Aspetti tecnici dell armonizzazione della banda a 800 MHz. Mario Frullone Direttore delle ricerche

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1 Aspetti tecnici dell armonizzazione della banda a 800 MHz Mario Frullone Direttore delle ricerche Pontecchio Marconi 10 dicembre 2010

2 Esito dell asta delle frequenze in Germania Fonte: WDR 2

3 Il dividendo digitale a 800 MHz Costi e benefici Benefici Disponibilità di una porzione di spettro molto pregiata Migliore copertura Minori investimenti in termini di apparati Aumento della competizione Costi Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF Diminuzione dello spettro disponibile per il DTT Costi di implementazione delle nuove reti Costi per la liberazione delle frequenze utilizzate dai broadcasters televisivi Minimizzazione dell impatto sugli utenti 3

4 Assetto delle frequenze nella banda a 800 MHz Decisione della Commissione 2010/267/UE del 6 maggio 2010 I blocchi sono assegnati secondo multipli di 5 MHz Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF Modalità di funzionamento: Duplex FDD Guar d band 1 MHz Downlink MHz (6 blocks of 5 MHz) Duple x gap 11 MHz Uplink MHz (6 blocks of 5 MHz) Prevista la possibilità di implementare assetti alternativi al Duplex FDD Esempio: Guard band Unpaired MHz 65 MHz (13 blocks of 5 MHz) 4

5 Requisiti di base L'approccio basato su Block Edge Mask (BEM) Le Block Edge Mask (BEM) sono costituite da limiti che devono essere rispettati in-block e out-of-block, i quali dipendono dall offset in frequenza. ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio): caratterizza le emissioni fuori banda del segnale interferente (base station o terminale mobile) ACS (Adjacent Channel Selectivity): caratterizza la selettività del ricevitore vittima (ricevitore DTT) 5

6 BEM Limiti per la stazione radiobase su frequenze inferiori a 790 MHz Caso Condizione per la EIRP all interno del blocco nella stazione di base (P) (dbm/10 MHz) EIRP media massima fuori blocco Larghezza di banda A B Per canali tv per i quali la radiodiffusione è protetta Per canali tv per i quali la radiodiffusione gode di un livello medio di protezione P 59 0 dbm 8 MHz 36 P < 59 (P-59) dbm 8 MHz P < dbm 8 MHz P dbm 8 MHz 36 P < 59 (P-49) dbm 8 MHz P < dbm 8 MHz C Per canali tv per i quali la radiodiffusione non è protetta Nessuna condizione 22 dbm 8 MHz 6

7 La protezione dei sistemi DTT Misure addizionali Nel delineare l approccio basato sulle BEM, CEPT e CE hanno chiarito che i livelli individuati non sono adeguati a garantire la protezione del DTT in tutte le circostanze. I problemi maggiori si hanno ovviamente sui canali immediatamente al di sotto dei 790 MHz. I casi residui di interferenza devono essere risolti attraverso il ricorso a misure addizionali. Tra i potenziali interventi per la protezione del DTT vi sono: Identificazione di zone di esclusione: hanno lo svantaggio di poter riguardare aree molto estese e rischiano di rivelarsi eccessivamente conservative. Impiego di bande di guardia: non è detto che risolvano i problemi e rendono meno implementabile una gestione ottimizzata dello spettro radioelettrico. Tecniche di mitigazione aggiuntive: è l approccio scelto dal CEPT e dalla Commissione Europea. 7

8 Tecniche di mitigazione aggiuntive Filtri di ricezione ad hoc L impiego di filtri di ricezione ad hoc consente di risolvere il problema dell interferenza da canale adiacente nel canale 58 e al di sotto Possono non essere efficaci per il canale 59 e il canale 60 Esempio: filtro per il canale 60 Fonte: OFCOM 8

9 Tecniche di mitigazione aggiuntive Diversità di polarizzazione La polarizzazione dei segnali DTT può essere verticale o orizzontale. L impiego di polarizzazioni ortogonali da parte delle reti di comunicazione elettronica consente di ridurre il livello di interferenza. Polarizzazione parallela Polarizzazione mista (± 45 ) Polarizzazione ortogonale Il ricorso a questa tecnica di mitigazione è reso meno efficace da Preponderanza di polarizzazioni nelle BS miste che hanno vantaggi meno evidenti. Impiego di tecniche MIMO da parte di sistemi di comunicazione elettronica. Potenziale assenza di spazio dovuta alla tendenza a ridurre l impatto visivo dei sistemi di trasmissione. 9

10 Tecniche di mitigazione aggiuntive Cositing La possibilità di co-locare i trasmettitori per il DTT e quelli per le reti di comunicazione elettronica consente di minimizzare l interferenza. L impiego del cositing può in particolare interessare le installazioni di tipo gap-filler per il DTT. Per effetto del cositing la propagazione per i trasmettitori del DTT o di altre reti di comunicazione elettronica è la medesima. Potenziali criticità: Possibili difficoltà tecniche (es. BS che devono operare in prossimità di trasmettitori in banda adiacente con potenze elevate) Attenzione particolare nella pianificazione di reti SFN. Possibili costi aggiuntivi per il deployment delle reti (maggior numero di siti) Criticità derivanti dai vincoli imposti in termini di esposizione ai campi elettromagnetici 10

11 Tecniche di mitigazione aggiuntive Riduzione della potenza di emissione in-block Fonte: OFCOM Fonte: OFCOM Possibili criticità: I livelli di riduzione della potenza emessa (EIRP) possono dipendere dal livello di protezione che si intende garantire al DTT A causa del forte impatto che tale tecnica di mitigazione può avere sulle aree di copertura di una BS è opportuno limitarne l impiego alle aree in cui sono utilizzati i canali adiacenti Può interessare un gran numero di BS e quindi riflettersi in un aumento non trascurabile dei costi di deployment delle reti. 11

12 Tecniche di mitigazione aggiuntive Riduzione della potenza di emissione out-of-block Fonte: OFCOM I limiti di emissione out-of-block sono imposti dalla Commissione Europea, pari a 59 db in termini di ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) e non possono essere resi più stringenti dagli stati membri. Dal punto di vista pratico, tuttavia, gli apparati operano o possono operare con valori di ACLR inferiori, soprattutto se si considerano sistemi operanti nei blocchi non immediatamente adiacenti il canale

13 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Piemonte Occidentale Canale 66 UHF 13

14 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Lazio Canale 62 UHF 14

15 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Lazio Canale 68 UHF 15

16 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Campania Canale 63 UHF 16

17 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Campania Canale 61 UHF 17

18 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF 18

19 Impiego delle risorse radio Area Tecnica Lombardia Canale 68 UHF Area Tecnica Lombardia Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF Canale 68 UHF 19

20 Occupazione dei canali Dati sintetici: popolazione Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF 20

21 Occupazione dei canali Dati sintetici: utilizzo risorse frequenziali Area Tecnica Lombardia Canale 63 UHF All atto della liberazione dei canali della banda a 800 MHz sarà indispensabile tener conto del computo dei canali complessivamente disponibili su tutta la banda televisiva, ovviamente escludendo le risorse destinate al dividendo digitale interno. 21

22 La banda a 800 MHz per il 4G LTE I sistemi LTE garantiscono un ampia flessibilità spettrale: 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Per migliorare le prestazioni della rete servono reti miste potenziate da microcelle e femtocelle per ottenere i requisiti opportuni in termini di capacità e di copertura indoor. La propagazione radio dipende dalla banda impiegata: in bande differenti le potenze utilizzate per garantire la copertura sono diverse. Fonte: Qualcomm 22

23 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Valutazione teorica del miglioramento delle coperture Le caratteristiche propagative della banda a 800 MHz facilitano la penetrazione del segnale all interno degli edifici. Semplici valutazioni preliminari possono essere condotte considerando la copertura di una cella radiomobile, utilizzando il modello di Okumura-Hata esteso. Parametri del modello: Frequenza (MHz) Potenza trasmessa (dbm) Sensitivity (dbm) Tx Gain (db) Rx Gain (db) Location probability Margine per lo shadowing lognormale = 10 db Building penetration loss (db) % outdoor % indoor % outdoor % indoor

24 La banda a 800 MHz per il 4G LTE OUTDOOR INDOOR R 800 / R 2100 = km 0.8 km 3.1 km 3.1 km R 800 / R 2100 = 2.06 A parità di copertura outdoor il numero teorico di BS necessario per coprire la medesima area si riduce circa di un fattore 4.3. Tale fattore di riduzione sale a 15 se si considera la copertura indoor. 24

25 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Simulazioni in area urbana L aumento della percentuale di copertura indoor dovuto all impiego della banda a 800 MHz rispetto alla banda a 2 GHz e a 2.6 GHz è stato valutato in area urbana con un approccio simulativo: Scenario teorico realizzato mediante layout di tipo esagonale Area urbana della città di Bologna Sono stati considerati i dati di popolazione. La tipologia di utilizzo del territorio non è stata considerata Propagazione caratterizzata attraverso il modello di Okumura-Hata Fonte: Qualcomm 25

26 Y [m] La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Lo scenario di simulazione 2.5 x 104 Simulation Scenario X [m] x 10 4 Layout esagonale applicato allo scenario urbano Densità di popolazione (abitanti/km 2 ) 26

27 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio I parametri di simulazione 800 MHz Frequenze di lavoro 2100 MHz 2600 MHz Area di simulazione 529 Km 2 (23x23 Km) Numero di Base Station (BS) considerate 90 Numero di BS nell area centrale 36 Cluster size 3 Altezza antenna BS 30 m Guadagno antenna BS 15dB Altezza antenna UE 1.5 m Guadagno antenna UE 0 db Potenza trasmessa UE 23 dbm Building Penetration Loss (BPL) - Mattoni BPL - Cemento indoor outdoor 13.9@800 MHz 27.7@2100 MHz 31.1@2600 MHz 24.7@800 MHz 29.7@2100 MHz 30.3@2600 MHz 4 db 10 db 27

28 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Risultati: percentuale di popolazione coperta Frequenza Scenario Sensibilità: -108 dbm 2600 MHz 2100 MHz 800 MHz Sensibilità: -100 dbm (QPSK 1/3) Sensibilità: -80 dbm (64QAM 3/4) Outdoor 98.20% 91.26% 34.98% Indoor [mattoni] 27.78% 12.25% 1.00% Indoor [cemento] 29.79% 13.39% 1.10% Outdoor 99.34% 95.82% 48.03% Indoor [mattoni] 49.44% 26.56% 2.60% Indoor [cemento] 43.16% 21.90% 1.99% Outdoor 99.99% 99.86% 87.07% Indoor [mattoni] 98.76% 94.07% 46.93% Indoor [cemento] 90.74% 74.56% 18.70% Popolazione complessiva dello scenario: abitanti 28

29 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Lo scenario di simulazione Le valutazioni del caso precedente sono state ripetute considerando il layout effettivo della rete 3G di un operatore mobile. La dimensione dell area di simulazione è stata leggermente ridotta per tener conto del layout reale. Numero BS: 96 29

30 La banda a 800 MHz per migliorare l'accesso radio Risultati: percentuale di popolazione coperta Frequenza Scenario Sensibilità: -108 dbm 2600 MHz 2100 MHz 800 MHz Sensibilità: -100 dbm (QPSK 1/3) Sensibilità: -80 dbm (64QAM 3/4) Outdoor 97.36% 93.66% 68.75% Indoor [mattoni] 61.11% 41.86% 8.58% Indoor [cemento] 62.89% 43.78% 9.22% Outdoor 98.51% 95.81% 76.59% Indoor [mattoni] 76.20% 59.97% 16.81% Indoor [cemento] 72.58% 55.18% 14.06% Outdoor 99.89% 99.41% 92.02% Indoor [mattoni] 98.15% 95.24% 74.81% Indoor [cemento] 93.73% 87.44% 51.37% Popolazione complessiva dello scenario: abitanti 30

31 La banda a 800 MHz per le aree in digital divide Analisi delle variazioni da 2100 MHz a 800 MHz È stata valutata la copertura UMTS nelle aree in digital divide dell Emilia-Romagna. 31

32 La banda a 800 MHz per le aree in digital divide Servizio dati 384 kbps: incremento copertura Provincia di Parma 32

33 La banda a 800 MHz per le aree in digital divide Servizio dati 384 kbps: incremento copertura Incremento di copertura Appennino Emiliano 33

34 numero di siti Siti critici in aree urbane Emilia-Romagna siti critici 600 totale dei siti BO MO RE PR FC RA FE RN PC abitanti per provincia Sito critico: è un sito in cui, mediante simulazioni di campo e.m., con i dati di impianto alla massima potenza, sono stati individuati valori di campo elettrico non inferiori a 5 V/m in punti dove devono essere rispettati i valori di attenzione e gli obiettivi di qualità di 6 V/m. In collaborazione con 34

35 Siti critici in aree urbane Dettaglio provincia di Bologna 16% 4% Siti non critici Siti critici Bologna Siti critici comuni provincia 80% Bologna Città Criticità in centro storico Criticità in area periferica 34,86% 38,53% contributi singoli 44% concomitanza siti adiacenti cositing 56% 26,61% In collaborazione con 35

36 Esposizione reale in un sito urbano Sito analizzato Gestore 1: 3 celle: UMTS Puntamento: 60, 180, 300 N Centro elettrico: m. Gestore 2: 3 celle: GSM, DCS, UMTS Puntamento: 100, 250, 350 N. Centro elettrico: m In collaborazione con 36

37 Esposizione reale in un sito urbano Localizzazione dei punti di valutazione In collaborazione con 37

38 Esposizione reale in un sito urbano Simulazione a potenza massima Valori simulati compresi tra V/m, considerando 1 V/m di fondo elettromagnetico. Quota simulazione: 24.7 m In collaborazione con 38

39 Esposizione reale in un sito urbano Analisi dell'esposizione I valori di esposizione misurati, anche in continuo, sono al di sotto di quelli previsionali. Ciò è imputabile principalmente a due effetti: l assunzione sui massimi livelli di potenza e il modello di propagazione in spazio libero L analisi con un algoritmo di raytracing, in linea con quanto previsto dalla Guida CEI , consente di caratterizzare in modo più realistico la propagazione, anche assumendo i valori massimi di potenza in trasmissione In collaborazione con 39

40 Esposizione reale in un sito urbano Analisi dell'esposizione di un sito UMTS Sito UMTS, con sola portante accesa, con HSPA enabled, 3 Tx K tilt 0 Per tutte le simulazioni si è considerato 0 V/m di fondo elettromagnetico Simulazione eseguita all altezza del centro elettrico: 30,8 m di quota In collaborazione con 40

41 Esposizione reale in un sito urbano Andamento della potenza e del traffico durante una giornata IVREA CENTRO - 1 settembre 2010 (dettaglio orario) % POTENZA Erlang_TOTALI ORE La potenza effettiva emessa da una BS è tipicamente molto inferiore alla potenza massima, La Guida CEI prevede la valutazione statistica, comunque cautelativa, dell esposizione attraverso l impiego di fattori che tengano conto opportunamente della riduzione della potenza emessa rispetto al massimo. In collaborazione con 41

42 Conclusioni La liberazione delle frequenze del Dividendo Digitale a 800 MHz appare economicamente sostenibile. I vantaggi per gli operatori mobili sono notevoli e vanno oltre il risparmio in termini di investimento per il deployment delle reti. Il rilascio del Dividendo Digitale ai sistemi IMT richiederà un periodo transitorio, durante il quale dovranno essere valutati con attenzione gli aspetti di coesistenza tra sistemi DTT e IMT, anche a livello di coordinamento internazionale. Il quadro normativo italiano in materia di radioprotezione è particolarmente restrittivo e pone vincoli per l utilizzo del cositing. Una piena applicazione delle norme tecniche vigenti consente di tutelare la popolazione facilitando il deployment delle reti. 42