“MODELO DE SEÑAL Y ESQUEMAS DE FORMACION DE HAZ DE ANTENAS
INTELIGENTES”
M O N O G R A F I A
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN ELECTRONICA Y COMUNICACIONES
P R E S E N T A
TEODORO ALEJANDRO MONRROY VARGAS
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL:
Dr. RAUL CRUZ VICENCIO
ASESOR DEL TRABAJO RECEPCIONAL:
M.R.T. RAFAEL ORTEGA ALMANZA
POZA RICA DE HGO, VER. 2010 FACULTAD DE INGENIERIA EN ELECTRONICA
Y COMUNICACIONES
ZONA POZA RICA-TUXPAN
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes
Indice
Capitulo 1 Introducción
11.1 Antecedentes 3
1.2 Justificación 4
1.3 Objetivo 5
1.4 Alcance de Trabajo 5
Capitulo 2 Conceptos fundamentales
2.1 Definición de Antenas 6
2.2 Parámetros de Antenas 7
2.3 Arreglos de Antenas 15
Capitulo 3 Antenas Inteligentes
3.1 Estado de Arte de las Antenas Inteligentes 28
3.2 ¿Por qué Antenas Inteligentes? 29
3.3 Perspectivas de aplicaciones de las antenas Inteligentes 34
Capitulo 4 Tipos de Antenas Inteligentes
4.1 Antena de Haz Conmutado 44
4.2 Antena Adaptiva 48
4.3 Control Adaptativo 49
4.4 Antena de Haz de Seguimiento 57
Capitulo 5 Modelo de Señal y Patrón de Radiación de las Antenas Inteligentes.
5.1 Terminología de arreglos de antenas 59
5.2 Modelo de señal 66
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes
5.3 Esquemas de radiación 72
5.4 Algoritmos de Radiación Adaptiva 85
Conclusiones
90Anexos
91Bibliografía
98Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 1
Introducción
Las antenas inteligentes constituyen una línea de investigación digna de cultivar, pues esta contribuye al proceso de eficientización energética en las comunicaciones móviles.
El hecho que un patrón de radiación direccional tenga la facilidad de seguir al usuario de un sistema telefónico garantiza eficiencia energética, mejoramiento en la comunicación debido a la disminución de la interferencia así como la relación ruido/señal.
La tecnología de las antenas inteligentes se puede comparar (“válgase”) con un misil guiado por calor, en donde un avión supersónico, debido a que su motor es a beses de calor, es posible que dicho misil no lo alcance. Entonces el hecho de que el patrón de radiación de la antena busque su usuario en una situación similar mas no tan dramática en resultados, si no mas bien en este caso la tecnología ayuda a ahorrar energía.
Uno de los aspectos que se concederán primordiales en este trabajo es que la aplicación de las antenas inteligentes contribuye al ahorro de energía, lo cual es compatible con las líneas de trabajo e investigaciones del cuerpo Académico de la DES-AREA TECNICA DE POZA RICA que cultiva la línea de generación y aplicación del conocimiento “sistemas Energéticos y Ahorro de Energía” y en este caso de estudio garantiza una aplicación optima de la energía en el proceso de comunicaciones en telefonía móvil.
En este trabajo recepcional en la modalidad de monografía se realiza una investigación bibliográfica que permita analizar la teoría inherente al método de radiación de antenas inteligentes, específicamente a investigar el modelo matemático en el cual se basa la forma de generar patrones de radiaciones inteligente que sean capas de seguir el usuario y mediante modelos poder explicar pertinentemente y justificar el significativo ahorro de energía inherente al sistema de propagación utilizando antenas inteligentes.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 2 Con la finalidad de proponer un modelo matemático para la formación de patrones de radiación en antenas inteligentes, en este trabajo se trata de los siguientes temas:
En el capitulo 1 se presenta la introducción, donde se menciona los antecedentes relacionados con el trabajo que se propone. Se presenta el objetivo, justificación, así como el alcance de ésta monografía.
En el capitulo 2 se presenta conceptos fundamentales que son exclusivos de las antenas inteligentes. Cabe mencionar que muncho de los conceptos de antenas inteligentes se aplican a antenas comunes, sin embargo todo aquello relacionado con los arreglos generan ciertos términos que solo se aplican bajo el contexto de las antenas inteligentes por lo que es muy importante la terminología que aquí se menciona.
En el capitulo 3, una vez repasados y analizados los conceptos fundamentales relacionado con las antenas y los arreglos de antenas, en este capitulo se presenta lo relacionado con las antenas inteligentes; el interés que presenta esta línea de investigación así como las perspectivas de aplicación con la finalidad de comprender la enorme tecnología que se estudia.
Con el capitulo 4 se presentan los diferentes tipos de antenas, el concepto de control adaptivo que implica que el sistema “aprenda” y desarrolle cierta “inteligencia” basado en la matemática de control automático.
En el capitulo 5 se desarrolla un modelo matemático que se adapta físicamente al comportamiento del sistema de recepción de una onda electromagnética que contiene información de un usuario, bajo la militancias del ancho de banda y la relación señal/ ruido.
Se presenta los esquemas de radiación electromagnética que son pertinentemente explicado en el sistema de antenas inteligentes.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 3
1.1 Antecedentes
Las antenas son elementos de un sistema de comunicación que permite la transmisión y recepción de señales a través del espacio libre, mediante una señal modulada. Desde su aparición, dentro del escenario tecnológico, han surgido diferentes tipos y topologías de antenas las cuales tienden a comportarse de una manera más eficiente en ciertas aplicaciones. De igual manera cada tipo de antena, para ciertas aplicaciones, se ha ido desarrollando mediante la participación de la investigación científica; a nuevas formas que permite aumentar más su eficiencia.
Los arreglos de antenas constituyen una topología de conductores con determinada geometría que tiene como objetivo ampliar la capacidad de comportamiento a señales preferenciales de una aplicación especifica. Sin embargo, el concepto de arreglo de antenas, combinados con ciertos principios de control automático, en los cuales se involucran variables relacionadas con el procesamiento de la señal involucrada en un enlace, permite llevar al concepto de antena inteligente, el cual, es revolucionario en términos de eficiencia de transmisión y recepción así como de la capacidad en un sistema de comunicaciones.
El concepto de antena inteligente; como tal, y en términos que se ha escrito anteriormente es reciente y apareció a finales del 2000 en revistas científicas especializadas sobre antenas y propagación [1]. Por tal motivo en este trabajo se pretende llevar a cabo una investigación relacionada con el concepto y aplicaciones de las antenas inteligentes y su potencial uso, a futuro, en las comunicaciones móviles.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 4
1.2 Justificación
El área de la telefonía celular esta ampliamente extendida, y se vislumbra que la tecnología relacionada a ella será motivo de estudio científico en nuestra época. La telefonía celular es una herramienta que fortalece la tecnología de información, y no cabe duda que los líderes de empresas utilicen esta herramienta para crecer y contribuir al producto interno bruto de las naciones. Sin embargo la telefonía celular móvil tiene limitaciones relacionadas al ancho de banda y al ruido. Problema ineludible en las comunicaciones. Y con respecto a las limitaciones de ancho de banda y ruido, en las comunicaciones celulares, la tecnología de las antenas inteligentes propone remover varios de los problemas inherentes en las comunicaciones móviles.
El estudio de las antenas inteligentes, con aplicaciones en las comunicaciones móviles, se justifica en función de que esta tecnología permite ajustar los patrones de radiación de las antenas, acorde con el receptor. La tecnología de antenas inteligentes es relativamente innovadora, ya que optimiza la comunicación y la transmisión de la señal entre antena base y receptor móvil. El ahorro de energía y la calidad de la comunicación se ven substancialmente incrementada, con respecto al sistema actual. Lo anterior se debe al control adaptativo del sistema de antenas inteligentes que intervienen en el proceso.
La antena genera un patrón de radiación que se adapta al receptor mediante un sistema de control, basado en procesador que optimiza la calidad de la comunicación. Este tema sobre antenas inteligentes es un problema que apenas se aborda en las potencias tecnológicas y es un tema de vanguardia científica, por tal motivo, es importante que se genere literatura al respecto en la Facultad de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 5 Este trabajo se justifica en un marco de referencia actual debido a que las antenas inteligentes prometen aplicaciones sin precedente en las cuales los enlaces alcanzarán niveles de eficiencia nunca jamás obtenidos, por lo cual es importante que la Facultad de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones se cuente con información y literatura relacionada con las antenas inteligentes en nuestro idioma.
El estudio de este tema dará la oportunidad a que se investigue un problema innovador que influirá en la generación de conocimiento en nuestro país, y principalmente posicionará a nuestra facultad en un contexto actual, con relación a las comunicaciones móviles.
1.3 Objetivo
El objetivo de este trabajo radica en presentar los conceptos fundamentales relacionados con el campo de las antenas inteligentes. Se pretende presentar los tecnicismos inherentes a este concepto, así como las bases científicas que justifican su papel en el terreno de las comunicaciones. De igual manera se pretende escribir literatura en el idioma español relacionado a las antenas inteligentes que puedan ser consultados por los futuros Ingenieros en Electrónica y Comunicaciones.
1.4 Alcance del trabajo
El alcance del trabajo es hacer una recopilación de información extraídas de fuentes científicas y traducir la información ya que esta se encuentra en lenguaje extranjero, y proporcionarle lo mas actual que se está dando en el área de estudios; para que los futuros Ingenieros de Electrónica y Comunicaciones, Académicos y persona interesada en estos temas tengan la herramienta necesaria acerca de los avances que se están llevando a cabo en el campo de investigación de las antenas inteligentes.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 6
2.1 Definición de antenas
El Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE por sus siglas en ingles) define una antena como un dispositivo de un sistema de comunicaciones (transmisor o receptor) diseñado específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas.
La misión de la antena es radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas a la aplicación. Por ejemplo, en radiodifusión o comunicaciones móviles se querrá radiar sobre la zona de cobertura de forma omnidireccional, mientras que en las radiocomunicaciones fijas interesa que las antenas sean direccionales. En general, cada aplicación impondrá unos requisitos sobre la zona del espacio en la que se desee concentrar la energía. Existen, pues, dos misiones básicas de una antena: trasmitir y recibir.
[6] Las antenas tienen unas características de impedancia y de radiación que dependen de la frecuencia. El análisis de dichas características se realiza a partir de las ecuaciones de Maxwell en el dominio de la frecuencia, utilizando las expresiones de los campos en forma compleja o fasorial. Cada aplicación y cada banda de frecuencia presentan características peculiares que dan origen a topologías de antenas que se presentan a continuación:
Antenas alámbricas. Se distinguen por estar construidas con hilos conductores que soportan las corrientes que dan origen a los campos radiados. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolos, V, rómbicas), espiras (circular, cuadradas o de cualquier forma arbitraria) y hélices. Este tipo de antenas se caracterizan por que sus corrientes y cargas varían de forma armónica con el tiempo y con amplitudes que también varían a lo largo de los hilos.
Antenas de apertura y reflectores. En ellas la generación de ondas radiadas se consigue a partir de una distribución de campos soportada por la antena y se suelen excitar con guías de ondas. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales y cónicas), y las ranuras sobre planos conductores, y las bocinas de guía.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 7 Este tipo de antenas se caracterizan por los campos eléctricos y magnéticos de la apertura, variables armónicamente con el tiempo. El empleo de reflectores, asociados a un alimentador primario, permite disponer de antenas con las características necesarias para servicios de comunicaciones a grandes distancias, tanto terrestres como espaciales. El reflector más común es el parabólico.
Agrupaciones de antenas. En ciertas aplicaciones se requieren patrones de radiación que no pueden lograrse con un solo elemento; sin embargo, con la combinación de varios de ellos se consigue una gran flexibilidad que permite obtenerlas. Estas agrupaciones pueden realizarse combinando, en principio, cualquier tipo de antenas. [6]
2.2 Parámetros de antenas
DIAGRAMA DE RADIACION.
Un diagrama de radiación o patrón de radiación es una representación gráfica de las propiedades de radiación de la antena, en función de las distintas direcciones del espacio, a una distancia fija. Normalmente se emplea un sistema de coordenadas esféricas. Con una antena situada en el origen y manteniendo constante la distancia se expresará el campo eléctrico en función de las variables angulares (θ,).
La densidad de potencia es proporcional al cuadrado del modulo del campo eléctrico, por lo que la representación grafica de un diagrama de potencia contiene la misma información que un diagrama de radiación del campo.
El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular. En la fig. 2.1 se presentan ejemplos de diagrama de radiación.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 8
Figura. 2.1 Diagramas de radiación a) isótropos, b) omnidireccionales y c) directivos
Se utilizará habitualmente un sistema de coordenadas esférico. Las tres variables de un sistema esférico son (r,, θ). En un sistema coordenado esférico las superficies r=cte son esferas, =cte son conos, mientras que θ =cte son semiplanos. La intersección de las tres superficies determina la orientación de los tres vectores unitarios, que son perpendiculares a las superficies respectivas; fig. 2.2.
Fig.2.2 Sistema de coordenadas esféricas
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 9 El diagrama de radiación se puede representar en forma tridimensional utilizando técnicas gráficas diversas, como las curvas de nivel y el dibujo en perspectiva. La figura 2.3 muestra el diagrama tridimensional de una antena. Los niveles se expresan en decibelios respecto al máximo de radiación.[13]
Fig.2.3 Diagramas tridimensional de radiación
Los cortes bidireccionales del diagrama de radiación se pueden representar en coordenadas polares o cartesianas. En el primer caso el ángulo en el diagrama polar representa la dirección del espacio, mientras que el radio representa la intensidad del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada.
La representación en coordenadas cartesianas permite observar los detalles en antenas muy directivas, mientras que el diagrama polar suministra una información mas clara de la distribución de la potencia en las diferentes direcciones en el espacio. [12]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 10 Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son los siguientes:
Dirección de señal: Es la de máxima radiación. Directividad y Ganancia.
Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. Está comprendido entre dos mínimos relativos.
Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal.
Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma el valor de la mitad del máximo.
Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario.
Relación frente-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.
DIRECTIVIDAD.
La directividad D de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radia a esa misma distancia una antena isótropica que radiase la misma potencia que la antena.
La expresión de la directiva puede escribirse en la forma
Donde Ωe se define como el ángulo solido equivalente.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 11 Para una antena que tuviera un diagrama de radiación uniforme en un cierto ángulo sólido y cero fuera de él, equivalente Ωe en este caso seria igual al ángulo sólido en el que la antena esta radiando. Una antena isotrópica tiene directividad uno; si radiara uniformemente en un hemisferio, su directividad valdría 2, y si lo hiciera en un octante seria 8.[6]
GANANCIA.
Se define como la que tiene una antena para concentrar la energía en una aria dada. Para mejor entender esta propiedad, se considera que existe una antena teórica, llamada isotrópica, que radia uniformemente su energía en todas las direcciones. La ganancia de la antena depende tanto de su direccionalidad, y es la eficiencia.
La eficiencia (η) se puede definir como la relación entre la potencia radiada por la antena y la potencia entregada a la misma. La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia.
Si una antena no tiene perdidas óhmicas, la Directividad y la Ganancia son iguales
POLARIZACION.
Hasta ahora se ha analizado la radiación de la antena partiendo de la densidad de potencia o de la intensidad del campo radiado, pero en cada punto del espacio existirá un vector de campo, función de la posición y del tiempo. La polarización es una indicación de la orientación del vector de campo en un punto fijo del espacio al transcurrir el tiempo.
La polarización de una Antena en una dirección es la de la onda radiada por ella en esa dirección. Siempre que se habla de polarización se hace referencia a polarizar una anda electromagnética como la que se muestra en la figura 2.4.[13]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 12
Figura.2.4 Representación de la polarización de una antena
ANCHO DE BANDA.
El ancho de banda de una antena se refiere al rango de frecuencias en el cual se puede operar la forma correcta. Este ancho de banda es el número de hercio (Hz) para los cuales la antena va a tener Razón de Onda Estacionaria (SWR) menor que 2:
El ancho de banda también puede ser descrito en términos de porcentaje de la frecuencia central de la banda.
Donde;
= frecuencia máxima = frecuencia mínima = frecuencia central
En antenas de banda ancha se suele especificar en la forma
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 13 El Ancho de Banda de la antena lo impondrá el sistema del que forme parte y afectará al parámetro más sensible o crítico en la aplicación. Para su especificación los parámetros pueden dividirse en dos grupos, según se relacionen con el diagrama o con la impedancia.
En el primero de ellos tenemos la directividad, el ancho de haz, el nivel de lóbulo principal a secundario y la dirección de máxima radiación. En el segundo, la impedancia de la antena, el coeficiente de reflexión y la relación de onda estacionaria.[6]
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.
Donde; es la parte imaginaria de la antena, (reactancia de antena)
= impedancia de entrada (Ω)
= voltaje de entrada (V)
= corriente de entrada (A)
= resistencia de la antena (Ω)
La resistencia óhmica de una antena es la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdida resistiva y la corriente en sus terminales al cuadrado.
Por lo tanto la resistencia de antena se puede considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 14 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.
Donde:
Η= eficiencia (%)
wt = potencia total radiada (W) We = potencia entregada (W)
= potencia óhmica (W) Rr = resistencia radiada (Ω)
= resistencia óhmica (Ω)
AREA Y LONGITUD EFECTIVAS.
El área efectiva se define como la relación entre la potencia recibida y la densidad de potencia incidente en una antena. La antena debe estar adaptada a la carga, de forma que la potencia transferida sea la máxima. La onda recibida debe estar adaptada en polarización a la antena.
)
Donde:
Aef = área efectiva wr = potencia recibida
pin = densidad de potencia incidente
La longitud efectiva de una antena linealmente polarizada se define como la relación entre la tensión inducida en una antena en circuito abierto y el campo incidente en la misma.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 15 Donde:
ef = longitud efectiva Vca = tensión inducida E = campo incidente
2.3 Arreglos de antenas
Cuando se requiere una mayor directividad que la que puede obtenerse con una sola antena, se emplean arreglos de antenas. Un arreglo es un sistema de antenas iguales orientadas similarmente y consiste de un gran número de antenas individuales, las cuales pueden ser cualquiera de las antes descritas (usualmente todas del mismo tipo) arregladas en forma de red o parrilla uniforme.[11]
Donde controlando la amplitud y fase de la señal de excitación de cada elemento, se puede tener mayor control sobre el patrón de radiación del arreglo en función del nivel de los lóbulos laterales y posicionamiento del haz principal. Un arreglo de antenas por cambio de fase, utiliza cambiadores de fase los cuales se controlan electrónicamente para realizar un seguimiento rápido del haz principal. Tales antenas son de uso muy común en sistemas de radar y también en radioastronomía.
De todos los tipos de antenas que se ha mencionado, el que tiene mayor importancia por su aplicación al arreglo plano del radiotelescopio es la antena dipolar, ya que es el elemento común que conforma la malla o rejilla del arreglo plano.
El dipolo de media onda es una de las antenas más simples y prácticas, este elemento generalmente se alimenta a través de una línea bifilar, como lo muestra la Figura 2.5.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 16
Fig. 2.5 Antena dipolar de media onda
Los arreglos se utilizan para incrementar la intensidad de campo en ciertas direcciones excitando las antenas simultáneamente. Los arreglos de antenas hacen uso del fenómeno de interferencia de ondas, que ocurre entre las radiaciones de los elementos de arreglo, la idea básica que fundamenta la teoría de arreglos es el principio de superposición de los campos.
Principio de Superposición.
Este principio establece que “el campo producido por un conjunto de fuentes es la suma de los campos de las fuentes individuales. Si las fuentes tienen la misma dirección en sus corrientes individuales”. En teoría de redes eléctricas cuando se tienen generadores e impedancias lineales, el flujo de corriente en cualquier punto, es la suma de las corrientes que deberían de fluir de cada generador si se consideran por separado sustituyéndose los demás generadores por impedancias iguales a sus impedancias internas. [11]
Las ventajas de agrupar antenas
Aumento de la ganancia: Teóricamente se obtienen 3 dB de aumento de ganancia al duplicar el número de elementos del arreglo (es decir con 2 antenas ganamos
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 17 3dB, con 4 ganamos 6 dB. En realidad es siempre menor debido a las perdidas del acoplador y los cables y la separación de las antenas mismas.
Mejora el patrón de radiación: el arreglo de antenas introduce una serie de nulos en el patrón de radiación del plano en el que se realiza el arreglo. Estos nulos depende de la separación entre las antenas y de la frecuencia. La fórmula que los relaciona es en donde d es la separación entre antenas, α el ángulo en el que se produce el nulo y λ la longitud de onda. Esto puede ser muy útil para discriminar señales reflejadas y evitar dobles imágenes.
Sin embargo el uso de apilamientos de antenas presenta una serie de restricciones y particularidades, que se deben de tener en cuenta a la hora de plantearse el uso del mismo:
Las señales que se sumaran han de ser iguales, tanto en magnitud como en fase, con lo que se ha de tener en cuenta las siguientes consideraciones:
Las conexiones se han de realizar con mucho cuidado, se debe asegurar que los cables que conectan las antenas al acoplador sean de la misma longitud y del mismo tipo, para que la diferencia de la fase sea la misma para cada antena a la entrada del acoplador, de lo contrario no se obtendrán las características propias del acoplamiento.
Para obtener el acoplamiento correcto las antenas han de estar separadas una distancia comprendida entre λ/2 y 2λ. Estos límites vienen determinados porque a una distancia menor de λ/2 se producen efectos de acoplamiento inductivo entre las propias antenas y sus elementos que anulan el efecto deseado y a mayor distancia de 2λ las señales que llegan a cada antena tienen tantas diferencias, tanto de fase como de nivel, que se pueden sumar.
Las antenas empleadas en el arreglo han de ser iguales. Esto que parece una trivialidad no lo es tanto, ya que en antenas de baja calidad pueden existir grandes diferencias de comportamiento eléctrico de una antena a otra del
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 18 mismo modelo, lo que va a provocar que el arreglo no se comporte del modo esperado.
Si se emplea un arreglo para discriminar reflexiones, se ha de tener en cuenta que la dirección en la que se obtiene el nulo depende de la frecuencia, con lo que el nulo no va a estar en la misma dirección para todas las frecuencias.
Esto implica que solo va ser valido para un canal o un grupo de canales continuos. Se aumenta el número de antenas en el arreglo (por ejemplo pasando 2 a 4) se aumenta la calidad de los nulos con los que se amplia el margen de la utilización del arreglo.[6]
CAMPOS RADIADOS POR AGRUPACIONES.
Se define una agrupación como un conjunto de N antenas iguales que radian o reciben simultáneamente. El diagrama de radiación del conjunto se obtiene como la interferencia de los campos radiados por cada una de las antenas, mientras que en recepción la señal recibida es una combinación lineal de las señales que capta cada antena. Por reciprocidad, si los pesos y desfases de la combinación lineal en recepción son iguales a los de la alimentación en transmisión, los diagramas de radiación en transmisión y recepción son iguales. [6]
ARREGLOS DE DOS ELEMENTOS.
Con el propósito de comprender con mayor facilidad la teoría general de arreglos se considera primero el arreglo más sencillo, el arreglo de dos elementos. Si se tienen dos radiadores omnidireccionales, es decir, radian igualmente en todas direcciones sobre un solo plano cuando menos (horizontal ó vertical).
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 19
Fig. 2.6 Plano de líneas de arreglo.
Considérese el dibujo de la figura 2.6, cuando el punto P está suficientemente alejado del sistema, puede considerarse que r1 y r0 son paralelos y entonces se cumple que:
r
1= r0 – d cos . (2.4)De acuerdo con la figura, es el ángulo formado por el plano de las antenas (línea del arreglo) y la línea trazada de la antena correspondiente al punto de observación. [11]
Ahora bien, con lo que concierne a las antenas existen dos tipos de desfasamiento, uno de los cuales depende de la diferencia de fase en las corrientes de alimentación de ambas antenas y que está dado por la expresión:
e
jKI
I
1
0 (2.5) Siendo: la diferencia de fase de la corriente de la antena 1 con respecto a la antena de 0 y K la relación entre las magnitudes de las corrientes, por lo que puede expresarse como:2 2
I
K I . (2.6)
0
r0
d dcos
P
r1
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 20 El otro tipo de desfasamiento presente es el que existe entre las radiaciones de ambas antenas debido a su posición con respecto al punto P. Este desfasamiento es:
f = d cos . (2.7)
La fase del campo en el punto de observación debido a cada antena es:
0 = 0. (2.8 a, b)
1 = d cos + .
Donde:
El campo total de radiación está determinado por el producto de 2 factores. El primero E0, representa el campo producido por una sola antena y que tiene implícito las características direccionales de la misma. Por ejemplo para un dipolo de /2, el campo esta determinado por:
El segundo factor representa las características direccionales debidas a la superposición de los campos de ambas antenas por lo que se le conoce como factor de arreglo (F.A.). Para el caso de dos antenas, el F.A. es:
F.A. =
2cos ( 2cos
i d i d
Ke
e . (2.11)
E = E0 F.A. (2.12)
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 21 A continuación se expone un análisis matemático más general que simplifica ampliamente el estudio de los campos electromagnéticos producidos por arreglos de diferentes antenas.
Por lo que se ha visto del arreglo de dos elementos, se puede deducir con facilidad que el campo neto producido por cualquier arreglo depende de tres factores, que son:
1. Las amplitudes relativas de las corrientes en los elementos del arreglo (K);
2. Las fases relativas de las corrientes (); y
3. La posición del punto de observación con respecto al arreglo (d cos).
Estos tres factores son igualmente importantes cuando el arreglo consta de más de dos elementos.[11]
ARREGLO COLINEAL.
A continuación se analiza el caso más simple formado por elementos colineales donde la corriente fluye en la dirección de la línea del arreglo como se muestra en la figura 2.7.
Figura. 2.7 Dirección línea de arreglo.
R
r
P
Y Z
X
d
z
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 22 De acuerdo con el principio de superposición:
Donde: E0, E1,… En representan los campos individuales de las antenas 0, 1,… n en el punto P. La suma de la ecuación 3.46 no es algebraica ya que es necesario considerar no solo en magnitud individual sino también las fases. [11]
Los parámetros que definen las características de la corriente en cada antena son: Kn= I0
In , y n de modo que la corriente de cada antena esta definida por:
In= KnI0 n. (2.14)
ARREGLO PERPENDICULAR A LA DIRECCIÓN DE LA CORRIENTE.
En este punto se analizará un arreglo lineal de elementos de corriente orientado a 90° de la dirección de la corriente, como se muestra en la figura 2.8.
Figura. 2.8 Arreglo orientado 90º de la corriente.
Nuevamente el campo total, de acuerdo al principio de superposición es la suma de los campos individuales en el punto P, esta suma es tanto en magnitud como en fase, los parámetros del arreglo, debido a la corriente están expresados por la ecuación 3.47, sin
r R
P
Y Z
X
I
d
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 23 embargo, para la fase debida a la distancia es necesario considerar la nueva geometría del sistema, se observa en la figura 2.8 que:
Rn= r – n d cos . (2.15)
Por lo que la fase debido a la distancia es:
Fn = nd cos ; (2.16)
y la fase total:
n = nd cos + n. (2.17)
El ángulo , definido de acuerdo a la figura 2.8. Es el ángulo polar que establece la posición del punto p con respecto a la dirección de la corriente (dirección zˆ) y la línea del arreglo de modo que se puede considerar como un ángulo general.
ARREGLO LINEAL UNIFORME.
Es aquel en el que las amplitudes de la corriente en todos los elementos son iguales y existe una fase progresiva entre ellas. Este tipo de arreglo es el más común, y se emplea en comunicaciones punto a punto, es decir, sus características son de alta directividad, pues el patrón de radiación es un lóbulo muy angosto. Existen dos casos especiales importantes para este tipo de arreglos; aquel en el que el máximo de radiación se produce a 90° de la línea del arreglo (en el plano θ = 90°), conociéndose como ortogonal y aquel en el máximo de radiación ocurre en la dirección de la línea del arreglo (en el plano θ = 90°) denominado colineal. [6]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 24 SÍNTESIS DE AGRUPACIONES.
La capacidad de las agrupaciones para modificar el diagrama de radiación de la antena básica puede aprovecharse para sintetizar un patrón de radiación que cumpla con unas determinadas especificaciones. Para ello debe determinarse los fasores de corriente en todos los elementos de la agrupación de forma que la interferencia de los campos radiados se aproxime al diagrama deseado o cumpla ciertas especificaciones en los parámetros del patrón. [6]
La sistematización de los procedimientos de síntesis de agrupaciones ha llevado al desarrollo de una serie de métodos que en función de las especificaciones de partida, puede clasificarse en varias categorías:
Método de Schelkunoff : parte de las especificaciones de la dirección de los ceros en el plano Z o los nulos en el espacio real.
Método de modelado del haz ( beam- shaping), en los que se especifica la forma del diagrama en el espacio real. Suelen utilizarse dos métodos:
Síntesis de Fourier, que permite obtener el error del patrón cuadrático medio mínimo respecto a las especificaciones. Se explica cuando se conoce una expresión matemática del factor de la agrupación deseado.
Síntesis Woodward, que permite tener un diagrama que coinciden con las explicaciones en un número finito de puntos. Es útil cuando el diagrama especificado no puede expresarse matemáticamente, pero si puede muestrearse.
Para el patrón principal estrecho y bajos lóbulos secundarios, suelen especificarse el nivel de lóbulo principal a secundario y el número de elementos de agrupación. Para realizar el diseño existen varios métodos:
Síntesis de Chebychev, obtiene el diagrama con mínimo ancho de haz principal del nivel de lóbulo principal a secundario especificado.
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Síntesis de Taylor, basada en los mismos principios que la de Chevychev pero con menor radiación en dirección es alejadas del haz principal a costa de empeorar ligeramente el ancho de haz y la directividad. Por sus ventajosas características, es muy utilizada en la práctica. Existe también un procedimiento equivalente para obtener el diagrama de tipo diferencia (o mono pulso) a partir de distribuciones de corriente impares, conocida como síntesis de Bayliss.
Agrupaciones superdirectivas. Existen una serie de métodos para sintetizar agrupaciones con una directividad en teoría tan elevada como se desee, a costa de enormes problemas en su realización práctica, que las hacen inviables.
Agrupaciones adaptativas: la tecnología moderna de desfasadores y amplificadores variables controlados por ordenador permite sintetizar diagramas en tiempo real, capaces de adaptarse automáticamente al entorno (por ejemplo, colocado nulos en las direcciones en las que aparecen interferencias). [6]
AGRUPACIONES ADAPTABLES.
Conocidas en inglès como adaptive arrays o smart antennas, estas agrupaciones son capaces de sintetizar en tiempo real un diagrama de radiación que se adapta al entorno con objeto de eliminar interferencias, mejorará la relación señal a ruido y orientar el haz principal hacia una fuente de señal móvil. Los sistemas basados en agrupaciones adaptables han experimentado un desarrollo muy importante en los últimos treinta años y constituyen una tecnología multidisciplinar relacionada tanto con el proceso de señal como la teoría de antenas, la base de estos sistemas son sofisticados algoritmos de propagación adaptable de señal, capaces de discriminar en tiempo real la señal deseada de las propagaciones multicamino y de otras señales interferentes, así como de calcular sus direcciones de llegada. Las aplicaciones de estos algoritmos se extienden a los campos de antenas, comunicaciones móviles, radar, sonar, sismografía, procesado de voz, análisis espectral, etc. La multiplicación de las señales en cada antena por unos pesos complejos y la posterior suma pueden hacerse bien en frecuencias intermedias con amplificadores o
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 26 atenuadores y desfasadores analógicos o bien en el procesador digital sobre las señales muestreadas.[6]
Debe tenerse en cuenta que la realización práctica de la agrupación adaptable presentan mas dificultades cuando es transmisora que cuando es receptora, ya que en el primer caso la síntesis de los pesos debe hacerse necesariamente mediante átenuadores y desfasadores analógicos que deben calibrarse adecuadamente. [6]
La señal a la salida de la agrupación (a) es
y= (2.18)
y la salida del cancelador de lóbulos secundarios (b)
y= (2.19) Donde para una agrupación lineal equiespaciada a lo largo del eje z la señal a la salida de cada antena es
Las agrupaciones adaptables también puede utilizarse ventajosamente en las estaciones bases de telefonía móvil. La utilización de las antenas cuyo diagrama puede adaptarse al entorno en tiempo real permite:
Reducir los factores de la propagación multi-camino, mejorando la relación señal a ruido y por lo tanto aumentando la cobertura de la célula. Ello puede realizarse de las dos formas: a) sintetizando un diagrama que tenga el máximo de radiación hacia la dirección principal de la señal (propagación por rayo directo si es posible) y nulos en las otras direcciones de la propagación de la señal o b) compensando el retraso de todas las direcciones de llegada de la señal para que se sumen en fase.
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Cancelación de interferencias en el mismo canal de frecuencia provenientes de otra célula que use los mismos canales.
Para ello se sintetiza un diagrama que tenga el máximo de radiación hacia las direcciones deseadas y nulas en las direcciones interferentes.
Seguimiento: En los casos anteriores es posible realizar el seguimiento (tracking) de los usuarios que se encuentre dentro de la célula. Ello permitirá a la generación futura de antenas adaptables para estaciones base reutilizar canales para distintos usuarios dentro de la misma célula (Acceso Múltiple por División de Espacio o SDMA por sus siglas en ingles) mediante la asignación de un haz principal para cada usuario y el seguimiento con nulos de los otros usuarios que usen el mismo canal.[6].
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3.1 Estado del arte de las antenas inteligentes.
La demanda del incremento de la capacidad de las redes inalámbricas ha motivado la reciente búsqueda hacia el desarrollo de algoritmos y estándares que exploten el espacio de manera selectiva. Como consecuencia de esta demanda se está investigando sobre el diseño de antenas inteligentes. [1]
Los sistemas de antenas inteligentes proporcionan oportunidades para incrementar la capacidad del sistema, proporcionando calidad de servicio, control de potencia y alargar la duración de las baterías de las unidades portátiles.
Una antena inteligente es la combinación de un arreglo de antenas (arreglo) 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. Es aquella que, en vez de disponer de un diagrama de radiación fijo, es capaz de generar o seleccionar haces muy directivos enfocados hacia el usuario deseado, e incluso adaptarse a las condiciones radioeléctricas en cada momento. Como se muestra en la figura 3.1
Figura 3.1 Elementos de una antena inteligente
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3.2 ¿Por qué antenas inteligentes?.
El principio básico de las antenas inteligentes es que cada antena recibe una señal separada y definida. Dependiendo como está 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. La señal que reciben las antenas es una señal de radiofrecuencia (RF) sin procesar. Esta 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 antenas inteligentes aplican sus conceptos inteligentes en este conjunto de circuitos digitales.
El despliegue de antenas inteligentes en los sistemas de comunicaciones móviles no ha sido una realidad. En parte, este hecho se deriva de que no se ha podido cuantificar ni valorar el impacto de la antena inteligente sobre la red. La instalación de la antena inteligente en la estación base supone una modificación en las etapas de planificación y dimensionado de la red celular, un cambio en la gestión de los recursos radio (control de potencia, traspasos entre celdas) y, finalmente, un cambio en la tecnología necesaria en el receptor (por ejemplo, el criterio y algoritmo de conformación empleados impondrá unos determinados requisitos de procesado digital).[2]
En cuanto a los cambios en la etapa de planificación, la introducción de la antena inteligente supondrá una reducción en el número de estaciones base necesaria para dar cobertura a una zona de servicio y un aumento en el número de usuarios que puede atenderse.
Por otro lado, es necesario definir y cuantificar un conjunto de parámetros que caractericen las prestaciones de la antena inteligente en diferentes entornos, para poder seleccionar el esquema de conformación más apropiado en cada caso.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 30 Las antenas inteligentes, a diferencia de las antenas convencionales, pueden trabajar de dos modos distintos:
Modo omnidireccional. La antena en este modo funciona exactamente igual que las antenas convencionales es decir, emite señal con la misma intensidad hacia todas direcciones.
Modo direccional. En este modo, la antena emite señal en una sola dirección y con un cierto ángulo de apertura. La consecuencia de transmitir en este modo se traduce en un mayor alcance hacia la dirección donde emite la antena debido a que ésta concentra todo su espectro de potencia en un rango de cobertura mucho menor.
Los operadores inalámbricos están explorando nuevas vías para maximizar la eficiencia espectral de sus redes y mejorar el retorno de la inversión. Las antenas inteligentes parecen ser una de las mejores alternativas para lograr ese incremento de la capacidad. Las primeras antenas inteligentes fueron diseñadas para el ejército, que se benefician del uso de haces directivos para ocultar las transmisiones a los enemigos. Estas primeras antenas requerían implementaciones de gran tamaño y una gran capacidad de procesado, lo que provocaba operaciones muy exigentes, con su correspondiente retardo.
Tan pronto como emergieron las comunicaciones personales, era evidente que las interferencias en las redes inalámbricas estaba limitando el número de usuarios concurrentes que la red podía gestionar. Todo ello ateniendo unos límites de calidad. Ya que los haces más estrechos que utilizaban los militares eran menos interferentes, los investigadores trataron de trasladar la tecnología al usuario final o doméstico y, así, poder incrementar el número de los que se conectan para un espectro dado. De todas maneras, persistía el problema de realizar cálculos complejos en poco espacio y tiempo, lo cual hizo que esta tecnología no se difundiera hasta la actualidad, con la llegada de los nuevos procesadores.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 31 Hoy en día, estas antenas están siendo utilizadas en las principales redes inalámbricas.
Actualmente, existen diferentes versiones que están disponibles o en desarrollo. Estas antenas están reemplazando equipamiento obsoleto en celdas ya existentes, permitiendo rendimiento superior al 50% respecto al anterior, además de la facilidad de poder orientar el haz de la antena a las necesidades particulares, con las nuevas funcionalidades que pueden ser identificadas.[9]
El procesamiento de señal de las antenas inteligentes se realiza en la estación base, utilizando un haz estrecho y configurable para cada usuario. En el caso de su utilización en redes 3G, se han obtenido pruebas que avalan un aumento en la capacidad en usuarios de hasta tres veces respecto a la capacidad original. Estas antenas son una solución práctica y económica a alguno de los desafíos que presentaba la tecnología WiMAX. Las condiciones del mercado han cambiado, dado que se ofrecen nuevos productos y servicios, que requieren un uso más eficiente del recurso radio.
Los operadores pueden emplear diferentes tecnologías en diferentes fases de evolución de la red, por lo que parece una alternativa valida para atender a esas necesidades particulares cambiantes. Las antenas inteligentes mejoran su rendimiento mediante la combinación de las dimensiones espaciales de la antena con la dimensión temporal.
Diversidad. Por diversidad entendemos el uso de varios receptores o técnicas de recepción de señales para aumentar la relación señal a ruido y tratar los problemas de pérdidas provocados por rebotes de señal asociados a entornos multicamino.
Las técnicas de diversidad proporcionan dos ventajas principales:
La primera es la fiabilidad, ya que es la solución óptima para en entornos con canales multicamino, al tratar los efectos de los nulos que aparecen por la reflexiones. Así, diversos estudios afirman que se producen ganancias de diversidad del orden del 10 dB.
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La segunda es que la potencia media de señal recibida aumenta, con lo cual se produce una mejora respecto a los sistemas que no implementan este mecanismo.
En general se habla de dos tipos de diversidad: la espacial (basada en la utilización de múltiples antenas) y la de polarización (donde las antenas trabajan con polarizaciones ortogonales.[8]
Diversidad espacial y de polarización. Durante muchos años, los operadores han utilizado técnicas de recepción basadas en diversidad espacial para mejorar el rendimiento. En las primeras instalaciones con diversidad típicamente se utilizaban dos antenas situadas a una distancia de diez longitudes de onda, por lo que para ciertos tipos de transmisiones las dimensiones del sistema de recepción eran considerables.
Estas técnicas se basaban en el criterio de que si hay ocultaciones de señal en una de las antenas, esta ocultación no será tan severa en la otra antena. Un mezclador de diversidad se utiliza para mezclar ambas señales (con algún método de compensación) o simplemente escogiendo la que disponía de mejor relación señal a ruido. En este caso, donde se limita a escoger una de las señales, recibe el nombre de diversidad conmutada, a diferencia de la diversidad combinada.
Desde finales de los años 90, los operadores han empezado a probar la utilización de técnicas de diversidad por polarización, en lugar de la diversidad espacial, ya que tiene unos costes estructurales menores. Se basa en el concepto de que para entornos multicamino la señal recibida tendrá diferentes polarizaciones, por lo que será posible aprovechar ese hecho. Así, un método de mejorar la recepción de la señal es utilizar dos antenas receptoras con polarizaciones ortogonales, que se pueden colocar juntas. La señal recogida por ambas se trataría como en el caso anterior, mediante una combinación o conmutación de las mismas.[10]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 33 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UNA ANTENA INTELIGENTE.
Las características de las antenas de inteligentes de tener unos haces de radiación con una mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular), hacen pensar en las siguientes ventajas.
Incremento en la zona de cobertura. Dado que la ganancia es mayor que en los casos de las antenas omnidireccionales o sectorizadas, para igual potencia transmitida, la señal se podría recibir a una mayor distancia.
Reducción de potencia transmitida. La mayor ganancia de la antena permitirá incrementar la sensibilidad de la estación base, por los que los móviles podrán transmitir con menos potencia, ahorrando baterías. De igual modo, gracias a la ganancia del arreglo, es posible que la estación base transmita igual potencia, pese que cada elemento del arreglo este radiando una potencia muy inferior.
Reducción de la propagación de multitrayecto. Debido a la menos dispersión angular a la potencia radiada por la estación base, se reducirá el numero de trayectos múltiples que alcanzaran al usuario (mejorando así las características de dispersión de retardo del canal).
Reducción del nivel de interferencias. La mejor selectividad espacial de la antena permitirá a la estación base discriminar las señales de usuarios interferentes en favor de la señal del móvil deseado (en el caso del enlace ascendente), y también reducir el nivel de potencia transmitida en las direcciones del otro usuario (en el caso del enlace descendente).
Mejora la seguridad. Gracias a que la transmisión entre la estación base y el usuario es direccional, no será posible que un equipo ajeno intercepte la comunicación, amenos que se situé en la misma dirección en la que apunta la antena.[8]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 34 No obstante, la implantación de estas antenas en las estaciones bases no están exentas de inconvenientes, como los que se detallan a continuación:
Mayor complejidad de los transceptores. En comparación con los sistemas radiantes convencionales, los sistemas de antenas inteligentes son mucho mas complejos y difíciles de diseñar. Será necesaria una cadena de transmisión/receptor independientes para cada elemento del arreglo, y todas ellas deberán estar balanceadas y calibradas en tiempo real.
Mayor complejidad de los procesamientos de gestión. El hecho de que exista un haz de radiación enfocado hacia cada usuario implica que la funciones de la red debe revisarse, en particular, las que afectan a la gestión de recurso de radio (controlador de los recursos de radio) RRC.
Cambios en los métodos de planificación. La introducción de un sistema de antenas inteligentes implicara tener muy en cuenta las características, a la hora de realizar la planificación de la red celular. En particular, habla que contar con el aumento de alcance, la eliminación de fuentes interferencia, el seguimiento angular de os usuarios.
3.3 Perspectivas de aplicaciones de las antenas inteligentes.
Las antenas de arreglo adaptativos mejoran la recepción de la señal y minimizan las interferencias, dando una ganancia mejor que las antenas convencionales. Este tipo de antenas permiten direccionar el haz principal, y/o configurar múltiples haces, así como generar nulos del diagrama de radiación en determinadas direcciones que se consideran interferentes. Con ello se aumenta la calidad de la señal y se mejora la capacidad por la reutilización de frecuencias. Son aplicables a casi todos los protocolos y estándares inalámbricos (comunicaciones móviles, WLL, WLAN, satélite, etc.).[9]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 35 Es una tecnología con un excelente potencial para aumentar la eficacia del uso del espectro en comparación con los sistemas radiantes tradicionales.
Con un control inteligente de la iluminación de la antena se puede ampliar la capacidad y la cobertura de las redes móviles.
ANTENAS INTELIGENTES CON APLICACION A UMTS.
Durante los últimos años, el crecimiento continuado del número de usuarios en los sistemas de comunicaciones móviles ha provocado una necesidad cada vez mayor de incrementar su capacidad. Con la llegada de UMTS (en algunos países) y la implantación de nuevos servicios de tercera generación que requerirán altas tasas binarias, se hace imprescindible pensar en el uso de técnicas que permitan aumentar la capacidad del sistema hasta un nivel tan alto como sea posible.[13].
En este aspecto, se ha planteado como una buena solución el uso de antenas inteligentes en los nodos de la red UMTS. El empleo de esta novedosa tecnología permitirá no sólo aumentar la capacidad, sino también mejorar la calidad de la señal, incrementar el alcance, aumentar el nivel de seguridad e incluso introducir nuevos servicios aprovechando las características particulares de este tipo de antenas.
Sin embargo, la introducción de antenas inteligentes implicará realizar algunos cambios en la planificación y despliegue de la red, sin contar, además, con el aumento de la complejidad tanto de los transceptores como de la gestión de los recursos radioeléctricos y de la movilidad de los usuarios.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 36 Figura 3.2 Antena Inteligentes utilizada en UMTS
BENEFICIOS Y DESVENTAJAS EN UMTS
Como se ha descrito anteriormente, los beneficios de esta tecnología aplicada a las redes de telefonía de tercera generación como lo es UMTS son muchas. Por ello la descripción se centrará ahora en algunas desventajas propias de la incorporación de las Smart Antenas.
Mayor complejidad de los transceptores. En comparación con los sistemas radiantes convencionales, los sistemas de antenas inteligentes son mucho más complejos y difíciles de diseñar. Es necesaria una cadena de transmisión y recepción independiente para cada elemento del arreglo, y todas ellas deben 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.
En definitiva, se llega a la conclusión de que no será posible diseñar independientemente el sistema radiante y la propia estación base.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 37
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 radio (RRC) y a la gestión de movilidad (MM). Por ejemplo, algunos procedimientos que pueden verse afectados son los de selección y reelección de celda, establecimiento de conexiones, handover, paging, etc.
Cambios en los métodos de planificación. La introducción de un sistema de antena inteligente implicará 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, entre otros puntos claves
APLICACIÓN EN LAS COMUNICACIONES INALÁMBRICAS.
WiMAX .
Es la evolución natural de la tecnología Wi-Fi‚ pero con la ventaja de proveer enlaces inalámbricos de datos a largas distancias y con una mejor calidad de servicio‚permitiendo navegar por internet en un laptop‚ ver televisión digital en su teléfono o hablar por telefonía IP mientras viaja‚ sin la necesidad de una conexión física a un cable. En la figura3.3 siguiente se ve como esta estructurada este estándar que ha de revolucionar las redes inalámbricas.[12]
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 38 Figura 3.3 Estructura de una red WIMAX
De esta forma el usuario tiene una conexión banda ancha‚ con la libertad de movimiento y permitiendo estar siempre conectado. La arquitectura de WiMAX permite tener la configuración óptima en términos de desempeño‚ área de cobertura y potencia.
Esto permite a los diseñadores elegir la implementación ideal para satisfacer los requerimientos particulares de cada solución. La combinación de alto desempeño‚ largo alcance y bajo costo hacen de WiMAX la solución ideal para desarrollar redes inalámbricas de manera eficiente.
WiMAX que significa "Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas") es un estándar de transmisión inalámbrica de datos que proporciona accesos inalámbricos de ultima milla y de redes troncales en áreas de hasta 50 km de radio y a velocidades equivalentes a las actuales de banda ancha, con la ventaja de utilizar tecnología que no requiere visión directa con las estaciones base.
WiMax es un concepto similar a Wi-Fi (Wireless Fidelity), pero con mayor cobertura y ancho de banda. Wi-Fi fue diseñada para ambientes inalámbricos interior como una alternativa al cableado estructurado de redes y con capacidad sin línea de vista de muy pocos metros. WiMax, por el contrario, fue diseñado como una solución de última milla en
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 39 redes metropolitanas (MAN) para prestar servicios de conexión banda ancha de manera eficiente y a bajo costo.[12]
El estándar WiMAX está diseñado para cumplir con las 2 grandes expectativas que se buscaban en las tecnologías Inalámbricas, ofrecer calidad de servicio (QoS, calidad de servició) junto con un gran ancho de banda en ambientes de amplia cobertura. En este sentido WiMAX puede ofrecer un interesante complemento a tecnologías como Wi-Fi, que es de cobertura limitada, y Por otro lado WiMAX puede ofrecer un desempeño mejor en transmisión de datos que las redes celulares.
Adicionalmente, WiMAX ha sido promocionada como una alternativa para proveer servicios de Banda ancha fija, mercado que está actualmente dominado por ADSL y módems en cable coaxial, los cuales han visto un explosivo crecimiento por la creciente demanda.
El estándar WiMAX se ha desarrollado conforme a un plan previamente establecido, con un proceso de prueba y certificación de equipos, lo que es garantía de su estabilidad y de cumplimiento con las especificaciones.
Los actuales desarrollos en WiMAX permiten el acceso inalámbrico a través de estaciones fijas, y en el año 2008 estarán disponibles estaciones móviles y laptops con tarjetas WiMAX incorporadas, lo cual hará más interesante el mercado, dando la posibilidad de crear nuevos negocios y servicios a los clientes.
Uno de los principales impactos que tendrá esta tecnología es la libertad y opción a elegir del usuario frente a la actual banda ancha fija alámbrica, por lo que el concepto de conectividad personal (banda ancha) comienza a tomar forma, convirtiendo las conexiones inalámbricas en una clave para el desarrollo tecnológico futuro de los países.
Las ventajas de la tecnología WIMAX son una rápida instalación, escalabilidad, gran rango de cobertura, tecnología no propietaria, y que puede usar frecuencias licenciadas o libres.
Modelo De Señal y Esquema De Formación De Haz De Antenas Inteligentes 40 WiMAX está diseñado para ser un sistema interoperable y transparente entre dispositivos de distintos fabricantes, por lo que un cliente se puede conectar a cualquier red WiMAX independiente del fabricante de su equipo personal. Con esto se reducen los riesgos de implementación, y se crea economía de escala para los dispositivos y equipos WiMAX.
El estándar 802.16d especifica la interface inalámbrica para sistemas de banda ancha fijos, mientras que el estándar 802.16e lo hace para sistemas de banda ancha móvil. Una descripción más extensa está en el apéndice B Resumen del Standard 802.16.
Las aplicaciones de WiMAX pueden satisfacer variadas necesidades de acceso, que no son excluyentes con las tecnologías actuales, por lo que se pueden unir con tecnologías alámbricas para llenar vacios dentro de la red, o se pueden usar como de redes celulares o en aeropuertos, centros comerciales, lugares públicos, etc. dando a los proveedores mayor libertad para acercar sus redes a los clientes.[12]
Las funciones de movilidad implementadas en WiMAX móvil permiten a la red de acceso cambiar entre redes WiMAX, Wi-Fi y móviles 3G (tercera generación) mientras está en marcha una sesión de aplicación. Esta facilidad es la piedra angular de múltiples redes de acceso con una única red central convergente, con lo que se generan sinergias tecnológicas, permitiendo una conectividad más flexible. Más detalles en el anexo tecnologías inalámbricas.
La calidad de servicio que implementa WiMAX es una de las principales ventajas frente a tecnologías similares. Servicios en tiempo real, como telefonía o video, tienen un nivel de calidad garantizada, mientras que aplicaciones que permiten retardo trabajan al mejor esfuerzo posible, con lo que se optimiza la red, y garantiza un servicio de calidad.
CARACTERÍSTICAS DE WIMAX.
Mayor productividad a rangos más distantes (hasta 50 km)
Mejor tasa de transmisión de datos en distancias largas
