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Cobertura de TV Digital com uso de redes MFN e SFN

 Nº 149 – Março 2015

 

por José Frederico Rehme e Marco Antonio Martins*

ARTIGO

 

Artigo explica mediante dois cases realizados na RPC TV como é o processo de implantação da TV Digital no país comparando as opções de constituição de redes broadcast de mesmo conteúdo, com suas vantagens e desvantagens

implantação dos parques de transmissão de TV Digital no Brasil começou em dezembro de 2007, na cidade de São Paulo. Um ano depois, apenas os moradores de menos de dez cidades do país tinham a opção de assistir a TV Digital, com poucas opções de programação (redes de televisão), e menos ainda, conteúdo em alta definição. Nesta fase inicial, onde o foco foi o atendimento de grandes cidades, algumas das dificuldades eram:
— Desconhecimento ou falta de experiência das equipes técnicas na transmissão digital;
— Dificuldades de entendimento completo ou de implantação das normas nos equipamentos de transmissão e nos receptores, com plena compatibilidade;
— Tratamento dos sintomas e causas de alterações “inexplicáveis” de comportamento e de travamento dos sistemas, os famosos “bugs”;
— Mudança de critérios de avaliação de qualidade e confiabilidade: apesar da maior robustez da recepção de TV Digital quando comparada à analógica, a degradação do sinal nos sistemas digitais causa ao telespectador uma percepção muito mais impactante e desagradável;
— Custo elevado e poucas opções de fornecedores de transmissores e antenas;
— Falta de clareza quanto à estratégia de negócio: apontamento de vantagens e desvantagens de uma determinada emissora ser pioneira numa cidade ou aguardar resultados de uma concorrente sua;
— Implantação do sistema digital numa mesma infraestrutura que comporta o analógico, precisando adequá- la, sem interrupção do serviço analógico.

Cinco anos depois, no início de 2013, muitas redes de televisão e emissoras independentes já tinham seus sites de transmissão digital nas maiores cidades de suas regiões, operando sem grandes dificuldades, apesar de continuarmos todos em aprendizado nesta ainda recente tecnologia. A fase atual, iniciada por volta de um a dois anos atrás, é a de expansão da cobertura, ou, como alguns denominam, a “interiorização da TV Digital”.
Esta etapa, embora ainda seja influenciada (em menor grau) por algumas das dificuldades listadas na primeira parte do artigo, carrega dois novos percalços e dilemas:
Como a capacidade de execução é limitada (equipes técnicas, tempo, dinheiro), é importante o uso de critérios bem definidos na escolha da ordem de implantação dos sites: privilegiar regiões, quantidade de domicílios atendidos, potencial de consumo, distância de outras estações da mesma rede, ou ainda outros argumentos; A implantação de redes SFN facilita a mobilidade e portabilidade, mas, em relação ao uso de MFNs, são mais complexas e vulneráveis.
Apesar do sistema brasileiro ISDB-Tb contar com recursos tecnológicos muito interessantes para propiciar um excelente desempenho mesmo na presença de ruído impulsivo (time interleaving) e de multipercursos ou coexistência de sinais de mesmo canal (guard interval), fenômenos associados à propagação e outros explicados pelo Eletromagnetismo são bastante complexos e dinâmicos.
Não é à toa que alunos de Engenharia chamam a matéria de “Eletromagia”. Neste artigo, trataremos da comparação entre as opções de constituição de redes broadcast de mesmo conteúdo, com suas vantagens e desvantagens.

MFN
A mais simples das redes físicas é a MFN (Multifrequency Network). É como funcionam as redes analógicas: uma mesma programação é distribuída em várias localidades, a partir de sites operando em canais de frequências diferentes. Desde que escolhidos adequadamente, observando-se entre outros o Plano Básico de Distribuição de TV Digital regido pela Anatel, sua implantação é bastante simples, e de menor custo entre as outras opções que serão tratadas adiante.
As redes MFN podem ser constituídas a partir da geradora da região e uma captação do ar, com regeneração do sinal BTS (broadcast transport stream), o qual é modulado em um novo canal. Pelo uso do BTS já pronto (no máximo, com pequenas alterações na tabela NIT para adequação dos canais físico e virtual, em um processo conhecido como “restamp”), não se faz necessária a etapa de multiplexação. O uso de outro canal, com as devidas máscaras de filtro, permite a superposição de coberturas sem nenhuma dificuldade ou degradação nos receptores.
De uma forma semelhante ocorreu nas décadas de 1970 e 1980 para o sistema analógico, onde se usava a recepção do sinal do ar, normalmente em VHF, através de um conversor de torre (“booster”), e os sinais de vídeo e áudio “empacotados” numa frequência intermediária eram retransmitidos em um novo canal de VHF ou UHF. Naquelas condições, a terceira ou quarta repetição causava muita degradação de qualidade, já que o tratamento do ruído no modelo analógico é muito complexo, de realização inviável.
Além disso, normalmente não era possível o uso de canais adjacentes, e um dado canal não poderia ser reutilizado numa região bastante grande. Se, para a rede analógica, quem estava distante de uma grande cidade recebia imagens bastante ruidosas, o processamento digital permite a preservação da qualidade, e o telespectador a centenas de quilômetros da geradora de TV pode usufruir da experiência HD com qualidade máxima.
Mais que isso, o reuso de canais em sistemas digitais, em distâncias menores quando comparadas com o caso analógico, propicia maior eficiência espectral.
Quando a emissora é distante da retransmissora, e a captação do ar não é adequada, usa-se qualquer tecnologia de rede (IP sobre fibra, IP sobre rádio, ASI no rádio) para transporte do BTS. Existe o custo da rota ou serviço, mas ainda é uma solução simples, pois não há necessidade de multiplexação dos sinais. Neste caso, o retransmissor não precisa ter o tuner de entrada.
Para retransmissores em MFN, basta uma boa estabilidade de frequência, dentro de 1 Hz segundo a norma técnica, hoje facilmente obtida com recursos de referência de 10 MHz vindo de recepção de GPS. Não há necessidade de sincronização dos sinais, dispensando então a referência temporal de 1 pps.
O que se paga neste caso de uso do MFN, em contrapartida à simplicidade, é a perda de continuidade do sinal quando ocorre recepção móvel em longas distâncias, por exemplo, nas estradas; mesmo que na geradora seja elaborado um processo de se “seguir a rede”, e mesmo com as coberturas das retransmissoras se sobrepondo para evitar zonas de sombra, na redução da intensidade do sinal do canal previamente sintonizado haverá uma interrupção do sinal. Outra desvantagem do uso do MFN é a maior ocupação espectral, reduzindo opções de programação ou dificultando o processo de recanalização, hoje assunto vital devido à acomodação pretendida pelo Ministério das Comunicações para ampliação das faixas destinadas à telefonia celular 4G em 700 MHz.

SFN
Por conta de economia de espectro, para evitar a necessidade de se ressintonizar (trocar de canal) quando a recepção ocorrer em movimento e envolvendo grandes distâncias, ou ainda para reforçar o sinal em uma localização dentro da área de cobertura, outra técnica de formação de rede é necessária. É chamada de SFN (Single Frequency Network). Nela, um mesmo canal ou faixa de frequência é ocupado por uma mesma programação.
Quando as áreas de cobertura, ou as manchas, não são superpostas, não há nenhum problema. Porém, como quase uma ciência oculta, e não exata, por conta de fenômenos de difícil equacionamento e controle, a propagação pode sofrer alterações momentâneas bastante significativas. Desta forma, são necessários outros cuidados, além de um mero estudo de geometria plana.
Alguns autores tratam como SFN apenas a rede em que, além de haver o compartilhamento do canal físico por mais de um transmissor, há um processo de sincronismo, pelo qual se pode estabelecer a região em que os sinais chegam em fase ou numa diferença temporal dentro do intervalo de guarda. Trataremos aqui como sendo a rede formada por uma geradora e retransmissoras, que usam do espectro de frequências o mesmo canal físico, e que carregam a mesma informação principal (vídeo e áudio). Assim, a opção Gap Filler, formada por equipamentos soltando a mesma informação em tempos levemente diferentes, pode em nosso entendimento, ser considerada como uma variante de redes SFN, o que os primeiros não concordam.
Com as premissas por nós adotadas, entendendo que SFN é a denominação dada para uma rede composta por dois ou mais transmissores emitindo na mesma frequência, o mesmo conteúdo (vídeo, áudio, informações para o telespectador), quase o mesmo sinal (bit a bit, exceto alterações de restampagem de tabelas NIT), quase ao mesmo tempo (fazendo com que o receptor na área atingida pela rede enxergue os dois sinais ainda dentro do intervalo de guarda), há dois tipos de redes SFN:
a) Distribuídas (ou simplesmente SFN)
b) Repetidas (ou simplesmente Gap Filler).
Nas redes distribuídas, pode-se ter um SFN idêntico (bit a bit, sem restampagem), ou um SFN restampado, onde se altera a informação de canal virtual. Ainda assim, é premissa deste tipo de estrutura que os dois ou mais sinais estejam sincronizados, saindo quase ao mesmo tempo de seus transmissores, e garantindo a coincidência temporal em uma região escolhida em projeto.
Para isso, são necessários dois requisitos técnicos: a) informação de sincronismo presente em todos os componentes da rede, baseado na informação de 1 pps, normalmente fornecida pelo sistema GPS; b) alguma rede auxiliar para transporte do sinal BTS a todos os retransmissores. Nesta segunda questão, o transmissor principal segura a informação por um tempo (em geral, perto de 300ms), e o momento de transmissão deste é calculado, considerando-se o intervalo temporal para chegada do BTS nos demais pontos e na área em que se pretende recepção simultânea.
Sobre as redes repetidas, o conceito inicial para uso de Gap Fillers era justamente o significado do nome, ou seja, o preenchimento de uma falha na cobertura, uma zona de sombra, mas dentro de uma área atendida. Desta forma, a mancha de cobertura do retransmissor estaria totalmente contida pela mancha do transmissor principal. Mas o uso destes equipamentos mais simples, com os devidos critérios, pode ser útil também na ampliação da área atendida pela geradora, ou até criação de novas áreas iluminadas, não contínuas com a mancha principal. Embora alguns modelos de retransmissor processem também o sinal modulante, podendo inclusive regenerar os símbolos, e com isso melhorar a MER de saída em relação à de entrada, o princípio dos Gap Fillers se baseia no processamento do sinal de RF para reduzir a realimentação (função de echo cancelling).
O cancelamento dos sinais realimentados, no entanto, é uma tarefa um pouco complexa e variante no tempo.
Por exemplo, apesar do pouco efeito da chuva na propagação de sinais de VHF e UHF, a parede seca de um edifício se apresenta de forma bastante diferente de quando está molhada no que diz respeito à reflexão dos sinais. Assim, a chuva pode alterar o status de cancelamento de eco obtido. Quando se tem uma realimentação com valores positivos, em geral a MER degrada bastante, e por isso se faz necessária uma redução da potência de saída em alguns momentos ou situações.

Recepção digital ch 41 no topo, retransmissão ch 41 com dois painéis no meio da torre; ainda, recepção analógica ch 12 com Yagi, retransmissão analógica em ch 20

Os ganhos de um sistema SFN em relação ao MFN são: economia e limpeza espectral, facilidade de memorização e associação do programa a um número de canal, mobilidade e portabilidade contínuas e sem interrupção, desde que haja superposição de manchas.
O custo cobrado por estas vantagens são a necessidade de sincronização e a complexidade, que associa a elas elevação de custo e vulnerabilidade, ou redução de confiabilidade. Perdas de sincronismo podem causar verdadeiros desastres no sinal em áreas onde nem mesmo se fazia necessária a retransmissão. Ou, pode forçar o “mute” do retransmissor. Além disso, para que se possa controlar o tempo de partida do sinal BTS, obviamente não se pode esperar a chegada, armazenar e depois processar, ou seja, não se pode receber do ar.
A construção da SFN sincronizada exige entrega dos sinais para a geradora e para os retransmissores num mesmo tempo ou muito próximo entre si. Isso exige uma rede auxiliar à de broadcast, e pode ser, por exemplo, em estrutura de rádio ou fibra apagada própria, ou ainda, empacotados em IP e entregues por redes próprias ou utilizando-se o serviço de terceiros. Além disso, outra questão importante a se considerar é que, por mais que se adotem critérios rigorosos e cálculos precisos, é muito difícil uma previsão bastante correta, no espaço e no tempo, sobre até onde haverá níveis razoáveis de sinal destas diversas fontes que compõe a rede SFN. Ou seja, pode acontecer que em determinados horários ou até períodos do ano a propagação seja bastante alterada, e devido a um ou mais sinais ocorra sobrealcance temporário, fora da área protegida pelo intervalo de guarda, e com pouca distância de amplitude entre estes e o sinal principal. Ou, a situação geográfica proporcione um sobrealcance constante no tempo numa região de abertura angular pequena, por exemplo, três graus, mas que, a cinquenta quilômetros de distância, varre uma região com frente de 2,5 km, podendo comprometer áreas densamente povoadas.

Observa-se que o sinal de Curitiba não cobre as cidades de Itaperuçu e Rio Branco do Sul

Como boas práticas, algumas sugestões são listadas a seguir:
— se a mobilidade “interurbana” não for importante, e houver disponibilidade espectral, dê preferência a redes MFN;
— em caso de SFN, sempre que possível prefira opção Gap Filler;
— procure evitar que a retransmissão em Gap Filler dirija sinal para o mesmo lado de onde vem o sinal principal; ou seja, evite atirar contra, e busque colocar a retransmissão na borda da área a ser preenchida, com sistema irradiante direcional;
— abuse do tilt mecânico, e tire proveito do relevo e construções, “escondendo” o sinal retransmitido para áreas que não de interesse direto da retransmissora;
— ainda em Gap Filler, procure colocar a recepção no alto, e a transmissão embaixo, isolando o mais possível em distância vertical e com anteparos metálicos;
— elabore e opere um sistema de monitoração de áreas interferentes de forma constante e com regras rígidas.
Para mostrar as melhores escolhas, a seguir, um breve relato de dois casos da RPC TV na região atendida pela geradora de Curitiba.

A topografia e a solução técnica adotada resultam em manchas de cobertura complementares e não interferentes

Gap Filler de Rio Branco do Sul e Itaperuçu Rio Branco do Sul e Itaperuçu são dois municípios da região metropolitana de Curitiba, distantes entre si apenas 5 quilômetros, e 25 quilômetros respectivamente da torre da RPC TV na capital do Paraná. A topografia da região, no entanto, praticamente isola a recepção do sinal do ar diretamente de Curitiba nestes dois centros urbanos, com população conjunta aproximada de 50.000 habitantes. A área ao norte de Curitiba é bastante montanhosa, e estas cidades são separadas entre si por morros.
Para redução de custos e a busca da simplicidade da solução técnica, optou-se pela tecnologia de Gap Filler.
Os fornecedores de equipamentos e diversos estudiosos diziam isto não ser adequado, e que a solução deveria ser baseada em um sistema SFN. Isto porque o morro de retransmissão fica atrás das cidades em questão, quando a referência é Curitiba. Assim, a emissão dos sinais pelas antenas de retransmissão aponta para a origem, o que causaria realimentação e deterioração de qualidade de recepção para uma região entre as torres da geradora e de retransmissão. Porém, uma análise da geografia da área e uso de recursos técnicos simples sugeria o sucesso do sistema, mesmo em Gap Filler.
As cidades são baixas em relação aos morros em sua volta; estes fazem um obstáculo natural entre as áreas da geradora e das retransmissoras. A altura do morro e da torre permitiram a colocação da recepção do sinal, a partir de Curitiba, no topo da torre (quase 40 metros), com uma antena parabólica de UHF. Os painéis de retransmissão estão colocados 20 metros abaixo, e com tilt mecânico. Desta forma, obteve-se a isolação necessária. A região foi verificada através de medições de campo, que mostraram níveis e qualidade da recepção (MER) bastante bons em toda a região.

Detalhes e diferenciais da escolha de Gap Filler para estas duas cidades:
a) Uso de um site para duas cidades distintas;
b) Simplicidade e robustez, através de retransmissão por Gap Filler;
c) Otimização dos recursos financeiros, com reaproveitamento parcial da infraestrutura e ausência de enlace para o BTS.
Rede SFN sincronizada no litoral do Paraná Pelo plano de canalização e devido às distâncias e demais características da região atendida, optou-se pelo uso de frequência única e igual à usada para a geradora da RPC TV de Curitiba, no canal físico 41 e virtual 12.1. Desta forma, elaborou-se uma rede SFN com sincronização baseada na referência de 1 pps, proveniente de sistemas GPS em cada um dos postos.
O sinal de BTS completo, exatamente igual ao que alimenta a transmissão em Curitiba, como transmissor principal da rede, sem nenhuma alteração, remultiplexagem ou reestampagem, é levado aos postos do litoral sobre uma rede própria em micro-ondas na faixa de 7 GHz. Na figura em cima segue ilustração da rota. Neste caso, especialmente para o caso da rede do litoral, a opção se deu pelo SFN sincronizado, pois o relevo e a distância entre os grupos populacionais não favorece a tecnologia Gap Filler.
Após estudo sobre as opções de uso, foi mantido o canal virtual da geradora e início da rede SFN para o sistema. Assim, não importando se o sinal de maior intensidade recebido num dado local em toda a região desta rede SFN, é de Curitiba, Paranaguá, Pontal do Paraná (Shangri-lá), Matinhos (Caiobá) ou Guaratuba, a identificação e localização se faz pelo mesmo canal, 12.1. Para garantir o bom desempenho da rede, mesmo no caso de superposição de sinais, adotou-se o intervalo de guarda de 1/8 para o BTS na origem, Curitiba. Buscou-se a excelência da cobertura digital, através do cálculo de potência irradiada próxima do limite permitido para a região.

Detalhes e diferenciais:
a) Duas redes SFN a partir da mesma geradora e referência temporal, possível pelo relevo da região;
b) Canal virtual único;
c) Otimização do uso do espectro: canalização e potência = cobertura;
d) Uso de rádios IP de rede própria;
O sistema em rede SFN se comportou dentro das condições teóricas; testes com desligamento da funcionalidade de sincronização mostraram a exatidão dos cálculos.
A mobilidade e a portabilidade foram testadas em toda a área de abrangência, comportando-se de maneira extremamente satisfatória.

José Frederico Rehme

José Frederico Rehme (RPC TV, SET, UP) Mestre em Ciências (2007) e engenheiro Eletricista (1990) pela UTFPR. Coordenador de Pesquisa e Desenvolvimento em Telecomunicações na RPC (Rede Paranaense de Comunicação, Curitiba (nesta empresa desde 1986); professor e coordenador de cursos de Engenharia Elétrica e Engenharia de Energia na UP – Universidade Positivo, Curitiba; e Diretor de Ensino da SET pelo biênio 2014-2016.

Marco Antonio Martins

Marco Antonio Martins é engenheiro de Telecomunicações (1999) pela PUC-PR; gerente de Engenharia de Telecomunicações na RPC (Rede Paranaense de Comunicação, Curitiba) trabalhando nesta empresa desde 1991.