Relazione sui benefici teorici derivanti da tilt verticale e reti SFN

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1 Ottimizzazione dei progetti di impianto di trasmettitori televisivi ai fini della massimizzazione dell efficienza d uso della risorsa radioelettrica e del rispetto dei vincoli di coordinamento internazionali Relazione sui benefici teorici derivanti da tilt verticale e reti SFN

2 Sommario 1 Sigle e abbreviazioni Premessa Finalità del documento Struttura del documento Elementi di sintesi dei diagrammi di antenna per il broadcast televisivo Generalità sul progetto di antenne per diffusione televisiva Solido di radiazione del sistema radiante Diagramma verticale Diagramma orizzontale Considerazioni economiche sulla realizzazione e modifica degli impianti televisivi Analisi teorica dei miglioramenti ottenibili tramite applicazione e ottimizzazione del tilt verticale Introduzione Metodologie di approssimazione del diagramma di radiazione Metodi di previsione del campo elettromagnetico Collegamenti radio in presenza di ostacoli Metodo di calcolo Rec. ITU-R Stima dei benefici ottenibili tramite tilt verticale dell antenna Obiettivo delle analisi Caratterizzazione dello scenario di valutazione Algoritmo di calcolo Risultati in situazioni generiche Analisi di alcuni casi specifici di trasmettitori potenzialmente interferenti verso l estero Conclusioni e indicazioni per le attività future Benefici teorici ottenibili tramite l implementazione di reti SFN per trasmissioni DVB-T Introduzione Architetture di rete per trasmissioni DVB-T Caratterizzazione del canale di trasmissione DVB-T: modi di funzionamento Gestione dell auto-interferenza in reti SFN Efficienza di reti televisive SFN nazionali, regionali e locali Reti nazionali Reti regionali Reti locali Conclusioni e attività future Riferimenti Sigle e abbreviazioni Le sigle ed abbreviazioni utilizzate nel presente documento hanno i significati qui sotto riportati. ARPA DVB-T MFN SFN Agenzia Regionale Protezione Ambiente Digital Video Broadcasting Terrestrial Multi-Frequency network Single Frequency Network i

3 2 Premessa 2.1 Finalità del documento Per affrontare un processo realistico di ottimizzazione del diagramma verticale ai fini del rispetto dei vincoli di interferenza internazionali, la prima fase del progetto è consistita in un analisi generale in due direzioni distinte: 1) gli aspetti di base del progetto di antenne per sistemi televisivi; 2) la stima teorica dei benefici ottenibili dal tilt verticale in termini di riduzione dell interferenza prodotta nell ipotesi di mantenere l area di servizio. Per quanto riguarda il progetto di antenne, sono state svolte simulazioni software dei diagrammi di antenna ottenibili al variare del numero e della configurazione dei pannelli, con l obiettivo di trarre indicazioni di carattere generale sulla direttività verticale realisticamente realizzabile e quali modalità di realizzazione sono possibili. Nonostante il reale progetto di diagrammi di antenne sia, nei casi critici, un processo complesso che deve affrontare diverse difficoltà tecniche non sempre prevedibili, ai fini del presente progetto sono possibili semplificazioni che comunque permettono una stima della complessità di realizzazione di un antenna che rispetti le caratteristiche stabilite. La seconda direzione di indagine è stata volta a identificare, almeno in prima approssimazione, le situazioni in cui è possibile avere una riduzione significativa dell interferenza prodotta dall ottimizzazione del diagramma verticale di antenna, e la relativa complessità del progetto di antenna. A tal fine è stato realizzato un programma software a parametri completamente modificabili dall esterno che implementa un algoritmo per il calcolo della distanza di interferenza. Tramite tale strumento, è possibile valutare in modo immediato i potenziali benefici ottenibili da una parte incrementando la direttività verticale dell antenna, dall altra identificando il valore ottimale del tilt. Infine, il documento contiene una presentazione dei principali aspetti delle reti SFN e discute i benefici in termini di efficienza spettrale ottenibili per le reti DVB-T con questo tipo di architettura di rete. 2.2 Struttura del documento Il documento è composto essenzialmente da due parti distinte, la prima dedicata al progetto di antenne e la seconda dedicata alla stima teorica dei benefici ottenibili dal tilt verticale. La prima sezione (capitolo 3 del documento), dopo un introduzione generale al progetto dei sistemi radianti, presenta un analisi del diagramma verticale delle antenne televisive ottenibile al variare dei parametri principali di progetto, quali numero di pannelli, distanza tra essi, sfasamento dei pannelli, fornendo inoltre una regola generale per il calcolo dell apertura del lobo principale; inoltre, si esaminano le caratteristiche di base della realizzazione meccanica o elettrica del tilt verticale. La sezione si chiude con considerazioni generali sugli aspetti economici legati alla realizzazione o alla modifica di antenne televisive. La seconda parte (capitolo 4 del documento) contiene la descrizione del modello teorico utilizzato per le stime; quindi sono mostrati e discussi i risultati ottenuti in situazioni generiche di riferimento; infine, il modello è applicato ad alcuni casi reali di trasmettitori potenzialmente interferenti. Il capitolo 5 discute le conclusione e le indicazioni per le attività future. 2

4 Il capitolo 6 è dedicato alle reti SFN, di cui sono presentati i principali aspetti per la realizzazione di reti televisive. I benefici ottenibili in termini di efficienza spettrale rispetto alla tecnica MFN sono discussi in relazione alla situazione televisiva italiana e alle diverse estensioni di reti televisive. 3 Elementi di sintesi dei diagrammi di antenna per il broadcast televisivo 3.1 Generalità sul progetto di antenne per diffusione televisiva La pianificazione delle reti di trasmettitori radiotelevisivi spesso impone ai progettisti la necessità di trovare adeguati compromessi per soddisfare specifiche tra loro contrastanti. E tipica la situazione in cui i progettisti hanno il vincolo da una parte di fornire il servizio all interno di un area tramite un trasmettitore disponibile e su una certa frequenza, e dall altra la necessità di non sconfinare con la potenza del segnale per evitare indesiderate interferenze nell area di servizio di un altro trasmettitore che opera sulla stessa frequenza. Un caso particolarmente critico di questo problema si presenta quanto il contorno dell area di servizio viene a trovarsi anche parzialmente in corrispondenza dei confini nazionali. In questi casi una poco adeguata pianificazione delle frequenze e dell area di copertura rischia non solo di compromettere rapporti di buon vicinato ma anche di far incorrere in sanzioni conseguenti al mancato rispetto degli accordi internazionali. Le dimensioni e la forma dell area di copertura e dell area di possibile interferenza, una volta fissata la posizione del trasmettitore, sono determinate dal diagramma di radiazione del trasmettitore. Combinando vari tipi di antenne ed agendo opportunamente su parametri sia geometrici che elettrici è possibile sagomare con notevoli gradi di libertà il diagramma complessivo di un sistema radiante. In linea teorica, le antenne di un impianto potrebbero essere collocate ed alimentate in infinite modalità, tuttavia nei casi pratici i sistemi radianti assumono configurazioni standard. Tipicamente le antenne elementari o pannelli sono montate in strutture verticali dette cortine o facce che a loro volta vengono fissati intorno ad una torre che ne rappresenta la struttura portante e a cui è affidato anche il compito di ospitare tutti gli apparati accessori e di incanalare i cavi necessari a distribuire il segnale ai vari pannelli. Ciascuna cortina è caratterizzata dal numero dei pannelli che la compongono e dal proprio orientamento sul piano orizzontale. Nel seguito faremo riferimento esclusivamente a sistemi in cui le cortine siano ortogonali fra loro e siano costituite da pannelli tutti uguali ed equidistanti. I diagrammi di radiazione presentati nel seguito sono calcolati, a partire dalla struttura dell antenna, tramite il software WinRPT; tale software offre una notevole flessibilità nella definizione dei sistemi radianti da simulare e dispone di un archivio aggiornabile in cui sono disponibili la maggior parte delle antenne elementari commerciali. 3

5 3.2 Solido di radiazione del sistema radiante Allo scopo di sagomare il solido di radiazione di un sistema radiante, si fa in modo che i campi delle singole antenne elementari interagiscano costruttivamente nelle direzioni volute e distruttivamente nelle altre direzioni. L elenco seguente contiene i parametri su cui si può agire per modificare il diagramma di radiazione: 1. la configurazione geometrica dell intero sistema; 2. la disposizione relativa degli elementi (e. g. gli angoli fra le cortine e le distanze fra i pannelli); 3. la ripartizione della potenza fra i vari elementi; 4. lo sfasamento del segnale destinato a ciascun elemento; 5. i diagrammi di radiazione delle singole antenne elementari. Nell ipotesi che i pannelli siano tutti uguali e che la mutua interazione fra essi sia trascurabile, è possibile applicare il principio di moltiplicazione dei diagrammi di radiazione espresso dalla seguente formula: E tot F E, s p dove E tot e E p sono rispettivamente il campo totale del sistema radiante mentre F s è un fattore, generalmente complesso, che dipende da come sono disposte geometricamente le antenne e da come esse sono alimentate. L applicazione della formula nel caso generale può presentare complicazioni analitiche non indifferenti, ma, come vedremo, in alcuni casi particolari può essere utilmente e facilmente applicata per giungere a risultati sufficientemente aderenti alla realtà. Nel seguito, per semplicità, non faremo riferimento al solido di radiazione globale ma affronteremo separatamente lo studio dei diagrammi d antenna verticali ed orizzontali Diagramma verticale Un modello che ben si adatta allo studio del diagramma verticale di una cortina reale è quello degli array lineari uniformi purché siano rispettate alcune ipotesi. In particolare i pannelli debbono essere: tutti uguali (cioè con lo stesso diagramma di radiazione); disposti lungo una retta; equidistanti; 4

6 alimentati con ampiezza costante e sfasamento progressivo; la loro mutua interazione sia trascurabile. Tali ipotesi sono in genere abbastanza ben rispettate dalle cortine dei sistemi radianti normalmente in esercizio Numero dei pannelli e distanza fra essi Un parametro particolarmente adeguato per rappresentare la direzionalità verticale di un antenna è l ampiezza del lobo principale, cioè l angolo compreso fra i due punti di minimo (eventualmente zeri) immediatamente adiacenti alla direzione in cui il campo ha la massima intensità. Senza entrare nel dettaglio della trattazione teorica, che è comunque facilmente reperibile in letteratura [1], ci limitiamo a riportare che è possibile dimostrare che, per il caso in oggetto, l ampiezza del lobo principale del diagramma verticale può essere espresso dalla seguente formula: arccos 2 n d 2, dove è la lunghezza d onda del segnale, n è il numero delle antenne elementari e d è la distanza fra esse. La formula può essere anche espressa nella forma seguente cos sen n d che per piccoli valori di /( n d) può essere approssimata con l espressione: 2 n d. Tenendo conto che f c, l angolo può essere così espresso in funzione della frequenza: 2c n d f. L espressione sopra si può esprimere in gradi in funzione della distanza fra i pannelli (espressa in metri) e della frequenza espressa in MHz: n d f. Le valutazioni, effettuate su un grande numero di cortine facendo variare entro ampi margini il numero dei pannelli, il tipo dei pannelli e la frequenza di centro banda del segnale, hanno sostanzialmente confermato tale approssimazione. Tali valutazioni sono riassunte nel grafico di Figura 3.1, in cui si nota che i valori di ampiezza del lobo principale in funzione dell inverso del prodotto n d f risultano sensibilmente allineati con l origine degli assi. 4 5

7 La retta di regressione ha un coefficiente angolare pari a praticamente uguale ad ed il coefficiente di correlazione risulta y = 34650x R 2 = 0, φ /(n d f c ) Figura 3.1. Grafico di dispersione relativo ad una campagna di simulazioni effettuate su vari tipi di sistemi radianti. La posizione di ogni punto rappresenta il risultato di un esperimento. L ascissa e l ordinata sono rispettivamente l inverso del prodotto n d f c e l ampiezza del lobo principale φ in gradi. Come frequenza f c è stata assunta quella di centro banda. Al grafico è stata sovrapposta la retta di regressione ottenuta imponendone il passaggio per l origine. Una volta fissata la frequenza, l ampiezza del lobo principale dipende soltanto dal prodotto del numero dei pannelli per la loro distanza, ma a parità di tale prodotto i diagrammi ottenuti possono differire notevolmente a causa della comparsa di lobi secondari. Questi crescono in numero ed intensità all aumentare della distanza fra i pannelli, fino a diventare comparabili col lobo principale quando tale distanza si avvicina alla lunghezza d onda del segnale. In Figura 3.2 sono messi a confronto due diagrammi verticali relativi a due cortine che condividono lo stesso prodotto n d ma hanno un diverso numero di pannelli. L ampiezza del lobo principale è la stessa, ma nel diagramma di destra, ottenuto con un numero più piccolo di pannelli più distanziati, cominciano ad apparire lobi secondari non trascurabili. Per evitare tale inconveniente generalmente i pannelli sono montati a distanze non superiori a / 2. 6

8 Figura 3.2 Diagrammi verticali di due cortine Kathrein con prodotto n d = 720. Il diagramma di sinistra è stato ottenuto con 6 pannelli a distanza di 1.2 m, mentre il diagramma di destra è stato ottenuto con 4 pannelli a distanza di 1.8 m. L ampiezza del lobo è la stessa, ma nella cortina con i pannelli più distanziati cominciano ad evidenziarsi significativi lobi secondari Il tilt verticale Una inclinazione del lobo principale del diagramma verticale può essere ottenuta sia inclinando fisicamente i pannelli del sistema radiante sia operando una opportuna e progressiva sfasatura del segnale che viene distribuito a ciascun pannello. A seconda del sistema adottato si parla rispettivamente di tilt meccanico o di tilt elettrico Tilt meccanico Le prove effettuate non incoraggiano particolarmente tale soluzione. A titolo di esempio, in Figura 3.3 sono confrontati due diagrammi verticali relativi ad una cortina costituita da quattro pannelli Kathrein. Nel diagramma di sinistra è rappresentato il diagramma del sistema radiante privo di tilt meccanico, mentre in quello di destra è mostrata la situazione ottenuta dopo aver applicato a ciascuno dei quattro pannelli un inclinazione di ben dieci gradi. Figura 3.3. Diagrammi verticali di una cortina costituita da quattro pannelli Kathrein. Il diagramma di destra mostra il risultato ottenuto in seguito all applicazione di un tilt meccanico di 10 gradi. 7

9 Una maggiore efficienza si può ottenere associando al tilt meccanico un progressivo allontanamento dei pannelli dall asse del sistema radiante, procedendo dal basso verso l alto in modo da mantenere comunque allineati i pannelli. Come ci si attende, in tale situazione il diagramma verticale risultante è praticamente il diagramma della cortina originaria ruotato rigidamente di un angolo pari al tilt. In realtà, a rigore non sarebbe corretto considerare il nuovo sistema come ottenuto in seguito ad una semplice rotazione della cortina originaria. Questo perché, come è mostrato in Figura 3.4, all allontanamento dei pannelli dall asse del sistema radiante corrisponde anche un piccolo allontanamento dei pannelli fra loro, per cui le distanze fra i centri dei pannelli non sarebbero più d, ma d/cosα. Asse verticale del sistema radiante d d cos Pannelli α θ Figura 3.4 Rappresentazione schematica di una cortina ai cui pannelli sono applicati contemporaneamente un tilt meccanico pari ad α ed un allontanamento dall asse verticale del sistema radiante. Tale correzione, che avrebbe comunque l effetto positivo di ridurre l ampiezza del lobo è da ritenersi trascurabile per angoli piccoli. È evidente che una soluzione del genere comporterebbe un intervento strutturalmente più complesso e conseguentemente più costoso rispetto a quella di inclinare semplicemente i pannelli. Va inoltre considerato che tale metodo non potrebbe essere applicato a cortine con un numero di pannelli superiore a quattro senza correre il rischio di pregiudicare seriamente la stabilità dell intera struttura. In pratica, l implementazione di un tilt meccanico può essere ragionevole per antenne composte da uno o due pannelli Tilt elettrico A titolo di esempio la Figura 3.5 riporta il diagramma di radiazione ottenuto applicando allo stesso sistema radiante dell esempio precedente un tilt elettrico. Procedendo dal basso verso l alto, a ciascun pannello è stato applicato uno sfasamento del segnale progressivo e lineare di 20 rispetto al pannello precedente. Si noti che anche se l effetto è ottenuto agendo solamente su parametri elettrici, la sua attuazione pratica richiede comunque, oltre alla riprogettazione della lunghezza dei cavi, un intervento meccanico sul sistema radiante per modificare tali lunghezze. 8

10 Figura 3.5. Diagramma verticale ottenuto applicando uno sfasamento del segnale di 20 gradi a pannello Diagramma orizzontale Mentre per progettare il diagramma verticale è possibile applicare i risultati teorici relativi agli array lineari uniformi, non si può utilizzare un approccio analogo per i diagrammi orizzontali applicando, per esempio, la teoria degli array circolari. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le cortine di un sistema radiante possono avere caratteristiche notevolmente diverse fra loro, per cui è necessario affrontare il problema caso per caso. Poiché lo scopo che di solito ci si propone è quello di sagomare il diagramma in modo tale che in prefissate direzioni siano presenti dei minimi, può essere utile tener conto che in generale i segnali provenienti da due cortine in fase fra loro interagiscono positivamente lungo la bisettrice. Ciò implica che il principale parametro su cui conviene operare è lo sfasamento del segnale. In Figura 3.6 sono confrontati i diagrammi relativi ad un sistema radiante costituito da due cortine identiche ed ortogonali. Nel primo caso i segnali sono in fase mentre nel secondo sono sfasati di 180. Figura 3.6. Diagrammi orizzontali di un sistema radiante costituito da due cortine poste a 90. Nel primo caso non c è sfasamento del segnale. Nel secondo caso è stato applicato uno sfasamento di

11 3.3 Considerazioni economiche sulla realizzazione e modifica degli impianti televisivi Una valutazione quantitativa e particolareggiata dei costi associati alle possibili modifiche da apportare agli impianti televisivi richiede esperienza nella realizzazione di antenne che esulano al momento dal carattere prevalentemente tecnico del presente lavoro. È comunque possibile, sulla base di quanto si è detto nei paragrafi precedenti, esporre alcune considerazioni generali e di carattere esclusivamente qualitativo per confrontare l entità delle modifiche da apportare con le possibili spese che dovrebbe affrontare chi fosse costretto ad ottimizzare il proprio impianto. A tale scopo può essere utile riproporre in ordine decrescente di sostenibilità economica i vari interventi che è possibile attuare per ottimizzare le prestazioni di un sistema radiante: riduzione della potenza; ridistribuzione della potenza fra i vari elementi del sistema; tilt elettrico; sfasamento del segnale fra le cortine; tilt meccanico; aumento del numero dei pannelli; ricostruzione dell intero sistema radiante in un altro sito. Il criterio utilizzato per ordinare le suddette voci non è privo di arbitrarietà, ma può essere un ragionevole punto di partenza per addentrarsi in alcune considerazioni di carattere generale. È stato dato per scontato, ad esempio, che un intervento di tipo elettrico sia meno costoso di un intervento di tipo meccanico. Ciò non è sempre vero ed una valutazione effettiva dei costi andrà affrontata caso per caso. Va considerato, infatti, che anche la semplice applicazione di un tilt elettrico o di uno sfasamento del segnale fra le cortine richiede comunque un intervento di ridimensionamento dei cavi e l eventuale aggiunta o sostituzione di apparecchiature accessorie all interno della torre. I costi degli interventi su di un sistema radiante possono variare notevolmente a seconda del tempo necessario per effettuare i lavori, l altezza a cui vanno effettuati, il numero e la composizione delle squadre di operai specializzati necessari e la più o meno agevole accessibilità del sito in cui è collocato il trasmettitore. L entità di tali costi può subire inoltre un notevole incremento nel caso in cui, per motivi statici, sono necessarie modifiche sostanziali dell intera struttura portante. Si può ritenere che, in base alle considerazioni precedenti, il costo di eventuali pannelli aggiuntivi (tipicamente nell ordine di poche centinaia di Euro per pannello) possa essere ritenuto trascurabile rispetto alle spese da sostenere per la loro installazione. Un altro aspetto da non trascurare è legato alle procedure amministrative che è tenuto a seguire chiunque intenda apportare modifiche anche minime ad un impianto. Nessuna modifica, infatti, può essere effettuata senza la preventiva autorizzazione delle relative ARPA competenti, alle quali, in ottemperanza alla Legge 10

12 quadro n. 36/2001, sono state affidate le funzioni di controllo e di vigilanza sanitaria ed ambientale. L entità degli oneri economici da sostenere per tali adempimenti non sempre sono facilmente quantificabili perché oltre ai costi fissi, variabili comunque tra le regioni, vanno anche considerati costi fortemente dipendenti dal tipo di modifica apportato, per rientrare nei canoni previsti per il rilascio delle autorizzazioni. In conclusione, ed in vista di eventuali e più approfondite analisi economiche quantitative relative a casi specifici, possiamo suddividere i costi relativi alla modifica di un impianto secondo le seguenti tipologie: costi fissi e variabili degli adempimenti amministrativi; costi dei materiali e delle apparecchiature; costi di progettazione; costi delle installazione e di tutti gli interventi da effettuare sulla torre; costi delle verifiche finali. 4 Analisi teorica dei miglioramenti ottenibili tramite applicazione e ottimizzazione del tilt verticale 4.1 Introduzione Dal punto di vista della diffusione del segnale sul territorio, le antenne sono caratterizzate mediante il diagramma di radiazione, che sinteticamente si può definire come una misura dell efficienza di radiazione della potenza elettromagnetica nelle diverse direzioni. Le antenne trasmittenti di un servizio di radio diffusione devono coprire un area: la loro efficienza orizzontale (diagramma di radiazione orizzontale) sarà quindi relativamente uniforme nel piano orizzontale, almeno su angoli di irradiazione abbastanza ampi. Diversa è la situazione del diagramma di radiazione verticale, relativamente al quale, per evitare sprechi di potenza ed interferenze indebite a grande distanza, la potenza può vantaggiosamente essere concentrata verso una direzione di puntamento che consenta di servire in maniera ottimale l area designata. Le antenne a pannelli sono quelle più comunemente usate per ottenere questi scopi: i pannelli possono essere selezionati in base delle caratteristiche di radiazione nel piano orizzontale ed essere opportunamente composti in numero adeguato per ottenere le caratteristiche di radiazione desiderate nel piano verticale. Dal punto di vista delle antenne riceventi la situazione è differente in funzione della mobilità dell utente. Per utenti fissi, idealmente la direzione da cui raccogliere il segnale imporrebbe la scelta di un diagramma estremamente efficiente verso una sola direzione orizzontale e verticale. Questo è ottenuto, ma solo in modo parziale, mediante le classiche antenne per captare i segnali televisivi solitamente poste sui tetti delle abitazioni che permettono di discriminare in modo economicamente sufficiente la direzione desiderata. Ovviamente la situazione nel caso di utenza mobile è completamente diversa perché la direzione relativa all antenna trasmittente non può essere predeterminata: da qui l impiego in ricezione di antenne non discriminanti orizzontalmente e poco discriminanti verticalmente. L approssimazione del diagramma di radiazione tramite semplici funzioni matematiche è molto utile in una fase di stima degli effetti delle variazioni dei principali parametri delle antenne. In questo modo, infatti, è possibile far variare i valori dei parametri con continuità ed evidenziare i valori ottimali al variare dello scenario, indirizzando il progetto reale che si incaricherà di implementare una soluzione ottimale nella 11

13 maniera più fedele possibile. In particolare, nel seguito si assumerà che il diagramma verticale sia costituito dal solo lobo principale. La progettazione di diagrammi reali deve affrontare diverse tipologie di effetti negativi creati dall insorgere di lobi secondari; grande cura deve essere dedicata, nei progetti complessi composti da molti pannelli, a sagomare il diagramma tramite i valori di fase al fine di evitare minimi o massimi in direzioni che per il sito in esame creano effetti indesiderati, ad esempio discontinuità di copertura all interno dell area di servizio. Questa esigenza spesso si riesce a soddisfare solo a prezzo di una riduzione nella direttività effettiva realizzabile con il numero di pannelli a disposizione. 4.2 Metodologie di approssimazione del diagramma di radiazione Il diagramma di antenna può essere modellato con diversi gradi di approssimazione basandosi semplicemente su due parametri: Angolo di apertura del diagramma orizzontale (lobo principale); Angolo di apertura del diagramma verticale (lobo principale). Un primo semplice modello di antenna può essere quello in cui si assume guadagno costante unitario all interno dell angolo di apertura ed una perdita costante e consistente (ad esempio 26 db) al di fuori (v. 0). Questo modello è denominato gradino. guadagno (E/E 0 ) 1 (0 db) 0,7 (-3 db) 0,05 (-26 db) angolo ( ) Figura 4.1 Diagramma di radiazione semplificato a gradino Questo modello può essere successivamente raffinato, ad esempio con un approssimazione parabolica (anziché a gradino) del lobo principale (v. 0). guadagno (E/E 0 ) 1 (0 db) 0,7 (-3 db) 0,05 (-26 db) angolo ( ) Figura 4.2 Diagramma di radiazione semplificato con approssimazione parabolica del lobo principale 12

14 Un ulteriore raffinamento del metodo può essere ottenuto cercando di modellare con maggiore accuratezza anche l andamento del diagramma di radiazione dell antenna al di fuori del lobo principale. Un approssimazione di questo genere è mostrata in 0, dove il diagramma di radiazione è prolungato mediante la tangente alla parabola negli estremi del lobo a 3 db. Questo modello è denominato parabola + tangente. guadagno (E/E 0 ) 1 (0 db) 0,7 (-3 db) 0,05 (-26 db) angolo ( ) Figura 4.3 Diagramma di radiazione semplificato con approssimazione parabolica del lobo principale e prolungamento lineare Un estensione di questa metodologia porta a ripetere la stessa approssimazione anche per eventuali lobi secondari caratterizzati da massimi relativi significativi rispetto al massimo assoluto. 4.3 Metodi di previsione del campo elettromagnetico Collegamenti radio in presenza di ostacoli Per la valutazione dell attenuazione dei collegamenti radiotelevisivi è spesso necessario tener conto oltre che della visibilità radio e della conseguente attenuazione di spazio libero, anche di una componente aggiuntiva dovuta alla diffrazione del segnale per la presenza di ostacoli naturali che ostruiscono il collegamento. Ad esempio, nella Figura 4.5 si mostra un esempio reale della geometria di collegamento tra un sito trasmittente ed un sito ricevente. La curva congiungente i due siti è quella a minima lunghezza sulla superficie terrestre. Nella valutazione dell attenuazione supplementare si considera generalmente il contributo dovuto alla propagazione elettromagnetica lungo questa congiungente. Non sono considerati rilevanti altri possibili contributi (quali quelli dovuti alla riflessione da ostacoli naturali o artificiali presenti nell'area prossima alla congiungente come ad esempio, palazzi presenti in prossimità del punto di trasmissione o di ricezione). 13

15 Figura 4.5 Proiezione piana della linea congiungente trasmettitore e ricevitore Nella Figura 4.6 è rappresentato il profilo terrestre lungo la congiungente: il profilo è rettificato per tenere conto della curvatura della superficie terrestre e della variabilità dell'indice di rifrazione dell'aria in funzione dell'altezza dal suolo. Il caso in esame non presenta una situazione di visibilità ottica tra i due siti. Per individuare quali tra gli ostacoli ostruenti contribuiscono significativamente all attenuazione supplementare a quella di spazio libero si utilizza il metodo della corda tesa evidenziato n Figura 4.6: con riferimento alla situazione orografica rappresentata in Figura 4.6 vengono definiti come ostacoli tutte le cime del profilo altimetrico trasmettitore-ricevitore toccate da una corda idealmente tesa tra i due terminali. In particolare nel caso in esame esistono due ostacoli rilevanti per la propagazione elettromagnetica. Figura 4.6 Altimetria del territorio lungo la congiungente L'intensità di campo al ricevitore è determinata in ragione dell'attenuazione che il segnale subisce lungo il percorso della congiungente: nel caso in esame, i fattori che determinano l'attenuazione del segnale sono la naturale diffusione in direzione radiale della potenza elettromagnetica (perdita in spazio libero) e la perdita di intensità del segnale dovuta alla presenza degli ostacoli (perdita per diffrazione). La perdita per diffrazione valuta l'impatto, in termini di dispersione dell'energia, dello scavalcamento dell'ostacolo: la 14

16 propagazione non avviene lungo la congiungente diretta ma si "appoggia" sulla sommità dell'ostacolo per raggiungere il sito di ricezione (così come mostrato in 0 dalla linea spezzata rappresentata). È importante infine precisare che il valore dell'attenuazione determinato dai metodi di previsione è relativo al 50-esimo percentile della distribuzione statistica del campo nell'area circostante il punto ricevente: per ottenere la distribuzione ad un diverso percentile si ipotizza che la distribuzione statistica nell'area circostante il ricevitore sia di tipo log-normale (distribuzione di tipo normale in scala logaritmica). La deviazione standard della distribuzione è funzione del tipo di ingombro ambientale dell'area e della frequenza portante del segnale Metodo di calcolo Rec. ITU-R 1546 Questo modello [3] è costituito da una serie di curve empiriche che forniscono il campo ricevuto in funzione della distanza per ERP pari a 1 KW, per altezza del ricevitore pari a 10 m (ricezione televisiva fissa). Le curve sono fornite per diversi valori di frequenza (100 MHz, 600 MHz, 2000 MHz), altezza efficace del trasmettitore, caratterizzazione del territorio tra trasmettitore e ricevitore (Land, Cold Sea, Warm Sea) e per diversi percentili (50%, 10%, 1%) di disponibilità temporale. La Rec. ITU 1546 definisce inoltre le metodologie per l interpolazione di ognuno dei parametri menzionati al fine di ottenere il campo ricevuto corrispondente a qualsiasi valore di ognuno di essi nell intervallo di validità. Inoltre, è previsto un algoritmo per il calcolo del campo quando il percorso tra trasmettitore e ricevitore comprende sia tratti di terra che tratti di mare. Il calcolo del campo ricevuto con questo modello non considera eventuali informazioni dettagliate sull orografia del territorio, se non per il calcolo del valore di altezza efficace dell antenna. Tuttavia esso costituisce un riferimento realistico per le predizioni di campo in condizioni di visibilità. 4.4 Stima dei benefici ottenibili tramite tilt verticale dell antenna Obiettivo delle analisi Le analisi teoriche presentate in questa sezione hanno l obiettivo di mettere in luce in quali situazioni geografiche è possibile avere benefici significativi in termini di riduzione della distanza di interferenza dall applicazione di tilt verticale dell antenna trasmittente. In generale, l introduzione di un tilt verticale permette di selezionare alcune direzioni sul piano verticale in cui concentrare la potenza del trasmettitore, riducendo la potenza irradiata nelle direzioni vicine all orizzonte, causa dell interferenza verso regioni limitrofe. In linea di principio, il beneficio massimo si ottiene trasmettendo il massimo di potenza nella direzione verticale che punta all area di servizio, e allo stesso tempo trasmettendo col minimo di potenza nella direzione prossima all orizzonte in cui si trova l area da proteggere dall interferenza. Non sempre è possibile realizzare antenne che soddisfino questa situazione ottima, in quanto la direttività verticale e la precisione di puntamento richiesta potrebbero essere eccessive o anche semplicemente troppo costose da realizzare. Assumendo di disporre di antenne fisicamente realizzabili e disponibili, risulta evidente che i benefici sono maggiori e possono diventare significativi tanto più l area di copertura è vista sotto un angolo inferiore a 0, cioè quando il trasmettitore si trova in alto rispetto ad un area di copertura relativamente vicina. Inoltre, 15

17 considerato che le aree di servizio televisive sono generalmente almeno di raggio pari a 10 km e quindi le aree di servizio sono viste sotto angoli piccoli, i benefici sono maggiori quanto più accentuata è la direttività sul piano verticale, ovvero tanto più è stretto il lobo principale. Le analisi sono state inizialmente rivolte a situazioni generali, caratterizzate dai valori di altezza efficace dell antenna e dal valore desiderato della distanza dell area di servizio. Al variare di questi parametri, si è valutata la riduzione della distanza di interferenza, all aumentare del tilt applicato all antenna, per vari gradi di direttività. In seguito, la stessa analisi è stata effettuata considerando alcune situazioni notoriamente critiche per l interferenza verso l estero Caratterizzazione dello scenario di valutazione Le analisi eseguite considerano lo scenario più semplice per la valutazione degli effetti del tilt verticale; da questo scenario semplice possono essere derivati per composizione gli scenari più complessi. Si considera una sola direzione nel piano orizzontale, che definisce sia l area di servizio che l area su cui ci sono vincoli all interferenza. Assumendo il modello di propagazione ITU 1546, il campo ricevuto è una funzione decrescente della distanza, per cui useremo i termini distanza di servizio e distanza di interferenza, intendendo con quest ultima la distanza massima per cui il campo ricevuto è superiore ai livelli accettabili di interferenza. Questo semplice caso non si applica completamente ai casi reali, in cui l attenuazione non è necessariamente crescente con la distanza. Tuttavia, esso fornisce una stima che in prima approssimazione si applica a molti casi reali. Inizialmente si calcola il valore di potenza che deve essere irradiato per produrre il valore di campo utile minimo nel punto più lontano dell area di servizio. Si calcola quindi la distanza di interferenza nell ipotesi di antenna omnidirezionale con ERP pari al livello di potenza calcolato. A questo punto, si applica via via un tilt sempre maggiore ad un diagramma di antenna di apertura prefissata; mantenendo invariata la potenza irradiata nella direzione del punto estremo dell area di servizio, si ricalcola il valore della distanza di interferenza. Si noti che può succedere che, aumentando il tilt oltre il valore dell angolo della congiungente tra trasmettitore e limite dell area di servizio, l antenna risulti puntata verso un punto più vicino del raggio di copertura. In questo caso si assume che ci sia un volontario spreco di potenza (la direzione verso cui è puntato il massimo dell antenna non è quella di massima attenuazione) al fine di produrre una minore interferenza all orizzonte. Questa strategia per la limitazione dell interferenza (illustrata nella figura 4.7) può essere realistica. 16

18 Figura 4.7 Il tilt ottimale può risultare in corrispondenza del lobo principale puntato più vicino dell area di servizio; in questo caso le zone ai limiti dell area di servizio sono servite con la parte alta del lobo. Lo spreco di potenza è compensato dal maggior guadagno rispetto alla direzione dell area interferita Algoritmo di calcolo Per valutare l impatto del tilt verticale delle antenne di trasmissione degli impianti televisivi digitali di ridurre l ampiezza delle zone di interferenza è valutata tramite il calcolo della distanza di interferenza al variare del tilt e della direttività verticale dell'antenna, per diversi valori della distanza di servizio e dell altezza efficace dell antenna trasmittente. Il primo passo dell algoritmo di calcolo è la valutazione del valore di potenza irradiata dal trasmettitore televisivo necessario per garantire la copertura del servizio; tale valore è funzione della soglia minima di campo, dall altezza del trasmettitore e dall ambiente di propagazione (es. collina, pianura, montagna, presenza di tratti di mare). In questa prima fase dell algoritmo si assume il valore del tilt nullo e si determina la distanza di interferenza alla quale il campo ricevuto scende sotto il valore massimo ammissibile. Tali valori sono fissati nelle analisi che seguono: frequenza: 600 MHz soglia di campo minimo per la copertura: 60 dbv/m soglia di campo massimo interferente: 30 dbv/m La stessa procedura descritta sopra viene ripetuta assumendo valori di tilt crescenti fino ad un valore massimo pari a 6 gradi inteso come puntamento massimo dell antenna verso il suolo. I parametri dell antenna sono stati scelti come parametri iniziali di progetto e consentono di modulare l apertura del lobo principale, che in queste valutazioni è modellato con un approssimazione parabolica. La differenza massima ottenibile tra direzione di massimo e qualsiasi direzione nel diagramma tridimensionale dell antenna è assunta pari a 25 db. Il modello di propagazione utilizzato per l algoritmo di calcolo è quello ITU 1546 nelle sue diverse versioni per coperture solo terrestri (Land), per collegamenti che prevedono la presenza di mare (Sea) e per ambienti di propagazione misti terra e mare (Mixed-Path), quest ultimo modello utilizzato per individuare la distanza di interferenza di impianti televisivi che si trovano in prossimità del mare o la cui copertura si estende oltre il confine nazionale attraverso il mare. 17

19 4.5 Risultati in situazioni generiche L impatto sulla distanza di interferenza dovuto all introduzione di un tilt verticale è stato inizialmente analizzato in situazioni generiche che possono costituire un riferimento per le stime in un ampia gamma di situazioni reali; tali analisi sono state svolte facendo variare i seguenti parametri: altezza efficace dell antenna trasmittente (300, 600 e 1200 metri); distanza di servizio (15, 30 e 50 km); ampiezza del lobo principale dell antenna, tra i due minimi (15, 8, 4 ). Le figure che seguono illustrano l andamento della distanza di interferenza in funzione del tilt applicato all antenna, al variare dei parametri sopraindicati. Figura 4.5.1: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 50 km in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). I tre grafici si riferiscono a diversi valori di altezza efficace dell antenna Tx (1200 m, 600 m, 300 m). Modello di propagazione ITU-R 1546 Land (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente). Figura 4.5.2: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 30 km in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). I tre grafici si riferiscono a diversi valori di altezza efficace dell antenna Tx (1200 m, 600 m, 300 m). Modello di propagazione ITU-R 1546 Land (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente). 18

20 Figura 4.5.3: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 15 km in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). I tre grafici si riferiscono a diversi valori di altezza efficace dell antenna Tx (1200 m, 600 m, 300 m). Modello di propagazione ITU-R 1546 Land (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente). Nei grafici, il beneficio del tilt è rappresentato dalla diminuzione della distanza di interferenza, cioè i benefici sono tanto maggiori quanto più le curve hanno tendenza a scendere. La divergenza tra le tre curve di ogni grafico rappresenta l effetto della direttività dell antenna (lobo principale del diagramma verticale più stretto). La distanza di interferenza dipende dalla combinazione dei seguenti fattori, spesso in modi che non sono del tutto prevedibili a priori, e con andamenti non sempre monotoni: tilt dell antenna; altezza del trasmettitore; distanza di servizio; ampiezza del lobo verticale. Si noti ad esempio che la distanza di interferenza per antenne omnidirezionali (corrispondenti nei grafici a tilt=0 ), a parità di distanza di servizio, appare essere una funzione non necessariamente monotona dell altezza efficace (es.: se la distanza di servizio è pari a 50 km, la distanza di interferenza cresce al diminuire dell altezza, mentre per distanza di servizio pari a 15 km la distanza di interferenza cresce al crescere dell altezza; per distanza di servizio pari a 30 km, la situazione è intermedia). Questo effetto è dovuto al fatto che le valutazioni sono fatte a parità di distanza di servizio: mentre l attenuazione diminuisce sempre all aumentare dell altezza (e quindi a parità di potenza irradiata la distanza di interferenza aumenta sempre con l altezza del trasmettitore), l andamento relativo dell attenuazione da modello ITU-R 1546 rispetto all altezza del trasmettitore non è lo stesso per tutte le distanze; può quindi succedere, se l area di servizio è tendenzialmente grande, che per trasmettitori relativamente bassi la maggiore attenuazione sia più che compensata dalla necessità di trasmettere con potenza maggiore per coprire l area di servizio, facendo aumentare la distanza di interferenza. Se ne può concludere che un trasmettitore localizzato più in alto può risultare in certi casi più adatto a contenere l interferenza rispetto ad un trasmettitore a bassa quota, almeno fintantoché il trasmettitore più basso rimane comunque in condizioni di visibilità con la zona di possibile interferenza. Infatti, con un trasmettitore alto si verifica contemporaneamente che la potenza da trasmettere risulta più bassa ed è più facile sagomare il diagramma verticale. Al calare della distanza di servizio, le differenze di potenza richiesta al variare dell altezza diminuiscono, quindi com è da aspettarsi un trasmettitore più basso produrrà meno interferenza rispetto ad uno alto. Con altezza efficace di 300 metri e distanza di servizio pari a 50 km, gli effetti del tilt sulla distanza di interferenza sono piccoli anche per antenne molto direttive: occorre trasmettere un livello relativamente alto 19

21 di potenza per raggiungere l area di servizio, e non c è separazione angolare sufficiente tra area di servizio e area di interferenza da consentire un ampio guadagno dal tilt. Man mano che l altezza del trasmettitore sale (e/o il raggio di servizio cala) l introduzione del tilt appare sempre più vantaggiosa e può portare a notevoli diminuzioni della distanza di interferenza, che possono essere sufficienti a rispettare i vincoli internazionali. Si osserva inoltre per certe combinazioni di altezza efficace e distanza di servizio, all aumentare del tilt si può oltrepassare un valore ottimale e quindi ottenere un rapido peggioramento, ovvero la distanza di interferenza tende a risalire; tale effetto è più marcato tanto più il lobo dell antenna è stretto. Questo è dovuto all eccessiva inclinazione del lobo rispetto ai margini dell area di servizio, per cui l antenna risulta puntata troppo vicino al trasmettitore. Com è evidente, aumentando la direttività dell antenna sul piano verticale diventa più importante la precisione del puntamento. Per illustrare l effetto della propagazione sul mare, riportiamo come esempio la seguente figura, equivalente alla figura 4.5.2, in cui però il campo interferente è calcolato con il modello ITU-R 1546 Mixed Path (ipotesi di area di servizio che termina sulla costa, ovvero propagazione su terra fino alla distanza di servizio e su mare oltre). Figura 4.5.4: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 30 km in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). I tre grafici si riferiscono a diversi valori di altezza efficace dell antenna Tx (1200 m, 600 m, 300 m). Modello di propagazione ITU-R 1546 (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente), Land per segnale utile, Mixed Path per segnale interferente (ipotesi di propagazione su terra fino alla distanza di servizio, propagazione su mare oltre la distanza di servizio). Si osserva che la propagazione su mare comporta un aumento molto sostenuto della distanza di interferenza in caso di antenna omnidirezionale (tilt pari a 0 ); in questo caso, l introduzione di un tilt pronunciato, insieme ad un antenna molto direttiva, nel caso di trasmettitori alti risulta ancora più efficace rispetto al caso di propagazione su terra, permettendo riduzioni molto ampie della distanza di interferenza. Ad esempio, nel nostro modello un antenna con ampiezza 4, tiltata di 3, posta su un trasmettitore di altezza efficace pari a 1200 m, permette di ridurre la distanza di interferenza da 252 km a 75 km. 4.6 Analisi di alcuni casi specifici di trasmettitori potenzialmente interferenti verso l estero In questa sezione sono presentati i risultati delle analisi teoriche con modello ITU-R 1546 applicate ad alcuni siti reali notoriamente causa di interferenza verso l estero. Rispetto agli esempi generici della sezione precedente, in questo caso sono state applicate le altezze e le aree di servizio reali. Inoltre, dove esistono tratti di mare, questi sono stati considerati tramite il modello Mixed-Path. Per ogni sito, la distanza di servizio è considerata pari alla distanza del centro urbano principale servito dagli impianti che vi sono 20

22 realizzati. La distanza di interferenza ottenuta è confrontata con la minima distanza dal paese confinante potenzialmente interferito Monte Paradiso La figura mostra i risultati relativi al sito di Monte Paradiso, calcolati nell ipotesi che il sito limiti la potenza a quella necessaria a coprire la città di Civitavecchia, che si trova a pochi chilometri. Figura 4.6.1: Sito di Monte Paradiso: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 10 km (superiore alla distanza da Civitavecchia) in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). Modello di propagazione ITU-R 1546 (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente), Land per segnale utile, Mixed Path per segnale interferente (ipotesi di propagazione su terra fino alla distanza di servizio, propagazione su mare oltre la distanza di servizio). Il grafico indica che nel caso di Monte Paradiso l applicazione del tilt verticale può agevolmente risolvere problemi di interferenza verso la Corsica; infatti, la distanza di interferenza può scendere sotto valori notevolmente inferiori alla distanza rispetto alla Corsica (190 km, indicata in violetto). 21

23 Monte Serra Figura 4.6.2: Sito di Monte Serra: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 30 km (Livorno) in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). Modello di propagazione ITU-R 1546 (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente), Land per segnale utile, Mixed Path per segnale interferente (ipotesi di propagazione su terra fino alla distanza di servizio, propagazione su mare oltre la distanza di servizio). La linea violetta indica la distanza dalla Corsica. Monte Serra è notoriamente uno dei casi più critici di possibile interferenza verso la Corsica. L introduzione di un tilt verticale con antenna molto direttiva può ridurre notevolmente la distanza di interferenza, ma il rispetto dei vincoli di interferenza è molto critico. Questo sito richiede un analisi specifica molto attenta, perché si tratta di una situazione al limite di fattibilità; inoltre, il costo del progetto a fronte della riduzione di potenza necessaria (e quindi dell area di servizio) potrebbero rendere in pratica inattuabile l uso del sito Piancavallo Figura 4.6.3: Sito di Piancavallo: distanza di interferenza [km] risultante per distanza di servizio pari a 55 km (Udine) in funzione del tilt, per tre valori di ampiezza del lobo verticale dell antenna (15, 8, 4 ). Modello di propagazione ITU-R 1546 (disponibilità temporale 50 % per segnale utile, 1% per segnale interferente), Land. La linea violetta indica la distanza dalla Slovenia. A Piancavallo sono presenti impianti televisivi a diverse quote. La figura contiene i grafici relativi a due diverse altezze tra quelle a cui si trovano gli impianti. Il maggiore centro urbano nell area di servizio è Udine, distante 55 km, mentre la distanza da Koper in Slovenia è pari a 110 km. 22