto fija como móvil. El área del escenario es de 562 km2 aproximadamente. Esta ciudad cuenta con tres estaciones transmisoras de televisión analógica que actualmente utilizan una PIRE total alrededor de 15.4 KW. Las estaciones inicialmente serán reutilizadas para garantizar un despliegue progresivo con el mínimo coste de implementación. Dos estaciones están ubicadas en las cercanías de la ciudad, una en el cerro Cristo Rey (3º 26’ 10.6” N, 76º 33’ 54” W, 1400 msnm) y la otra en el cerro Terrón Colorado (3º 27’ 23” N, 76º 34’ 9.1” W, 1323 msnm). Finalmente la tercera estación a unos 50 Km de la ciudad, ubicada en el cerro la Flora (3º 51’ 55.5” N, 76º 15’ 4.7” W, 1710 msnm).

La información de este escenario de despliegue se obtuvo de mapas de elevación de terreno DTM (Digital Terrain Model), alturas de edificios y tipo de entorno (río, área residencial, parque etc.) a una resolución de 1 y 3 m, aportada por la Universidad ICESI de Cali. Adicionalmente, se han definido 4 de las principales rutas del sistema de transporte público masivo MIO de Cali con una longitud promedio de 23 Km, recorriendo los distintos entornos de la ciudad. En estas

Fig. 1. Proceso general en la planificación de redes DVB-T para recepciónfija, portable y móvil

LÓPEZ-SÁNCHEZ et al.: LATINCON13 - PLANNING 445

rutas se realizaron las distintas simulaciones dinámicas que permiten estimar el nivel de señal DVB-T recibido en autobuses y la calidad de servicio experimentada por los usuarios, como se describe en la sección IV.

B. Modelos de Propagación en Entornos Andinos

En Colombia y demás países de la región Andina los sistemas de comunicaciones son instalados en zonas o sectores de superficies irregulares. Dicha característica debe ser tomada en cuenta en los algoritmos para estimar las pérdidas por propagación (Path Loss). Pocos estudios se han llevado a cabo para un ambiente urbano afectado por terreno ondulado, con amplia presencia de colinas. Sin embargo, algunos modelos propuestos son: modelo de traza de rayos y la aproximación de Kirchhoff-Huygens [4]Erro! Fonte de referência não encontrada., el modelo Xia-Bertoni [5] y el modelo Cost231-Walfisch-Ikegami. Estos dos últimos calibrados y verificados con medidas de campo en entornos andinos [6] [7].

La predicción de las pérdidas de propagación usadas en este ejercicio de planificación está basada en el modelo Xia-Bertoni. Este modelo describe la propagación de la señal en la banda UHF de 300 Mhz a 3 Ghz, englobando el espectro de frecuencia de operación de DVB-T (460 a 862 Mhz). El modelo tiene en cuenta los perfiles de terreno y edificios para estimar las pérdidas de propagación. En cada punto de evaluación, el modelo Xia-Bertoni agrega un valor de difracción que depende de la altura media de los edificios situados entre transmisor y receptor. Comparaciones entre medidas de campo en terrenos andinos y distintos modelos de propagación calibrados, demuestran que las predicciones del modelo Xia-Bertoni obtiene la mejor aproximación [7].

C. Balance de Enlace (Link Budget)

El balance de enlace describe las ganancias y pérdidas que experimenta la señal desde el transmisor hasta cada uno de los puntos de test. La frecuencia de operación considerada en esta planificación es de 770 MHz. La potencia a la entrada del receptor se expresa de la siguiente forma:

(1)

Donde Ptx es la potencia transmitida, Lf es la degradación

adicional del transmisor (debida al cableado etc.), Lp son las pérdidas del enlace radio y Gtx(θtx,φtx) y Grx(θrx,φrx) son la ganancia de las antenas transmisora y receptora en función de la dirección angular.

En recepción fija con antena en tejados, se ha considerado una altura de 1 m por encima de la altura de cada uno de los edificios y una ganancia de antena de 10-12 dBi. Para el caso de recepción móvil en la configuración inicial, los terminales se han modelado mediante una antena omnidireccional y una altura del receptor de 1.5 m altura sobre el nivel del suelo, lo que supone unas pérdidas de entre 12-24 dB dependiendo del tipo de escenario con respecto a la recepción en tejados. La ganancia por diversidad de antenas y su repercusión en el balance del enlace será detallada en la sección III-A. La Tabla 1 muestra los parámetros más relevantes del balance de potencias.

D. Campañas de medidas

En esta investigación, el análisis y validación del estándar DVB-T en entornos de recepción fija y móvil, ha estado basado en medidas de campo y medidas de laboratorio.

Las pruebas de laboratorio tienen como objetivo caracterizar el comportamiento de los distintos modos de transmisión DVB-T. Mediante un modulador profesional se controlan los parámetros de transmisión tales como tipo de modulación, tasa de codificación, intervalo de guarda, tamaño FFT y modulación jerárquica o no jerárquica, así como la potencia radiada. La salida RF del modulador es conectada a un emulador de canal que permite simular el comportamiento en canales como Ricean, Rayleigh, TU6, Pedestrian o Motorway para distintos valores de desplazamiento Doppler. En recepción, a la salida del demodulador es monitorizado el bit TEI (Transport Error Indicator), que indica la correcta recepción de cada paquete MPEG-2 TS (Transport Stream). De esta manera, se obtienen los valores estadísticos de paquetes erróneos en función de la CNR recibida y los distintos modelos y condiciones de canal (efecto Doppler).

Por otra parte, las medidas de campo han permitido calibrar los modelos de pérdidas de propagación, los modelos de rendimiento de la capa física del estándar DVB-T y evaluar el rendimiento de las soluciones técnicas propuestas como recepción con diversidad de antenas y algoritmos AL-FEC. Para el almacenamiento de las medidas en tiempo real se ha utilizado un sistema automatizado que captura el flujo de paquetes de transporte (MPEG-2 TS) a la salida del demodulador y proporciona parámetros de capa física como RSSI (nivel de potencia), CNR, e indicadores de errores como BER (Bit Error Ratio), MER (Modulation Error Ratio) o PER (Packet Error Ratio). El sistema sincroniza todas las medidas con la posición y velocidad proporcionada por un GPS, a la vez que permite post-procesar la información para generar, por ejemplo, mapas de cobertura.

E. Estimación de Cobertura

Con el fin de identificar la configuración de red para entornos andinos más eficiente en términos de coste e infraestructura requerida, es necesario realizar una correcta estimación de cobertura. Para recepción fija, la estimación de cobertura se ha realizado siguiendo las guías de implementación ETSI TR 101 190 para DVB-T [8], donde un punto es considerado cubierto con calidad “aceptable” si la

TABLA I PARÁMETROS DEL BALANCE DE ENLACE.

Parámetro DVB-T fija DVB-T móvil Frecuencia 770 MHz

Ancho de banda 6 MHz Ganancia del receptor 10-12 dB 0 dB

Factor de Ruido 5 dB 6dB Perdidas fast fading 0 7 dB

Desviación del shadowing 2 dB 5.5 dB

Perdidas nivel de suelo 0 12 dB (rural), 18 dB (suburbano), 24 dB (urbano)

Perdidas alimentación 3-5 dB 0 dB

),(),( txtxtxprxptxtxtxftxrx GLPIREGLGLPP ϕθϕθ +−=+−+−=

446 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO. 4, AUG. 2010

probabilidad de cobertura superior al 70%, o con calidad “buena” si es superior al 95%. El cálculo de la probabilidad de cobertura requiere evaluar la relación portadora a interferencia más ruido (CINR) en cada punto del escenario. La CINR en una red SFN se puede calcular según:

(2) Donde, C es la potencia de la señal útil, ISelf es la

interferencia producida por la propia red, IExt son las interferencias externas. PTxi y ti son la potencia recibida y el tiempo de llegada de la señal proveniente del transmisor i de la red, to es el instante de sincronización temporal y PN es la potencia de ruido térmico. Finalmente, la función de peso w, determina en qué medida la señal proveniente del transmisor i contribuye a formar parte de la señal y/o de la interferencia según su tiempo de llegada al receptor [9][9]. El criterio de calidad en recepción fija es la mínima CINR requerida para alcanzar un BER de 2·10-4 después del decodificador de Viterbi [8].

En el caso de servicios DVB-T móviles, correspondiendo a servicios de transmisión continua, el criterio de evaluación ESR5% (Erroneous Second Ratio of 5%) ha demostrado estar altamente relacionado con una buena calidad subjetiva percibida por el usuario. Otro tipo de criterio generalmente utilizado para evaluar el rendimiento DVB-T móvil es el porcentaje de paquetes MPEG-2 erróneos (TS PER) después del proceso de decodificación Reed-Salomon, estableciendo el límite de TSPER=10-5 como valor máximo permitido para una recepción cuasi libre de errores (QEF).

III. SOLUCIONES TÉCNICAS PARA DVB-T MÓVIL

Los factores más importantes que afectan al rendimiento de un sistema DVB-T en entornos de movilidad son el efecto Doppler, el fast fading y el shadowing. Técnicas como la modulación jerárquica, la diversidad de antenas en recepción, la codificación de video escalable y mecanismos de corrección de errores (AL-FEC) pueden ser usadas para compensar esta degradación.

A. Diversidad de antenas en recepción.

Básicamente, la diversidad implementada en un receptor corresponde con la recepción de la señal utilizando varias antenas con diferentes características, generalmente espaciales. De esta manera, la probabilidad de que todas las señales recibidas estén por debajo del nivel de señal mínima requerida en el mismo instante de tiempo es mínima. La implementación de varias antenas en teléfonos móviles no es un caso práctico debido a sus cortas dimensiones, pero sí lo es en vehículos o autobuses de transporte público donde se cuenta con el espacio suficiente para la separación de las antenas receptoras. La utilización de diversidad de antenas en recepción permite reducir la CNR mínima y producir una mejora en la calidad de la señal recibida. El nivel de mejora dependerá de las condiciones de propagación, la técnica de combinación de señales y el número de antenas. Para

recepción fija típicamente se consiguen ganancias de unos 3 dB en el nivel de CNR mínima requerida, mientras que en recepción móvil se consiguen unas mejoras entre 6.5-8.5 dB [10].

La diversidad de antenas no solo reduce la CNR mínima necesaria, sino que a su vez la mantiene constante para incrementos del Doppler hasta el máximo permitido. La Fig. 2 representa la CNR mínima en función del Doppler para un modo de transmisión concreto (8K, 16-QAM, CR 2/3, IG 1/4), comparando el comportamiento en recepción con una sola antena y la utilización de diversidad con dos antenas. Como se observa en este esquema, se puede conseguir una ganancia de unos 8 dB en la CNR mínima, mientras que el Doppler máximo se ha duplicado, incrementando la velocidad máxima del terminal al doble.

B. Modulación Jerárquica

La modulación jerárquica es un modo de transmisión contemplado en el estándar DVB-T que consiste en separar la ráfaga de datos MPEG en dos flujos, cada uno con una modulación y tasa de codificación diferentes. El flujo denominado de alta prioridad (High Priority HP) es modulado en QPSK y define el cuadrante de la constelación. El otro flujo, conocido como de baja prioridad (Low Priority LP) determina la posición exacta dentro del cuadrante, conformando una constelación 16QAM o 64QAM.

Son tres los parámetros necesarios para definir un esquema de modulación jerárquica en DVB-T: α, y los code rate de los flujos HP y LP. El factor (α) se define como la relación entre la distancia entre dos símbolos adyacentes de distinto cuadrante y la distancia entre símbolos adyacentes del mismo cuadrante, y puede tomar los valores de 1, 2 ó 4.

Cuando un receptor decodifica el flujo HP, la desviación dada al símbolo por el flujo LP es visto como un ruido adicional dentro del cuadrante de la constelación. Por tanto, el flujo HP sufre una degradación en términos de CNR mínima requerida con respecto a una modulación QPSK convencional. Esta penalización puede ser de hasta 6.8 dB dependiendo de la configuración, como se indica en la Tabla 2. Hay dos maneras de compensar o reducir esta penalización: la primera, es aumentar la robustez del flujo HP protegiéndolo con un code rate mayor, proporcionándole así mayor protección contra errores a costa de una reducción en la capacidad de transmisión del flujo. La segunda, es incrementar el factor α.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 14014010

15

20

25

30

35

40

Doppler (Hz)

CN

R m

ínim

a (d

B)

Sin diversidad

Con diversidad

CNR mínima @ 10 Hz + 3 dB

8 dB

Fig. 2. CNR mínima Vs Doppler en canal TU6 con y sin diversidad para el modo de transmisión 16-QAM FFT 8K CR 2/3 GI 1/4.

[ ]

++−−

−=

++=

iNextoiTx

ioiTx

Nextself PIttWP

ttWP

PII

CCINR

i

i

)(1.

)(.

LÓPEZ-SÁNCHEZ et al.: LATINCON13 - PLANNING 447

Aumentando el valor de α se incrementa la robustez del flujo de alta prioridad (HP), siempre a costa de la robustez del flujo de baja prioridad (LP).

Una de las aplicaciones de la modulación jerárquica es aprovechar la ganancia de CNR del flujo HP para brindar servicios de movilidad. El contenido del flujo HP puede dar servicio a equipos móviles, mientras que el flujo LP podría simultáneamente proveer servicio a receptores fijos en la zona más próxima al transmisor.

Recientes avances en las técnicas de codificación de video escalable (SVC) abre la posibilidad de plantear nuevas arquitecturas para la transmisión de TDT móvil. Se propone la utilización de SVC para codificar una capa base de la señal de video fuente y transmitirla en el flujo HP. Gracias a la robustez del flujo HP, receptores tanto fijos como portables y móviles, recibirán una primera versión del video en baja calidad en una mayor área de cobertura comparara con el flujo LP o la modulación no jerárquica. Por su parte, las capas de mejora serán transmitidas utilizando el flujo LP. La cobertura del flujo LP corresponde prácticamente con el área cubierta por la modulación no jerárquica.

C. AL-FEC

Los mecanismos de corrección de errores FEC (Forward Error Correction) se basan en la transmisión de información de paridad adicional redundante, la cual permite reconstruir la información original a pesar de que se produzcan cierta cantidad de errores en la transmisión. En DVB-T el contenido de audio y video, es encapsulado en paquetes PES (Packetizad Elementary Stream) y multiplexado en el MPEG-2 TS (Transport Stream) junto con información de señalización para ser transmitidos.

AL-FEC es un mecanismo de protección incorporado en la capa de aplicación, que protege los paquetes PES procesándolos para generar un ES (Elementary Stream) adicional con la protección FEC, y luego ser transmitidos por la red DVB-T junto con los paquetes de vídeo y audio originales. En recepción, un receptor que no implementa mecanismos de corrección FEC (legacy receiver), recibirá los MPEG-2 ES con la información de audio y vídeo e ignorará los paquetes de protección FEC. Por su parte, un receptor que implemente la protección adicional FEC hará uso de los ES FEC para reconstruir el audio y vídeo originales que hayan podido perderse durante la transmisión [11].

La protección ofrecida por AL-FEC en DVB-T depende de dos parámetros: el periodo de protección y la tasa de

codificación. El periodo de protección es la duración del audio y video de los paquetes PES que se desean codificar en forma conjunta. La tasa de codificación o FEC overhead es la relación de la cantidad de datos fuente con respecto al total de la cantidad de datos transmitidos, teniendo en cuenta, tanto la información original como la información de paridad.

Altos periodos de protección se benefician de la diversidad espacial y temporal derivada de la movilidad del receptor para incrementar la cantidad de información recuperada o disminuir la CNR requerida para una correcta recepción. Altos valores de FEC overhead aumenta el rendimiento de largos periodos de protección [11]. Sin embargo, la utilización de altas tasas de codificación implica una reducción en la tasa de transmisión de información útil.

El periodo de protección no sólo influye en la cantidad de paquetes recuperados, sino que también determina el tiempo de latencia de la red y el tiempo de zapping del canal. La latencia de la red se puede definir como el tiempo que pasa desde que la información entra al transmisor hasta que es entregada al decodificador del receptor. El tiempo de zapping es el tiempo transcurrido entre que el usuario cambia de canal hasta que el nuevo contenido es visualizado en pantalla. Aunque el tiempo de latencia no suele ser crítico en la mayoría de servicios, el tiempo de zapping es un criterio crucial a la hora de evaluar la calidad de la red de TV móvil y debe estar siempre por debajo de cierto valor. AL-FEC puede operar con periodos de protección por encima de los 10 segundos, sin embargo, este valor es generalmente limitado por el tiempo de zapping y la capacidad de memoria y procesamiento del receptor. Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la cantidad de protección, la tasa de transmisión disponible y el tiempo de zapping a la hora de elegir la longitud del periodo de protección y el FEC overhead.

Para la recepción en autobuses o sistemas de transporte público, el periodo de protección puede ser ajustado a periodos mucho más largos que los permitidos para terminales de mano, teniendo en cuenta que los cambios de canal de TV son poco probables. Las características de almacenamiento, no son tampoco un problema para recepción en vehículos, pues es posible implementar mayor capacidad de memoria que en un receptor de mano.

IV. SIMULACIONES DINÁMICAS PARA DVB-T

A diferencia de los estudios estadísticos para redes analógicas y digitales de televisión en recepción fija, el estudio de redes de DVB-T para recepción en movimiento, requiere de análisis dinámicos al igual que las redes celulares de telefonía móvil. Las simulaciones dinámicas permiten, dado el escenario de despliegue de una red DVB-T, evaluar la calidad de servicio ofrecida a los usuarios en movimiento en función de los parámetros de transmisión, la posición y la velocidad instantánea. El simulador dinámico es una herramienta que integra cuatro bloques principales, calibrados y validados a partir de medidas de campo y laboratorio: bloque de movilidad, bloque de propagación, modelo de rendimiento de capa física DVB-T y el bloque de capa de enlace y aplicación [12], como se muestra en la Fig. 3.

TABLA II CNR REQUERIDA PARA QPSK JERÁRQUICA Y NO JERÁRQUICA EN

CANAL RAYLEIGH.

Modulación

CNR requerida para BER= 2·10-4 después de codificación Reed-Solomon (dB)

Code rate

No jerárquica

Modulación jerárquica QPSK en

16QAM α =2

16QAM α =4

64QAM α =1

64QAM α =2

QPSK

1/2 5.4 6.9 6.0 11.4 8.7

2/3 8.4 9.8 8.6 14.8 11.7

3/4 10.7 11.8 10.7 17.5 14.5

448 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO. 4, AUG. 2010

El bloque de movilidad define los patrones de movimiento y calcula la velocidad instantánea de los usuarios dentro del área de servicio, en función de los semáforos, el factor de congestión del tráfico, la proximidad a otros vehículos u obstáculos. El modelo de movilidad implementado en el simulador dinámico está basado en el modelo SUMO (Simulation of Urban Mobility) [13].

El bloque de propagación calcula la relación señal a interferencia más ruido (CINR) media que experimenta el receptor en cada uno de los puntos del recorrido. Esta estimación se hace mediante el cálculo de las pérdidas de propagación en el trayecto del transmisor hacia el móvil teniendo en cuenta el perfil del terreno, la presencia de obstáculos tales como edificios, árboles o montañas, que se obtiene a partir de mapas cartográficos de la zona.

El modelo de rendimiento de capa física está basado en procesos de Markov de cuatro estados [14]. Este modelo parametriza cada modo de transmisión DVB-T, aproximando las longitudes de las secuencias de paquetes recibidos correcta e incorrectamente en función de los valores de CNR y velocidad del móvil.

Finalmente, el bloque de capa de enlace y aplicación, emula el protocolo de decodificación de los paquetes TS recibidos. Adicionalmente, permite identificar la información de paridad y ejecutar los algoritmos de corrección de errores AL-FEC para recuperar los paquetes erróneos [15]. En este bloque se estiman también parámetros de calidad de recepción de la señal DVB-T móvil, como son el ESR 5% y TS PER, para identificar los puntos con o sin cobertura de la ruta evaluada.

V. RESULTADOS Y DISCUSIONES.

Una de las grandes ventajas del estándar DVB es la posibilidad de crear redes SFN (Single Frequency Network), donde varios transmisores y repetidores sincronizados emiten la misma señal a la misma frecuencia. El principal motivo por el cual resulta interesante la implementación de redes SFN es una mayor eficiencia en la utilización de recursos radio consiguiendo aprovechar mejor el espectro. Reutilizando la infraestructura de los tres transmisores analógicos actualmente

desplegados en Cali-Colombia, se han realizado estimaciones comparativas de cobertura y rendimiento para una red SFN en recepción fija y móvil. Los modos de transmisión DVB-T evaluados son: QPSK CR 1/2, 16QAM CR 1/2 y 64QAM CR 2/3, todos con GI 1/4, en un rango de PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) en transmisión entre 0.1 W y 250 KW.

A. Estimación de cobertura DVB-T para Recepción Fija.

Los niveles de PIRE requeridos para cada transmisor en función del porcentaje total de cobertura deseado para una red SFN en Cali, son presentados en la Fig. 4. La PIRE de cada transmisor ha sido seleccionado para minimizar la suma de la PIRE total de transmisión. La cobertura total SFN de la ciudad de Cali puede llegar hasta el 96.5% dependiendo del modo de transmisión y es aportada en su gran mayoría por los transmisores Cristo Rey con PIRE de 2 KW y Flora con 15 KW. El transmisor de Terrón Colorado cumple la función de gap-filler con PIRE no superior a los 3 W cuando la potencia del transmisor Cristo rey es baja. A medida que el transmisor Cristo Rey aumenta su potencia, empieza a cubrir la zona objetivo del gap-filler Terrón Colorado, hasta llegar al 100% y eliminar el aporte de este repetidor.

Los incrementos en la PIRE del transmisor Cristo Rey son los más significativos en el aumento del porcentaje de cobertura SFN, dada la cercanía y ubicación en la ciudad, mientras la PIRE del transmisor Flora permanece constante en 100w para porcentajes de cobertura SFN de hasta 94%. Para porcentajes de cobertura superiores al 94% el aporte e incremento en la PIRE total de transmisión es debido principalmente al transmisor Flora, el cual crece de una manera más exponencial hasta llegar a una PIRE de 15 KW y coberturas de 96.5%.

Una correcta planificación de la red DVB-T debe garantizar el mayor porcentaje de cobertura posible con la mínima potencia total de transmisión. La Fig. 5, resume la suma de los mínimos valores de PIRE de cada transmisor en función del porcentaje de cobertura deseado para diferentes modos de transmisión DVB-T.

Fig. 3. Arquitectura general del Simulador Dinámico.

1

10

1.000

15.000

1

10

1.000

15.000

PIR

E (W

)

90 91 92 93 94 95 96 971

10

1.000

15.000

Cobertura (%)

TX. FloraTX. Cristo ReyTX. Terrón Colorado

16QAM CR 1/2

QPSK CR 1/2

64QAM CR 2/3

Fig. 4. Mínima PIRE por transmisor en función del porcentaje de cobertura

LÓPEZ-SÁNCHEZ et al.: LATINCON13 - PLANNING 449

B. Estimación de cobertura DVB-T para Recepción Móvil

Para estimar la cobertura en recepción móvil de la red SFN analizada en la sección anterior, se han realizado simulaciones dinámicas para servicios de 10 minutos y 10000 usuarios en movimiento a través de las cuatro rutas del sistema de transporte MIO de Cali. Se ha utilizado como criterio de calidad el indicador ESR 5% para considerar cubierto o no cubierto un punto de test de la ruta.

Si establecemos un porcentaje de cobertura del 95% en recepción fija, significaría definir una mínima PIRE total de transmisión de 2.1 KW para el modo de transmisión 16QAM CR 1/2 y 17 KW para el modo 64QAM CR 2/3. Realizando las simulaciones dinámicas para recepción móvil con esta PIRE de transmisión tan solo se alcanzaría un porcentaje de cobertura del 59.09% en 16QAM CR 1/2 y del 47.05% en 64QAM CR 2/3, como se muestra en la Fig. 6. Estos bajos porcentajes de cobertura son debidos a la baja relación CNR a nivel del suelo y a las condiciones propias del canal móvil que incrementan el porcentaje de errores (TS PER).

Una solución inmediata para aumentar este porcentaje de cobertura de DVB-T móvil, es incrementar drásticamente el nivel de potencia de transmisión. Si se desea llegar a un porcentaje de cobertura del 97% en recepción móvil, sería necesario incrementar la mínima PIRE de transmisión a 110 KW para el modo 16QAM CR 1/2 y a 232 KW para 64QAM CR 2/3. Esta es una solución claramente inviable, tanto por costes e infraestructura necesaria como por los niveles de exposición electromagnética en las cercanías de los

transmisores. A continuación se analizan las mejoras obtenidas con las tres soluciones técnicas propuestas.

1) Movilidad utilizando Modulación jerárquica. Partiendo nuevamente de la PIRE de transmisión requerida

para una cobertura fija de 95%, se ha evaluado el rendimiento del flujo HP con QPSK CR 1/2. Al modular jerárquicamente este flujo HP con un flujo LP-16QAM CR 1/2 α=2 se pudo comprobar que la cobertura para recepción móvil DVB-T en las rutas de transporte definidas aumentó a 73.97% y la cobertura del flujo LP (para servicios de recepción fija) paso a ser del 94.4%. Por su parte, si modulamos el flujo HP con un flujo LP-64QAM CR 2/3 y α=1 se obtiene una cobertura del 54.4% para el flujo HP y un 94.6% para el flujo LP.

Como es de notar, el porcentaje de cobertura para servicios móviles aumenta notoriamente comparado con los obtenidos en modulación no jerárquica. La cobertura para recepción fija (flujo LP) sufre una pequeña penalización debida a un leve aumento en la CNR mínima requerida para recepción cuando se utiliza este tipo de modulación. Sin embargo, la máxima capacidad de transmisión disponible para servicios fijos con el flujo LP será limitada.

Por ejemplo, para el modo 16QAM CR 1/2 con MPEG-2 se pasa de tener 9.95 Mbps disponibles para servicios fijos en modulación no jerárquica a un máximo disponible de 4.98 Mbps en modulación jerárquica. El resto de capacidad (4.98 Mbps) es utilizada por el flujo HP y el total de la capacidad de transmisión sigue siendo el mismo. Si se desea obtener una cobertura de 97% en recepción móvil a partir del flujo HP, es necesario utilizar una PIRE de 29 KW si es modulado con un flujo LP-16QAM CR 1/2 α=1 o una PIRE de 61 KW si se modula con un flujo LP-64QAM CR 2/3 α=2. Se logra una reducción frente a la PIRE necesaria sin utilizar modulación jerárquica de 81 KW y 171 KW respectivamente.

2) Movilidad utilizando modulación jerárquica + Diversidad de antenas La utilización de diversidad de antenas en recepción

permite reducir la CNR mínima hasta en 8 dB y producir una mejora en la calidad de la señal recibida. Adicionalmente, logra resolver el problema del Doppler debido a la movilidad.

102

103

104

90

91

92

93

94

95

96

97

PIRE (W) Total de Transmisión

Cob

ertu

ra (%

)

QPSK CR1/2QPSK CR 2/3HP-QPSK CR 1/216QAM CR 1/264QAM CR 2/3

Fig. 5. Mínima potencia de Transmisión para la configuración de red SFN.

Fig. 6. Cobertura DVB-T móvil 64QAM CR 2/3 en las rutas del sistema de transporte MIO-Cali.

Fig. 7. Cobertura DVB-T móvil para modulación jerárquica y diversidad de antenas en recepción.

450 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 8, NO. 4, AUG. 2010

Partiendo de la PIRE de transmisión requerida para una cobertura fija de 95% (2.1 KW para 16QAM CR 1/2 y 17 KW para 64QAM CR 2/3), se realizaron simulaciones dinámicas combinando la ganancia de diversidad de antenas con la recepción del flujo HP en las rutas definidas. Se pudo establecer que el porcentaje de cobertura DVB-T móvil aumenta a 86.7% para HP en 16QAM CR 1/2 α=2 y a 67.4% para HP en 64QAM CR 2/3 α=1, Fig. 7. Alcanzar una cobertura móvil de 97% utilizando modulación jerárquica mas diversidad de antenas, requiere una PIRE mínima de transmisión de 20 KW para 16QAM CR 1/2 α=2 o de 27.5 KW para 64QAM CR 2/3 α=1.

3) Movilidad utilizando Modulación Jerárquica + Diversidad de Antenas + AL-FEC. Hasta el momento los porcentajes de cobertura obtenidos

utilizando modulación jerárquica y diversidad de antenas han aumentado significativamente, pero no lo suficiente para ofrecer una buena calidad de servicio a los usuarios. Los mecanismos de protección AL-FEC permiten reducir aún más la PIRE de transmisión y/o aumentar el porcentaje de cobertura. Su rendimiento está definido en función del periodo de protección y la tasa de codificación utilizadas, como se describió en la sección III-C.

Los mecanismos de protección AL-FEC han sido combinados con la modulación jerárquica y diversidad de antenas en el modo 64QAM CR 2/3 α=1, el cual requiere una PIRE mínima de 27.5 KW para un 97% de cobertura móvil. La Fig. 8 representa la reducción en PIRE mínima garantizando la misma cobertura del 97%, en función del periodo de protección y para distintas tasas de codificación. Como se aprecia en la figura, la reducción en PIRE establece un compromiso entre el tipo de servicio, el periodo de protección (tiempo de zapping) y la capacidad de transmisión. Por ejemplo, para receptores en vehículos o sistemas de transporte público que no tiene problemas en la capacidad de memoria ni limitación en el tiempo de zapping, es posible escoger tasas de codificación 1/2 o 2/3 y PP de 200 seg. o superiores, logrando reducciones en PIRE hasta de 10 KW.

Finalmente en la Fig. 9, se resume la PIRE total mínima necesaria para distintos modos de transmisión DVB-T. La primera barra (azul) representa el nivel de PIRE requerido

para una cobertura del 95% en recepción fija. Las demás barras indican la mínima PIRE total de transmisión para una cobertura del 97% del trazado de las rutas utilizando las distintas soluciones técnicas propuestas para mejorar la cobertura en recepción móvil. El valor de α utilizado en el modo 16QAM CR 1/2 fue α = 2, mientras que para el modo 64QAM CR 2/3 se utilizó α = 1.

Se observa una clara disminución en la PIRE mínima de transmisión para proporcionar servicios fijos y móviles mediante la combinación de las tres técnicas. Por ejemplo, en el modo 64QAM CR2/3 la PIRE total puede disminuir de 232 KW a 19 KW. Comparando con la mínima PIRE requerida para únicamente recepción fija con antena en tejados, representa tan solo un incremento de 1.5 KW. Este leve aumento en la PIRE permite compensar la ligera penalización en CNR sufrida por el flujo LP de la modulación jerárquica y mantener el porcentaje de cobertura para recepción fija por encima del 95%.

La utilización de modulación jerárquica y AL-FEC implica una reducción en la máxima capacidad de transmisión disponible para servicios móviles, como se puede observar en la Fig. 10. Utilizar el flujo HP de la modulación jerárquica, reduce la capacidad de transmisión por estar modulado en QPSK. A partir de esta capacidad, la reducción estará definida por la cantidad de paquetes de paridad que se utilicen en AL-FEC.

Para el flujo HP en el modo 16QAM se requiere un poco menos de potencia ya que el ruido generado por el LP es menor, pero por otro lado tendría menos capacidad en LP para

0 100 200 300 400 500 600

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8x 10

4

Periodo de Protección (seg)

PIR

E T

OTA

L (w

)

sin AL-FECAL-FEC CR 1/2AL-FEC CR 2/3AL-FEC CR 3/4AL-FEC CR 5/6AL-FEC CR 7/8

Fig. 8. Mínima PIRE Total de transmisión en función del periodo de protección y la tasa de codificación utilizada en AL-FEC, modo 64QAM CR 2/3.

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2010

20

30

40

50

100

150

200

250

Capacidad (Mbps)

PIR

E (K

W)

64QAM CR 2/316QAM CR 1/2ALFEC PP 60 segALFEC PP 200 segALFEC PP 300 segALFEC PP 60 segALFEC PP 200 segALFEC PP 300 seg

16QAM CR 1/2No Jerárquico

64QAM CR 2/3 No Jerárquico

Modulación JerárquicaHP-QPSK CR 1/2

ModulaciónJerárquica

+ DiversidadAntenas

Fig. 10. Capacidad de transmisión con MPEG-2 en función de la PIRE y el modo de transmisión

QPSK CR 1/2 16QAM CR 1/2 64QAM CR 2/30

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

Modo de Transmisión

PIR

E (K

W)

Fija (95% de cobertura)Fija + movil (Diversidad+Mod. Jerarquica+AL-FEC )Fija + movil (Diversidad+Mod. Jerarquica)Fija + movil (Mod. Jerarquica )Fija + movil (Diversidad )Fija + movil

Fija 95.7%

Movil 43.1%Movil 63%

Fija 98.3%

Fija 99.9%

Movil 47.1%

Fija 95.5%

Fija 96.1%

Fija 96.5%

Fija 99.8%

Fija 97.2%

Fija 99.9%

Fija 97.4%

Fija 96.6%

Fija 96%

Fija 96.5%

Fig. 9. Mínima PIRE de transmisión para cobertura en recepción fija y móvil utilizando distintas soluciones técnicas.

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recepción fija en tejados. Según estos resultados, lo más adecuado sería implementar una red en 64QAM + modulación jerárquica. Finalmente, continuar la reducción en PIRE utilizando AL-FEC, implica un compromiso en la capacidad de transmisión y la máxima latencia permitida. En ocasiones la configuración óptima no tiene porque ser la de menor potencia y por esto, la selección del periodo de protección y la tasa de codificación dependerán de tipo de servicio a ofrecer, la capacidad de los receptores y el escenario de recepción. Por ejemplo, en autobuses de transporte público como se menciono anteriormente, es posible utilizar mayores valores de PP y tasas de codificación altas.

VI. CONCLUSIONES

Las grandes ventajas que trae la Televisión Digital Terrestre han hecho que la transición de televisión analógica a digital ya sea una realidad en muchos países del mundo. Contemplar desde la fase de diseño de la nueva red TDT en Colombia la prestación de servicios fijos y móviles permite optimizar el rendimiento de esta red, haciendo un mejor uso de la capacidad de transmisión disponible. Adicionalmente, evita el despliegue de una red dedicada para servicios de televisión móvil como puede ser DVB-H, DVB-SH, Wimax, etc., y abre un abanico de escenarios de recepción, aplicaciones y oportunidades de negocios para el sector de audiovisual. Las soluciones técnicas para mejorar la recepción en escenarios móviles analizadas en este artículo: diversidad de antenas, modulación jerárquica y mecanismos de protección AL-FEC, demuestran una sustancial reducción en la potencia total de transmisión y un importante incremento en el porcentaje de la cobertura para recepción en entornos móviles.

Los resultados obtenidos para una cobertura DVB-T de más del 95% en recepción fija y móvil para la ciudad de Cali, en el modo de transmisión similar al utilizado en España (64QAM CR 2/3) pero con modulación jerárquica y recepción móvil con 2 antenas, muestran una reducción en PIRE alrededor del 83%, comparada con la requerida sin modulación jerárquica y una única antena. Adicionalmente, diferentes configuraciones de AL-FEC permiten reducir aún más la PIRE total de transmisión en función del periodo de protección y la tasa de codificación. Conservar la PIRE actual utilizada por la transmisión analógica (alrededor de 15.4 KW) puede ser un buen criterio de selección de este periodo de protección, lo que llevaría con la configuración de red propuesta a seleccionar un periodo cerca de los 250 seg. Este periodo de protección es bastante alto y provocaría un tiempo de zapping demasiado largo, pero puede ser utilizado en receptores que no requieran cambios de servicio, como receptores en autobuses de servicio público. Para un despliegue progresivo, se puede iniciar con estos valores de latencia y posteriormente ir desplegando nuevos transmisores o gap-fillers que permitan conseguir unas latencias más bajas.

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Jaime López Sánchez nació en Sogamoso, Boyacá - Colombia, el 1 de Octubre de 1981. Se graduó de Ingeniero Electrónico en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Bogotá. Ejerció profesionalmente en el canal privado de televisión Caracol TV S.A, como ingeniero de emisión y transmisión. Recibió el título de Máster en Tecnologías redes y sistemas de comunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia-España (UPV). Actualmente es estudiante de Doctorado de la UPV e investigador del grupo

de comunicaciones móviles del instituto iTEAM. Su Investigación está enfocada en aspectos de propagación, planificación y optimización de redes de Televisión Digital en recepción fija, portable y móvil.

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Carlos García Acero nació en San Pedro del Pinatar, Murcia, España, el 20 de Septiembre de 1985. Es Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Valencia. Actualmente, trabaja en el Grupo de Comunicaciones Móviles del iTEAM-UPV. Su trabajo se centra en la evaluación de mecanismos de corrección de errores en capas superiores (UL-FEC) en sistemas DVB, con el objetivo de dar servicios de difusión de streaming en movilidad.

Dr. David Gómez-Barquero es Doctor Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Valencia (España), y Máster en Telecomunicaciones por la Universidad Politécnica de Valencia y de la Universidad de Gävle (Suecia). Durante su formación doctoral realizó estancias como investigador invitado en la Universidad KTH de Estocolmo (Suecia), la Universidad de Turku (Finlandia), y la Universidad de Braunschweig (Alemania). También realizó prácticas en Ericsson Eurolab en Aachen

(Alemania). Actualmente está realizando una estancia post-doctoral en el Instituto de Telecomunicaciones Fraunhofer HHI de Berlin, Alemania. Su principal área de interés es la radiodifusión de contenidos multimedia móviles en general, y en particular la gestión de recursos radio, los mecanismos de corrección de errores FEC, y la planificación de redes DVB y sistemas MBMS. El Dr. Gómez-Barquero dirige el grupo de especial interés de redes hibridas y de radiodifusión de la acción de cooperación europea COST2100, y participa activamente en el proceso de estandarización de la nueva generación de TV digital móvil DVB-NGH. Dentro del foro de estandarización DVB, también participó en la redacción de las guías de implementación sobre mecanismos de corrección de errores en capas superiores UL-FEC como experto invitado.

Dr. Narcís Cardona Nació en 1963 en Barcelona-España. En 1990 Recibió el título de máster en telecomunicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña y en 1995 el título de Doctor en telecomunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV). Desde 1990 ha estado vinculado con la UPV donde actualmente es profesor catedrático y director del grupo de comunicaciones móviles. Adicionalmente es director del máster universitario en comunicaciones móviles y subdirector del Instituto de Telecomunicaciones

y Aplicaciones Multimedia (iTEAM). El profesor Cardona ha liderado diferentes proyectos de investigación a nivel nacional y ha participado en proyectos europeos, redes de excelencia y otros foros de investigación, siempre en aspectos de comunicaciones móviles. Sus actuales áreas de interés incluye la caracterización del canal radio móvil, herramientas de planificación y optimización de sistemas celulares, técnicas RRM aplicadas a comunicaciones personalizadas y de radiodifusión en redes hibridas. El profesor Cardona ha sido vicepresidente del COST273 y está actualmente a cargo del WG3 del COST2100 en el área redes de acceso vía radio. El fue presidente del la tercera conferencia internacional en sistemas de comunicaciones inalámbricas (ISWCS’06).

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