antenas inteligentes para …fcqi.tij.uabc.mx/usuarios/egarcia/cursoweb/comunicaciones...mejora en...

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ANTENAS INTELIGENTES PARA ANTENAS INTELIGENTES PARA COMUNICACIONES MOVILES COMUNICACIONES MOVILES

CELULARESCELULARESDavid H. Covarrubias Rosales David H. Covarrubias Rosales

Grupo de Comunicaciones Grupo de Comunicaciones InalámbricasInalámbricas

Mayo 2006

2

Aspectos de modelado y simulación de los Aspectos de modelado y simulación de los elementos y subsistemas que integran el elementos y subsistemas que integran el concepto de antenas inteligentes, concepto de antenas inteligentes, enfatizando particularmente en la técnica enfatizando particularmente en la técnica de filtraje espacial, modelos espaciales de de filtraje espacial, modelos espaciales de propagación en el canal radio, propagación en el canal radio, agrupamientos de antenas, y técnicas de agrupamientos de antenas, y técnicas de conformación digital de haz.conformación digital de haz.

David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas

objetivo de investigaciónobjetivo de investigación

3David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas

Penetración de Telefonía Móvil en MéxicoPenetración de Telefonía Móvil en México(Usuarios por cada 100 habiantes)(Usuarios por cada 100 habiantes)

1990 al 20041990 al 2004

0.1 0.2 0.4 0.4 0.6 0.8 1.1 1.8 3.5

8.0

14.2

21.625.4

29.131.6

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

Jun-

04

E n los últimos oc ho años , la telefonía móvil ha reg is trado un es pec tac ula r c rec im iento en el número de c lientes

Fuente: COFETEL


Introducción

Durante los últimos años, el crecimiento continuo del número de usuarios en Durante los últimos años, el crecimiento continuo del número de usuarios en los sistemas de comunicaciones móviles ha provocado una necesidad cada vez los sistemas de comunicaciones móviles ha provocado una necesidad cada vez mayor de incrementar su mayor de incrementar su capacidadcapacidad..

Abril 2006


Introducción

La La capacidad de un sistemacapacidad de un sistema de comunicaciones móviles se puede de comunicaciones móviles se puede definir como la tasa binaria que puede ofrecerse en el ancho de banda definir como la tasa binaria que puede ofrecerse en el ancho de banda disponible y en un área geográfica determinada.disponible y en un área geográfica determinada.

que limita la capacidad de un sistema de comunicaciones móviles celulares ?que limita la capacidad de un sistema de comunicaciones móviles celulares ?


Características del canal radioCaracterísticas del canal radio0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0H i s t o g r a m a d e r ( t ) a 9 0 0 M H z

0 0 . 0 0 1 0 . 0 0 2 0 . 0 0 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 5 0 . 0 0 6 0 . 0 0 7 0 . 0 0 8 0 . 0 0 9 0 . 0 11 0

- 2

1 0- 1

1 00

1 01

S i m u l a c i o n d e l c a n a l r a d i o p a r a 9 0 0 M H z

T i e m p o [ s ]

Niv

el d

e se

ñal [

dB]


Introducción Se hace imprescindible pensar en el uso de técnicas que permitan aumentar la capacidad Se hace imprescindible pensar en el uso de técnicas que permitan aumentar la capacidad del sistema hasta un nivel tan alto como sea posible.del sistema hasta un nivel tan alto como sea posible.


Introducción La capacidad no es la única limitante inherente a los sistemas de comunicaciones móviles, también se pueden destacarLa capacidad no es la única limitante inherente a los sistemas de comunicaciones móviles, también se pueden destacar

El desvanecimiento por multitrayectoEl desvanecimiento por multitrayecto

La interferencia cocanalLa interferencia cocanal

La dispersión temporal de la señal recibidaLa dispersión temporal de la señal recibida

Debido a que en estos sistemas los canales Debido a que en estos sistemas los canales de tráfico se transmiten a través de de tráfico se transmiten a través de antenas omnidireccionales, o bien sectorialesantenas omnidireccionales, o bien sectoriales


Introducción

En este aspecto, se ha planteado como una buena solución el uso de En este aspecto, se ha planteado como una buena solución el uso de antenas inteligentesantenas inteligentesen la estación base. El empleo de esta tecnología permitirá no solo aumentar la capacidad, en la estación base. El empleo de esta tecnología permitirá no solo aumentar la capacidad, sino también sino también mejorar la calidad de la señal, incrementar el alcance e introducir nuevos mejorar la calidad de la señal, incrementar el alcance e introducir nuevos servicios.servicios.

Los sistemas 3G introducen nuevos conceptos tales como:Los sistemas 3G introducen nuevos conceptos tales como:

❏ inteligenciainteligencia

❏ sistemas auto - configurablessistemas auto - configurables

❏ alta eficienciaalta eficiencia


Sistemas 3G Sistemas 3G


Broadcast channels control with SA- Coverage revolving beam concept in TDMA(more feasible for coverage extension)neighboring cell monitoring can bemore problematic . Frame structure...

- Adaptation to traffic variationsTraffic control cell coverage by reshapingtransmitted antenna pattern (sectorized and non-sectorized)

- Network Planning need to split carefully beamformed and omni-directional channels …..

13David H. Covarrubias Rosales

En la búsqueda de tales esquemas que resuelvan los conceptos anteriores la En la búsqueda de tales esquemas que resuelvan los conceptos anteriores la atención ahora se ha enfocado en :atención ahora se ha enfocado en :

❏ Métodos de filtraje espacialMétodos de filtraje espacial

❏ Técnicas de antenas avanzadasTécnicas de antenas avanzadas

❏ Antenas adaptativasAntenas adaptativas

❏ Antenas inteligentesAntenas inteligentes

Grupo de Comunicaciones inalámbricas

Introducción


El filtraje en el dominio espacial permite separar tanto espectral como El filtraje en el dominio espacial permite separar tanto espectral como temporalmente aquellas señales solapadas por la presencia de múltiples móviles o temporalmente aquellas señales solapadas por la presencia de múltiples móviles o múltiples trayectorias.múltiples trayectorias.

Mejoras sustanciales en las prestaciones de los sistemas

móviles

Introducción


La segunda alternativa se aborda mediante mejoras en las prestaciones de la La segunda alternativa se aborda mediante mejoras en las prestaciones de la antena de la estación base. Este último aspecto ha derivado en una nueva tecnología, antena de la estación base. Este último aspecto ha derivado en una nueva tecnología, de mucho auge en la actualidad, conocida comode mucho auge en la actualidad, conocida como

antenas inteligentesantenas inteligentes



Antenas Inteligentes:DefiniciónAntenas Inteligentes:Definición

Una antena inteligente Una antena inteligente es aquella que, en vez es aquella que, en vez de disponer un de disponer un diagrama de radiación diagrama de radiación fijo, es capaz de fijo, es capaz de generar o seleccionar generar o seleccionar haces muy directivos haces muy directivos enfocados hacia el enfocados hacia el usuario deseado.usuario deseado.


Antenas Inteligentes:DefiniciónAntenas Inteligentes:Definición

InterferentesInterferentes

Nulo en dirección Nulo en dirección de los interferentesde los interferentes

Lóbulo principalLóbulo principalMismo TiempoMismo Tiempo

Misma FrecuenciaMisma Frecuencia


Los sistemas de antenas inteligentes se comunican direccionalmente formando diagramas Los sistemas de antenas inteligentes se comunican direccionalmente formando diagramas específicos. específicos.

Cuando una antena inteligente dirige su lóbulo o diagrama de radiación con mayor ganancia Cuando una antena inteligente dirige su lóbulo o diagrama de radiación con mayor ganancia en la dirección del usuario, forma lóbulos laterales y nulos o áreas de ganancia mínima en en la dirección del usuario, forma lóbulos laterales y nulos o áreas de ganancia mínima en las direcciones lejanas al lóbulo principal.las direcciones lejanas al lóbulo principal.



Se puede decir que un sistema de antenas inteligentes combina varios elementos radiantes Se puede decir que un sistema de antenas inteligentes combina varios elementos radiantes (arrays) con (arrays) con capacidad de procesamiento de señalcapacidad de procesamiento de señal para perfeccionar su radiación y/o para perfeccionar su radiación y/o diagrama de recepción en respuesta al medio ambiente.diagrama de recepción en respuesta al medio ambiente.



Podemos entonces distinguir como funciones básicas en el concepto de antenas Podemos entonces distinguir como funciones básicas en el concepto de antenas inteligentes: inteligentes:

Capacidad de procesamiento aplicado al conjunto de señales Capacidad de procesamiento aplicado al conjunto de señales recibidas por la estación base.recibidas por la estación base. Cancelación de interferencias y localización (rastreo y seguimientorastreo y seguimiento) de la posición de los terminales móviles.



Las características de las antenas inteligentes de tener haces de radiación con una mayor Las características de las antenas inteligentes de tener haces de radiación con una mayor directividad (mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva en las siguientes ventajasdirectividad (mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva en las siguientes ventajas

❏ Controles de potencia más eficientesControles de potencia más eficientes

❏ Traspasos inteligentesTraspasos inteligentes

❏ Soporte de servicios de valor agregadoSoporte de servicios de valor agregado

❏ Mayor área de coberturaMayor área de cobertura

❏ Aumento en la capacidad del sistemaAumento en la capacidad del sistema

❏ Reducción del nivel de interferencia (mejor BER y QoS)Reducción del nivel de interferencia (mejor BER y QoS)

❏ Mejora en la seguridadMejora en la seguridad



Incremento en la capacidad del sistemaIncremento en la capacidad del sistema

Además, con el uso de array de antenas, es posible tener varios usuarios en la misma Además, con el uso de array de antenas, es posible tener varios usuarios en la misma célula empleando la misma frecuenciacélula empleando la misma frecuencia

Spatial Division Spatial Division Multiple Access Multiple Access

SDMASDMA

El empleo de sistemas SDMA incrementa la capacidad del sistema celular El empleo de sistemas SDMA incrementa la capacidad del sistema celular por un factor por un factor igual al número de usuarios que pueden ser atendidos por la misma célula, empleando la igual al número de usuarios que pueden ser atendidos por la misma célula, empleando la misma frecuenciamisma frecuencia


Incremento en la capacidad del sistemaIncremento en la capacidad del sistema


Mayor AlcanceMayor Alcance

El alcance se refiere a la máxima distancia que un usuario pueda El alcance se refiere a la máxima distancia que un usuario pueda desplazarse en relación a la EB desplazarse en relación a la EB manteniendo una suficiente calidad manteniendo una suficiente calidad de la señalde la señal

La habilidad del array de antenas de aumentar dicho alcance La habilidad del array de antenas de aumentar dicho alcance resulta de su habilidad de resulta de su habilidad de aumentar su relación SNRaumentar su relación SNR


Reducción en la potencia del móvil Reducción en la potencia del móvil

Debido al incremento en ganancia alcanzado en la antena de la EB, la Debido al incremento en ganancia alcanzado en la antena de la EB, la potencia transmitida por el terminal móvil potencia transmitida por el terminal móvil puede ser reducida puede ser reducida aproximadamente por un factor M.aproximadamente por un factor M.

Esta disminución en la potencia de transmisión requerida puede reflejarse Esta disminución en la potencia de transmisión requerida puede reflejarse directamente en un directamente en un incremento en la vida de la batería del móvilincremento en la vida de la batería del móvil y por lo y por lo tanto en una tanto en una reducción en el tamaño requerido de la mismareducción en el tamaño requerido de la misma


Mejora en la QoS Mejora en la QoS

El empleo de array de antenas para El empleo de array de antenas para incrementar la incrementar la SNIRSNIR recibida se traduce a su vez en una recibida se traduce a su vez en una reducción de la BERreducción de la BER, lo que a su vez se traduce en , lo que a su vez se traduce en una una mejora en la calidad de la señal recibida.mejora en la calidad de la señal recibida.


Altas Velocidades de Datos Altas Velocidades de Datos

El El incremento en la incremento en la SNIRSNIR puede ser empleada para puede ser empleada para incrementar incrementar el número de bits por símboloel número de bits por símbolo (formatos de modulación de altos (formatos de modulación de altos órdenes).órdenes).

Lo anterior a su vez resulta en un Lo anterior a su vez resulta en un incremento en la capacidad en incremento en la capacidad en el canal radioel canal radio..


¿ Cuáles son las desventajas de emplear antenas inteligentes en sistemas móviles ¿ Cuáles son las desventajas de emplear antenas inteligentes en sistemas móviles 3G?.3G?.

❏ Mayor complejidad del sistemaMayor complejidad del sistema

❏ Mayores costosMayores costos

❏ Mayor sofisticación de los métodos de filtraje espacial/temporalMayor sofisticación de los métodos de filtraje espacial/temporal

❏ Tecnología en proceso de madurezTecnología en proceso de madurez

❏ Mejores métodos de procesamiento de la señal.Mejores métodos de procesamiento de la señal.



Metodología de estudio de aMetodología de estudio de antenas inteligentesntenas inteligentes aplicadas a comunicaciones aplicadas a comunicaciones móviles celulares:móviles celulares:

Modelos espaciales de canal radio para la ubicación de interferentes.Modelos espaciales de canal radio para la ubicación de interferentes.

Agrupamientos (array) de antenas: geometría, separación de elementos y excitación . Agrupamientos (array) de antenas: geometría, separación de elementos y excitación .

Técnicas de filtraje espacial para la determinación del DoATécnicas de filtraje espacial para la determinación del DoA

Técnicas de conformación digital de haz para la síntesis del diagrama de radiación .Técnicas de conformación digital de haz para la síntesis del diagrama de radiación .

Análisis de prestaciones del sistema de comunicaciones móviles en términos de capacidad, número de Análisis de prestaciones del sistema de comunicaciones móviles en términos de capacidad, número de usuarios y calidad de servicio .usuarios y calidad de servicio .


DOAARRAY

DE

ANTENAS

MODELOS DE CANAL

BEAMFORMING

•Interferentes

•Multitrayectorias

•AOA y TOA

•Geometría de dispersión

•Desvanecimientos

•Diagrama de radiación

•Direccionamiento de haz

•Parámetros de antena

•Excitación de elementos

•Síntesis del diagrama

•Diagrama óptimo

•Filtraje espacial

•Adaptabilidad

•Estimación de parámetros

Metodología de estudio de aMetodología de estudio de antenas inteligentesntenas inteligentes aplicadas a comunicaciones móviles celulares: aplicadas a comunicaciones móviles celulares:


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MODELOS ESPACIALES DE CANAL RADIO: MODELO MODELOS ESPACIALES DE CANAL RADIO: MODELO GAUSSIANOGAUSSIANO



MODELOS ESPACIALES DE CANAL RADIO: MODELO MODELOS ESPACIALES DE CANAL RADIO: MODELO GAUSSIANOGAUSSIANO


Optimización en el diseño del array Optimización en el diseño del array de antenade antena


Agrupamiento de antenas en el plano

PERFORMANCE EVALUATION OF TWO ARRAY FACTOR SYNTHESIS TECHNIQUES FOR STEERABLE LINEAR ARRAYS

Carlos Rocha-Alicano, David Covarrubias-Rosales and Carlos Brizuela-Rodríguez

CICESE Reseach Center

Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, Baja California 22860, México

Tel. (52+646) 1750500, Fax (646) 1750554

{crocha, dacoro, cbrizuel}@cicese.mx

antenas inteligentes para …fcqi.tij.uabc.mx/usuarios/egarcia/cursoweb/comunicaciones...mejora en...

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