Pianificazione e Progettazione di reti DVB-T Antonio Sassano Università di Roma “La Sapienza” Lavoro in collaborazione con: Carlo Mannino Università di Roma “La Sapienza” Fabrizio Rossi Università dell’Aquila Stefano Smriglio Università dell’Aquila Bologna 30/Giugno/2003

“Outline” della Presentazione Ipotesi tecniche Pianificazione (AGCOM) STRUMENTI: Ottimizzazione delle potenze di emissione (“siting”) Assegnazione ottima delle frequenze OBIETTIVI: Massimizzazione del numero di reti Massima estensione e qualità del servizio Flessibilità per il progettista Progettazione (“Broadcaster”) IN PRESENZA DELLE TRASMISSIONI ANALOGICHE Ottimizzazione di potenze e diagrammi Assegnazione ottima delle frequenze Ottimizzazione degli “offset” temporali

Pianificazione vs. Progettazione Pianificazione (AGCOM) Reti 3-SFN Regionali e Provinciali Dimensione nazionale del problema Nessun “offset”, “tilt” o “shaping” d’antenna Situazione “a regime”: “Spettro Vuoto” Flessibilità per il progettista Progettazione (“Broadcaster”) Realizzazione di Reti Digitali a partire dalla situazione attuale dello spettro (ignorata la transizione). Interferenza Analogico-Digitale “Siting” + assegnamento frequenze Ottimizzazione degli “offset” nelle SFN (Possibili) dimensioni ridotte dei problemi

Ipotesi Tecniche Caratteristiche dei Trasmettitori Caratteristiche dei Ricevitori Modulazione 64QAM FEC 2/3 Bit Rate utile ca. 20Mbit/sec (8Mhz) Valutazione del Servizio Previsione di Campo e.m. Modello Nazionale (Libro Bianco)

Caratteristiche dei Trasmettitori Sito geografico Altezza del traliccio Frequenza fi  [f1, …, fmax] Polarizzazione Diagramma d’antenna Potenza di emissione Pimin Pi  PiMAX “Offset” temporale statico ti

DTM, Ricevitori e Propagazione Risoluzione DTM  (250mt  250mt) Italia divisa in 55012 areole elementari (testpoint,pdv) Ricevitore posto (in ogni areola A) a quota(A)+10mt Antenna direttiva (discriminazione fino a 12/16dB) Puntamento ottimizzato Discriminazione di polarizzazione (16dB) Thye signal power is subject to a fading out from...and the propagation also introduces a delay which depend on the distance from i to j. Previsione di Campo con “Algoritmo Bordoni” (Libro Bianco) (Deygout+Troposcatter) tG/ tU=1/4 Tempo di Guardia tG=224s ; Tempo di Simbolo tU=896s

Valutazione del servizio Classificazione dei segnali in utili e interferenti Combinazione dei segnali attraverso il metodo K-LNM Risultato: distribuzione log-normale con valor medio PW (PI) e varianza sW2 (sI2) per il contributo utile (interferente) In digital systems we can have more than one wanted signal, since two signals with small interarrival time can be combined so as to obtain a stronger wanted contribution. The coverage assessment I’m presenting is the one defined by the European Broadcasting Union and it is used for impolementation purposes. This is important because it represents the evaluation of our objective function Un PV è servito a qualita` “buona” se: con Probabilità di copertura

Pianificazione: Obiettivi Definizione di N Reti a copertura nazionale con le seguenti caratteristiche: Alta qualità dei segnali ricevuti Alta estensione del servizio Omogeneità della qualità dei segnali ricevuti (Equivalenza tra Reti) Decomponibilità di ciascuna Rete a livello Regionale (Equivalenza Nazionale/Locale) Massimizzazione di N Pianificazione di (eventuali) ulteriori risorse non utilizzate dalle N Reti

Progetto della rete nazionale 3-SFN FASE 1 (RETI DI RIFERIMENTO LOCALI) Progetto di reti SFN regionali (provinciali) Scelta di siti, potenze e diagrammi FASE 2 (ALLOTMENT) Assegnazione ottima delle 3 frequenze alle reti regionali (provinciali) FASE 3 (OTTIMIZZAZIONE) Ottimizzazione delle 3 reti iso-frequenza

FASE1: Reti SFN locali (regionali) Insieme dei testpoints dove valutare il servizio Insieme dei siti candidati T. Accendi alcuni trasmettitori di T e assegna le potenze di emissione e i diagrammi d’antenna in modo da massimizzare il servizio nei testpoint

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN Si esamina un trasmettitore alla volta. In ordine di popolazione potenzialmente “servibile” con qualità buona (in assenza di interferenza); Per ogni trasmettitore spento: si calcola potenza e diagramma d’antenna che assicurano il massimo incremento di popolazione servita con qualità “buona”. Per ogni trasmettitore acceso: si calcola l’incremento di popolazione servita con qualità “buona” ottenuto spegnendo. Si accende (o si spegne) il trasmettitore che produce il massimo incremento di popolazione servita con qualità “buona”.

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN (Esempio) Si esamina un trasmettitore alla volta. In ordine di popolazione incrementale potenzialmente “servibile” con qualità buona (in assenza di interferenza) C A B Passo 1. “Accendo” B, 19 PV coperti

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN (Esempio) B Passo 2. “Accendo” C, arrivo a 25 PV coperti

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN (Esempio) B Passo 3. Se attivo A a potenza nominale e diagramma circolare ottengo 26 PV coperti ….

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN (Esempio) B …, ma, se determino la potenza e il diagramma d’antenna che massimizzano i PV complessivamente coperti …

Algoritmo di Ricerca Locale per la progettazione SFN (Esempio) B … ottengo 36 PV serviti !!!

Ottimizzazione della potenza: singolo testpoint Servizio di t nel testpoint variando potenza Pt. Per ogni testpoint tre situazioni possibili: Servito da altro ma Interferito da t se Pt > u Pt u Pmax Non servito da altro e Servito da t se Pt  l Pt l Pmax Servito da altro se Pt  u Servito da t se Pt  l Non servito se u < Pt < l Pt u l Pmax

Ottimizzazione della potenza: area geografica Valutazione dell’effetto complessivo di t nei testpoint A, B, C, … dell’area variando Pt. A A B B C C D E Pt P* N(k) is the set of testpoints reached by k. Its size ranges from a few hundreds to about 10 thousand. This method allows us to perform the augmentation of the current solution without executing the coverage evaluation procedure. Pmax Pt = P* serviti A, B, C, D, E (5 testpoint) Pt = 0 serviti A, B, C, D (4 testpoint)

FASE 2: Allotment Strategia: assegnare frequenze diverse alle SFN locali più interferenti Problema di difficile soluzione: risolto con tecniche di programmazione matematica Allotment ERO

Riottimizzazione reti SFN I siti candidati sono quelli delle SFN regionali (provinciali). Limita le potenze dei trasmettitori candidati Applica l’algoritmo di Ricerca Locale

Limitazione delle potenze Rete SFN Pt t Testpoint importante Trasmettitore interferente t appartenente ad altra rete locale (regionale) Limita la potenza massima di t Pmax u Ptmax

Il caso provinciale Problema dell’aggregazione Aumenta la complessità Allotment Provinciale II° Livello Piano DVB

Progettazione: Obiettivi Realizzare una Rete Digitale Nell’attuale (!) scenario analogico Utilizzando le frequenze disponibili Minimizzando la perdita di servizio analogico Minimizzando il numero di impianti digitali Massimizzando l’estensione del servizio Come ? Ottimizzando potenze, frequenze, “offset” temporali statici e diagrammi d’antenna Utilizzando un MODELLO DI PROGRAMMAZIONE LINEARE INTERA (+ Metodi euristici)

Esempio: Progettazione in Banda III SITUAZIONE ESISTENTE Rete analogica 1530 Impianti attivi III Banda Canalizzazione B* Canali D, E, F, G, H, H1, H2

Esempio: Servizio Analogico Servizio Nazionale 1530 SITI Utile > Interferente Totale Utile - Interferente Totale >-6 84.36% di Popolazione Servita 65.65% di Territorio Servito

Progettazione di Rete Digitale k-SFN CARATTERISTICHE DELLA RETE Rete Digitale (con composizione SFN) 526 Impianti attivi (scelti tra ~1800) III Banda Canalizzazione B Canali R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 Polarizzazione e orientamento delle antenne riceventi uguali a quelli della rete analogica

Servizio k-SFN + Analogico Servizio Nazionale 526 SITI Location Probability > 95% Location Probability > 80% 92.4% di Popolazione Servita 71.0% di Territorio Servito

Servizio Analogico + k-SFN Servizio Nazionale 1530 SITI Utile > Interferente Totale Utile - Interferente Totale >-6 82.41% di Popolazione Servita 61.56% di Territorio Servito ERA 84.36% di Popolazione Servita 65.65% di Territorio Servito

Progettazione di Rete Digitale MFN CARATTERISTICHE DELLA RETE Rete Digitale (con composizione MFN) 538 Impianti attivi (scelti tra ~1800) III Banda Canalizzazione B Canali R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12 Polarizzazione e orientamento delle antenne riceventi uguali a quelli della rete analogica

Servizio MFN + Analogico Servizio Nazionale 538 SITI Location Probability > 95% Location Probability > 80% 88.4% di Popolazione Servita 65.4% di Territorio Servito Servizio k-SFN era: 92.4% di Popolazione Servita 71.0% di Territorio Servito

Servizio Analogico + MFN Servizio Nazionale 1530 SITI Utile > Interferente Totale Utile - Interferente Totale >-6 82.0% di Popolazione Servita 61.4% di Territorio Servito ERA 84.36% di Popolazione Servita 65.65% di Territorio Servito

Ricapitolando … Rete Tx Pop Terr Analogica 1530 84.36 65.65 82.41 61.56 82.03 61.38 Dig Comp 526 - 92.41 70.98 Dig NO Comp 538 88.44 65.91

Ottimizzazione “offset” temporali Introduzione di ritardi in trasmissione “Avvicina” gli istanti di arrivo in finestra Permette la composizione dei segnali utili TG ta tb tc ta + a tc tb + b

Esempio: 3 trasmettitori, 3 PdV (150, 45) (100, 30) (320, 96) PV1 (300, 90) PV2 (700, 210) c A technical aspect which is fundamental in the design of optimization algorithms is OFDM the key feature of OFDM is the capability of combining in a useful way multiple delayed versions of a signal arriving at the receiver from different transmitters. In this way a received signal can be derived of significantly higher quality than in analogue, single-transmitter systems. Let us see how the signal combination works... (200, 60) (700, 210) (550,165) b PV3 (140, 42) (msec, Km)

Esempio: “offset” nulli PV1 100 200 300 msec PV2 150 550 700 msec A technical aspect which is fundamental in the design of optimization algorithms is OFDM the key feature of OFDM is the capability of combining in a useful way multiple delayed versions of a signal arriving at the receiver from different transmitters. In this way a received signal can be derived of significantly higher quality than in analogue, single-transmitter systems. Let us see how the signal combination works... PV3 140 320 700 msec trasmettitori a, b, c

a ritardato di 200 msec -- c anticipato di 200 msec PV1 100 200 300 msec PV2 350 500 msec 550 PV3 A technical aspect which is fundamental in the design of optimization algorithms is OFDM the key feature of OFDM is the capability of combining in a useful way multiple delayed versions of a signal arriving at the receiver from different transmitters. In this way a received signal can be derived of significantly higher quality than in analogue, single-transmitter systems. Let us see how the signal combination works... 140 520 msec 500 Osservazioni Lo scenario “offset zero” serve solo un PV (il PV 1) Introducendo un solo ritardo si serve al più un PV Non esiste una distribuzione dei ritardi che serve tutti i PV

Ottimizzazione “offset”: casi reali PROBLEMA: Determinare una distribuzione dei ritardi che massimizza il numero di PV serviti (o la popolazione servita). SOLUZIONE: MODELLO DI PROGRAMMAZIONE LINEARE INTERA (+ Metodi euristici) RISULTATI: Istanze con alcune migliaia (5000) di PV sono risolvibili mediante il solutore commerciale CPLEX 8.0 A technical aspect which is fundamental in the design of optimization algorithms is OFDM the key feature of OFDM is the capability of combining in a useful way multiple delayed versions of a signal arriving at the receiver from different transmitters. In this way a received signal can be derived of significantly higher quality than in analogue, single-transmitter systems. Let us see how the signal combination works...

Esempio: “offset” zero 480 Trasmettitori (Banda III) 4217 PV (> 3000 abitanti) Una sola frequenza Terr. 55.6 Pop. 76.7

Esempio: scenario ottimizzato 480 Trasmettitori (Banda III) 4217 PV (> 3000 abitanti) Una sola frequenza Terr. 65.5 Pop. 86.0