Evolución de las antenas utilizadas en Telefonía Móvil

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Evolución de las antenas utilizadas en Telefonía Móvil”. Autor: Yoanni Sarmiento Arias. Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana. Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Evolución de las antenas utilizadas en Telefonía Móvil” Autor: Yoanni Sarmiento Arias Email: [email protected]. Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana. Santa Clara 2011 "Año 53 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central ―Marta Abreu‖ de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. La ciencia tiene una característica maravillosa, y es que aprende de sus errores, que utiliza sus equivocaciones para reexaminar los problemas y volver a intentar resolverlos, cada vez por nuevos caminos. - Ruy Perez Tamayo científico mexicano.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi familia y en especial a mi madre Olexis, por enseñarme en la vida un camino correcto por donde transitar, y darme todo el cariño del mundo. A mi padre Eduardo por instruirme y transmitirme sus experiencias vividas como ejemplo de mi formación y darme la alegría que me caracteriza. A mis amigos Maykel, Ransel, Gallo, Fernando, Blas Camilo y Rayko que han vivido a mi lado momentos inolvidables. A mis amigos Ariel, Mondeja, Chao, por contribuir a mi formación profesional y en especial a Marquete, su madre Emilita y su padre Marcos por acogerme como un hijo más de la casa. Y por último dedico este trabajo con todo el amor del mundo a mí querida novia Lianet por darme aliento y ánimo a toda hora, estar en las buenas y en las malas dándome su apoyo incondicional y compartir a mi lado tantos momentos inolvidables de mi vida, como este, otros que han pasado y muchos más que vendrán. A todos los que de una forma u otra han tenido que ver con mi formación profesional. A todos les dedico mi tesis..

(6) iii AGRADECIMIENTOS. Quiero agradecer a todos los que de una forma u otra han colaborado con esta realización, especialmente a mi tutor Frank Zurbano por darme la posibilidad de incursionar en el mundo de la telefonía celular de suma importancia en el mundo actual de las telecomunicaciones..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1.. Realizar un estudio de los aspectos generales y principio de funcionamiento de los tipos de antenas utilizados en los sistemas móviles de comunicación.. 2.. Analizar las soluciones de optimización mediante nuevas tecnologías de antenas.. 3.. Demostrar porque las estructuras MIMO constituyen la solución mas optima y practica de los sistemas móviles.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Debido a la creciente demanda de servicios personales que reclaman elevado ancho de banda, los operadores de telefonía móvil se encuentran en un momento de importante transición. El crecimiento de los servicios de datos, la banda ancha móvil y la posibilidad de disponer de nuevos y potentes dispositivos están ejerciendo una presión considerable sobre las redes móviles, sumada a que cada día es mayor el número de usuarios móviles existentes en el mundo. La modificación en las antenas de comunicaciones móviles a través de equipamientos mas sofisticados y complejos ha sido una de las técnicas empleadas para dar soluciones óptimas a las demandas existentes, posibilitando considerables mejoras en las tecnologías existentes de segunda y tercera generación y abriendo el camino a la cuarta generación con el uso de las antenas MIMO que constituye el uso mas actual y sofisticado de antenas de telefonía celular. Este trabajo tiene como objetivo actualizar el estudio de la evolución de las antenas utilizadas en los sistemas de comunicaciones móviles, describiendo de forma genérica y breve los tipos de antenas evolutivas, la necesidad y las mejoras que ofrecen. El resultado de este trabajo es demostrar porque MIMO es la solución más óptima y práctica en los sistemas móviles de comunicación..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv RESUMEN.............................................................................................................................v INTRODUCCIÓN..................................................................................................................1 Organización del informe ............................................. ¡Error! Marcador no definido. CAPÍTULO 1.. ASPECTOS. GENERALES. Y. PRINCIPIOS. DE. FUNCIONAMIENTO DE LOS TIPOS DE ANTENAS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS MÓVILES DE COMUNICACIÓN. .................................................................4 1.1. Introducción ............................................................................................................4. 1.1.1. El espectro electromagnético .......................................................................5. 1.1.2. Patrón de radiación ........................................................................................6. 1.1.3. Ganancia .........................................................................................................8. 1.1.4. Razón Front-to-Back (F/B)..........................................................................10. 1.1.5. Impedancia ....................................................................................................11. 1.1.6. Pérdidas de retorno (ROE / VSWR)..........................................................12. 1.1.7. Polarización ...................................................................................................12. 1.1.8. Intermodulación ............................................................................................15.

(10) vii 1.2. La Estación Base.................................................................................................15. 1.2.1. Tipos Básicos de Antenas para Estaciones Base ..................................16. 1.2.2. Antenas Omnidireccionales ........................................................................16. 1.2.3. Antenas Direccionales .................................................................................17. 1.2.4. Sistemas de antenas ...................................................................................19. 1.2.5. Técnicas particulares usadas en los sistemas celulares .......................20. 1.2.6. Estación Base Omnidireccional .................................................................21. 1.2.7. Estación Base Sectorizada .........................................................................22. 1.2.8. Parámetros Típicos ......................................................................................29. 1.3. Algunos aspectos a tener en cuenta en los diseños de las Estaciones. Bases de Antenas con las Antenas Clásicas de Panel ...........................................31 1.3.1. Downtilt ..........................................................................................................32. 1.3.2. Sistemas de celdas en telefonía móvil GSM. ..........................................34. CAPÍTULO 2.. SOLUCIONES. DE OPTIMIZACIÓN MEDIANTE. NUEVAS. TECNOLOGÍAS DE ANTENAS .......................................................................................36 2.1. Introducción ..........................................................................................................36. 2.2. Sistema Teletilt-RET ...........................................................................................36. 2.2.1. Downtilt mecánico vs. Downtilt eléctrico...................................................36. 2.2.2. Tipos de Configuraciones con Teletilt-RET .............................................40. 2.3. Tecnología de las Antenas Compactas .......... ¡Error! Marcador no definido.. 2.3.1. Tecnología Fractal y Multibanda................................................................43. 2.3.2. Tecnología RET............................................................................................43. 2.4. Sistemas remotos de múltiples dimensiones de la antena. Las antenas. Smart Beam o de Haces Inteligentes .........................................................................44 2.4.1. Forma de trabajo ..........................................................................................44.

(11) viii 2.4.2 2.5. Grados de libertad para la familia de antenas Smart Beam .................45. Antenas Inteligentes............................................................................................46. 2.5.1. Introducción ...................................................................................................46. 2.5.2. Definición de las antenas inteligentes.......................................................48. 2.5.3. Modo de Operación .....................................................................................49. 2.5.4. Razones de uso de las antenas inteligentes. ..........................................50. 2.5.5. Implementación de un sistema de antenas inteligentes. .......................52. 2.5.6. Beneficios e inconvenientes en un sistema de antenas inteligentes...55. 2.5.7. Aplicaciones del SAS (Sistema de Antena Inteligente). ......................57. 2.5.8. Consideraciones Prácticas. ........................................................................58. 2.5.9. Arquitectura General de un Sistema de Antenas Inteligentes. .............59. CAPÍTULO 3.. MIMO CÓMO SOLUCIÓN MÁS ÓPTIMA Y EFICIENTE EN LOS. SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES. .........................................................62 3.1. Proceso evolutivo de los sistemas móviles actuales y la introducción de. MIMO por los estándares 3GGP .................................................................................62 3.1.1. Tecnologías de segunda generación (2G) ...............................................62. 3.2. Motivación.............................................................................................................65. 3.3. Sistemas MIMO ...................................................................................................67. 3.4. Sistemas de cuarta generación.........................................................................73. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................83 Conclusiones...................................................................................................................83 Recomendaciones .........................................................................................................84 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................85 ANEXOS. .............................................................................................................................88 Anexo I. Uso de las antenas según su rango de frecuencias. .............................88.

(12) ix Anexo II. Hoja de datos de la antena Panel 806-960 ..........................................90. Anexo III Hoja de datos de la antena Panel 806-960...............................................91.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Los últimos años trajeron un salto tecnológico enorme en el campo de comunicaciones móviles con la introducción de redes de comunicaciones móviles de 2G como CDMA, TDMA, GSM, PCs, etc. Los requerimientos para antenas durante la. expansión de redes móviles han sido. continuamente incrementados: Patrones de radiación estrictamente definidos para asegurar una planificación en red con una alta exactitud. Control de los niveles de intermodulación para el número creciente de portadores transmitidos Antenas de doble polarización Posibilidades de variación eléctrica y remota de la inclinaron del patrón vertical de las antenas, (downtilt). Optimización de cobertura. Posibilidad de brindar mayor capacidad mediante diversas vias. Teniendo en cuentas estos requerimientos las primeras antenas utilizadas en l as redes de comunicaciones móviles de 2G y 2.5G (tecnología GPRS/EDGE) fueron las antenas de panel, las cuales estaban diseñadas para radiar la energía sobre un sector particular de la estación definido por el patrón horizontal de modo tal que evite que la señal penetre en otro territorio de otra célula causando interferencia. Para radiar la energía en el plano vertical se inclina el lóbulo principal mas debajo de la línea del horizonte a través de un procedimiento denominado Downtilt, que en el caso de las antenas de panel clásicas se.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. cambia de forma mecánica, siendo esto una problemática para los operadores móviles cuando se quiere optimizar la cobertura. Mundialmente, la firma Andrew ha sido un líder mundial en el desarrollo de la las tecnologías de antenas donde se distingue ampliamente la. tecnología. Teletilt o las. antenas de variación del haz en las tres dimensiones conocidas como Smart Bias para el control remoto del Tilt en las antenas celulares y denominado (RET). Por otro lado, tenemos el grupo AISG (Grupo de Estándares de Interfaz de Antena), encargado de establecer las normativas y estándares de las interfases para el control de las antenas con algún tipo de control remoto.. Con el gran crecimiento de tráfico inalámbrico de datos, ahora ampliamente excediendo al tráfico de voz en muchos mercados desarrollados, los operadores están ansiosos rápidamente por aumentar la capacidad de sus redes inalámbricas. Para ocuparse de estas demandas de forma efectiva, los estándares 3GPP han incorporado téc nicas poderosas para usar así las. llamadas "Smart anntenas" o antenas inteligentes. Las. antenas Smart son utilizadas para propósitos múltiples, incluyendo cobertura, la calidad, y las mejoras de capacidad aunque su gran aplicación e importancia radica en su capacidad para ubicar a los usuarios en el espacio y ubicar hacia ellos hacia ellos la máxima dirección del lóbulo principal y hacia los usuarios interferentes los nulos de radiación. LTE (Evolución para Largo Plazo) es el paso mas avanzado en las com unicaciones móviles hoy en día y fue introducido por la 3GPP en su versión 8. Fundamentalmente para esta tecnología se aplica la opción, múltiple-input y múltiple-output, o MIMO que implica el uso de antenas múltiples en el transmisor y el receptor para un mejor aprovechamiento espectral y mayor robustez en el canal de comunicación. Es una de varias formas de antena inteligente (SA), y el estado mas avanzado de estas. MIMO se puede subdividir en tres categorías principales, pre codificación, multiplicación espacial, y codificación de la diversidad. Las técnicas MIMO se combinan típicamente con la Modulación de frecuencias ortogonales (OFDM) y con el tipo de acceso múltiple por frecuencias ortogonales. (OFDMA), donde los problemas creados por el canal. multidireccional se manejan eficientemente. El IEEE 802.16e es el estándar que incorpora MIMO-OFDMA. IEEE 802.11n es el estándar, recomienda MIMO-OFDM. MIMO también se planea para ser utilizado en Teléfono de radio móvil estándares tales como reciente 3GPP y 3GPP2 estándares. En 3GPP, acceso de alta velocidad del.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. paquete más (HSPA+) y Evolución a Largo Plazo (LTE) toman MIMO de los estándares en consideración. En la actualidad la problemática esta centrada en la optimización de los patrones de cobertura de las diferentes tecnologías de forma tal que. permitan mayor eficiencia. espectral, inmunidad a las interferencias y mejor uso de las nuevas modulaciones y métodos de acceso y que este proceso puede efectuarse en forma dinámica. ¿Cómo introducir las nuevas tecnologías de antenas a partir de los sistemas en uso, fundamentalmente GSM 2.5G? El objetivo en este principal en este trabajo es actualizar el estudio de la evolución de las antenas utilizadas en los sistemas de comunicaciones móviles. Los resultados de la investigación pueden servir de punto de partida para la modernización de los sistemas de radiación de los sistemas celulares en uso y como referencia para la adquisición de nuevas tecnologías en esta rama. Además, sus resultados pueden formar parte del contenido de los planes de estudio para las asignaturas de antenas y sistemas celulares y como referencia a los especialistas que se desempeñan en esta técnica. Ademas podría ayudar a la optimización de la cobertura de los sistemas en uso del país. A tales efectos, este trabajo se estructura de la siguiente forma: luego de una introducción general, donde se expone la importancia, actualidad y necesidad de abordar el tema; se realiza un estudio de los aspectos generales y principio de funcionamiento de los tipos de antenas utilizados en los sistemas móviles de comunicación. Para en un segundo momento analizar las soluciones de optimización mediante nuevas tecnologías de antenas, y por ultimo demostrar porque las estructuras MIMO constituyen la solución mas optima y practica de los sistemas móviles. Al final de es te capitulo se hace un análisis evolutivo de las distintas tecnologías de antenas a manera de resumen. Estos resultados anteceden a las conclusiones y recomendaciones, las cuales están sucedidas por el glosario de términos y los anexos..

(16) CAPITULO 1. ASPECTOS GENERA LES Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TIPOS DE ANTENAS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS M ÓVILES DE COM UNICACIÓN.. 4. CAPÍTULO 1. ASPECTOS GENERALES Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TIPOS DE ANTENAS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS MÓVILES DE COMUNICACIÓN.. Origen de la palabra Antena Para las comunicaciones inalámbricas, el transmisor tiene que estar relacionado a un componente que radia la radiofrecuencia bajo las condiciones deseadas, y en el lado receptor otro componente que captura esta radiación bajo las mismas condiciones. Este componente que radia es designado antena. La palabra antena proviene del latín y quiere decir barra muy flexible. No constituye una invención humana, ha sido usada durante. millones de años por langostas,. camarones y numerosos insectos como sensor para captar señales. Fue el físico ruso Popov el que comenzó a utilizar esta palabra para su invento de un capturador de electricidad de tormentas atmosféricas; después de esto, todos los físicos usando las ecuaciones de Maxwell adoptaron esta expresión. [1] 1.1. Introducción. Uno de los elementos más importantes de un sistema de comunicaciones inalámbrico es la antena. La antena de una estación base representa solo una pequeña parte del costo total de un sitio de comunicaciones, sin embargo su desempeño es vital para el buen funcionamiento del sistema. Su función es transformar las corrientes de conducción (encontrada en los conductores, cables coaxiales y guías de onda) en corrientes de desplazamiento, este fenómeno invisible es el que hace posible las comunicaciones por radio. También se pueden definir como los dispositivos específicamente diseñados para radiar las ondas electromagnéticas, que han sido producidas por un aparato transmisor o recibir ondas electromagnéticas y las pasan a un aparato receptor. El buen desempeño de un sistema de comunicaciones por radio.

(17) CAPITULO 1. ASPECTOS GENERA LES Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TIPOS DE ANTENAS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS M ÓVILES DE COM UNICACIÓN.. 5. depende en gran medida de la selección de la antena, que debe tener las características apropiadas (definidas por sus especificaciones) para cada sistema. 1.1.1. El espectro electromagnético. Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro de frecuencias [1]. Estas se encuentran distribuidas por bandas dentro del espectro. Cada banda de frecuencia está limitada en sus extremos por mínimos y máximos de frecuencia y longitud de onda. Las denominaciones de las bandas de frecuencia se pueden realizar por décadas, como se muestra en la tabla 1:. Tabla 1: Bandas de frecuencia Fuente: Kath rein.. En los sistemas móviles celulares el espectro electromagnético se distribuye según la evolución de las diferentes tecnologías, donde a cada una le corresponde un rango de frecuencia dentro de la banda UHF. Respondiendo a cada sistema de comunicación celular son diseñadas las antenas a utilizar siendo estas especificadas según el rango de frecuencia en que operen (ver Anexo 1 y 2). A continuación se muestra en la figura 1.1 el espectro de frecuencias en algunos sistemas de telefonía celular..

(18) CAPITULO 1. ASPECTOS GENERA LES Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TIPOS DE ANTENAS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS M ÓVILES DE COM UNICACIÓN.. 6. Figura 1.1: Espectro de frecuencias en sistemas GSM, PCS y UMTS de telefonía móvil celular. Fuent e: Andrew. 1.1.2. Patrón de radiación. Un patrón de radiación es una representación gráfica de la cantidad de energía que radia una antena y como se encuentra está distribuida en el espacio. [2] 1.1.2.1 Diagramas tridimensionales Se puede representar el campo eléctrico, magnético o la densidad de potencia radiada. Dado que los campos son magnitudes vectoriales se pueden representar el módulo o la fase de sus componentes. Las formas de representación pueden ser tridimensionales o bidimensionales, en escalas lineal o logarítmica. La figura 1.3 se representa tridimensionalmente los campos radiados por una antena. [3]. Figura 1.2: Repres entación tridimensional. Fuent e: Introducción. Parámetros de Antenas.

(19) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 7. Dada la dificultad de representar gráficamente el diagrama tridimensional se opta por representar cortes del diagrama en coordenadas polares o cartesianas. Los cortes corresponden a la intersección del diagrama 3D con planos. 1.1.2.2 Diagramas bidimensionales. La mayoría de las antenas son simétricas físicamente, por lo que las características de radiación de estas pueden ser descritas mediante dos patrones de radiación: el patrón de radiación horizontal (azimut) y el patrón de radiación vertical (elevación). Se puede resumir que un diagrama de radiación representa: la forma en que se capta la energía de las diferentes zonas del espacio en recepción. la forma en que se distribuye la energía en el espacio en transmisión. A continuación en la figura 3.2 se muestra un diagrama de radiación bidimensional. Parámetros de interés.. - Dirección de máxima radiación - Direcciones y niveles de los lóbulos secundarios - Direcciones de radiación nula. Figura. 1.3:. Representación. de. diagrama bidimensional. 1.1.2.3 Amplitud del patrón de radiación a mitad de potencia. Este término define la apertura de la antena. La amplitud del patrón de radiación a mitad de potencia se define por los puntos en los diagramas horizontales y verticales, que.

(20) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 8. muestran donde la potencia radiada alcanza el valor medio de amplitud en la dirección principal de la radiación. Estos puntos son llamados también puntos 3 dB. [3]. Figura 1.4: Amplitud a mitad de pot encia. Fuente: Katherin.. 1.1.3. Ganancia. Uno de los parámetros más importante en la selección de una antena de estación base es la ganancia. En realidad un incremento de energía no es logrado por la ganancia de la antena. Una antena sin ganancia radia la misma energía en todas las direcciones del espacio y con ganancia concentra la energía en un segmento de ángulo definido de espacio tridimensional. El dipolo λ /2 se usa como referencia para definir ganancia. La ganancia a altas frecuencias se determina con referencia al radiador isotrópico, que no es más que una antena ideal no existente, la cual t iene también una característica de radiación omnidireccional en el plano E y H. La ganancia es definida como la relación entre la potencia radiada en su lóbulo principal y la potencia eléctrica inyectada en la antena, expresada en dB. El incremento de la concentración de energía es obtenido por la unión de dipolos. [1] En la figura 1.5 se muestra dicha afirmación..

(21) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 9. Figura 1.5: Incremento de la ganancia por la unión de dipolos. Fuente Kathrein.. 1.1.3.1 Referencia de ganancia. El dBi es definido como la ganancia de referencia cuando se mide con una fuente isotrópica; en general se usan las especificaciones de fabricantes europeos. El dBd es definido como la ganancia de referencia cuando es medido con un dipolo de media onda; en general se usa las especificaciones de Fabricantes Americanos. La relación entre el dBi y el dBd es: dBi = dBd + 2.15.

(22) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 10. La ganancia de las antenas está directamente vinculada a las características de sus patrones de radiación. La ganancia puede calcularse mediante el ángulo de potencia media y los planos horizontal y vertical.. Figura 1.6: Fuente Khatrein.. 1.1.4. Razón Front-to-Back (F/B). Para toda antena direccional este parámetro debe ser considerado de gran importancia. Front-to-Back es la razón de la ganancia del lóbulo principal comparado con el lóbulo trasero. Mientras más grande es la razón Front-to-Back, mejor es la protección contra ruido o interferencia detrás de la antena. [1]. Figura 1.7: Razón Front to back Fuente: Kathrein..

(23) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 1.1.5. 11. Impedancia. La impedancia de una antena se define como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena. [3]. Se define la resistencia de radiación como la relación entre la potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado. Se concibe la resistencia óhmica de una antena como la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado. Por lo tanto la resistencia de antena la podemos considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica.. La eficiencia de una antena se puede obtener a partir de las resistencias de radiación y óhmicas, teniendo en cuenta que es la relación entre la potencia total radiada y la potencia entregada a la antena.. La impedancia característica es una de las propiedades más importantes del cable coaxial y se debe especificar, porque el cable será terminado con una impedancia que iguale a la impedancia característica en el cable. En un cable coaxial homogéneo la im pedancia característica. es. constante. a. lo. largo. de. toda. la. longitud. del. cable.. En. radiocomunicaciones este valor es de 50 Ohm. Todo equipo o componentes pasivos que.

(24) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 12. estén conectados al cable tendrán la misma impedancia característica causando incompatibilidad y reflexiones que distorsionan la transmisión. [1] 1.1.6. Pérdidas de retorno (ROE / VSWR). Una impedancia de exactamente 50 Ohm solo puede alcanzarse en la práctica en una frecuencia. El VSWR (Razón de Voltaje de la Onda Estacionaria) define hasta donde la impedancia difiere de 50 Ohm con una antena en banda ancha. La potencia liberada en el transmisor ya no puede ser radiada sin pérdida por esta compensación incorrecta. Parte de esta potencia se refleja en la antena y se entrega al transmisor. El. envio y retorno de potencia forman una onda estacionaria con los voltajes. correspondiente mínimos y máximos (Vmín / Vmáx). Esta razón define el nivel de compensación de la antena y fue previamente medido mediante mediciones a intervalo. Un valor de VSWR de 1.5 es el estándar dentro de las comunicaciones móviles. En este caso el componente real de la impedancia compleja puede variar entre los siguientes valores: [4] Valor Máximo: 50 Ohm × 1,5 = 75 Ohm Valor Mínimo: 50 Ohm ÷1,5 = 33 Ohm 1.1.7. Polarización. La polarización de una antena es una propiedad del radio de la onda producida por la antena. La polarización describe como el radio de la onda (corriente de desplazamiento, vector del campo eléctrico) varía en el espacio con el tiempo. En un punto dado del espacio, la forma general trazada por el vector del campo eléctrico es una elipse, como se muestra en la figura. [4].

(25) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 13. Figura 1.8: Vector del campo eléctrico: Fuente Andrew. Los valores instantáneos de la onda (flechas en azul) pueden escribirse como:. Donde δ es la fase por la cual el componente u2 supera al componente u 1. Los tipos de polarizaciones básicos pueden definirse como: Vertical: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es vertical con respecto al horizonte. terrestre. (de. arriba. hacia. abajo).. Horizontal: Cuando el campo eléctrico generado por la antena es paralelo al horizonte terrestre. Circular: Cuando el campo eléctrico generado por la antena gira de vertical a horizontal y viceversa, generando movimientos en forma de círculo en todas las direcciones. Este giro puede. ser. en. el. sentido. de. las. agujas. del. reloj. o. al. contrario.. Elíptica: Cuando el campo eléctrico se mueve igual que en caso anterior, pero con desigual fuerza en cada dirección. Rara vez se provoca esta polarización de principio, más bien suele ser una degeneración de la anterior. Un resumen de los tipos de polarizaciones básicos y los valores de sus componentes son mostrados en la siguiente tabla. Polarización. E1M. E2M. δ. Vertical. 0. 1. 00. Horizontal. 1. 0. 00. Inclinación a la derecha. 1/√2. 1/√2. 00. Inclinación a la izquierda. 1/√2. 1/√2. 1800.

(26) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. Circular a favor de las manecillas 1/√2. 1/√2. -900. 1/√2. 900. 14. del reloj Circular. en. contra. de. las. 1/√2. manecillas del reloj Tabla 2: Tipos de polarizaciones. Se dice que las polarizaciones son ortogonales si cualquier polarización arbitraria puede ser expresada como una combinación de las dos polarizaciones ortogonales. Las dos polarizaciones ortogonales más usadas son la vertical y horizontal. Todas las antenas en la práctica están compuestas de dos componentes ortogonales. La respuesta crosspolarized (polarización cruzada) es la potencia recibida por las polarizaciones ortogonales en la polarización deseada (co-polarization) en un plano especificado. A continuación se ilustran los tipos básicos de polarizaciones y su forma de onda generada. [3] Tipos de polarizaciones a) Lineal. b) Circular. c) Elíptica. Figura 1.9: Forma de onda generada por los tipos de polarizaciones básicos. Fuente Andrew.

(27) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 1.1.8. 15. Intermodulación. Una característica de los dispositivos pasivos usada en los sistemas de radio que viene cobrando progresiva importancia. (con la evolución de la tecnología en las. comunicaciones móviles, especialmente en las transmisiones digitales) es la distorsión de intermodulación. La no linealidad dentro de los dispositivos pasivos causa la aparición de frecuencias no deseadas igual a múltiples integraciones de sumas y diferencias de las frecuencias no deseadas. El ejemplo más simple es cuando dos portadoras de frecuencia f1 y f2 son alimentadas dentro de una antena. Si la no linealidad está presente se generan las frecuencias siguientes: F DI = n f1 ± m f2 Donde f DI es la frecuencia generada por la no linealidad n = 0, 1, 2. . . . m = 0, 1, 2. . . . Cuando n o m = 0, entonces f DI es un armónico y si n ≠ m, n + m es el orden de f DI en los dispositivos pasivos, la intermodulación significativa es usualmente causada por los componentes ferros magnéticos en el trayecto de RF y las malas conexiones entre las partes del metal. La presencia de este parámetro indeseable puede ser mejorada por una combinación de buen diseño y prácticas de construcción. [5] 1.2. La Estación Base. La instalación de una Estación Base requiere especial atención. Un ejemplo de una Estación Base y sus principales componentes se muestran a continuación:.

(28) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 16. Figura 1.10: Fuente Kathrein.. 1.2.1. Tipos Básicos de Antenas para Estaciones Base. Hay dos tipos básicos de antenas usadas en las estaciones base de los sistemas celulares: las antenas omni-direccionales y las antenas direccionales o de sector. Generalmente las antenas omni-direccional son usadas para sitios de baja capacidad donde la sectorización no se requiere. Ejemplos típicos se localizan en los sitios rurales. La mayoría de los sitios de áreas urbanas y suburbanas usan las antenas de sector para lograr. una. mayor. capacidad.. A. continuación. serán. descritas. las. antenas. omnidireccionales (Ver figura 1.11) y de sector (Ver figura 1.12), así como su funcionamiento en la estación base. 1.2.2. Antenas Omnidireccionales. Las antenas omnidireccionales radian una potencia constante alrededor de todo el azimut. Las perturbaciones del campo emitido condicionan por consiguiente una particular intensidad que incide en el patrón de radiación horizontal de la antena. Esto indica que un patrón de radiación horizontal circular de forma real solo puede ser creado si la antena es montada en la punta de un mástil. Montándose en el lado de un mástil, que usualmente consiste de un buen material reflector (el acero), cambia el patrón considerablemente. Los.

(29) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 17. factores decisivos son el espaciamiento entre el mástil y la antena así como también las dimensiones del mástil. [1]. Figura 1.11: Antenas omnidireccionales. Fuente Kathrein. 1.2.3. Antenas Direccionales. Las antenas direccionales solo radian su potencia en cierto segmento del espacio, y tienen una razón correspondiente Font-to-Back de 20 dB o más. Esto indica que la radiación del lado trasero es relativamente pequeña y las obstrucciones reflejadas en esta área solo tienen una influencia muy pequeña en el patrón de la radiación. Por consiguiente, el mástil de las antenas direccionales montadas de lado proporciona.

(30) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 18. patrones que están muy cerca de la propagación en el espacio libre acorde con l a hoja de datos. [1] 1.2.3.1 Sistemas de radiación transversal. Las antenas direccionales cuyas características mecánicas son ortogonales en la radiación principal del haz son designadas sistemas de radiación transversal. Los paneles y las antenas con reflector esquinados son típicas de este tipo de sistemas. Las antenas de panel están hechas de varios dipolos montados en la parte de un reflector de tal modo que la ganancia puede ser lograda desde ambos planos: el horizontal y el vertical. Este tipo de antena es muy conveniente para las combinaciones de antenas. La placa reflectora de una antena de reflector esquinado es, como el nombre lo indica, no es una línea recta pero la inclinación es hacia adelante. El ángulo escogido ejerce influencia en la amplitud a mitad de potencia horizontal, normalmente el ángulo es de 90 0. La antena con reflector angular esquinado es solo usada individualmente, por ejemplo para la cobertura en las autopistas y líneas ferroviarias..

(31) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 19. Figura 1.12: Antenas de Panel y Reflector Esquinado. Fuente: Kathrein.. 1.2.4. Sistemas de antenas. Las aplicaciones especiales que no pueden ser realizadas usando una sola antena son muy a menudo logradas por sus combinaciones. La combinación está hecha de varias antenas solas y un sistema de distribución (divisores de señales de potencia y cables de conexión). A menudo una combinación es diseñada para lograr una ganancia más alta. Muchas antenas diferentes se usan también para lograr un rango amplio en las características de radiación horizontal variando el número de antenas, la dirección de azimut, el espaciamiento, la fase y la razón de potencia. La figura que aparece a continuación demuestra tres ejemplos simples. Un patrón cuasi omnidireccional también.

(32) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 20. puede obtenerse. El número requerido de antenas aumenta con el diámetro de la torre. Por ejemplo: 8 Paneles son requeridos en 900MHz para un mástil con un diámetro de aproximadamente 1.5m. El cálculo de tales patrones de la radiación es logrado por la adición geom étrica de la amplitud y la fase de cada antena. El amplitud de cada patrón puede ser leída en la hoja de datos, pero la fase es única conocida por el fabricante de la antena. De cualquier forma la fase es el factor más importante para el cálculo, porque una estimación aproximada usando solo la amplitud puede conducir resultados completamente incorrectos.. Figura 1.13: Combinaciones de antenas. Fuente Kathrein. 1.2.5. Técnicas particulares usadas en los sistemas celulares. 1.2.5.1 Diversidad. La diversidad se usa para aumentar el nivel de la señal del móvil a la estación baja (enlace ascendente). El problema con este trayecto es el hecho que el teléfono móvil solo opera con baja potencia y una antena pequeña. La diversidad es aplicada en la recepción.

(33) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 21. lateral de la estación base. Una señal transmitida rara vez alcanza al usuario por la ruta más directa. La señal recibida es a menudo una combinación de la señal directa y ondas electromagnéticas reflejadas. Las ondas reflejadas tienen diferentes características de fase y polarización. Como un resultado puede aparecer una amplificación o en casos extremos una cancelación de la señal en posiciones específicas.. Figura 1.14: Casos de diversidad. Fuente Kat hrein.. Diversidad Espacial Para muchos sitios rurales y suburbanos, la diversidad se logra usando diversidad espacial. Para lograr la diversidad espacial, dos antenas enlazadas por sector se colocan suficientemente distantes una de otra de tal modo que las señales que reciben no estén correlacionadas. 1.2.6. Estación Base Omnidireccional. La típica Estación Base Omnidireccional está formada por 3 antenas omnidireccionales. Una antena transmisora (Tx) Dos antenas receptoras (Rx) La antena emisora es montada más alto y en el medio para garantizar una característica completamente omnidireccional. Además la influencia de las antenas del Rx y Tx en cada uno se acorta (gran aislamiento). Las dos antenas receptoras están espaciadas en 12 20λ para lograr una ganancia variable de 4-6 dB..

(34) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 22. Figura 1.15: Estación Base Omnidireccional. Fuente Kathrein. 1.2.7. Estación Base Sectorizada. La Estación Base Omni es principalmente instalada en regiones con un número relativamente bajo de subscriptores, como ocurre en zonas rulares. En áreas urbanas la razón de capacidad de las células de comunicacionales es dividida entre tres sectores de 1200. Las antenas direccionales, por ejemplo paneles, son usados para cubrir estos sectores. Las tres antenas por sector pueden montarse la misma altura porque las antenas direccionales tienen gran aislamiento a diferencia de las omnidireccionales. 1.2.7.1 Diversidad de polarización. Las reflexiones que tienen lugar dentro de áreas urbanas no todas son de igual polarización, o sea los componentes horizontales también existen. Además un teléfono móvil no está nunca dispuesto en posición vertical exactamente, esto quiere decir todas las polarizaciones posibles entre vertical y horizontal, por consiguiente estas señales también están siendo usadas. La diversidad de antenas usa dos antenas polarizadas verticalmente como antenas de recepción y compara el nivel de señal. 1.2.7.2 Polarización Vertical y Horizontal. Los dipolos de ambos sistemas de la antena son horizontalmente y verticalmente polarizados respectivamente. Una separación espacial no necesariamente garantiza que.

(35) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 23. esta diferencia de polaridad en los dipolos permita que estos puedan ser montados en una vivienda común. Suficiente aislamiento puede ser logrado aún si los dipolos son entrelazados en una unidad, de forma que las dimensiones de una antena de doble polarización no sean mayores que la normal polarización de dicha antena. 1.2.7.3 Antenas de Doble Polarización. Se conoce que la red de los teléfonos movibles celulares tienen menor potencia de transmisión que los transmisores de las estaciones bases. Esto quiere decir que la transmisión del móvil a la estación base (enlace ascendente) es mucho más desfavorable que la transmisión de la estación base al teléfono móvil (enlace descendente). Para compensar esto, fue necesario encontrar una forma de mejorar la calidad de recepción en las estaciones bases. Debido a la señal de propagación multitrayecto de las señales de radio, que en particular tienen lugar en zonas urbanas, se utiliza la recepción por diversidad de espacio, método que ha sido introducido para facilitar mejores resultados en el campo. [1] La recepción de Diversidad de Espacio se basa en la siguiente Idea: La señal transmitida por un teléfono móvil está multireflejada en el campo de propagación y alcanza la estación baja por caminos diferentes. La señal resultante en la antena receptora de la estación base es la suma de varios vectores con amplitudes, fases y polarizaciones diferentes. Si dos antenas receptoras están localizadas en cierta distancia horizontal (o vertical) es muy probable que una de ellas suministre la intensidad de señal requerida (principio de señales no correlacionadas). Una unidad lógica continuamente asegura que el nivel más alto de la señal de las dos antenas receptoras es alimentado en el sistema receptor. Dependiendo de esta situación particular en el área de propagación, el uso de un Sistema. Receptor de la Diversidad de Espacio producirá una ganancia variable de 3-5 dB, comparando los niveles de señales para utilizar una sola antena receptora..

(36) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. Figura 1.16: Sistema de antenas de sector usando Recepción de Diversidad de Espacio. 24. 3. antenas con 3 alimentadores: Fuente Kathrein. La configuración de la antena de diversidad del espacio ciertamente provee buenos resultados eléctricos, pero el número de antenas requeridas es un factor negativo respecto al aspecto visual resultante, los requisitos incrementados del espacio y un mayor número de cables alimentadores y componentes mecánicos necesitados. Teniendo en cuenta estos aspectos se construye un sistema de antenas avanzado con un impacto visual deseado. Extensivas investigaciones y pruebas realizadas han demostrado que la recepción de Diversidad de Polarización es equivalente a la recepción de Diversidad de Espacio. La recepción de Diversidad de Polarización indica que los niveles de recepción de dos antenas polarizadas ortogonalmente son comparados y luego la señal más fuerte es guiada al aparato receptor. El objeto de desarrollo diseñó antenas de doble polarización que tengan las mismas dimensiones externas que las antenas de una sola polarización y ganancias y patrones de radiaciones equivalentes. El número de antenas individuales por consiguiente puede ser considerablemente reducido, resultando una notable mejoría en la apariencia óptica, reduciendo los requisitos del espacio y la cantidad de hardware mecánico requerido..

(37) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 25. Figura 1.17: Sistema de antenas de sector usando Recepción de Diversidad de Polarización 2 antenas con 3 alimentadores. Fuente: Kathrein. Generalmente puede decirse, y esto por supuesto también se aplica a las antenas de doble polarización, que el aislamiento entre antenas transmisoras vecinas, así como entre una antena transmisora y una antena receptora, debe ser de al menos 30 dB para evitar: Interferencia producida por la intermodulación. Bloqueo de los aparatos receptores. La activación en los transmisores de sistemas de monitoreo de VSWR por un transmisor adyacente.. Inicialmente las antenas doble polarizadas con polarización horizontal y vertical fueron escogidas ya que estas antena satisfacían los requisitos de aislamiento de 30 dB creado entre el sistema horizontalmente polarizado y sistema verticalmente polarizado. Los resultados prácticos con antenas de doble polarización son medianamente positivos. Sin embargo, poseen una desventaja. Desde las antenas de estación móvil(o sea en autos o teléfonos del móvil) principalmente operan en un modo polarizado verticalmente, la eficiencia de propagación es más favorable para el sistema vertical de una antena de estación base de doble polarización que el sistema horizontal, así la polarización horizontal no es realmente adecuada para transmitir tales propósitos..

(38) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 26. Figura 1.18: Sistema de ant enas de sector con Recepción de Diversidad de Polarización usando un filtro duplexor: 1 antena, 2 alimentadores y un duplexor. Fuente: Kathrein. Sin embargo, con antenas de doble polarización +45º/-45º ambos sistemas son equivalentes con respecto a la eficiencia de propagación. Los dos sistemas por consiguiente también pueden ser usados con buenos resultados en la transmisión y recepción. Además, este concepto de la antena consiente en la transmisión simultánea de dos transmisores sin el uso de un combinador del transmisor..

(39) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 27. Figura 1.19: Sistema de antenas de sector con polarización-X: 2 canales transmisores y 2 receptores: 1 ant ena, 2 alimentadores y 2 duplexor. Fuente: Kathrein.. Patrón de radiación y Amplitud a mitad de potencia con polarización- X: Las antenas polarizadas verticalmente u horizontalmente demuestran polarizaciones constantes independientes al ángulo con que la antena sea observada. Sin embargo la polarización de una antena polarizada a 450 no siempre es la misma, esta varía con el ángulo del azimut. Este concepto es fácil de entender si uno considera los ángulos de orientación cuando un el dipolo inclinado es mirado de formas diferentes. Un dipolo que está colocado en una inclinación de +45 º en el momento que es mirado desde frente parecerá ser verticalmente polarizado cuando se observa de lado. El vector intensidad del campo eléctrico radiado como se describió en 1.1.7 está formado por dos componentes ortogonales, que representándose en un sistema de coordenadas rectangulares serían los vectores E +45 y E-45 correspondientes a EV y EH respectivamente. Esto significa que la exactitud de la antena polarizada en X puede ser probada midiendo el patrón de la radiación de la polarización vertical en +45 º y la horizontal en -45 º. Si el vector de intensidad de campo es exactamente +45 º, el valor co-polar (polaridad en.

(40) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 28. coordenada rectangular para este caso) es 100 % y el valor cross-polar (polaridad en cruz) es de 0%. [1] Como nota importante se puede deducir que si la polarización es exactamente 45 º, entonces la amplitud a mitad de potencia de los patrones de radiación medidos en la polarización vertical y en la polarización horizontal son del mismo valor. Esta explicación se puede demostrar si se analiza la siguiente figura:. Figura 1.20 Separación de un vector E entre sus componentes ortogonales.. CPR (Razón de Polarización Cruzada) Una perfecta polarización ortogonal da como resultado un valor grande de la Razón de Polarización Cruzada (CPR), la cual es determinada por la medición del patrón horizontal de radiación que opera en polarizaciones ±450. La CPR compara la diferencia de nivel entre las señales polarizadas similares (co-polar) y las señales polarizadas diferentes (cross-polar) de las ondas radiadas. Una CPR elevada por una incorrelación de alto valor de las dos señales trae por consiguiente buenos resultados en la diversidad de polarización. [1].

(41) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 1.2.8. 29. Parámetros Típicos. Los siguientes parámetros de la antena tienen una influencia decisiva en el buen desempeño de la red y son importantes para el buen juicio de una antena: Amplitud a mitad de potencia en polarización co-polar. Amplitud a mitad de potencia en polarización co-polar. Amplitud a mitad de potencia en polarización co-polar. co-polar en la Razón F/B. Para una alta atenuación cross-polar la amplitud a mitad de potencia de los tres componentes co-polar, verticales y horizontales son similares. Una de las empresas más conocidas en la fabricación de antenas y específicamente de telefonía celular es la alemana Kathrein. La calidad de los componentes que fabrica dicha empresa goza de gran prestigio entre operantes y usuarios de todo el mundo. Esta característica es realizada por fabricantes de esta firma y por lo tanto no hay necesidad de re planificar razones para diferenciar entre la polarización de los componentes mencionados. Estas medidas también proveen la razón F/B, la cual es una característica importante para dicha re planificación. La razón F/B puede ser determinada en el peor de los casos por las componentes polarizadas horizontales y verticales. Solamente es necesario hacer el cálculo de la potencia total, si las dos componentes tienen niveles similares. En caso de niveles idénticos, la potencia total alcanza un valor de 3dB menos respecto a las componentes individuales. Las antenas de dipolo polarizado en X tienen valores típicos de razón F/B de 24-30dB. La siguiente figura muestra la respuesta co-polar y croos-polar de una antena XPol-Panel 800/900 a 650 con ganancia respecto a un radiador isotrópico de 17dBi (ver Anexo 3). Al lado de la simetría de los patrones, aparece una escala lineal en dB donde se puede observar la razón croos-polar en cada dirección de azimut. [1].

(42) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 30. Figura 1.21 Patrón de radiación isotrópico. Fuent e Andrew. 1.2.8.1 - CPR en contra Azimut. Como ya se mencionó, el diseño del dipolo provee de excelente valores CPR no solo en la dirección principal sino también en + / - 90. Es importante para la cobertura de un sector estándar disponer de altos valores de CPR y gran diversidad de ganancias en los bordes del sector, donde la ganancia de la antena es considerablemente reducida. A continuación se representa gráficamente en la figura 1.22 la respuesta de la CPR en cada dirección de azimut acorde a las respuestas de co-polar y cross-polarización mostradas en la figura anterior..

(43) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 31. Figura 1.22 Respuesta de CPR en cada dirección de azimut.. 1.3. Algunos aspectos a tener en cuenta en los diseños de las Estaciones Bases de Antenas con las Antenas Clásicas de Panel. Composición de una Estación Base de Antenas en GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles). Teniendo en cuenta que GSM opera en la banda de 800/900 MHz y 1710/1880 MHz se seleccionan las antenas diseñadas para dichos rangos de frecuencia y se diseña según los criterios introducidos anteriormente. Siendo así en la figura 1.23 se muestra un típico sistema de comunicación GSM..

(44) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 32. Figura 1.23: Típico Sistema de Antenas Clásicas de Panel.. 1.3.1. Downtilt. La energía en cada sector de una Estación Base debe ser ajustada en una dirección determinada para evitar que la señal penetre en el territorio de otra célula causando interferencia..

(45) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 33. Figura: 1.24: Distribución de la energía por distintas celdas.. Para concentrar la energía en cierto blanco se puede inclinar el lóbulo principal por debajo de la línea horizontal, procedimiento llamado Downtilt [1]. En las Antenas Clásicas de Panel el downtilt puede ser mecánico.. Figura 1.25: Forma de inclinación del lóbulo principal.. En la práctica la inclinación típica varía desde 3º hasta 15º..

(46) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 1.3.2. 34. Sistemas de celdas en telefonía móvil GSM.. Existe una profusa literatura que plantea que las celdas de estos sistemas son hexágonos puros regulares, formando retículas que se agregan unas a otras sin limitación. La realidad es otra, el objetivo de un sistema celular es reutilizar canales, pero al estar estos canales asociados a estaciones base, lo que se hace es repetir estaciones base. Se dice que una estación se repite cuando tiene la misma tabla de frecuencias que otra determinada. Interesa determinar cuántas estaciones como mínimo se necesitan para cubrir una superficie. determinada.. Principios. anteriores. al concepto celular. utilizaban. el. aprovechamiento de frecuencias repetidas a todo lo largo de la red para ganar en capacidad. A continuación se muestra una figura donde aparecen los cálculos pertinentes a tener en cuenta para determinar la distancia mínima a la que se puede repetir una estación base, donde para el caso de la figura el patrón de reutilización..

(47) CAPÍTULO 1. CARA CTERÍSTICAS TÉCNICAS Y PROCESO EVOLUTIVO DE LOS SISTEMAS MÓVILES ACTUA LES. 35. Figura 1.26: Cálculos para obtener capacidad en GSM. Aunque realmente, con tres tipos de estaciones base se puede conseguir ese objetivo sin que queden enfrentadas dos estaciones del mismo tipo, es decir, que tengan un mismo grupo de frecuencias. En condiciones de terreno llano, las estaciones formarían retículos formando triángulos equiláteros, no obstante, la teoría sobre celdas perfectamente hexagonales no se da en la realidad. Las bases se despliegan de forma irregular según el terreno, buscando un mínimo de zonas de sombra. El problema de la red está en determinar la ubicación idónea de las estaciones base para conseguir una mayor cobertura y minimizar las zonas de sombra. Lo habitual de las estaciones base es que tengan un diagrama de radiación omnidireccional, es decir, que transmitan en todas las direcciones con la misma potencia y frecuencias. Si bien, y para el mejor aprovechamiento del espectro y de la potencia radiada por las antenas, se puede sectorizar la radiación concentrando la potencia hacia un determinado sector. Se trata así de aprovechar la potencia enviada al móvil, dado que este solo puede estar en un lugar determinado y la potencia enviada en otras direcciones se perdería inútilmente. Con este sistema se obtiene un eficiente uso del espectro en zonas de alta densidad de equipos móviles. En este caso, la idea es que cada base alimente a tres antenas que radian cada una para un determinado sector que, en principio, sería de 120 grados. Este es el caso más común de sectorización, si bien se utilizan, además, otras configuraciones. El diagrama de radiación de estas antenas puede no ser uniforme, siendo más intenso en la bisectriz del sector y disminuyendo en los extremos. En la práctica, en zonas muy congestionadas por la demanda de comunicaciones móviles los sectores de 120 grados no son operativos, instalando, normalmente, seis antenas en cada estación base, suponiendo seis sectores de 60 grados cada uno, en cuyo centro está la estación base, de modo que si un móvil sale de un sector y entra en otro que pertenece a la misma estación no se produce handover concebido este como cambio de la estación base a la que está conectado un equipo móvil, sino que cambia de asignación de antena..

(48) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 36. CAPÍTULO 2. SOLUCIONES DE OPTIMIZACIÓN MEDIANTE NUEVAS TECNOLOGÍAS DE ANTENAS. 2.1. Introducción. Las soluciones de optimización mediante nuevas tecnologías de antenas han contribuido a una notable mejora en las redes de comunicaciones móviles, dotándolas de mayor capacidad, cobertura, calidad de servicio y movilidad. Estas técnicas han surgido acorde a las necesidades existentes, que han motivado la competencia entre fabricantes para dar la solución más óptima posible acorde a las necesidades existentes y marcado un carácter evolutivo en el uso de las antenas móviles. Este capitulo se dedicara a la explicación de dichas técnicas. 2.2. Sistema Teletilt-RET. Andrew es un líder mundial en el desarrollo de inclinación eléctrica variable, con más de una década de experiencia en esta tecnología. Teletilt-RET es un sistema de antenas con inclinación remota eléctrica patentado por Andrew para manejar los componentes compatibles AISG (Grupo de Estándares de Interfaz de Antena), como inclinación eléctrica variable de la estación base de antenas. Este sistema es una solución inteligente para una mejor calidad de la red, proporcionando una completa visibilidad y control de la misma con un rápido, fácil, conveniente y de bajo costo sitio de optimizaciones. [6] 2.2.1. Downtilt mecánico vs. Downtilt eléctrico. Optimizaciones: Por el camino viejo para cada cambio de la antena: Se necesita salir al lugar donde se encuentre el sitio, subir a la torre o sobre las azoteas e indicar la antena mecánicamente..

(49) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 37. El acceso al sitio es una preocupación importante en muchos casos, costoso y depende del clima. Se necesita de mucho tiempo hasta que se complete el plan de optimización de RF que se desea aplicar.. Figura 2.1: Camino viejo. Fuente: Andrew.. Figura 2.2: Nuevo camino. Fuente:. Andrew.. Por el camino nuevo para cada cambio de configuración de la antena: No se necesita salir al lugar donde se encuentre el sitio, ni subir a la torre o sobre las azoteas y la antena no tiene que ser movida. No hay problemas con el acceso al sitio sino que se dispone de software modificacionales a partir de la oficina que controlan y modifican el desempeño de la red. Completa visibilidad de la red y ejecución inmediata en tiempo real. Los cambios de optimización pueden ser programados y ejecutados varias veces al día..

(50) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. Causas del downtilt mecánico. Pico del lóbulo principal de inclinación por debajo del horizonte. Lóbulo posterior a la inclinación sobre el horizonte. A los 90, sin inclinación. Destinados solo a la inclinación del haz principal Figura 2.3Downtilt eléctrico.. Causas downtilt eléctrico. Pico del lóbulo principal de inclinación por debajo del horizonte. Lóbulo posterior a la inclinación por debajo del horizonte. A los 90, la inclinación por debajo del horizonte. El patrón completo se inclina. Figura 2.4 downtilt eléctrico. .. 38.

(51) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. Figura 2.5: Patrones de radiación del downtilt. mecánico.. El patrón se ajusta solo en la parte delantera. El patrón se degrada rápidamente. Inclinación máxima igual a la mitad del ancho del haz vertical.. Figura 2.6: Patrones de radiación del downtilt eléctrico.. El patrón se inclina en todo el sitio. La forma del patrón se mantiene estable. Mucha mayor inclinación posible. 39.

(52) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 2.2.2. 40. Tipos de Configuraciones con Teletilt-RET. Sistema Básico Teletilt-RET Un sistema básico RET incluye un controlador, actuadores conectados a las antenas y cable de control. Múltiples actuadores pueden estar conectados a la vez por cables de control o usando una caja de conexiones Los ajustes eléctricos de la inclinación pueden ser remotamente desde la BTS usando una computadora portátil o desde un controlador montado sobre una red.. Figura 2.7: Sistema Básico Teletilt-RE T..

(53) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. Sistema Teletilt®-RET usando. 41. Smart Bias Tees (Vías Inteligentes en T)..  Reduce el número de cables controladores guiados a la torre inyectando la señal de control AISG sobre una línea coaxial de RF existente usando smart bias tees. La smart bias tee es usada en la base de la torre y ya sea una smart bias tee o una AISG amplificada montada en la torre es usada en lo alto de la torre para recuperar la señal de retroceso sobre un cable de control alimentado por el actuador conectado a la antena (TMA).. Figura 2.8: Sistema Teletilt-RE T usando. 2.3. Smart Bias Tees.. Tecnología de las Antenas Compactas. TELNET Redes Inteligentes posee gran experiencia en la fabricación y diseños de antenas móviles. Antenas BTS Compactas para telefonía móvil de tecnología fractal es una nueva familia de productos dentro del catálogo de soluciones de Infraestructuras y Movilidad GSM/3G.

(54) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 42. (Tercera Generación de telefonía celular) introducida por esta firma y a continuación será tratada. De pequeñas dimensiones y bajo impacto visual esta tecnología posee antenas multibanda y multisector además de un sistema de anclaje y mástil: abatible y modular que le permite valiosas ventajas como son: posibilidad de mimetizar la antena y el mástil en el entorno, además de facilitar la evolución tecnológica y una instalación más sencilla y menos aparatosa. [7].

(55) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 2.3.1. 43. Tecnología Fractal y Multibanda. El uso de la geometría factral1 ha despertado gran interés en la fabricación de antenas en la actualidad. Estas antenas compactas se basan: 1. En el diseño de elementos radiantes empleando geometría fractal: -Mayor longitud eléctrica en menor espacio, -reducción de espacio entre elementos 2. Arreglo Multibanda: yuxtaposición de elementos radiantes específicos para cada banda 3. Multisector: Agrupaciones de tres arreglos multibandas (uno por sector) en la misma antena. A continuación en la figura 2.9 se representa un ejemplo de la combinación antenas compactas.. Figura 2.10: Combinación de tres sistemas móviles en antenas compactas 1 geometría fractal: tienen propiedades de auto similitud. Podemos describir la auto similitud, en pocas palabras, como la propiedad geométrica de un objeto que c ontiene copias de sí mismo en diversas escalas diferentes.. 2.3.2. Tecnología RET. Las antenas disponen de un sistema de ajuste remoto del tilt para cada elemento radiante/sector Compatible con las dos líneas de producto (Panel o Compactas) donde un único dispositivo puede controlar uno, dos o tres motores, lo que permite el ajuste del tilt de una antena Broadband, Dualband o una Triband por la misma unidad MCU (Unidad de Control del Motor) y es compatible con AISG versión 1.1 y AISG 2.0. Las líneas de productos de estas antenas se pueden clasificar en:.

(56) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 44. – Panel (Dualband y Triband) – Compactas (Broadband, Broadband WRT, Triband y Doble Broadband WRT) En el anexo 4 se muestra la hoja de datos de antenas Compactas Broadband WRT (Rango del Ancho del Tilt).. 2.4. Sistemas remotos de múltiples dimensiones de la antena. Las antenas Smart Beam o de Haces Inteligentes. La distribución del tráfico en las redes inalámbricas varía con el lugar y la hora, incluso los sistemas con una baja demanda de capacidad por usuario. Con las demandas de tráfico de datos de alta velocidad en los sistemas modernos de telefonía móvil, además de la heterogénea. naturaleza. de. distribución. el. tráfico. inalámbrico. aumentará. exponencialmente. Con el fin de manejar de manera efectiva la demanda de tráfico flexible, es decir, sin extensión de nuevas redes para satisfacer la demanda de máxima capacidad, las tecnologías inteligentes de RF pueden ayudar a adaptar la red y el equilibrio de la carga. Con este fin la firma Andrew lanzo al mercado sistemas remotos de múltiples dimensiones de la antena conocidas como Smart Beam o de Haces Inteligentes. [8] Forma de trabajo Las antenas Smart Beam amplían la gama de cambios del haz remoto desde una sola dimensión por elevación de orientación del haz (inclinación eléctrica remota, RET) a múltiples dimensiones. Estas antenas incluyen la posibilidad de cambiar la dirección de azimut (barrido), así como el ancho del haz de la antena (fanning) remotamente (se muestra esquemáticamente en la Figura 2.11)..

(57) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 45. Figura 2.11: Formas de antenas Smart Beam. 2.4.1. Grados de libertad para la familia de antenas Smart Beam. Una innovación clave en la tecnología de la antena SmartBeam es la introducción de las 3 dimensiones para modificaciones remotas. El rango del ancho del haz para cada antena va desde 35 ° hasta 120 °. Este tiene un impacto significativo en el patrón de la antena, así como la ganancia en el lóbulo principal, donde varía en el rango de 13,9 dBi para el patrón de 120o a 19,2 dBi para el patrón de 35 ° (véase Figura 2.12). [8]. Figura 2.12: Ganancias de las antenas Smart Beam.

(58) CAPÍTULO 2 SOLUCIONES DE OPTIM IZACIÓN M EDIANTE NUEVA S TECNOLOGÍAS DE ANTENAS.. 46. Estas antenas se pueden combinar como: 1D SmartBeam (RET), [Inclinación] 2D SmartBeam (RET y RAS), [ Inclinación + Barrido] 3D SmartBeam (RET, RAS, y RAB), [ Inclinación + barrido + ensanchamiento]. Ventajas: Capacidad de adaptar a dónde y cuando más lo necesita Flexible optimización. Satisfacer la demanda de capacidad durante especificado picos de tráfico. Proporcionar equilibrio de carga rentable Diseñado para la agilidad. 2.5. 2.5.1. Antenas Inteligentes. Introducción. Los arreglos 2 tradicionales de antenas, donde el lóbulo principal es dirigido a una dirección de interés, son llamados arreglos de fase, de dirección del haz o de barrido. El haz es dirigido por corrimientos de fase, los cuales frecuentemente se obtienen en las frecuencias de RF. 2 Arreglo de antenas: es un conjunto de antenas simples, generalmente iguales y orientadas en la misma dirección, las cuales son acomodadas en una disposición física determinada, relativamente cercanas unas respecto a otras, y además cada antena es manejada por un mismo sistema de separación (o combinador) de señal. Son capaces de concentrar la radiación en direcciones deseadas. [9].