Jara Jiménez Jorge

CBI ANTENAS INTELIGENTES
UNIVERSIDAD AUTONOMA
METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
DIVISIÓN DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROYECTO TERMINAL
ANTENAS INTELIGENTES
PRESENTAN:
ENRÍQUEZ ANTONIO JOSÉ DANIEL
GONZÁLEZ RODRÍGUEZ JAVIER
JARA JIMÉNEZ JORGE
MENDOZA MORTERA RENÉ
_______________________
DR. ANGEL LAMBERTT LOBAINA
ASESOR
ABRIL 2007.
CBI ANTENAS INTELIGENTES
INDICE
CAPITULO 1.
INTRODUCCIÓN. ................................................................................................. 4
CAPITULO 2.
ANTENAS. .............................................................................................................8
2.1 Campo de irradiación e Inducción. .......................................................... 10
2.2 Ganancia de la antena. ............................................................................. 13
2.3 Modos de propagación de onda ............................................................... 14
2.4 Tipos de antenas........................................................................................17
2.5 Antenas prácticas. .................................................................................... 18
2.5.1 Antena de 1/2 Onda o dipolo.......................................................... 19
2.5.2 Antena Vertical de 1/4 de Onda. .....................................................22
2.5.3 Antena Dipolo en V Invertida. ........................................................24
2.5.4 Antena direccional (o directiva)......................................................24
2.5.5 Antena omnidireccional. ................................................................. 25
2.5.6 Antena sectorial............................................................................... 27
2.5.7 Antena para Espacio Reducido. ......................................................28
2.5.8 Antena Corta con Inductancia. .......................................................28
2.5.9 Antena Corta con Carga Lineal. ......................................................29
2.5.10 Antena Corta con Carga Capacitiva.............................................29
2.5.11Antena Dipolo Multibanda..............................................................30
2.5.12 Antena para VHF y UHF. ............................................................30
2.5.13 Antena Vertical para V-UHF. ...................................................... 31
2.5.14 Antena Direccional para V-UHF. ................................................ 31
2.5.15 Antena Yagi.................................................................................. 32
2.6 Elección de la antena................................................................................ 35
2.7 Altura de la antena. ..................................................................................39
2.8 Antena pequeña. ......................................................................................39
2.8.1 Elementos de una antena pequeña. ................................................40
2.9 Formación de fase de la antena ...............................................................40
2.10 Deterioro de la transmisión. .................................................................. 41
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 3.
PROPAGACIÓN MULTITRAYECTO. .................................................................42
CAPITULO 4.
ANTENAS INTELIGENTES. ............................................................................... 55
4.1 Norma 802.11n de la IEEE. ......................................................................58
4.2 Cómo funcionan las antenas inteligentes. ...............................................58
4.3 Clasificación según su configuración.......................................................60
4.3.1 Haz conmutado. (Switched Beam).................................................. 61
4.3.2 Haz de seguimiento. (scaning)........................................................ 65
4.3.3 Haz adaptativo................................................................................. 67
4.4 Clasificación de los arreglos..................................................................... 73
4.5 Consideraciones para la instalación de una antena................................ 78
CAPITULO 5.
ALCANCE CON ANTENAS INTELIGENTES. .................................................... 79
CAPITULO 6.
AMPLIACIÓN DEL ALCANCE MEJORANDO
LA CALIDAD DE LA SEÑAL. ..............................................................................85
CAPITULO 7.
AUMENTO DE TRANSFERENCIA CON
ANTENAS INTELIGENTES. ...............................................................................90
7.1 Transferencia en sistemas SDMA.............................................................90
7.2 Transferencia en sistemas MIMO. ........................................................... 91
7.2.1 El futuro con sistemas MIMO .........................................................93
CAPITULO 8.
APLICACIÓN SEGÚN EL GRADO DE
SELECTIVIDAD ESPACIAL................................................................................ 95
CONCLUSIÓN...........................................................................................................98
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................101
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 1.
INTRODUCCIÓN.
El campo de las comunicaciones móviles inalámbricas ha ido creciendo de
manera acelerada debido al crecimiento del número de usuarios, los diseñadores de
los sistemas actuales empiezan a quedarse cortos en recursos de ancho de banda,
provocando una necesidad cada vez mayor de incrementar su capacidad y su
alcance. Como consecuencia
a este fenómeno se ha estado desarrollando
algoritmos y medidas estandarizas que empleen de manera correcta y eficaz el
espacio.
Aunado a esto los sistemas de comunicación móviles han ido experimentando
un claro giro hacia la provisión de servicios multimedia y sus abonados. Uno de los
aspectos más característicos de estos servicios son las altas tasas binarias que
demandan, lo cual, unido al hecho de que el número de usuarios no deja de crecer,
provocará a mediano plazo un incremento espectacular en el tráfico soportado por
las redes móviles, haciendo un incremento paralelo de su capacidad.
La capacidad de un sistema de comunicaciones móviles se puede definir como
la tasa binaria que puede ofrecerse en el ancho de banda disponible y en un área
geográfica determinada. En el Sistema Global para las Comunicaciones Móviles
anteriormente conocido como Group Special Mobile (GSM, considerada la segunda
generación la cual difiere de los anteriores principalmente porque los canales de
voz y las señales son digitales) se ha conseguido aumentar la capacidad mediante el
uso de celdas de menor tamaño (microceldas y picoceldas) y, recientemente,
mediante la incorporación del sistema General Packet Radio Service (GPRS),
llamada la generación 2.5 que es sólo una modificación de la forma de transmitir
datos en una red GSM, pasando de la conmutación de circuitos en GSM a la
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
conmutación de paquetes, por lo que permite asignar varios timeslots simultáneos
a un mismo usuario).
Ahora con el funcionamiento del sistema de 3a Generación (3G) Universal
Mobile Telecommunications System (UMTS), que presenta mayor capacidad,
debido a su mayor ancho de banda y la mejora en la eficiencia espectral a GSM. Sin
embargo este incremento de la capacidad puede no ser suficiente en futuras
aplicaciones.
El sistema UMTS permite introducir muchos más usuarios a la red global del
sistema, y además permite incrementar la velocidad a 2 Mbps por usuario móvil.
Este sistema esta siendo desarrollado por 3GPP (3rd Generation Partnership
Project), un proyecto común en el que colaboran: ETSI (Europa), ARIB/TTC
(Japón), ANSI T-1 (USA), TTA (Korea), CWTS (China). Para alcanzar la aceptación
global, 3GPP va introduciendo UMTS por fases y versiones anuales. La primera fue
en 1999, la cual describía transiciones desde redes GSM. En el 2000, se describió
transiciones desde IS-95 y Time Division Multiple Access (TDMA).
Uno de los aspectos de suma importancia para la comunicación es el fenómeno
multitrayecto.
El multitrayecto es la recepción de una señal y las versiones sucesivas con
retardo de la misma señal. El concepto de multitrayecto es debido al efecto de los
rebotes provocados por la señal, pero no es la única causa posible de que ocurra
este efecto.
En el campo de las telecomunicaciones, el multitrayecto es un fenómeno que
consiste en la propagación de una onda por varios caminos diferentes. Esto es
debido a dos fenómenos, el de reflexión y el de difracción.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
El multitrayecto produce efectos que pueden ser de aprovechamiento o
perjudiciales; esto depende de la modulación que se use. Se basa en la captación de
la onda principal de las señales de interés, eliminando las señales multitrayecto
propias y las señales interferentes de otros usuarios. También se basa en la
captación de la onda principal de interés aprovechando la captación de sus señales
de multitrayecto, para reforzar la señal principal, y eliminar las señales
interferentes de otros usuarios.
Uno de los problemas más graves del multitrayecto es que el error en la posición
puede ser muy alto, y ello no se ve reflejado en el DOP (Dilution of Precision), esta
imprecisión está derivada de la geometría de los satélites respecto al receptor GPS.
Dado que sus órbitas son conocidas por el “almanaque” que es la información
enviada de forma periódica por los satélites de la constelación, informando sobre
ellos mismos y el resto de satélites miembros del sistema, su nivel de salud, etc.,
existen algoritmos para calcular las diferentes DOP, tanto en tiempo real como con
antelación. Afortunadamente el multitrayecto es muy sensible a la posición de los
satélites (que cambia constantemente), de la antena y del entorno, por lo que sus
efectos suelen ser claramente obvios cuando se comparan medidas.
El diseño de nuevas tecnologías está encaminado a la transmisión y recepción
mediante antenas múltiples en ambos extremos de la comunicación.
Una antena inteligente es aquella que, en vez de disponer de un diagrama de
radiación fijo, es capaz de generar o seleccionar ases muy directivos enfocados
hacia el usuario deseado, e incluso adaptarse a las condiciones radioeléctricas en
cada momento.
Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con
una unidad de procesamiento Digital de señales (DSP) que optimiza los diagramas
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en
el entorno.
El avance de la tecnología digital en el desarrollo de los DSP, se especializa en el
procesamiento numérico en tiempo real de señales digitales. Estos dispositivos han
permitido el desarrollo e implantación a bajo costo de poderosos algoritmos
adaptivos para el control activo del ruido.
Las antenas inteligentes están enmarcadas dentro de un contexto más amplio
de instrumentación con sensores inteligentes, es por ello que se han venido
desarrollando vertiginosamente en los últimos años.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 2.
ANTENAS.
Una antena es un elemento de circuito que proporciona una forma de
transición de una onda dirigida en una línea de la transmisión a una onda libre del
espacio, y proporciona la energía electromagnética de recolección.
Una antena es un conductor eléctrico o un sistema conductor que se usa para:
Transmisión: irradiar energía electromagnética al espacio.
Recepción: recoge energía electromagnética del espacio
En teoría una antena ideal o Antena Isotrópica es aquella que irradia energía
igualmente en todas direcciones.
o
Una antena teórica (isotrópica) la amplitud del
rayo
tiene
perfectamente
360
grados
verticales y horizontales, esto es una referencia
para todos los antenas
Figura 1.
Antena teórica
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Así mismo La dirección de la señal irradiada depende de si la antena cuanta o
no con reflector como se muestra en la Figura 2.
Figura 2.
Dirección de la señal radiada.
La formula de la antena es:
λ= c
f
=
186,000 mi
sec
frecuencia de la señal
donde :
c es la velocidad de la luz
λ es la longitud de onda de la señal
λ usa 3 x 108 cuando se reparte en metros de la velocidad de la luz
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Algunas de las características importantes de las antenas son:
En la comunicación de dos vías, la misma antena se puede utilizar para la
transmisión y la recepción.
En los sistemas de transmisión se genera la señal RF, amplificando,
modulando y aplicada a la antena.
En
los
sistemas
de
recepción
la
antena
recoge
las
ondas
electromagnéticas que son “cortadas” a través de la antena y se inducen
corrientes alternas que son utilizadas por el receptor.
La característica esencial de una antena es que es igual sin importar que
enviara o reciba energía electromagnética. Una antena es capaz de
transmitir la energía de la atmósfera a su receptor con la misma eficacia
con que transfiere energía hacia la atmósfera.
La polarización de una antena es la dirección del campo eléctrico y es
igual que la actitud física de la antena.
Una antena vertical transmitirá una onda vertical polarizada.
La transmisión y recepción de las antenas necesita poseer la misma
polarización.
2.1 Campo de irradiación e Inducción.
El mecanismo de una antena que emite radiofrecuencias no a sido entendido
del todo. Los campos de RF que se crean alrededor de la antena tienen
características específicas que afectan las señales de transmisión.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
La sección del campo que es irradiada se conoce como campo de radiación.
Existen dos campos o áreas de inducción donde las señales de la antena
irradian y se colapsan. A estos campos se les conoce como campo cercano y
campo lejano.
La distancia que la inductancia de la antena tiene en la señal transmitida es
directamente proporcional a la altura de la antena y las dimensiones de la onda.
Es decir:
R>
2D 2
λ
donde
R es la distancia de la antena
D la dimensión de la antena
λ la longitud de onda de la señal transmitida.
Dos características importantes de la irradiación son:
La resistencia de irradiación: es
la porción de la
impedancia de la antena que da lugar a la energía
irradiada en un espacio (es decir, la resistencia efectiva
que se relaciona con la energía de irradiación de la
antena). La resistencia de
irradiación varia con la
longitud de la antena, la resistencia incrementa cuando
λ incrementa.
La energía efectiva de irradiación (ERP, Effective
Radiated Power): es el valor de la energía de entrada y
la ganancia de la antena multiplicadas entre si. Las
unidades están dadas en decibeles, si la ganancia es de
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
irradiación isotrópica será dBi, si la ganancia es de una
antena dipolo sera dBd.
Patrón de irradiación: es un indicador de la fuerza del
campo irradiado alrededor de la antena. La energía
irradiada
de
un
dipolo
de
λ
/2
ocurre
perpendicularmente a la antena sin la energía emitida
en los extremos de la antena. La fuerza óptima de la
señal ocurre perpendicularmente ó 180º enfrente de la
antena.
El patrón de radiación nos permite:
Una representación grafica de las propiedades de irradiación
de una antena, en dos dimensiones seccionadas transversales
del ancho del haz (o media potencia del ancho del haz).
Medición directamente de la antena del ancho del haz.
Figura 3. Patrón de irradiación de una antena vertical.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
2.2 Ganancia de la antena.
La ganancia de la antena es la medida en dB de cuanta energía irradiara una
antena en cierta dirección respecto a la que seria irradiada por una antena de
referencia. Es decir, la la ganancia es energía de salida, en una dirección
particular, comparada con la energía producida en cualquier dirección por una
antena omnidireccional perfecta (antena isotrópica).
El área efectiva se relaciona con el tamaño y la forma física de la antena. La
relación entre la ganancia de la antena y el área efectiva es:
G=
4πAe
λ2
4πf 2 Ae
=
c2
donde
G = ganancia de la antena
Ae = área efectiva
f = frecuencia portadora
c = velocidad de la luz (» 3 ´ 108 m/s)
l = longitud de onda portadora
En la ganancia de una antena hay que tener en cuenta que:
Si la ganancia de una antena aumenta, el área o ángulo
de la cobertura disminuye.
Las áreas de cobertura o los patrones de radiación se
miden en grados.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Los ángulos se refieren a la amplitud del haz, y tienen
una medida horizontal y vertical.
2.3 Modos de propagación de onda
La propagación de la señal de onda entre dos antenas puede llevarse a cabo
de tres modos distintos los cuales son:
o Ground-wave:
Sigue el contorno de la tierra.
Puede propagarse en distancias considerables.
Maneja frecuencias de hasta 2MHz. Un ejemplo es AM.
Figura 4.
Propagación Ground-wave
o Sky-wave propagation:
La señal es reflejada de la capa ionizada de la parte
posterior de la atmósfera hacia la tierra.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
La señal puede viajar un número de saltos, hacia
delante y hacia atrás entre la ionosfera y la superficie de
la tierra.
Este tipo de propagación tiene un efecto de reflexión
causado por la refracción.
Figura 5.
Propagación Sky-wave
o Line-of-sight propagation:
Las antenas de transmisión y recepción deben estar
dentro de la línea de vista.
Comunicación vía satélite: señal sobre 30 MHz no
reflejados en la ionosfera.
Comunicación en tierra: antenas dentro de la línea
eficaz del sitio debido a la refracción.
Refracción: es la flexión de microondas por la
atmósfera.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
La velocidad de la onda electromagnética es una función
de la densidad del medio.
Cuando el medio de la onda cambia, la velocidad
cambia.
Curvas de la onda en el limite de los medios.
Línea de la vista óptica
d = 3.57 h
Línea de la vista efectiva o radio.
d = 3.57 Κh
donde
d = distancia entre la antena y el horizonte (km)
h = altura de la antena (m)
K = coeficiente de adaptación para explicar la
refracción, regla del pulgar K = 4/3
Distancia
máxima
propagación de LOS:
entre
dos
(
antenas
3.57 Κh1 + Κh2
para
la
)
donde
h1 = altura de la antena 1.
h2 = altura de la antena 2.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 6.
Propagación Line-of-sight
2.4 Tipos de antenas.
Una antena esta formada por un conjunto de conductores que, unido a un
generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que, conectado a
una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana para
este fin existen diferentes tipos:
a) Antena Colectiva:
Antena receptora que, mediante la conveniente
amplificación y el uso de distribuidores, permite su utilización por
diversos usuarios.
b) Antena Dipolo: Antena del dipolo de media-onda (o antena de Hertz) y
Antena vertical de Cuarto-onda (o antena de Marconi)
c) Antena directiva (o direccional): Orientan la señal en una dirección muy
determinada con un haz estrecho pero de largo alcance.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
d) Antena de Cuadro:
Antena de escasa sensibilidad, formada por una
bobina de una o varias espiras arrolladas en un cuadro, cuyo
funcionamiento bidireccional la hace útil en radiogoniometría.
e) Antena de Reflector o Parabólica:
Antena provista de un reflector
metálico, de forma parabólica, esférica o de bocina, que limita las
radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia de las ondas; se
utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía satélite.
f) Antena Lineal: La que está constituida por un conductor rectilíneo,
generalmente en posición vertical.
g) Antena Multibanda:
La que permite la recepción de ondas cortas en
una amplitud de banda que abarca muy diversas frecuencias.
2.5 Antenas prácticas.
La elección de la antena a instalar en una situación determinada depende de
un gran número de factores. Desde un simple alambre extendido entre las
azoteas dos edificios vecinos hasta complejas estructuras sobre una torre
giratoria, las configuraciones posibles son muy numerosas, y el aficionado debe
escoger la que más se acomode a sus posibilidades y necesidades. En los
edificios urbanos, donde frecuentemente el espacio es restringido, el trabajo en
HF puede iniciarse con una antena vertical con algunos «radiales» como plano
de tierra, que puede proporcionar buenos contactos, aunque las antenas de este
tipo son susceptibles de captar más ruido eléctrico ambiental que los dipolos
horizontales. En VHF y UHF, ha de ser generalmente factible hallar en un
edificio un punto donde instalar una antena vertical eficaz o incluso una
pequeña directiva con un rotor al extremo de un mástil.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
2.5.1 Antena de 1/2 Onda o dipolo.
El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más
ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo
de 2 MHz no se encuentran, debido a la longitud física necesaria para
representar una media onda. Al dipolo de media onda se le refiere por lo
general como antena de Hertz. En la siguiente figura se ilustra la Teoría de
la Antena Dipolo.
o
Para obtener ganancia omnidireccional
de una antena isotrópica, los lóbulos de
energía
son
“empujados”
hacia
la
superficie y abajo, y se fuerzan hacia
fuera en un patrón tipo dona.
o
La mayor ganancia es con la amplitud
mas pequeña y el área más horizontal
del lóbulo
o
Este es el típico patrón de dipolo. La
ganancia del dipolo es de 2.14 dBi
(0dBd).
Figura 7.
Teoría del Dipolo.
Una antena de Hertz es una antena resonante. Es decir, es un múltiplo
de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo
más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo
largo de una antena resonante.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 8.
Distribución de corriente y voltaje en un dipolo de media onda
En la Figura 8 podemos observar las distribuciones de corriente y voltaje
ideales a lo largo de un dipolo de media onda. Cada polo de la antena se ve
como una sección abierta de un cuarto de longitud de onda de una línea de
transmisión. Por lo tanto en los extremos hay un máximo voltaje y un
mínimo de corriente y un mínimo de voltaje y un máximo de corriente en el
centro. En consecuencia, suponiendo que el punto de alimentación esta en el
centro de la antena, la impedancia de entrada es Eminimo / Imaximo y un valor
mínimo. La impedancia en los extremos de la antena de Emaximo / Iminimo y un
valor máximo.
La impedancia varia de un valor máximo en los extremos de
aproximadamente 2500 W a un valor mínimo en el punto de alimentación
de aproximadamente 73 W (de los cuales entre 68 y 70 W es la impedancia
de radiación).
Figura 9.
Curva de impedancia para un dipolo de media onda alimentado en el centro.
20
CBI ANTENAS INTELIGENTES
El patrón de radiación de espacio libre para un dipolo de media onda
depende de la localización horizontal o vertical de la antena con relación a la
superficie de la tierra.
La Figura 10 muestra el patrón de radiación vertical para un dipolo de
media onda montado verticalmente. Observes que los dos lóbulos
principales que irradian en direcciones opuestas están en ángulo derecho a
la antena, los lóbulos no son círculos, se obtienen solo en el caso ideal donde
la corriente es constante a todo lo largo de la antena, y esto es inalcanzable
en una antena real.
Figura 10.
Patrón de radiación vertical para un dipolo de media onda montado
verticalmente.
La antena dipolo de 1/2 onda, desde el punto de vista eléctrico y
considerando la fiabilidad de predicción de su comportamiento, la facilidad
en procurarse los materiales necesarios y su economía, la antena dipolo de
media onda alimentada por el centro es la opción que debería considerar en
primer lugar el radioaficionado aprendiz.
Una antena horizontal de media onda, despejada y elevada por lo menos
un 1/4 de onda sobre cualquier obstáculo, proporciona buena cobertura para
distancias cortas y medias y es capaz de dar alguna agradable sorpresa en
distancias largas. La longitud total de una antena dipolo de hilo es algo
menor que la correspondiente a la media onda en el aire debido al efecto
puntas de los conductores (capacidad del hilo más los aisladores extremos).
Así pues, una antena para la frecuencia de 21,175 MHz (centro del segmento
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
de fonía para EC) debería tener unos 6,85 m. Un dipolo del mismo tipo para
el segmento de CW de la banda de 40 metros (7,025 MHz) mide 20,64 m.
Las medidas anteriores son válidas suponiendo que el diámetro del
conductor empleado es muy reducido comparado con la longitud de la onda
a radiar. Si el conductor de la antena es grueso se debe aplicar un factor de
reducción. El diagrama de radiación vertical de un dipolo depende
grandemente de su distancia al suelo y de las características de éste, lo cual
explica en parte las enormes diferencias de comportamiento de antenas
aparentemente iguales, situadas en lugares distintos.
2.5.2 Antena Vertical de 1/4 de Onda.
Las antenas verticales (o Antena de Marconi) se utilizan para las
frecuencias debajo de 2 MHz. Esta utiliza una trayectoria tratando de dar
efecto en la porción de ¼ de longitud de onda de la antena sobre el terreno,
la estructura sobre el terreno representa una longitud de onda de λ/4. Las
condiciones pobres base del suelo que rodea la antena pueden dar lugar a la
atenuación seria de la señal. Este problema es aliviado instalando un
contrapeso.
El contrapeso es una rejilla que se pone a tierra cuando la tierra física no
puede satisfacer los requisitos eléctricos para la terminación del circuito. Se
diseña para ser no resonante en la frecuencia de operación
El más conocido dipolo asimétrico es la antena de cuarto de onda con
plano de tierra artificial, conocida como ground plane (plano terrestre). El
plano de tierra se simula mediante varios «radiales» de un cuarto de onda
extendidos por debajo del elemento radiante vertical y conectado a la malla
del cable de alimentación. La práctica demuestra que en HF 30 o 40 radiales
de un 1/4 de onda y separados del suelo proporcionan excelentes resultados.
22
CBI ANTENAS INTELIGENTES
En VHF y UHF, donde por lo general las antenas verticales se instalan a
cierta altura sobre el suelo, el número de radiales puede ser mucho más
reducido. Con los radiales en ángulo recto respecto al elemento radiante, la
impedancia de la antena es de 36 ohmios. A medida que los radiales forman
un ángulo más obtuso respecto al elemento radiante, la impedancia del
sistema aumenta. La antena vertical mínima debe tener un 1/4 de onda
eléctrico, lo que no significa que tenga la longitud física de una cuarta parte
de la longitud de la onda a transmitir. La longitud física de una antena
autorresonante para las bandas de onda más larga -y especialmente en la
banda de 160 metros-, puede ocasionar problemas mecánicos para su
sustentación de modo que, en general, se la hace menor a la teórica de 1/4 de
onda y aún funciona bastante bien. Las antenas verticales cortas se
«alargan» artificialmente bien añadiéndoles una inductancia en la base o
una capacidad en el extremo superior.
Figura 11.
Atenuación de la señal - Contrapeso
23
CBI ANTENAS INTELIGENTES
2.5.3 Antena Dipolo en V Invertida.
Cuando
el
espacio
disponible
no
permite
extender
el
dipolo
horizontalmente en toda su longitud, se puede adoptar la configuración de
las antenas dipolo en V invertida, que son una buena solución y que presenta
incluso algunas ventajas frente al dipolo horizontal. Esta antena se instala
utilizando un solo mástil, que la sustenta por su centro o suspendida de una
driza. Con un ángulo de 90º entre las ramas en el vértice, esta antena
presenta un diagrama de radiación prácticamente omnidireccional, ángulos
de salida bajos y una impedancia próxima a los 50 ohmios, que la hace apta
para ser alimentada con cable coaxial.
2.5.4 Antena direccional (o directiva)
Orientan la señal en una dirección muy determinada con un haz estrecho
pero de largo alcance. Una antena direccional actúa de forma parecida a un
foco que emite un haz de luz concreto y estrecho pero de forma intensa (más
alcance).
La amplitud de rayo es la separación angular de los puntos de la media
potencia del patrón irradiado
Las antenas Direccionales "envían" la información a una cierta zona de
cobertura, a un ángulo determinado, por lo cual su alcance es mayor, sin
embargo fuera de la zona de cobertura no se "escucha" nada, no se puede
establecer comunicación entre los interlocutores.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 12. Antena Direccional
El alcance de una antena direccional viene determinado por una
combinación de los dBi de ganancia de la antena, la potencia de emisión del
punto de acceso emisor y la sensibilidad de recepción del punto de acceso
receptor.
o
Para las antenas direccionales los lóbulos se
empujan hacia adentro en cierta dirección,
haciendo que
la energía a
mover sea
condensada en un área particular.
o
La energía es muy pequeña del lado trasero de
una antena direccional
Figura 13.
Lóbulo de Antena direccional
2.5.5 Antena omnidireccional.
Orientan la señal en todas direcciones con un haz amplio pero de corto
alcance. Si una antena direccional sería como un foco, una antena
omnidireccional sería como una bombilla emitiendo luz en todas direcciones
25
CBI ANTENAS INTELIGENTES
pero con una intensidad menor que la de un foco, es decir, con menor
alcance.
Las
antenas
Omnidireccionales
"envían" la información teóricamente a
los 360 grados por lo que es posible
establecer comunicación independientemente del punto en el que se esté. En
contrapartida
el
alcance
de
estas
antenas es menor que el de las antenas
direccionales.
Figura 14.
Antena Omnidireccional
Las antenas omnidireccionales son de alta ganancia, son creadas para
cubrir más área en distancias lejanas, pero el nivel de energía directamente
debajo de la antena es más bajo, y la cobertura aquí puede ser pobre.
Figura 15.
Área de cobertura pobre directamente debajo de una antena omnidireccional.
El alcance de una antena omnidireccional viene determinado por una
combinación de los dBi de ganancia de la antena, la potencia de emisión del
punto de acceso emisor y la sensibilidad de recepción del punto de acceso
receptor. A mismos dBi, una antena sectorial o direccional dará mejor
cobertura que una omnidireccional.
26
CBI ANTENAS INTELIGENTES
La apertura de una antena es cuanto se "abre" el haz de la antena. El haz
emitido o recibido por una antena tiene una abertura determinada
verticalmente y otra apertura determinada horizontalmente.
En lo que respecta a la apertura horizontal, una antena omnidireccional
trabajará horizontalmente en todas direcciones, es decir, su apertura será de
360º. Una antena direccional oscilará entre los 4º y los 40º y una antena
sectorial oscilará entre los 90º y los 180º.
La apertura vertical debe ser tenida en cuenta si existe mucho desnivel
entre los puntos a unir de manera inalámbrica. Si el desnivel es importante,
la antena deberá tener mucha apertura vertical. Por lo general las antenas, a
más ganancia (potencia por decirlo de algún modo) menos apertura vertical.
En las antenas direccionales, por lo general, suelen tener las mismas
aperturas verticales y horizontales.
2.5.6 Antena sectorial
Son la mezcla de las antenas direccionales y las omnidireccionales. Las
antenas sectoriales emiten un haz más amplio que una direccional pero no
tan amplio como una omnidireccional. La intensidad (alcance) de la antena
sectorial es mayor que la omnidireccional pero algo menor que la
direccional. Siguiendo con el ejemplo de la luz, una antena sectorial sería
como un foco de gran apertura, es decir, con un haz de luz más ancho de lo
normal.
Para tener una cobertura de 360º (como una antena omnidireccional) y
un largo alcance (como una antena direccional) deberemos instalar o tres
antenas sectoriales de 120º ó 4 antenas sectoriales de 80º. Las antenas
sectoriales suelen ser más costosas que las antenas direccionales u
omnidireccionales.
27
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 16.
Antena sectorial.
2.5.7 Antena para Espacio Reducido.
Para las bandas de 80 y 160 metros, en muchas ocasiones no es
materialmente posible extender un dipolo de media onda. Es preciso
entonces, tratar de acomodar las ramas de la antena al espacio disponible,
doblándolas en el plano horizontal o decidirse por una antena vertical.
Combinando varios procedimientos es posible construir antenas cuya
longitud física sea la mitad o aún menos de la que teóricamente le
correspondería y aún así ser muy eficientes. No es infrecuente, por ejemplo,
ver antenas dipolo rígidas para la banda de 40 metros cuya longitud total no
supera los 10 m. Con todo, no hay que olvidar que cualquier reducción de
tamaño de una antena comporta inevitablemente una reducción del ancho
de banda útil, así como un descenso del rendimiento total debido, entre
otras cosas, a las pérdidas acumuladas en los elementos añadidos.
2.5.8 Antena Corta con Inductancia.
Uno de los procedimientos usuales para «alargar» eléctricamente las
antenas comporta el uso de inductancias en sus ramas. El cálculo del valor y
posición de esas inductancias es bastante complicado para hacerlo
28
CBI ANTENAS INTELIGENTES
manualmente por lo que deben usarse programas de ordenador que lo
resuelven con buena exactitud. No es válida la simplificación de acortar la
antena simplemente arrollando el exceso de hilo sobre un soporte cualquiera
formando una bobina; la inductancia necesaria de esa bobina depende de la
posición que ocupe sobre el dipolo y de la longitud total de éste, así que sería
sólo casualidad acertar con todas las variables.
2.5.9
Antena Corta con Carga Lineal.
Otro método de reducir la longitud física de las antenas, manteniendo la
resonancia y ofreciendo una resistencia de radiación conveniente y bajas
pérdidas, es el uso de las llamadas cargas lineales, consistentes en plegar
sobre sí mismo parte del conductor de la antena; el cálculo de las
dimensiones de esa configuración es muy complejo y debe realizarse con la
ayuda de un programa de ordenador.
2.5.10 Antena Corta con Carga Capacitiva.
Un tercer procedimiento para «alargar» artificialmente una antena es
añadir capacidad al extremo de la misma. Esta capacidad está compuesta
por lo general por una red de conductores (cruz, polígono, etc.) conectada al
extremo del conductor que se quiere alargar eléctricamente. Un medio para
añadir carga capacitiva a un mástil radiante vertical es utilizar una sección
de los vientos superiores, que se conectan eléctricamente al vértice del
mástil, formando las aristas de un polígono cónico. Si la reducción de
longitud es considerable, una antena de ese tipo presenta una baja
resistencia de radiación, que complica asimismo el problema de las pérdidas
del sistema de tierra.
29
CBI ANTENAS INTELIGENTES
2.5.11 Antena Dipolo Multibanda.
Un dipolo resuena, además de en su frecuencia natural, a frecuencias
múltiplos de aquella; a ciertas frecuencias, la impedancia en el punto de
alimentación hace que la ROE resultante sea muy elevada. Es posible, sin
embargo, hacer resonar una antena en varias bandas manteniendo su
impedancia en valores próximos a la del cable coaxial haciendo uso de
«trampas» de onda, que dividen eléctricamente la antena en varios tramos,
cada uno de los cuales, añadido al anterior, hace resonar a la antena en una
banda determinada. Las trampas de onda actúan prácticamente como un
interruptor a su frecuencia, aislando las secciones subsiguientes de la
antena. A una frecuencia inferior, la trampa presenta reactancia inductiva,
alargando así eléctricamente la rama. Es posible combinar los distintos
valores de forma que la antena resuene en dos o más bandas con una
impedancia adecuada para ser alimentada con cable coaxial. Una popular
antena de ese tipo es el dipolo para dos bandas (típicamente para 80 y 40
metros) que desarrolló W3DZZ hace ya muchos años. En el número 180
(diciembre 1998) de CQ Radio Amateur y en su página 24 se incluye un
excelente artículo de G. Murphy, VE3ERP, que ofrece varias antenas
multibandas con trampas LC, ya resueltas.
Otra popular antena multibanda es la desarrollada por John Varney,
G5RV, de la cual se han desarrollado varias versiones, cortas y largas, que no
es difícil de construir y debería se reensayada por todo radioaficionado.
2.5.12 Antena para VHF y UHF.
Dada la menor longitud de onda de las señales de VHF y UHF, las
dimensiones de las antenas básicas (dipolo, vertical con plano de tierra, etc.)
son proporcionalmente menores y por ello mismo en esas bandas son
30
CBI ANTENAS INTELIGENTES
posibles formaciones de mayor ganancia, con múltiples elementos, que
resultarían inviables en las bandas decamétricas.
2.5.13 Antena Vertical para V-UHF.
Una sencilla antena vertical de 1/4 de onda con plano de tierra artificial
puede proporcionar buenos resultados en un entorno urbano. Inclinando los
radiales hacia abajo se logra rebajar el ángulo de radiación y elevar la
impedancia hasta los 50 ohmios convenientes para alimentarla con cable
coaxial. Combinando varias antenas verticales con sus elementos «en línea»
se obtiene la antena denominada colineal, con la que se logran mayores
prestaciones al concentrar la energía en un menor ángulo vertical, de forma
que no se desperdicia energía hacia lo alto. Comercialmente se ofrecen
antenas de este tipo que resultan prácticas y convenientes de instalar, tanto
en situaciones fijas como sobre un vehículo. La comunicación en VHF o UHF
a través de repetidores (analógicos o digitales) se efectúa exclusivamente en
FM y utilizando polarización vertical, por lo que las antenas verticales
omnidireccionales ofrecen
una excelente solución
para repetidores
relativamente cercanos.
2.5.14 Antena Direccional para V-UHF.
Cuando se desea incrementar el alcance de la estación en VHF o UHF es
necesario optar por una antena direccional, fija o acoplada a un rotor. Dadas
las dimensiones relativamente reducidas de estas antenas, incluso con
múltiples elementos, es factible mejorar sustancialmente el alcance de un
equipo sin necesidad de apelar a amplificadores utilizando antenas
direccionales.
31
CBI ANTENAS INTELIGENTES
El arreglo de antenas es un grupo de antenas o de elementos de la antena
dispuestos para proporcionar las características direccionales deseadas.
Cualquier combinación de elementos puede formar generalmente un
arreglo. Sin embargo generalmente se usan los elementos iguales en una
geometría regular.
2.5.15 Antena Yagi
La antena de Yagi es una forma simple de una antena direccional basada
en la anulación de lugar de un reflector de λ/4 en lugar de la antena
dipolo. El complejo análisis para definir los patrones de radiación son
irradiados de forma experimental en ves de calcular teóricamente.
Figura 17.
Antena yagi.
La Antena yagi esta constituida por varios elementos paralelos y
coplanarios, directores, activos y reflectores, utilizada ampliamente en la
recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo
eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan (Figura 12) .
32
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi
puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta
dada por:
G = 10 log n
donde n es el número de elementos por considerar.
Figura 18.
Elementos de una Antena Yagi
Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el
activo es de 0.15l, y entre el activo y el director es de 0.11l. Estas distancias
de separación entre los elementos son las que proporcionan la óptima
ganancia, ya que de otra manera los campos de los elementos interferirían
destructivamente entre sí, bajando la ganancia.
Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho
de banda angosto, ya que el elemento bipolar está cortado a una sola
frecuencia que generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda
de los canales bajos de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86
33
CBI ANTENAS INTELIGENTES
MHz). Esto resulta ser una desventaja ya que no es posible cubrir varios
canales de TV con una misma ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza
la denominada antena yagi de banda ancha, la cual puede cubrir varios
canales a la vez aunque sacrificando la ganancia.
En la Figura 13 se muestran los parámetros de diseño x e y, creando la
relación:
x + y = l /4,
la ganancia se acentúa alrededor de un solo canal, como se muestra en la
figura.
Figura 19. Parámetros de diseño X e Y
Para considerar una antena yagi de banda ancha es necesario, entonces,
hacer ajustes en la distancia entre los elementos para obtener, junto con el
ancho de banda deseado, la ganancia óptima. Se recuerda que para un
arreglo de antenas en las cuales todos los elementos van alimentados se
obtiene mejor ganancia para el denominado "en línea". Como la antena yagi
utiliza elementos alimentados y parásitos, es común aumentar él número de
elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la frecuencia media
34
CBI ANTENAS INTELIGENTES
del ancho de banda; generalmente para los canales bajos de televisión da
muy buen resultado.
Figura 20. Dimensiones para óptima ganancia de una antena yagi de tres elementos
2.6 Elección de la antena.
La elección de la antena más adecuada es un compromiso entre multitud de
factores, entre los que destaca el tipo de comunicaciones que desee practicar. Se
debe estudiar atentamente su caso particular, pidiendo la opinión de algunos
expertos y esbozar un proyecto de lo que se desea instalar.
Las antenas direccionales se suelen utilizar para unir dos puntos a largas
distancias mientras que las antenas omnidireccionales se suelen utilizar para
dar señal extensa en los alrededores. Las antenas sectoriales se suelen utilizan
cuando se necesita un balance de las dos cosas, es decir, llegar a largas
distancias y a la vez, a un área extensa.
35
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Si necesita dar cobertura de red inalámbrica en toda un área próxima (una
planta de un edificio o un parque por ejemplo) lo más probable es que utilice
una antena omnidireccional. Si tiene que dar cobertura de red inalámbrica en
un punto muy concreto (por ejemplo un PC que está bastante lejos) utilizará
una antena direccional, finalmente, si necesita dar cobertura amplia y a la vez a
larga distancia, utilizará antenas sectoriales.
La antena "Tunrstile" que es la mostrada en el punto (a) de la Figura 21,
esencialmente tiene dos partes radiantes con una longitud de media onda
desfasadas 90º y puestas en fases de cuadratura. Esta alimentada por un
sistema de alimentación de líneas de transmisión. Cuando corrientes iguales
son usadas en dos radiadores, el diagrama direcciones en el plano horizontal es
un circulo deformado que va tendiendo a un cuadrado. La separación vertical
entre elementos apilados es de media onda.
La antena Tunrstile esta adaptada para el uso de una banda de transmisión
por el empleo de conductores largos y un cuidado extremo de todos los detalles.
Una sección cruzada de dicha antena esta mostrada en la figura (B) donde se
ve una antena usada en el Empire State, donde los conductores con diámetros
de un cigarrillo y las partes adyacentes centradas son superficies de
revoluciones sobre las líneas AC y BD. Líneas separadas de transmisión son
proveídas en F para cada uno de los cuatro radiadores.
La figura (c) es un "Aldorf Loop" que es en forma de cuadrado, donde el
largo de cuyo vértice es una cuestión de diseño, pero por propósitos descriptivos
puede ser tomado por aproximadamente un tercio de longitud de onda. La
corriente es entregada como se muestra en la figura, las corrientes en los cuatro
radiadores son iguales en magnitud y parecidas en fase como se muestra en las
36
CBI ANTENAS INTELIGENTES
flechas del diagrama. En apilamiento en un espacio vertical se usa una distancia
de media onda.
Figura 21.
Antenas no direccionales usadas en polarización horizontal
La figura (d) muestra una antena circular que también se llama antena de
loop. Los dos conductores circulares radiantes están eléctricamente rotos en B
por un condensador plano paralelo sin perdida de continuidad mecánica y de
fuerza, toda la construcción es capaz de ser soportada desde el punto A. El
círculo mas bajo esta roto en C, de donde el sistema es alimentado en la forma
de "Folded Dipole" (Dipolo Doblado) el "largo eléctrico" de la circunferencia
(Tomando en cuenta la carga capacitiva de B) es de media onda. Físicamente la
circunferencia es menos que esto. Esta antena esta enganchada a un mástil en el
37
CBI ANTENAS INTELIGENTES
punto A y por lo tanto metálicamente a tierra. El mástil esta dentro de la
circunferencia. La forma direcciones horizontal es elíptica, la máxima diferencia
en campo de fuerza es un poco menos que 2 dB. Cuando estas unidades están
apiladas en vertical el espacio entre ellas es de una longitud de onda.
La antena "Coverleaf" esta mostrada en la figura (e). Esta consiste en una
torre de estructura metálica delgada. En el centro hay un conductor que junto
con la torre misma forma un sistema de transmisión coaxial. Las "Hojas"
radiantes están agarradas como se muestra en la figura, formando una
circunferencia horizontal compuesta. El largo de cada uno de estos conductores
el de aproximadamente 0.4 de longitud de onda. En apilamientos se usan
intervalos de media longitud de onda. El diagrama horizontal prácticamente
circular.
La antena Cohete que se muestra en la figura (f), es un cilindro vertical
cerrado metálicamente en sus dos extremos, pero tiene una grieta abierta en un
elemento del cilindro como muestra la figura (slot), Esta alimentado como se
muestra en el lugar donde se ve un corte en el cilindro estableciendo un voltaje
a través de la grieta. La antena tiene un efecto externo como una distribución
vertical de circunferencias horizontales. Las unidades apiladas son puestas muy
juntas. El diámetro es más o menos que media longitud de onda.
La figura (g) es una antena de circunferencia horizontal que tiene un
particular sistema de alimentación coaxial.
La antena logarítmica consiste en una red de dipolos que tienen dimensiones
y espaciados que varían en progresión geométrica. En lugares en donde el
campo es relativamente elevado o también en servicio móvil, la antena
logarítmica puede proporcionar una elección de señal que ningún otro tipo de
antena será capaz de conseguir
38
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Por lo que para solventar de forma eficaz los
problemas
presentados
con
anterioridad
tenemos el desarrollo de antenas inteligentes es
una opción que puede cubrir esta demanda.
2.7 Altura de la antena.
La altura de una antena en superficie esta directamente relacionada a la
resistencia de radiación. La reflexiones de la superficie causadas por una señal
fuera de fase son radiadas y recibidas por antenas que disponen la transmisión
degradada. La longitud física y la longitud eléctrica de muchas antenas es
aproximadamente el 95% de la longitud física. La altura de la antena ideal esta
basada usualmente en procedimientos de prueba y error.
2.8 Antena pequeña.
Una antena es pequeña en base a las antenas de una estación con un patrón
que no es fijo, pero es adaptable a las condiciones de corriente de radio. Tiene la
posibilidad para u largo incremento en capacidad, incrementa en tres tiempos
para sistemas TDMA y en cinco tiempos para sistemas CDMA según los
reportes vistos.
39
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Este tipo de antena tiene mayor inconveniente y factores de costo
incluyendo el incremento excesivo de complejidad y administración mas
compleja de recursos de radio.
La idea de una antena pequeña es para usar en un patrón de antena de
estación base que sea no fijo, pero que sea adaptable a las condiciones de
corriente de radio. Esto pude ser visualizado en la antena dirigiendo un haz solo
hacia la comunicación asociada.
Las antenas pequeñas suman un nuevo camino para la separación de
usuarios, nombrar espacios, a través
de SDMA (Spaces División Multiple
Access).
Para maximizar la ganancia de la antena en la dirección deseada y
simultáneamente colocando un patrón de radiación mínima en la dirección de
la interferencia, la igualdad del enlace de
comunicación puede mejorar
significativamente.
2.8.1 Elementos de una antena pequeña.
Las antenas pequeñas consisten e un numero de elementos de radiación,
una combinación/división de la red de trabajo y una unidad de control.
2.9 Formación de fase de la antena
La formación de la fase de una antena es la combinación de antenas en las
que se tiene un control de la fase y poder de la señal aplicada para cada antena,
resultando en un amplia variedad de posibles patrones de radiación.
40
CBI ANTENAS INTELIGENTES
2.10 Deterioro de la transmisión.
El uso de antenas implica el no usar cables para la transmisión de señales.
Es por ello que dicha transmisión sufre desgaste debido a varios factores
algunos de ellos son:
o Atenuación y distorsión atenuada.
o
Perdida de espacios libres.
o Ruido: sus conceptos principales son;
El ruido ínter modulado ocurre si señales con diferente frecuencia
comparten el mismo medio.
La interferencia es causada por una señal producida en una
frecuencia que es la suma de las diferencia de la frecuencia original.
La interferencia no deseada en la conexión entre la trayectoria de la
señale.
El impulso de ruido que son pulsos irregulares o espigas de ruido,
las cuales pueden ser:
• De corta duración y relativamente de gran amplitud.
• Causadas por disturbios electromagnéticos externos, o fallas
y desperfectos en el sistema de comunicación.
o Absorción atmosférica: el vapor de agua y el oxigeno contribuyen a la
atenuación.
o Multitrayecto: los obstáculos reflejan la señal, de esta manera son
recibidas múltiples copias con retraso variable.
o Refracción: es la flexión de las ondas de radio, estas son propagadas a
través de la atmósfera.
o
Ruido térmico: se debe a la agitación de los electrones, esta presente en
todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión. Este tipo de
ruido no puede ser eliminado, esta en función de la temperatura y es de
particular significado en las comunicaciones vía satélite.
41
CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 3.
PROPAGACIÓN MULTITRAYECTO.
La forma en que avanzan las tecnologías multimedia y su uso que abarca tantos
campos, es buscando mejorar la calidad máxima ofrecida aprovechando al máximo
los recursos disponibles.
El multitrayecto es la recepción de una señal y las versiones sucesivas con
retardo de la misma señal. El concepto de multitrayecto es debido al efecto de los
rebotes provocados por la señal, pero no es la única causa posible de que ocurra
este efecto.
Los conceptos principales de la propagación multitrayecto son:
o Reflexión: ocurre cuando la señal encuentra una superficie que es
relativamente larga a la longitud de onda de la señal.
o
Difracción: ocurre cuando el borde de un cuerpo impenetrable es largo
en comparación con la longitud de onda del radio de onda.
o Dispersión: ocurre cuando una señal entrante golpea un objeto cuyo
tamaño en el orden de longitud de onda de la señal es menor.
Los efectos de la propagación multitrayecto son:
o Múltiples copias de una señal tal vez lleguen en diferentes fases.
Si las fases se suman destructivamente, la señal relativa al nivel
declina a ruido, haciendo más difícil la detección
o Interferencia entre símbolos.
Una o más copias retrasadas de un pulso tal vez lleguen a el mismo
tiempo que el pulso primario para un bit subsiguiente.
42
CBI ANTENAS INTELIGENTES
o Desvanecimiento del cual existen diversos tipo:
Desvanecimiento rápido.
Desvanecimiento lento.
Desvanecimiento plano.
Desvanecimiento selectivo.
Desvanecimiento rayleigh.
Desvanecimiento rician.
Figura 22. Esbozo de tres importantes mecanismos de propagación: reflexión (R),
dispersión (S, scattering), difracción (D). [ANDE95]
Dependiendo de la restricción en los parámetros que condicionan los sistemas
multimedia, será el análisis de los medios disponibles para su distribución.
Es bien conocido que las técnicas de difusión de video mediante streaming,
permiten al cliente reproducir el contenido de los datos que le van llegando de
forma continua sin tener que esperar a la recepción completa del archivo. Para
mejorar la probabilidad de que el receptor disponga de la máxima calidad en
cualquier momento, existen varias posibilidades: protección de los datos frente a
errores mediante técnicas de FEC (Forward Error Correction) corrección de error
hacia delante, protección frente a pérdidas mediante técnicas de ARQ (Automatic
Repeat Request) petición de repetición automática, tradicionales o la posibilidad de
codificar el flujo de video en varias capas, de la cual existen tres tipos:
43
CBI ANTENAS INTELIGENTES
ARQ parada y espera: El transmisor envía una trama y espera hasta que
recibe la confirmación por parte del receptor de que la trama llegó
correctamente. Al finalizar el envío de cada trama el transmisor dispara un
TIMER. Pasado un determinado tiempo, si no ha recibido confirmación
retransmite asumiendo que la trama no llegó correctamente. Pero el sistema así
implementado plantearía un grave problema: si se pierde el asentamiento, el
transmisor retransmitirá la trama y el receptor, que cree haber asentido la
trama anterior, la recibirá como si fuese nueva. Por tanto, se corre el peligro de
duplicar tramas.
Para solucionar este problema, se numeran las tramas incorporando en ellas
un número de secuencia. (Es algo equivalente a ponerles nombre). De esta
forma el receptor sabrá si la trama que le llega es repetición de la anterior o es
nueva. Se numeran tanto las tramas de información como las de asentimiento,
aunque en cada caso el número de secuencia tiene distinto significado. El
significado de la numeración es el siguiente:
o Para tramas de información: El transmisor lleva un contador con el
número de tramas que ha enviado. Si, por ejemplo, ha enviado 3
tramas, a la cuarta le pondrá el número cuatro. Esta trama la
denotaremos en los gráficos como I3 porque se empieza a contar desde
0, es decir, la primera trama será I0, la segunda I1, la tercera I2 y la
cuarta I3.
Aunque así explicado parezca bastante sencillo, el problema se
complicará todavía un poco por hecho de que este número se introduce
en el principio del espacio de la trama reservado para la información.
No podemos numerar las tramas con todos los números naturales que
queramos, sino que se utilizarán, como veremos en breve, los menos
números posibles. (En el caso de ARQ parada y espera que nos ocupa
44
CBI ANTENAS INTELIGENTES
bastará con dos números (0 y 1) para identificar las tramas. Se
denomina a este sistema protocolo de bit alternante).
o Para tramas de asentamiento: El receptor lleva otro contador con el
número de trama que está esperando, es decir, si ha recibido I0 e I1,
estará esperando la trama I2 y será 2 el número del contador. Al
confirmar una trama, se envía un mensaje de asentimiento o ACK con
el número de este contador, lo que quiere decir que, por ejemplo, al
recibir la trama I2 el contador se pondrá a 3 y se confirmará dicha
trama enviando un ACK3 y no un ACK2. Con esto, el transmisor sabrá
que el receptor ya tiene la trama I2 y que ha quedado a la espera de la
I3.
ARQ con rechazo simple: El objetivo es aprovechar el tiempo que pierde el
transmisor esperando el ACK o asentimiento. Para ello, lo que se hace es enviar
tramas también durante ese tiempo.
Es fácil suponer que así implementado este sistema dará problemas. Vamos
a ver qué pasaría manteniendo el protocolo de bit alternante. Por ejemplo, se
manda I0 y no se recibe correctamente. A continuación, si el timer lo permite,
se envían I1 e I0, siendo esta última una trama diferente de la primera pero que
tiene el mismo nombre por sólo disponer del 0 y el 1 como posibles nombres. El
receptor, que sigue esperando la I0 que llegó mal, despreciará I1 por no ser lo
que esperaba y aceptará la segunda I0 como si fuese la primera. Por tanto, se
pierden tramas y, lo que es peor, no se es consciente de ello.
De entrada, hay que añadir más números de secuencia, más posibles
nombres, el problema es decidir cuántos. Los números de secuencia van
codificados y ocupan sitio en la trama. Esto es, cuantos más números se
empleen menos información se podrá mandar en una trama. Hay que buscar,
45
CBI ANTENAS INTELIGENTES
por tanto, un compromiso entre el rendimiento y la capacidad de transmisión.
Para ello hacemos uso de un concepto muy importante:
o Ventana de Transmisión: Se denomina así al número de tramas que se
pueden transmitir antes de recibir el asentimiento de la primera. En
otras palabras, el número máximo de tramas sin confirmación que el
transmisor puede depositar en la red.
El
tamaño
de
la
ventana
de
transmisión
vendrá
fijado
esencialmente por dos motivos:
El primero es el número de números de secuencia. Esto es, los
posibles nombres que pueden tener las tramas. No se puede
reutilizar el nombre de una trama que no haya sido confirmada
pues se corre el riesgo de perder tramas como hemos visto en
el ejemplo anterior.
El segundo es la memoria disponible en el transmisor. Las
tramas que no hayan sido confirmadas deben guardarse en
memoria por si fuese necesaria su retransmisión. Si fijamos un
tamaño de ventana mil, deberemos tener espacio en memoria
para almacenar esas mil tramas.
Con este término acabamos de definir el funcionamiento de los
protocolos de ventana deslizante. En el caso de ARQ rechazo simple se
añade una particularidad: al producirse un error y no llegar el
asentimiento de una trama, se retransmite esa trama y todas las que se
enviaron a partir de ella.
ARQ con rechazo selectivo: En líneas generales funciona con la misma
filosofía que el caso anterior. También aquí se trata de aprovechar el tiempo que
46
CBI ANTENAS INTELIGENTES
el transmisor está esperando los asentamientos y también se hace
transmitiendo en ese tiempo. La diferencia está en el método de retransmisión.
En este caso, al producirse un error se retransmite únicamente la trama que no
ha sido asentida. Con esto, se mejora aún más la capacidad de transmisión
aunque se generan fuertes exigencias de memoria en el receptor. Éste debe
almacenar en memoria todas las tramas que lleguen después de una errónea en
espera de que ésta llegue bien para poder ordenarlas posteriormente.
El rechazo selectivo lleva asociado otro concepto muy importante:
o Ventana de Recepción: Son las tramas que el receptor puede aceptar
después de la última secuencia completa. En otras palabras, si el
tamaño de la ventana de recepción es 3, las tramas permitidas van
desde I0 hasta I7 y se acaba de recibir I2, aceptaremos que nos lleguen
I3, I4 o I5. Cualquiera de ellas sería guardada si llegase correctamente.
Pero si lo que llega es I6 se despreciará aunque sea correcta por estar
fuera de la ventana de recepción. Cuando llegue I3 se habrá completado
otro ciclo desde la I3 anterior hasta la que se acaba de recibir.
Completar un ciclo significa que no faltan tramas intermedias. (Si se
recibe I4 en vez de I3 se acepta pero no se ha completado un ciclo por
faltar I3. Hay que recordar que tampoco se asiente como ya hemos
visto). La consecuencia de completar un ciclo es que la ventana de
recepción avanza, es decir, al llegar I3 nos ponemos a esperar I4, I5 e
I6.
La codificación multicapa permite separar el video en partes complementarias
de forma que la calidad en la recepción mejora en función del número de capas de
las que se disponga.
47
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Las técnicas de recuperación de pérdidas de paquetes para audio pueden
clasificarse en dos grandes grupos: técnicas basadas en el emisor y técnicas basadas
en el receptor. Entre las primeras se encuentran las técnicas FEC (Forward Error
Correction) en las que se envía información adicional a partir de la cual los
paquetes perdidos pueden ser recuperados y las técnicas de entrelazado. Entre las
segundas se encuentran desde las más simples de inserción, pasando por las
técnicas de interpolación hasta llegar a las técnicas más sofisticadas de
regeneración basadas en un modelo de señal.
o Técnica FEC (Forward Error Correction):
Suma la transmisión del código de error corregido al bloque de datos.
Recibe el código del cálculo de corrección del error del dato entrante
de bits.
Si el código de corrección del error no es igual, intentara recibir a
determinados bits en error y correctos.
o Técnica ECM (Error Compensation Mechanisms):
Corrección del siguiente error.
Ecualización adaptiva: puede ser aplicada a transmisiones de alcance
analógico o información digital.
•
Voz o video analógico.
•
Datos digitales, voz o video digitalizado.
•
Usa Inter Símbolo para combatir la interferencia, envuelve
recogiendo los símbolos dispersos, la energía regresa dentro del
intervalo de tiempo original. La técnicas que usa son:
agrupación de circuitos analógicos y sofisticados algoritmos que
procesan señales digitales.
•
Técnicas diversas.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
La distribución de contenido multimedia ha ido aprovechándose de los avances
en la investigación en sistemas de provisión de calidad de servicio sobre todo tipo
de escenarios. Por añadidura, también lo ha hecho de la aparición de nuevos
sistemas de codificación más eficientes que permiten adaptarse a la situación
concreta del proveedor y del cliente. No es de extrañar entonces, que sea posible
encontrar cierto número de tecnologías que se complementen adecuadamente para
poder ofrecer sistemas de alta calidad en tiempo real en todo tipo de escenarios.
Por ejemplo, la OFDM es una modulación que en una propagación por
multitrayecto, se adecua para el aprovechamiento de las contribuciones que llegan
al receptor y, otras modulaciones digitales son afectadas por interferencia entre
símbolos. De la modulación hablaremos mas adelante.
El multitrayecto (multipath) es una de las causas de error sistemáticos más
importantes, esto se debe a la reflexión de las señales del Sistema de
Posicionamiento Global (GPS: Global Positioning System) en edificios, estructuras
metálicas, etc.
GPS es una red de satélites estadounidenses cuya tarea es proporcionar la
infraestructura necesaria para permitir una localización precisa en el entorno
planetario.
49
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 23. Sistema de Posicionamiento Global GPS.
La red está constituida por un mínimo de 24 satélites (y un máximo de 32) a
20.200Km de altura, en seis planos orbitales. Su periodo de rotación es, por lo
tanto, de 12 horas sidéreas exactas. El sistema está diseñado para que haya en todo
momento entre 8 y 12 satélites visibles en cualquier punto de la Tierra,
exceptuando latitudes muy elevadas (los polos terrestres).
El multitrayecto introduce dos problemas: atenuación selectiva (si se reciben
varias señales simultáneamente), e incremento de la distancia medida al satélite
(ya que en vez de tomar la distancia real, se toma la distancia a través del
multitrayecto).
Por ejemplo, no se puede poner la antena GPS en el exterior de la ventana
porque, según la posición de los satélites, los rebotes radioeléctricos en la misma
quedan dejan sin cobertura (por la atenuación selectiva). En cambio al mover la
antena medio metro, la recepción es excelente.
Uno de los problemas más graves del multitrayecto es que el error en la posición
puede ser muy alto, y ello no se ve reflejado en el DOP (Dilution of Precision), esta
imprecisión está derivada de la geometría de los satélites respecto al receptor GPS.
50
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Dado que sus órbitas son conocidas por el “almanaque” que es la información
enviada de forma periódica por los satélites de la constelación, informando sobre
ellos mismos y el resto de satélites miembros del sistema, su nivel de salud, etc.,
existen algoritmos para calcular las diferentes DOP, tanto en tiempo real como con
antelación. Afortunadamente el multitrayecto es muy sensible a la posición de los
satélites (que cambia constantemente), de la antena y del entorno, por lo que sus
efectos suelen ser claramente obvios cuando se comparan medidas.
El esquema de modulación COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division
Multiplexing) es un esquema de modulación especialmente apropiado para las
necesidades de los canales de difusión terrestres, principalmente por los siguientes
motivos:
o Puede soportar altos valores de multitrayecto (encontrados principalmente
en grandes centros urbanos, mercado potencial de la televisión digital
terrenal), con alta dispersión de retardos entre las señales recibidas. Esto
además desemboca en las redes de frecuencia única, o isofrecuenciales
(SFN: Single Frequency Networks), en las que podemos hablar de
"multitrayecto artificial". En realidad, la normativa DVB-T admite su empleo
tanto en redes multifrecuenciales (MFN: Multi-Frequency Networks), en las
que la planificación es similar a la de los existentes sistemas analógicos,
como en redes isofrecuenciales (SFN).
o Soporta interferencia cocanal de banda estrecha, como la que producirían
otros servicios analógicos terrestres. Es además importante el prever que se
tendrá un tiempo de transición en los que convivan varios servicios de
difusión de televisión, incluidos los analógicos, hasta una total implantación
de los sistemas digitales, tanto terrenales como por satélite, amén de los
servicios de cable. Por consiguiente, la planificación técnica, en su apartado
51
CBI ANTENAS INTELIGENTES
de planificación de frecuencias y compatibilidad electromagnética ha de
tomar en consideración este hecho.
En COFDM se modulan los datos en un gran número de portadoras, a baja
velocidad, empleando técnicas de FDM. El motivo de emplear múltiples portadoras
viene precisamente del hecho de que haya niveles altos de multitrayecto. Las
ciudades y centros urbanos podrían ser, en una primera aproximación, el principal
mercado para estas redes. La razón es que en estas grandes aglomeraciones de
edificios y estructuras donde los sistemas vía radio podrían cobrar ventaja respecto
de los sistemas por cable, que a primera vista aparecerían como sus principales
competidores, debido a la gran dificultad, especialmente económica y logística que
supone cablear una ciudad.
Los fenómenos de multitrayecto se ven además, especialmente aumentados por
el extendido uso de las conocidas "set-top TV antennas". La idea básica sería que si
se esperan retardos altos de la señal, por efectos del multitrayecto, se ha de tener
una duración de símbolo mucho mayor que dichos retardos para hacerlos
soportables, con lo que parece más apropiado el emplear muchas portadoras
moduladas a baja velocidad, que una sola a alta velocidad. Este efecto también es
apreciable en el dominio de la frecuencia, viendo como el multitrayecto provoca
una selectividad en frecuencia, evitable (portadora a portadora, dentro de un canal
de banda estrecha), con anchos de banda estrechos.
No obstante, cabe pensar que aunque el periodo de símbolo se ha hecho mucho
mayor que el mayor de los retardos por multitrayecto, aún sigue habiendo
interferencia entre símbolos (ISI). Para evitar esta pequeña fracción de tiempo en
la que hay interferencia entre símbolos, lo que se hace es insertar un tiempo de
guarda.
52
CBI ANTENAS INTELIGENTES
La capacidad de transmisión-recepción no es la única limitación inherente a los
sistemas móviles como GSM y UMTS, algunas de ellas son:
1. El desvanecimiento por multitrayecto, que degrada las prestaciones del
canal de comunicaciones. Es menos importante en UMTS, debido a que es
un sistema de banda ancha (por lo que esta menos afectado por un
desvanecimiento selectivo en frecuencia) y, además, el empleo de receptores
Rake permitirá combinar las componentes de multitrayecto para mejorar la
recepción de la señal deseada.
En los sistemas Time Division Multiple Access (TDMA) y Frequency
Division Multiple Access (FDMA) no pueden separar las señales directas de
aquellas que llegan con retardo. Ya que estas últimas son causa de
interferencias, no es deseable un entorno de recepción con múltiples
trayectos de señal.
En sistemas de Acceso Múltiple por División del Código (CDMA), donde
las señales se separan por códigos, es posible separar la señal original de las
que llegaron con retardo. Un receptor Rake usa varios correlacionadores de
banda base para procesar individualmente varias componentes de la señal
multitrayecto. La salida del correlacionador se combina para obtener una
mejor señal.
2. La interferencia de canal, que empeora la relación C/I de la señal recibida, lo
que afecta directamente al buen funcionamiento del sistema. Este efecto es
mucho más pronunciado en los sistemas CDMA (como UMTS), ya que la
relación C/I esta directamente relacionada con el grado de cobertura de un
Nodo B (cell breathing). Además, en los sistemas CDMA, el nivel de
interferencias procedentes de otros usuarios es mucho mayor debido a que
los códigos de scrambling no son exactamente ortogonales entre sí.
53
CBI ANTENAS INTELIGENTES
3. La dispersión temporal de la señal recibida, debida de nuevo al
multitrayecto, que provoca un aumento de la interferencia entre símbolos.
De nuevo, en UMTS, el receptor Rake ayuda a mitigar este efecto.
Estas tres limitaciones, sin embargo, tienen su origen en el hecho de que, en
estos sistemas los canales de tráfico se transmiten a través de antenas
omnidireccionales (o bien sectorizadas), a pesar de su carácter eminentemente
punto a punto. Por este motivo, se esta emitiendo señal a usuarios no deseados (lo
que da lugar a la aparición de interferencias) y, a su vez, se reciben señales de
diversas fuentes (de otros usuarios y de los componentes multitrayecto).
54
CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 4.
ANTENAS INTELIGENTES.
Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas (arrays) con
una unidad de procesamiento Digital de señales (DSP) que optimiza los diagramas
de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en
el entorno.
Una antena inteligente es aquella que, en vez de
disponer de un diagrama de radiación fijo, es capaz
de generar o seleccionar hazes muy directivos
enfocados hacia el usuario deseado, e incluso
adaptarse a las condiciones radioeléctricas en cada
momento.
Las difusiones de radio y televisión que conocemos, normalmente utilizan un
sistema de comunicaciones tradicional mediante antenas: una transmite la señal y
la otra la recibe. A este tipo de configuración que usa una antena en cada extremo,
se le denomina entrada simple-salida simple (SISO, por sus siglas en inglés).
Muchos de los sistemas inalámbricos actuales usan el mismo diseño básico. Una
antena en el punto de acceso transmite, y otra, en un equipo portátil u otro
dispositivo recibe los datos, y viceversa.
El diseño de nuevas tecnologías está encaminado a la transmisión y recepción
mediante antenas múltiples en ambos extremos de la comunicación. Este método
se denomina de entrada múltiple-salida múltiple (MIMO, por sus siglas en inglés),
como se muestra en la Figura 24.
55
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Para manejar múltiples señales, los sistemas MIMO requieren de más
inteligencia que una simple configuración Single Input - Single Output (SISO). En
algunos casos, la lógica de procesamiento de señal es sumamente compleja, por esa
razón estas antenas múltiples se conocen como antenas inteligentes.
Figura 24. Diferencias entre las antenas inteligentes (arriba) y SISO (debajo).
Para manejar múltiples señales, los sistemas MIMO requieren de más
inteligencia que una simple configuración Single Input - Single Output (SISO). En
algunos casos, la lógica de procesamiento de señal es sumamente compleja, por esa
razón estas antenas múltiples se conocen como antenas inteligentes.
El concepto de antena inteligente no solo se debe al arreglo de antenas
múltiples, este incluye también una unidad de procesamiento de señales (DSP), el
cual optimiza los diagramas de transmisión y recepción en respuesta a una señal de
interés.
En el campo del procesamiento digital de señales existe una clase de sistemas
adaptivos en la cual los coeficientes de un filtro digital se ajustan para minimizar
una señal de error, la cual se define como la señal deseada menos la señal de salida
56
CBI ANTENAS INTELIGENTES
del sistema. Estos principios fueron empleados ya en un sistema de cancelación de
ruido de ductos basada en la teoría de filtros adoptivos.
El avance de la tecnología digital en el desarrollo de los DSP, especializados
para el procesamiento numérico en el tiempo real de señales digitales. Estos
dispositivos han permitido el desarrollo e implantación a bajo costo de poderosos
algoritmos adaptivos para el control activo del ruido.
El control adaptivo aplicado al ruido, trabaja sobre el principio de interferencia
destructiva entre la onda del ruido generada por una fuente primaria y la onda de
interferencia generada por la fuente de control. El DSP realiza en tiempo real los
cálculos necesarios para generar la señal de control mediante los filtros FIR o IIR.
Figura 25. Esquema de una Antena Inteligente
Algunas de las compañías que se dedican al desarrollo de tecnología de antenas
inteligentes son:
o ArrayComm Inc.: es el líder mundial en tecnología de antenas inteligentes.
o Motia empresa que se dedica al desarrollo de antenas inteligentes para redes
Wi-Fi.
o QUALCOMM empresa que se dedica al desarrollo de antenas inteligentes.
57
CBI ANTENAS INTELIGENTES
o Intel. Se dedica a la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías de
antenas inteligentes.
o Fujitsu.
Los productos para redes LAN basados en MIMO incluyen a empresas como
Airgo Networks (pionera en este campo), Belkin, Linksys y SOHOware. Samsung
también a anunciado tecnologías wireless basadas en MIMO, al igual que Intel y
Motorola.
4.1 Norma 802.11n de la IEEE.
El estándar 802.11n podría ofrecer un rendimiento de más de 300 Mbps,
utilizando tecnología MIMO para potenciar y optimizar el ancho de banda. La
aprobación definitiva del estándar permitirá a las redes WLAN superar la
velocidad de las redes Ethernet (limitadas a 100 Mbps).
Según Dell´Oro Group en el 2009 las redes 802.11n abarcarán el 90% de las
WLAN hogareñas, dándose una adopción más lenta en la empresa, si bien los
despliegues a gran escala se acelerarán hacia el 2008 y 2009.
4.2 Cómo funcionan las antenas inteligentes.
El principio básico de las antenas inteligentes es que cada antena recibe una
señal separada y definida. Dependiendo de como este configurado el sistema
inalámbrico, el receptor puede usar una señal para mejorar la calidad de otra
señal, o podría combinar los datos de señales múltiples para ampliar el ancho
de banda.
58
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 26. Prototipos de antena inteligente
(a)
(b)
Figura 27. a) Interior de la antena mostrando las celdas componentes.
b) Estructura interna de las celdas componentes de una antena inteligente.
59
CBI ANTENAS INTELIGENTES
La señal que reciben las antenas es una señal de radiofrecuencia (RF) sin
procesar, este tipo de RF se encamina inicialmente a circuitos que la manejan
como una señal analógica, tal como un radio. Algunos dispositivos con antenas
inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en esta etapa analógica. Después
del procesamiento inicial, la RF se convierte en una señal digital, misma que se
envía al dispositivo host como una cadena de datos. La mayoría de los
dispositivos que usan las antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes
en este conjunto de circuitos digitales.
4.3 Clasificación según su configuración.
Una antena inteligente se puede implementar en su base ya sea vía hardware
o vía software, y a su vez se determina el uso o complejidad que tendrá, como se
muestra a continuación.
La característica básica en el diseño de un sistema de antenas inteligentes es
la capacidad de seleccionar espacialmente a los distintos usuarios. Existen
varias formas de implementar un sistema con esa capacidad, las cuales se
clasifican en tres tipos según su nivel de complejidad:
1. Haz conmutado.
2. Haz de seguimiento.
3. Haz adaptativo.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Antenas Inteligentes
Hardware
Antenas
Software
Dispositivo
F.C
Haz
conmutado
Haz adaptativo
+ seguimientos
Lineas Tx
Antena base
Filtros
Arreglos
Desfasadores
Control
Steering
(Barrido)
Couplers
Demoduladores
Algoritmo MUSIC
Algoritmo SPRIT
Control de
fase
Híbridos
DoA
Beamforming
Convertidores A/D D/A
LSM
Diplexer – Duplexer
RSM
Isolator Circulaitor
Redes Neurales
Algoritmos Genéticos
Filtros de Kalman
Control de Ceros
Figura 28. Clasificación de Antenas Inteligentes
4.3.1 Haz conmutado. (Switched Beam).
Las antenas de haz conmutado, modificando entre una serie finita de
posibilidades su diagrama, son capaces de concentrar la capacidad de la
estación base en las zonas de cobertura donde más demanda existe.
Es la configuración más simple de antenas inteligentes en el cual el
sistema genera varios haces fijos, cada uno de ellos apunta a ángulos
prefijados de modo que entre todos se cubre la zona deseada.
61
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 29. Antena de haz conmutado
La inteligencia del sistema se encarga de ir conmutando de manera
secuencial el haz que mejor servicio de a cada usuario en particular en
función de algún parámetro de control (mayor nivel de potencia recibida,
menor SNR y mejor C/I), dando como resultado un barrido discreto de la
zona de cobertura en posiciones angulares fijas. En cada posición discreta
del haz se activa el sistema de recepción para detectar la posible existencia
de señales. En caso de recibir señal, el sistema guarda información
correspondiente a la posición del haz (ángulo + identificación de usuario) y
se establece la comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo.
Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la
existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona
de cobertura. Este proceso se repite permanentemente en el tiempo.
En este arreglo la excitación de cada antena individual se puede
modificar en determinados valores, consiguiendo de esta manera un haz de
radiación diferente.
62
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 30.
Haz conmutado
Los elementos del sistema de haz conmutado son:
•
Matriz de Butler
•
Matriz de Blass.
•
Acopladores direccionales.
•
Híbridos 3dB – 90°.
•
Líneas de transmisión.
•
Interruptores de microondas (Diodos PIN)
•
Sistema de control de fase.
Esta técnica no garantiza que el móvil se encuentre en la dirección de
máxima radiación del haz que le da servicio, ni que las señales interferentes
se vean notablemente reducidas (ya que siempre es posible que alguna entre
por uno de los lóbulos secundarios). De hecho seria posible recibir una señal
interferente por un punto del diagrama de radiación con mayor ganancia
63
CBI ANTENAS INTELIGENTES
que la señal deseada, empeorando notablemente las prestaciones del
sistema.
Figura 31.
Patrón de radiación de un arreglo lineal uniforme de 7 elementos: haz
conmutado
Figura 32. Diagrama de flujo para haz conmutado.
64
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Una versión mas avanzada de esta técnica consistiría en seleccionar con
un haz la señal deseada y con otros algunos de sus componentes
multitrayecto, de forma que puedan procesarse todas con un receptor.
4.3.2 Haz de seguimiento. (scaning).
Este sistema es un poco más complejo que el anterior. Está conformado
por un arreglo de antenas con una red de excitación que requiere el uso de
un array progresivo, el cual permite controlar electrónicamente las fases de
las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo de modo
que puede modificase la dirección del haz convenientemente y establecer
comunicación con el usuario respectivo.
Figura 33. Antena de haz de seguimiento
A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema de haz de
seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar la
dirección de arribo de las señales de los usuarios y se pueda reorientar de
manera dinámica el haz apuntando al usuario deseado.
65
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Otra diferencia es que los cambios de fase en el sistema conmutado se
realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijados en el
sistema y en el sistema de haz de seguimiento el posicionamiento del haz
tiene mayor resolución angular.
Figura 34.
Patrón de radiación de un arreglo lineal uniforme de 7 elementos: haz de
seguimiento
Los elementos del sistema de haz de seguimiento son:
•
Desfasadores.
•
Compensadores.
•
Líneas de transmisión.
•
Sistema de detección de Dirección de Arribo (DoA).
•
Sistema de control de fase.
Con esta técnica si se puede garantizar que el usuario se encuentra
iluminado en todo momento por el lóbulo principal y con máxima ganancia
(dentro de las limitaciones de los algoritmos que se emplean). Sin embargo,
tampoco puede evitarse que las interferencias entren por algún lóbulo
secundario del diagrama de radiación.
66
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Para aprovechar las señales multitrayecto seria necesario detectar y
seguir con otros haces dichas componentes y luego procesarlas con un
receptor Rake.
El tiempo de
muestreo debe
cumplir el teorema
de Nyquist.
Figura 35.
Diagrama de flujo para haz de seguimiento
4.3.3 Haz adaptativo.
Ya sea en sistemas de seguimiento de objetos móviles, donde no se sabe a
priori hacia dónde se ha de dirigir el haz principal del diagrama de radiación
de la antena (en este caso, se usa el método adaptativo para modificar en el
tiempo la alimentación de la antena o sistema de antenas, y así modificar la
forma del diagrama de radiación en el tiempo), como en sistemas sometidos
a interferencias provenientes de distintas fuentes (emisiones de otros
sistemas, rebotes...), en los que se pretende generar nulos en el diagrama de
radiación en la dirección de dichas interferencias, para evitar que afecten a
la emisión/recepción de nuestro sistema (el carácter aleatorio de dichas
interferencias es lo que hace que se necesite un filtrado adaptativo).
67
CBI ANTENAS INTELIGENTES
A diferencia de las antenas celulares convencionales que radian energía
por toda la celda, las adaptativas, limitan la energía radiada a un haz
estrecho (Figura 20). Las ventajas de dirigir la energía difundida por un haz
estrecho son un incremento en la ganancia de señal y mayor gama del
camino de la misma, así como menor reflexión de ruta múltiple, más
eficiencia espectral y mayor capacidad en la red. También comparte algunas
desventajas, siendo la principal de ellas la necesidad de localizar
continuamente la posición angular de los terminales móviles en la celda.
En una red celular convencional, una sola antena de estación base define
los parámetros de la celda y es el foco de toda la comunicación radiada.
Esto abarca tanto la transmisión y recepción del tráfico de voz y datos
que genera beneficios, como la difusión de los pormenores relacionados con
el sistema precisos para operar la información de red que todo terminal
móvil en uso dentro de la celda debe recibir continuamente y de forma
simultánea. Entre la información relacionada con el sistema hay la identidad
de celda, las frecuencias en uso dentro de la misma, secuencias de salto de
frecuencia, niveles de potencia máxima, etc.
Figura 36.
Instalación de antena direccional mostrando un sistema de antena adaptativa.
68
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Un diseño de antena adaptativa que incremente la capacidad del sistema
precisa que la antena de estación base convencional sea remplazada por uno
o más equipos de antena adaptativa. En lugar de inundar la celda con
información radiada de un solo origen, las antenas adaptativas llenan la
celda con varios haces estrechos de señales (típicamente cuatro u ocho). Una
consecuencia inmediata de este nuevo enfoque es que debe aplicarse una
estrategia de enlace descendente distinta; es decir, deben usarse datos más
complejos para la transmisión desde la estación base a los terminales
móviles en la celda. Esto se debe a que el sistema precisa saber:
o Qué dirección de haz llega a qué terminales móviles; y
o Cómo puede enviar simultáneamente información de sistema a
cada terminal móvil.
Estos requisitos se satisfacen con dos estrategias principales de enlace
descendente. La primera precisa que se dirija un haz al terminal móvil; la
segunda que se seleccione un haz de un juego de haces fijos (Figura 21). En
cada caso, el haz de enlace descendente se basa en la estimación de la
dirección de llegada (DOA) del enlace ascendente del terminal móvil. Por
tanto, en la solución de antena adaptativa son elementos fundamentales los
algoritmos que determinan el haz o ruta de haz del enlace descendente.
La técnica de haz adaptativo constituye el máximo nivel de inteligencia
que se podría dar a un sistema de antenas. En este sistema, las salidas de
cada elemento del arreglo de antenas se ponderan con un factor de peso
cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de
radiación para maximizar algún parámetro de la señal, de este modo
presentara un haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces
o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de
multitrayecto (si se quieren procesar con un receptor Rake) de la señal
69
CBI ANTENAS INTELIGENTES
deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de
interferencia.
Figura 37.
Antenas de haz gobernable y haz múltiple conmutado en red celular.
Figura 38.
Antena de haz adaptativo
70
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Esta técnica requiere del uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección
de las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los
pesos que conformen el haz.
Los elementos del sistema de haz adaptativo son:
•
Mezcladores.
•
Oscilador local.
•
Filtros pasa-banda.
•
Convertidor Analógico/Digital.
•
Down-Converter.
•
Sistema de detección de Dirección de Arribo (DoA).
•
Sistema de Conformación de haz.
No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el número
de fuentes interferentes que se pueden suprimir esta directamente
relacionado con el número de elementos de la antena.
Figura 39.
Patrón de radiación de un arreglo lineal uniforme de 7 elementos: haz
adaptativo.
71
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la
detección de la señal deseada e interferente como para la optimización de los
pasos que conformen el haz, estos algoritmos suelen llevar una gran carga
computacional, mientras que deben procesarse en tiempo real, por lo que
suponen una seria limitación.
Figura 40.
Diagrama de flujo para haz adaptativo
A continuación haremos una comparación de los diagramas de los
sistemas de seguimiento, conmutado y adaptativo.
72
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 41.
Sistema conmutado y adaptativo
4.4 Clasificación de los arreglos.
Los arreglos de antenas inteligentes se puedes clasificar de la siguiente
manera:
73
CBI ANTENAS INTELIGENTES
1. Por su geometría
•
Lineales.
•
Planares.
•
Volumétricos.
Un arreglo plano puede estructurarse considerando un arreglo lineal de M
elementos colocado, por ejemplo, a lo largo del eje x, y posteriormente repetir
N de tales arreglos a lo largo de la dirección y como se muestra en la Figura
42. De esta forma cada elemento en el arreglo original en la dirección x estará
espaciado por una distancia dx y una fase progresiva βx mientras que en la
dirección y cada arreglo o elemento tendrá una separación dy y una fase
progresiva βy. En esta forma quedaría un arreglo de tipo rectangular. El factor
de arreglo para este arreglo plano puede expresarse como:
El factor de arreglo del sistema de un arreglo lineal depende solamente de
una variable angular, el ángulo cónico medido con respecto al eje de arreglo,
de allí que su gráfico en tercera dimensión, sea un sólido de revolución con
respecto al eje del arreglo.
El factor de arreglo de un arreglo planar depende de dos variables
angulares, los dos ángulos cónicos, medidos con respecto a los dos ejes del
arreglo, de allí que su gráfico en tercera dimensión, sea un sólido simétrico
con respecto al plano del arreglo.
74
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 42.
Disposición física de un arreglo plano rectangular de antenas
El factor de arreglo de un arreglo volumétrico depende de tres variables
angulares, los tres ángulos cónicos, medidos con respecto a los tres ejes del
arreglo, de allí que su gráfico en tercera dimensión, sea un sólido mono haz de
tendencia pencilada.
2. Por su excitación
•
Uniformes.
•
Binomiales.
•
Tchevichev.
•
Schelkunoff (ceros).
•
Fourier.
•
Coseno-pedestal.
De la ecuación anterior se observa que el factor de arreglo rectangular es el
producto de los factores de arreglo de los arreglos en las direcciones x y y.
75
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Tomando los coeficientes de excitación en amplitud de los elementos en x,
la amplitud del elemento (m, n)-ésimo puede escribirse como:
Para el caso de un arreglo uniforme (Imn= I0) el factor de arreglo normalizado
puede expresarse como:
donde
En la Figura 43 se muestra el factor de arreglo para un arreglo rectangular
de amplitud uniforme y fase cero, con 5 elementos en x y 5 elementos en y.
76
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 43.
Factor de arreglo tridimensional de un arreglo de antenas rectangular con M=
N= 5
El arreglo que produce el factor de arreglo mostrado en la Figura 41 es uno
de los casos mas simples debido a que la amplitud de excitación es uniforme y
la fase de excitación en cada elemento es igual. Sin embargo, estos parámetros
e inclusive la separación entre elementos pueden ser establecidas siguiendo
distribuciones específicas (binomial, Tschebyscheff, triangular, senoidal, etc.)
que lleven al factor de arreglo deseado.
El número total de elementos en un arreglo rectangular es igual al
producto del número de elementos en cada eje, por lo que un arreglo grande
tendrá la complejidad tanto de diseño como de construcción, ya que el tamaño
77
CBI ANTENAS INTELIGENTES
y el costo de las redes alimentadoras que controlan la amplitud y fase de
excitación en cada elemento es muy grande.
4.5 Consideraciones para la instalación de una
antena.
Al realizar la instalación de una antena se deben de considerar tres aspectos
básicos:
o Seguridad:
Prioridad al procedimiento de operación estándar.
o Superficie:
Golpe de relámpago.
Cargas estáticas.
o Sobreprotección:
Búsqueda de rayos para una segunda trayectoria de superficie.
En el lugar de una antena de arreglo adaptativo necesita ser considerado
diferente a la corriente de tecnologías de servicio del ambiente móvil. Ellas
necesitan que su lugar sea y tenga una gran aproximación angular a la
recepción de unidades. Existen lugares de torres con proximidad cerrada a la
vía y carretera mientras las necesidades son reconsideradas.
La base, poste, y la estructura de soporte necesitan claramente, acceso para
darles servicio, y complementar las líneas del estado, federación y municipios.
78
CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 5.
ALCANCE CON ANTENAS INTELIGENTES.
El alcance de una antena inteligente viene definido por el modo en que trabaje.
Si la antena trabaja en modo direccional, su alcance será mayor que si lo hace
de modo omnidireccional, ya que concentra toda su potencia en un ángulo menor.
Para entender el alcance de una antena se debe definir la zona que abarcara como
se muestra en la Figura 45:
Figura 44. Zona y Subzonas
Zona: es un espacio o región en el cual se encuentran todos los usuarios.
Esta de divide en dos subzonas.
o Subzona Broadcast: esta zona corresponde con el rango de alcance de
luna antena omnidireccional.
o Subzona Beamforming: esta zona esta dividida en n beams. Un beam se
define como el rango de alcance de la antena en modo direccional para
un cierto ángulo de apertura. Según el ángulo de apertura que se utilice
habrá más o menos beams.
79
CBI ANTENAS INTELIGENTES
En la Figura 46 los beams tienen forma triangular, en la realidad la cobertura
tiene forma de un lóbulo redondeado en el cual hay una distancia máxima.
Figura 45. Lóbulo de Beam
La característica principal de este tipo de antenas es que pueden orientar la
señal que emiten en haces muy directos enfocados hacia el usuario deseado para
llevar a cabo la comunicación. Para esto daca usuario debe tener, además de su
propio identificador, una firma espacial que indique las coordenadas de la posición
dentro de la zona.
Esta firma espacial es utilizada por el nodo central o punto de acceso (AP) para
enfocar la antena para cada usuario en un instante determinado.
Antes de realizarse intercambio de información entre usuario y antena existe
una fase donde el AP debe descubrir donde se hallan los usuario dentro de la zona.
Dependiendo del método utilizado veremos que se pueden encontrar dentro de la
zona de broadcast como en la zona de beamforming. En esta primera fase el
objetivo del AP es obtener las firmas espaciales de todos los usuarios.
Posteriormente de que el AP tiene localizados los usuarios, ya puede empezar a
realizar el intercambio de información. Esto se lleva a cabo mediante en el análisis
de distintos métodos de descubrimiento de usuarios dentro de la fase previa
descrita anteriormente. Se comparan los resultados de utilizar un Ap con 1
80
CBI ANTENAS INTELIGENTES
transceptor a la utilización de 2 y 3 transceptores. Supondremos que en todo
momento los AP conocen la distribución de los usuarios en cada beam, esto es;
cada AP sabe el número de usuarios que hay en cada beam.
Debido a la menor dispersión angular de la radiación desde el sistema de
antenas inteligentes, se reduce significativamente los trayectos múltiples de la
información que llegaría al equipo móvil. Esto permite simplificar el sistema de
ecualización del terminal móvil.
Dependiendo de la configuración del sistema de antenas inteligentes, se pueden
tener dos situaciones:
1. Captación de la onda principal de la señal de interés, eliminando las señales
de multitrayecto propias y las señales interferentes de otros usuarios.
2. Captación de la onda principal de la señal de interés aprovechando la
captación de sus señales de multitrayecto, para reforzar la señal principal, y
eliminar las señales interferentes de otros usuarios.
La selectividad espacial que proporciona el sistema de antenas inteligentes,
permite discernir las señales interferentes provenientes de otros usuarios, con esto
se logra hacer insensible a la antena receptora hacia esas direcciones y evitar que
esas señales sean procesadas en el sistema de recepción. También permiten reducir
la potencia de transmisión en la dirección de esos usuarios para evitarle
interferencias. La reducción del nivel de interferencia reduce la tasa de error
(BER), lo que permite aumentar la calidad de la transmisión de la información.
Gracias a que la transmisión entre la estación y el equipo móvil es direccional,
es muy difícil que otro equipo intercepte la comunicación, a menos que esté situado
en la misma dirección en que apunta el haz de la antena.
81
CBI ANTENAS INTELIGENTES
También se hace fácil la localización de usuarios que estén haciendo uso
fraudulento de los servicios que ofrece la red de comunicación móvil.
La característica de las antenas inteligentes de tener unos haces de radiación
con una mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad
angular), nos lleva a las siguientes ventajas potenciales de estos sistemas:
Incremento de las zonas de cobertura: dado que la ganancia es mayor que
en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas, para igual potencia
transmitida, la señal se podría recibir a una mayor distancia, permitiendo
reducir el número de estaciones base necesarias para cubrir una zona,
siempre y cuando no sea el tráfico el factor limitante.
Reducción de la potencia transmitida: la mayor ganancia de la antena
permitiría incrementar la sensibilidad de la estación base, por lo que los
móviles podrán transmitir con menor potencia, ahorrando batería. De igual
modo, gracias a la ganancia del array, es posible que la estación base
transmita igual potencia, pese a que cada elemento del array esté radiando
una potencia muy inferior. Así, se relajarían las especificaciones sobre los
amplificadores de potencia utilizados, resultando más económicos.
Reducción de la propagación multitrayecto: debido a la menor dispersión
angular de la potencia radiada por la estación base, se reducirá el número de
trayectos
múltiples
que
alcanzaran
al
móvil
(mejorando
así
las
características de dispersión de retardo del canal).esto permitirá disminuir
los requisitos exigidos al ecualizador del terminal móvil, como se muestra en
la Figura 24.
82
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 46. Reducción de propagación multitrayecto
Reducción del nivel de interferencia: la mejor selectividad espacial de la
antena permitirá a la estación base discriminar las señales de usuarios
interferentes a favor del móvil deseado (en el caso del enlace ascendente), y
también reducir el nivel de potencia transmitida en las direcciones de esos
otros usuarios (en el caso del enlace descendente). De cualquier modo: se
conseguiría aumentar la relación C/I, teniendo como consecuencia:
a) Una mejora en la C/I implica directamente una mejora en la tasa de
error (BER), lo que hace que la calidad del servicio aumente.
b) La reducción de la C/I puede explotarse directamente (mediante
técnicas de multiplexación espacial) o indirectamente (realizando un
plan de frecuencias mas ajustado, en el caso de GSM) para aumentar
la capacidad del sistema.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Figura 47. Reducción del nivel de interferencia
Mejora de la seguridad: gracias a que la transmisión entre la estación base y
la terminal móvil es direccional, no será posible que un equipo ajeno
intercepte la comunicación, a menos que se sitúe en la misma dirección en la
que apunta la antena.
Figura 48. Incremento del nivel de seguridad
Además seria posible una localización precisa de usuarios que
estuvieran realizando un uso fraudulento de los servicios ofertados por la
red.
Introducción de nuevos servicios: puesto que la red podría tener acceso a la
información de los móviles, es posible pensar en servicios tales como
radiolocalización en llamadas de emergencia, tarificación geográfica, publicidad de
servicios cercanos, información de lugares turísticos, gestión avanzada de flotas,
etc.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 6.
AMPLIACIÓN DEL ALCANCE MEJORANDO
LA CALIDAD DE LA SEÑAL.
Las tecnologías que comparan la calidad de las señales de dos antenas, eligen la
más intensa y pueden mejorar la calidad de la señal sustancialmente. Por
mencionar un escenario muy común, encontramos a un usuario utilizando una
conexión Wires-Fidelity (Wi-Fi, es una de las tecnologías de comunicación
inalámbrica sin cables más extendidas, también se conoce como WLAN o como
IEEE) en un sitio público muy concurrido, cuando el punto de acceso Wi-Fi
transmite datos, la señal puede amortiguarse si algún objeto (tal como una persona
caminando por ahí) aparece entre el punto de acceso y el dispositivo receptor, lo
que da por resultado que la señal intensa se debilite súbitamente. De la misma
manera, si alguien estaba de pie entre los dos dispositivos al comenzar la
transmisión, la señal se mejora en cuanto la persona se hace a un lado, es decir la
señal débil se intensifica súbitamente.
Si un dispositivo con dos antenas hubiera recibido ambas señales, el dispositivo
seleccionaría la mejor señal si la que estaba en uso comenzara a amortiguarse;
dicha técnica se denomina diversidad conmutada. Este método tan simple vigila
directamente a las dos antenas y conmuta entre ambas a medida que las señales se
intensifican o se amortiguan, una en relación con la otra. La amortiguación de la
señal es el factor de canalización de la distancia de transmisión para señales
inalámbricas. Mientras más intensa es la señal, mayor será la distancia que puede
viajar. Por lo tanto, la diversidad conmutada puede beneficiar a los usuarios
incrementando la distancia por la cual pueden disfrutar de una conectividad
inalámbrica fiable.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Además de la amortiguación, el ruido puede dañar las señales. Esto es
especialmente cierto de las frecuencias Wi-Fi, ya que muchos dispositivos
inalámbricos (lo que incluye teléfonos móviles, y hasta hornos de microondas)
comparten el espectro de frecuencias no sujeto a licencia. Las antenas inteligentes
pueden contribuir a la reducción del ruido mediante la combinación de señales de
ambas antenas. Cuando se combinan esas señales, las señales transmitidas se
refuerzan entre sí, mientras que el ruido (que consiste de señales aleatorias de bajo
volumen) se mantiene a un nivel de intensidad constante. Como las señales tienen
más intensidad relativa al ruido, es más fácil distinguirlas del mismo.
El concepto de la combinación de señales puede mejorarse aún más usando
técnicas que comparan matemáticamente la calidad de la señal en tiempo real y las
combinan de acuerdo a ponderaciones asignadas a la calidad de la señal. En la
mezcla analógica, las señales de RF se sincronizan y luego se les pondera dé
acuerdo con la intensidad de la señal y los niveles de ruido. Después, las señales se
combinan para producir una RF óptima en términos de la proporción de intensidad
de señal a ruido. Esta señal optimizada se envía a los circuitos digitales para su
digitalización. La mezcla analógica es una técnica directa y efectiva.
Una técnica similar, pero más avanzada, usa la mezcla digital y es efectiva en
especial para los radios que utilizan multiplexación de división ortogonal de
frecuencias (OFDM, por sus siglas en inglés), también llamada modulación por
multitono discreto, en inglés Discreet Multitone Modulation (DMT), la cual es una
modulación que consiste en enviar la información modulando en Quadrature
Amplitude Modulation (QAM) o en Phase Shift Keying (PSK) un conjunto de
portadoras de diferente frecuencia. Normalmente se realiza la modulación OFDM
tras pasar la señal por un codificador de canal con el objetivo de corregir los errores
producidos en la transmisión, entonces esta modulación se denomina COFDM, del
inglés Coded OFDM.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo
continuo de los cientos, o incluso miles, de portadoras equiespaciadas que forman
una modulación OFDM, los procesos de modulación y demodulación se realizan en
tiempo discreto mediante la IDFT y la DFT respectivamente.
La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy
habitual en los canales de radiodifusión, frente a los desvanecimientos selectivos en
frecuencia y frente a las interferencias de RF.
Debido a las características de esta modulación, las distintas señales con
distintos retardos y amplitudes que llegan al receptor contribuyen positivamente a
la recepción, por lo que existe la posibilidad de crear redes de radiodifusión de
frecuencia única sin que existan problemas de interferencia
Cuando se usa OFDM, la transmisión se efectúa usando muchas frecuencias. Así
se permite que la transmisión de la señal de radio se divida en múltiples señales
secundarias pequeñas que se transmiten simultáneamente al receptor usando
frecuencias diferentes. Las señales secundarias de cada antena se encaminan por el
conjunto de circuitos digitales, donde son ponderados y combinados para producir
una señal óptima. Ya que las señales secundarias llegan por varias frecuencias
diferentes simultáneamente, el proceso de ponderación es complejo y exige
capacidades de procesamiento muy avanzadas. A cambio de eso, genera una señal
prácticamente óptima.
Los ensayos de mejoramiento de señales llevados a cabo por Intel muestran que
la mezcla digital produce la señal de calidad más alta, seguida por mezcla
analógica, y finalmente, la diversidad conmutada. Cuando se opera cerca de los
niveles óptimos, los mejores resultados amplían las distancias un máximo de 1.4
veces por cada incremento de 2 veces en el número de antenas en ambos extremos
de la transmisión. Todas estas técnicas pueden usarse en el transmisor, donde las
87
CBI ANTENAS INTELIGENTES
decisiones de conmutación o ponderación que se usan para la mezcla se derivan del
receptor co-ubicado (si asumimos un vínculo simétrico) o de la realimentación que
se obtiene de otro dispositivo.
Otra opción que involucra tanto al transmisor como al receptor es codificación
espacio-tiempo (o espacio-frecuencia), en donde las señales se transforman y se
delegan a ciertas antenas, frecuencias o símbolos en el tiempo. Este es un
mecanismo para reducir los efectos de la atenuación de señal por multi-ruta, que
podría brindar una ganancia más elevada que la conmutación diversificada,
dependiendo de la implementación del entorno. Actualmente, un código de
espacio-tiempo, conocido como el código Alamouti, es una opción para dispositivos
tanto de WiMAX como 3GPP.
WiMAX (del inglés worldwide interoperability for microwave access,
Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas) es un estándar de
transmisión inalámbrica de datos (802.MAN) el cual proporciona accesos
concurrentes en áreas de hasta 48 kilómetros de radio y a velocidades de hasta 70
Mbps, utilizando tecnología que no requiere visión directa con las estaciones base.
Este estándar se usa en soporte de mallas basadas en estándares y antenas
inteligentes.
La modulación adaptativa permite sacrificar ancho de banda a cambio de mayor
rango de alcance.
WiMAX (interoperabilidad mundial para acceso por microondas) es un
protocolo de comunicaciones inalámbrica de aparición relativamente reciente, y
cuyo mercado ha registrad un crecimiento acelerado y se espera que continúe
incrementándose, especialmente después de que recientemente el IEEE anunciar la
probación de su estándar (802.16e).
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
Las principales características de WiMax, es la utilización de técnicas de
multiplexado OFDM y un sistema MIMO de antenas para alcanzar una velocidad
de transmisión de hasta 124Mbps, es decir más del doble que la máxima ofrecida
por Wi.Fi (54mbps), una de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas más
populares hoy en día.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 7.
AUMENTO DE TRANSFERENCIA CON
ANTENAS INTELIGENTES.
Las técnicas que se han discutido en el apartado anterior incrementan el alcance
de la señal mediante el mejoramiento de la calidad de la señal. Ninguna de éstas
incrementa la transferencia. Sin embargo, las antenas inteligentes pueden
emplearse para incrementar la transferencia de manera sustancial.
7.1 Transferencia en sistemas SDMA.
La forma más sencilla de incrementar el ancho de banda acumulado de la
red consiste en equipar el punto de acceso con múltiples antenas, cada una de
las cuales atiende puntos finales específicos, como se muestra en la Figura 6. De
esta manera, cada punto final se beneficia, ya sea a través de su conexión propia
al punto de acceso, o al menos, en una reducción del número de dispositivos
que se pelean por la conexión.
Este método, conocido como acceso múltiple de división espacial (SDMA, por
sus siglas en inglés), cuenta con una ventaja particularmente atractiva:
solamente los puntos de acceso necesitan múltiples antenas. Por esta razón, el
costo de agregar ancho de banda afecta la red en un sólo punto -- el punto de
acceso. SDMA es un método efectivo de incrementar la transferencia a bajo
costo,
incrementando
el
número
de
dispositivos
que
se
comunican
simultáneamente con un punto de acceso. Se obtiene una utilidad neta que
tiene una relación prácticamente lineal con el número de antenas en el punto de
90
CBI ANTENAS INTELIGENTES
acceso. Si se duplica el número de antenas, la transferencia acumulada se
duplica prácticamente.
Figura 49. Un ejemplo de despliegue de SDMA, mostrando el punto de acceso con una
sola antena para cada punto final.
En un sistema TDMA, dos usuarios se encuentran asignados al mismo
tiempo a un spot y la frecuencia de transporte al mismo tiempo y en la misma
célula.
En sistemas que proveen SDMA completo, pueden estar muchas mas
intracelulas a la mano que en los sistemas convencionales de TDMA o CDMA, y
mas monitoreo de la red de trabajo si es necesario.
7.2 Transferencia en sistemas MIMO.
Los sistemas MIMO son aquellos en los que el punto de acceso y el punto
final utilizan múltiples antenas que pueden mejorar la transferencia en un
vínculo de punto a punto.
91
CBI ANTENAS INTELIGENTES
En las configuraciones MIMO, las cadenas de datos se difunden
simultáneamente a través de múltiples antenas. Posteriormente, el dispositivo
receptor combina las señales recibidas para reconstruir las múltiples cadenas de
datos transmitidas. Los ensayos realizados por Intel muestran que las escalas de
transferencia por este método se aproximan linealmente al número de antenas
en ambos extremos de la transmisión. Si se duplica el número de antenas en
ambos extremos, la transferencia resultante se duplica. Ya que MIMO requiere
conteos de antena simétricos para mejorar la transferencia, y si un punto cuenta
con cuatro antenas y el otro tiene tres, el mejoramiento total es de tres veces ya
que la antena extra no agrega transferencia (a pesar de que sí puede usarse para
mejorar la calidad de la señal).
El crecimiento continuo del número de usuarios de sistemas de
comunicaciones móviles y la implementación de nuevas plataformas de
servicios móviles (3G), han provocado la necesidad de aumentar sus
capacidades al más alto nivel posible. La tecnología 3G permite que los usuarios
desde sus teléfonos móviles puedan realizar llamadas al mismo tiempo de vídeo
y audio en tiempo real e interactuar de forma directa con el servicio que desea.
Además, el usuario puede escoger si quiere ser visto o no por la persona que
presta ese servicio, estos servicios han provocado la necesidad de aumentar sus
capacidades al más alto nivel posible.
Para los nuevos servicios de 3G se plantea como solución el empleo de la
novedosa tecnología de antenas inteligentes ya que aprovechando las
características particulares de estos sistemas, se consigue aumentar con las
siguientes ventajas adicionales
•
Incremento de la capacidad y confiabilidad.
•
Reducción de potencia de transmisión.
92
CBI ANTENAS INTELIGENTES
•
Reducción de propagación multitrayecto.
•
Reducción de nivel de interferencia.
•
Incremento de nivel de seguridad.
Con un arreglo de antenas la ganancia es mayor que en el caso de una antena
SISO o también llamada sectorizada, así que transmitiendo a la misma
potencia, se puede recibir la señal a una mayor distancia. En el caso de la
telefonía móvil esto permite reducir el número de estaciones base para cubrir
una zona específica.
Con el aumento de la ganancia producto del arreglo de antenas, se
incrementa la sensibilidad de la estación base, por lo tanto los equipos móviles
pueden transmitir a una menor potencia incidiendo directamente en el ahorro
de baterías. En las diversas pruebas realizadas con estas antenas, se ha logrado
un alcance que puede llegar a aumentar un 40%.
El sistema de antenas inteligentes puede radiar una potencia menor por lo
cual se pueden reducir o simplificar las especificaciones de los amplificadores
de potencia asociadas al sistema de antenas, generando una reducción de costos
en las etapas de amplificación.
7.2.1 El futuro con sistemas MIMO
Hasta ahora, debido a los notables beneficios de MIMO, se observa un
buen posicionamiento de los productos orientados a mejorar el desempeño de
las redes inalámbricas.
De hecho, los productos de redes inalámbricas LAN que han utilizado
tecnología MIMO han demostrado en pruebas de laboratorio, en terreno y
usos comerciales la capacidad de cubrir áreas por lo menos dos veces más
93
CBI ANTENAS INTELIGENTES
grandes que los productos convencionales del WLAN, con rangos de
confiabilidad comparables o superiores a ellos.
Eso explicaría que ya en el 2008 podrían venderse más de 150 millones de
chips con 802.11n, predominando los dispositivos electrónicos de consumo
con esta tecnología, como sostiene la consultora ABI Research.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
CAPITULO 8.
APLICACIÓN SEGÚN EL GRADO DE
SELECTIVIDAD ESPACIAL.
Las antenas inteligentes proporcionan un aumento del rango de cobertura de
WLANs y una reducción de las interferencias. Una característica básica que se
busca en el diseño de un sistema basado en el uso de antenas inteligentes es la
capacidad de seleccionar espacialmente a los distintos usuarios. Este tipo de
antenas pueden orientarse hacia una dirección según convenga para trabajar en
modo direccional y tener así un mayor alcance, así como no interferir en
direcciones donde no es necesario enviar la información. El uso de este tipo de
antenas implica que los usuarios deben tener un referente que indique cuáles son
sus coordenadas en el espacio en cada momento. Por ese motivo, existe una fase
previa a la transferencia de información donde el punto de acceso debe descubrir
las posiciones de todos los usuarios.
Una vez conocidos los tipos de antenas, es necesario revisar los modos de
introducción de esta tecnología, en la red de comunicaciones móviles, Existen tres
modos de aplicación en función del grado de aprovechamiento de la selectividad
espacial, los cuales se mencionan a continuación:
1) Receptor de alta sensibilidad (HSR): esta configuración consiste en utilizar
antenas inteligentes solo en el enlace ascendente. De este modo, gracias a la
mayor directividad de la antena, se consigue mejorar la sensibilidad global
de la cadena de recepción de la estación base. Esto supone varias ventajas:
Al mejorar la sensibilidad en el enlace ascendente, aumentara la
extensión de la zona de cobertura. Esta mejora podría llegar a ser tan
95
CBI ANTENAS INTELIGENTES
grande como para que fuera el enlace descendente sea el más restrictivo
a la hora de calcular la cobertura de una estación base.
La mayor ganancia de la antena significa también que los móviles más
cercanos podrían emitir con menor potencia manteniendo la calidad del
enlace, con el consiguiente ahorro de baterías.
Mejora la relación C/I, implicando menores tasas de error y una mejor
calidad. No puede emplearse para incrementar la capacidad de un
sistema CDMA, ya que dicha mejora solo esta presente en el enlace de
subida y no n el de bajada.
2) Rechazo
de
interferencias
por
filtrado
espacial
(SFIR): en
esta
configuración se emplean antenas inteligentes tanto en el enlace ascendente
como en el descendente, con lo cual se consigue aprovechar la mejora por
selectividad espacial en ambas direcciones.
En este caso, la mejora que se experimenta en la C/I, además de reducir
la VER del sistema, puede explotarse directamente para aumentar la
capacidad de un sistema CDMA como es UMTS. Esto también podría
lograrse indirectamente en GSM, si se hace un plan de frecuencias mas
ajustado: al ser menor la distancia de reutilización, puede aumentar el
número de portadoras por estación base.
3) Acceso múltiple por división espacial (SDMA): esta es la configuración más
compleja, pues consiste en aprovechar al máximo las propiedades de
selectividad espacial de las antenas de ambos enlaces para ubicar
simultáneamente a varios usuarios en el mismo canal. Es decir, que podría
haber varios usuarios utilizando al mismo tiempo la misma frecuencia y el
mismo código de scrambling (o el mismo timeslot en GSM), estando
96
CBI ANTENAS INTELIGENTES
discriminados únicamente por su posición angular respecto de la estación
base.
En este caso, el aumento en la capacidad se produce de forma directa,
debido a que se ha añadido una nueva dimensión para la gestión del
espectro.
La introducción de SDMA a UMTS es bastante dudosa: al ser un sistema
CDMA existen gran cantidad de usuarios compartiendo simultáneamente la
misma frecuencia y que se distinguen solo por su código scrambling. Por
tanto, seria muy complejo implementar un sistema capaz de diferenciar a
cada usuario por su situación espacial, además de poco necesario, ya que los
códigos de scrambling producen una separación suficiente y existen códigos
de sobra para todos los usuarios.
97
CBI ANTENAS INTELIGENTES
CONCLUSIÓN.
Para entender la manera como las antenas inteligentes mejoran la
transferencia, es necesario examinar las distintas maneras en que las
comunicaciones inalámbricas pueden aprovechar las antenas múltiples.
Las antenas inteligentes están enmarcadas dentro de un contexto más amplio
de instrumentación con sensores inteligentes, el cual se ha venido desarrollando
vertiginosamente en los últimos años con aplicaciones en áreas multidisciplinarias
tales como:
•
Radar.
•
Sonar.
•
Térmica.
•
Sísmica.
•
Exploración petrolera.
•
Bioingeniería.
Hay que tomar en consideración que el campo electromagnético producido por
cualquier sistema radiante queda unívocamente determinado por su geometría y su
excitación.
No obstante, la implantación de estas antenas en la red móvil no esta exenta de
inconvenientes, por mencionar algunos están:
Mayor complejidad de los transceptores: en comparación con los sistemas
radiantes convencionales, los sistemas antenas inteligentes son mucho más
complejos y difíciles de diseñar. Será necesaria una cadena de transmisiónrecepción independiente para cada elemento del array, y todas ellas deberán
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
estar balanceadas y calibradas en tiempo real. Además, es imprescindible el
uso de potentes procesadores (DSPs, por ejemplo)
para ejecutar los
algoritmos de optimización, conformación de haz, detección del ángulo de
llegada, etc. El sistema radiante no podrá diseñarse independiente de la
propia estación base.
Mayor complejidad de los procedimientos de gestión: el hecho de que exista
un haz de radiación enfocado hacia cada usuario implica que las funciones
de red deben revisarse, en particular, las que afectan a la gestión de recursos
de radio (RRC) y a la gestión de movilidad (MM).
Cambios en los métodos de planificación: la introducción de un sistema de
antena inteligente implica tener muy en cuenta sus características, a la hora
de realizar la planificación de la red celular. En particular, habrá que contar
con el aumento de alcance, la eliminación de fuentes de interferencia, el
seguimiento angular de los usuarios, etc.
Se ha demostrado que las antenas inteligentes brindan ganancia de alcance de
1.4 y 2 veces en la transferencia de datos, en sistemas de 1x2 (una antena de
transmisión y dos antenas de recepción) y de 2x2, respectivamente. Por lo cual, es
muy factible que, durante los próximos años, empiecen a aparecer en los
dispositivos inalámbricos.
A medida que se dispara la popularidad de Wi-Fi*, la necesidad para un ancho
de banda de alta calidad y transferencia está surgiendo como una de las
limitaciones clave del crecimiento. Los investigadores de Intel están buscando la
manera de superar las limitaciones de ancho de banda con antenas inteligentes, lo
que puede mejorar la calidad de la señal y las distancias operacionales de las
señales inalámbricas.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
La tasa de adopción de dispositivos inalámbricos en los negocios (Wi-Fi, PDA y,
próximamente identificación por radiofrecuencia, o RFID) y en los hogares (PC,
dispositivos Bluetooth*, entretenimiento en el hogar, etc.) está creando una
demanda muy elevada por el ancho de banda. Son necesarias innovaciones nuevas
para atender esta demanda.
Al mismo tiempo, los mismos estándares inalámbricos están evolucionando
para brindar un ancho de banda más grande. Las especificaciones en evolución
abren áreas nuevas dentro de las cuáles se han desarrollado investigaciones muy
extensas sobre el uso de antenas inteligentes. Un desafío clave es el encontrar la
manera óptima de integrar múltiples antenas en dispositivos de punto final.
Simultáneamente, los comités 802.11n y 802.16d/e de la IEEE laboran activamente
para definir la mejor manera de implementar las antenas inteligentes, en el cual
dependiendo de su diseño especifico, estas puedan incrementar el ancho de banda
o el alcance de los dispositivos inalámbricos
Intel ha participado activamente en ambos comités,
investigación
más que nada en la
sobre múltiples antenas y la mejor manera de utilizar los
procesadores de silicio para respaldar el procesamiento de las señales, por lo que
los PC portátiles con la tecnología móvil Intel® Centrino® usan diversidad de
antenas para asegurar la conectividad inalámbrica, y se siguen investigando varios
diseños para incorporar múltiples antenas en la carcasa de un PC portátil o en el
cuerpo de un teléfono celular. En cuanto se formalicen estos estándares, Intel
espera colaborar con los fabricantes de equipo original (OEM, por sus siglas en
inglés) y otros fabricantes de hardware para implementar las antenas inteligentes,
de tal forma, que, muy pronto, ese tipo de antenas sea considerado como un
componente estándar de todos los dispositivos inalámbricos.
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CBI ANTENAS INTELIGENTES
BIBLIOGRAFÍA
Libros.
[1] Garg, Vijay K., Wilkes, Joseph E. “Wireless and Personal Communications
Systems”. Prentice Hall, 1996.
[2] Gibson, Stephen W. “Cellular Mobile Radiotelephones System”. Prentice Hall,
1987.
[3] Reyes S., Daniel, Guillermo Salinas González. Tesis: “Diseño de radiofrecuencia
de una red de servicios de comunicación personal” México, Mayo del 2000.
[4] Eugenio Rey. “Comunicaciones móviles” Marcombo, 1998.
[5] Sistemas de comunicación. B. P. Lathi. Ed. Iberoamericana
Páginas web.
[6]http://www.datafon.com.ar/notas/smart-antennas.html Visitado en Octubre
2006.
[7]http://www.lant.ing.uc.edu.ve/FILES/ANTENAS%20INTELIGENTES-8a(SEC).pdf Visitado en Noviembre 2006.
[8]http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_inal%C3%A1mbrica_del_fut
uro. Visitado en Noviembre 2006.
[9]http://www.intel.com/espanol/technology/magazine/archive/2004/sep/wi090
41.pdf. Visitado en Enero 2007.
[10]http://www.redfue.es/guiabp/images/PDF/CDTI/DYCTEL.PDF. Visitado en
Enero 2007.
[11]http://www.cientec.com/analisis/mimo.asp. Visitado en Marzo 2007.
[12]http://www.qualcomm.com/press/releases/2007/070327_partners_demonstr
ate_new.html. Visitado en Marzo 2007.
101
CBI ANTENAS INTELIGENTES
Revista
[13] Revista RED. Evelio Martínez. “La evolución de la telefonía Móvil”
[14]Revista Saber Electrónica. N0 de colección 125. N0 1 Año 12.
102