INDICE

INTRODUCCION......................................................................................................2Antenas inteligentes o "smart antennas"....................................................................4Antenas Adaptativas: Analogía con el oído y cerebro humano.................................4Multiplexación en código: Analogía con el oído y cerebro humano.........................5MIMO.........................................................................................................................6Variantes de la tecnología MIMO..............................................................................7Aprovechamiento de la diversidad de espacio...........................................................8BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA DE ANTENAS INTELIGENTES...................9Reducción de Potencia de Transmisión.....................................................................9Reducción de Propagación Multitrayecto...............................................................10Reducción de trayectos múltiples al receptor..........................................................10Reducción del Nivel de Interferencia.......................................................................10Incremento del Nivel de Seguridad..........................................................................10Incremento de la zona de cobertura.........................................................................11Aumento de la cobertura..........................................................................................11Mejora de la eficiencia espectral.............................................................................11ANTENAS ADAPTATIVAS.......................................................................................11Conformación de Haz Adaptativo............................................................................12ANTENAS INTELIGENTES CON APLICACIÓN A UMTS.....................................14Beneficios y Desventajas en UMTS..........................................................................14Mayor complejidad de los transceptores.................................................................15Mayor complejidad de los procedimientos de gestión.............................................15Cambios en los métodos de planificación................................................................15Conclusión................................................................................................................16

Bibliografía 17

INTRODUCCION

Las redes inalámbricas celulares están creciendo rápidamente en todo el mundo y esta tendencia es probable que continúe durante varios años. Los avances en tecnología de radio permite nuevas mejoras de los servicios. Actualmente los servicios inalámbricos de transmisión incluyen de voz, fax y datos a baja velocidad. Cada vez consumen Más ancho de banda servicios multimedia interactivos como video-llamadas y acceso a Internet, se utilizarán en el futuro. Las redes inalámbricas deben prestar estos servicios en una amplia gama de entornos, que abarcan densas áreas urbanas, suburbanas, y las zonas rurales. Diferentes necesidades de movilidad también debe ser dirigidas.

El objetivo principal de este trabajo es conocer la manera en la cual interactúan y cómo funcionan las antenas inteligentes para poder comprender y conocer más a fondo como se maneja el mundo de las comunicaciones inalámbricas.

Antenas inteligentes o "smart antennas"

Son antenas que combinan múltiples elementos con un procesador de señal capaz de optimizar automáticamente la radiación o el patrón de recepción. Las hay de dos tipos:

las de haz conmutado, con un número finito de patrones predefinidos o estrategias de combinación (Antenas sectoriales) o

las de arrays adaptativos o configuración de haz, más avanzadas, que cuentan con un número infinito de patrones de iluminación (dependiendo del escenario) y ajustan el diagrama radiante y los nulos en tiempo real.

Antena sectorial (izquierda) versus antena inteligente de configuración de haz (derecha)

Las antenas de arrays 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.).

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 Adaptativas: Analogía con el oído y cerebro humano

El siguiente ejemplo le ayudará a entender cómo funciona una antena adaptativa. Cierre los ojos e inicie una conversación con alguien que se mueva por la habitación donde están ustedes dos. A pesar de tener los ojos cerrados, le resultará sencillo saber por dónde se mueve el otro interlocutor, por lo siguiente:

Vd. está oyéndole por medio de dos oídos que son sus sensores acústicos.

La voz llega a cada oído por distinto camino (diversidad de espacio), por tanto los sonidos no llegan a los dos oídos a la vez. Casi siempre habrá una pequeña diferencia.

Su cerebro es un procesador de señal muy especial, sin que usted se dé cuenta está realizando una gran cantidad de cálculos para determinar la posición de la otra persona.

Su cerebro, además, suma las señales de los dos oídos, de modo que el sonido que le llega de la orientación del interlocutor es el doble de intenso del que le llega de otras zonas.

Las antenas adaptativas hacen lo mismo, con antenas en vez de oidos. Incluso pueden tener 8, 10 o 12 oídos para ser más precisas. Y como además de recibir sirven para emitir, un sistema adaptativo puede ajustar el patrón de emisión para que ilumine hacia la misma dirección de donde recibe. Por tanto, ese sistema además de "recibir" 8, 10 o 12 veces más fuerte también puede "emitir" más fuerte y con mayor directividad.

Demos un paso más con este ejemplo; si entrasen más personas a la habitación, su procesador de señal (su cerebro) ignoraría el ruido producido por las otras conversaciones, las que no quiere escuchar (las interferencias), para enfocar su antención en la conversación deseada. De manera similar un sistema adaptativo con un procesador adecuado puede diferenciar entre las señales deseadas y las no deseadas.

Multiplexación en código: Analogía con el oído y cerebro humano

Al hilo del ejemplo anterior, aprovecharemos para presentar otro caso que está indirectamente relacionado con las antenas inteligentes: imagine ahora que está en el extranjero en un local lleno de gente, bastante ruidoso por cierto, donde la mayoría de las personas están hablando en el idioma local.

¿No cree le resultará bastante fácil percatarse de alguna conversación que se esté manteniendo en medio de aquel ruido en el idioma de su país, en su idioma materno?

Podríamos decir que las conversaciones de ese local está multiplexadas en código, y que Vd., su cerebro, tiene un procesador de señal con la clave adecuada para distinguir las de su idioma.

MIMO

Concepto MIMO

Multiple-Input Multiple-Output o MIMO (en castellano « entradas múltiples, salidas múltiples ») es una tecnología de antenas inteligentes de arrays adaptativos empleada en algunas redes inalámbricas como, por ejemplo, en femtoceldas y en WiMAX que aprovecha el fenómeno de multipropagación y radiocomunicaciones en diversidad de espacio para conseguir una mayor velocidad y un mejor alcance del que se consigue con las antenas tradicionales.

La tecnología MIMO emplea varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor, y para un mismo ancho de banda y potencia transmitida consigue mejores resultados que los sistemas SISO (single-input single-output). La capacidad de un sistema MIMO en un entorno de dispersión por multipropagación, cuando las señales recibidas no están correlacionadas entre sí, es proporcional al número de antenas empleadas. El diseño de las antenas y el proceso de la señal recibida necesita técnicas especializadas.

El diseño de las antenas MIMO buscar reducir la correlación entre las señales recibidas, para ello utiliza los diferentes modos de diversidad que se pueden dar en la recepción, como la diversidad de espacio (al estar las antenas separadas), la diversidad de ganancia (por emplear antenas con diferentes patrones de radiación, ortogonales u otros) y la diversidad de polarización (antenas con distinta polarización) etc. Estas tres formas de diversidad se muestran en la figura siguiente.

Variantes de la tecnología MIMO

MIMO: Multiple input multiple output; este es el caso en el que tanto transmisor como receptor tienen varias antenas.

MISO: Multiple input Single output; en el caso de que haya varias antenas de emisión pero solamente una en el receptor.

SIMO: Single input multiple output; en el caso de una sola antena de emisión y varias antenas en el receptor.

En función de las tres variantes citadas se empleará una u otra de las siguientes tecnologías:

Configuración de Haz (Beamforming): Consiste en la formación de un patrón de iluminación bien determinado, fruto del desfase de la señal en las distintas antenas. Sus principales ventajas son una mayor ganancia de señal además de una menor atenuación con la distancia. Gracias a la ausencia de dispersión el beamforming consigue un patrón bien definido y direccional. En este tipo de transmisiones se hace necesario el uso de dominios de configuración de haz, sobre todo en el caso de múltiples antenas de transmisión. Hay que tener en cuenta que esta técnica precisa un conocimiento previo del canal a utilizar en el transmisor.

Multiplexación espacial (Spatial multiplexing): Consiste en la multiplexación de una señal de mayor ancho de banda en señales de menor ancho de banda iguales transmitidas desde distintas antenas. Si estas señales llegan con la suficiente separación en el tiempo al receptor este es capaz de procesarlas y distinguirlas creando así múltiples canales en anchos de banda mínimos. Esta técnica es eficaz para aumentar la tasa de transmisión, sobre todo en entornos difíciles en cuanto a la relación señal ruido. Únicamente está limitado por el número de antenas disponibles tanto en receptor como en transmisor. No requiere el conocimiento previo del canal en el transmisor o receptor. Para este tipo de transmisiones es obligatoria una configuración de antenas MIMO.

Diversidad de código (Code-division multiple access): Son una serie de técnicas que se emplean en medios en los que por alguna razón solo se puede

emplear un único canal, codificando la transmisión mediante espaciado en el tiempo y la diversidad de señales disponibles dando lugar al código espacio-tiempo. Para aumentar la diversidad de la señal se recurre a una emisión desde varias antenas basándose en principios de ortogonalidad.

La multiplexación de espacio puede ser combinada con la configuración de haz cuando el canal es conocido en el transmisor o combinado con la diversidad de código cuando no es así. La distancia física entre las antenas ha de ser múltiples longitudes de onda en la estación base. Para poder distinguir las señales con claridad, la separación de las antenas en el receptor tiene que ser de al menos 0,3 λ.

Aprovechamiento de la diversidad de espacio

En un sistema de comunicaciones es básico poder distinguir los usuarios. Los sistemas de acceso múltiple más usuales son la multiplexación en frecuencia (frequency division multiple access, FDMA), la multiplexación en tiempo (time-division multiple access, TDMA) y la la multiplexación en código (code-division multiple access, CDMA). Estás técnicas separan los usuarios según la frecuencia, el tiempo y el código, respectivamente, y proporcionan tres tipos de diversidad.

Figura 1 TDMA (izda.), FDMA (centro), CDMA (dcha.)

Una antena inteligente puede reducir las interferencias empleando diversidad de espacio (que se suele denominar en inglés como spatial diversity o SDMA) y en consecuencia aumentar la capacidad de comunicación adaptando dinámicamente las características del sistema radiante. Concretamente, concentra y dirige el haz al usuario, consiguiendo mayor eficacia que una antena sectorial y mejorando el comportamiento ante interferencias.

Patrones de iluminación - Configuración de haz

Un sistema radiante con elementos en fase está formado por un conjunto de elementos radiantes cuyas señales se suman y forman un determinado patrón de radiación o iluminación. Cambiando la amplitud y fase de los elementos individuales se puede

modificar la forma del patrón de iluminación, fenómeno que se conoce como "confifuración de haz" (o beamforming process en inglés).

En este tipo de sistemas radiantes se busca tener el máximo de señal en la dirección deseada, y simultáneamente conseguir "nulos" en la dirección de las emisiones indeseadas. Por tanto, la antena se puede ajustar para que tenga una alta sensibilidad a las señales de un determinado usuario y que tenga menos a las de otros usuarios.

Las antenas inteligentes que estamos tratando en este artículo incorporan unos procesadores para poder de variar dinámicamente el patron radiante.

Una de los entidades reguladoras nacionales (ANR) que más esfuerzos de investigación y pruebas ha dedicado a estas técnicas es Ofcom, que ya en 2003 construyó un prototipo de sistema WiFi, IEE 802.11a con antena inteligente, que se muestra en la imagen siguiente.

Prototipo de punto de acceso 802.11a con antena adaptativa semi-inteligente y procesador

BENEFICIOS DE LA TECNOLOGÍA DE ANTENAS INTELIGENTES

Reducción de Potencia de Transmisión

El sistema de Antenas Inteligentes puede radiar una potencia menor por lo cual se pueden reducir o simplificar las especificaciones de los amplificadores de potencia asociadas al sistema de antenas, generando una reducción de costos en las etapas de amplificación.

Además, la mayor ganancia de la antena permitirá incrementar la sensibilidad de la estación base, por lo que los móviles podrán transmitir con menor potencia, ahorrando batería.

Reducción de Propagación Multitrayecto

Debido a la menor dispersión angular de la radiación desde el sistema de Antenas Inteligentes, se reducen significativamente los trayectos múltiples de la información que llegaría al equipo móvil. Esto permite simplificar el sistema de ecualización del terminal móvil.

Reducción de trayectos múltiples al receptor

Reducción del Nivel de Interferencia

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 de esos otros usuarios (en el caso del enlace descendente.

Incremento del Nivel de Seguridad

Gracias a que la transmisión entre la estación y el equipo móvil es direccional, es muy difícil que otro equipo intercepte la comunicación, a menos que esté situado en la misma dirección en que apunta el haz de la antena También se hace fácil la localización de usuarios que estén haciendo uso fraudulento de los servicios que ofrece la red de comunicación móvil.

Incremento de la zona de cobertura

Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas, para igual potencia transmitida, la señal se podría recibir a una mayor distancia. Este hecho podría permitir reducir el número de estaciones base necesarias para cubrir una zona, siempre y cuando no sea el tráfico el factor limitante.

Aumento de la cobertura

Gracias a la directividad obtenida con un array de antenas con respecto de una antena sectorial, se puede incrementar el radio celular. Por ello, es necesario instalar un menor número de estaciones base por unidad de área, lo que supone un ahorro en los costes asociados al despliegue y mantenimiento de la red.

Mejora de la eficiencia espectral

Gracias a la separación angular de los usuarios dentro de la celda, se pueden reutilizar los canales dentro de la misma celda. Este nuevo esquema de separación de usuarios recibe el nombre de multiplexación por división espacial (SDMA). Con ello, en un sistema TDMA, se podría reutilizar el mismo slot de tiempo por varios usuarios, mientras que en CDMA la ventaja se obtiene por reutilizar el código de ensanchamiento dentro de la celda.

ANTENAS ADAPTATIVAS

Las antenas adaptativas son un paso más en las tecnologías de antenas inteligentes. El control del diagrama de radiación se hace por medio de un algoritmo adaptativo que pretende minimizar una señal de error generada a partir de una referencia en el receptor de la estación base. Para ello, es necesario definir un modelo de canal que tenga en cuenta todas las características del canal. El modelo de señal utilizado es el presentado en la figura, donde se considera dispersión temporal y angular. El vector de señales recibidas en cada elemento del array procedente de N usuarios con Ntaps multitrayectos puede expresarse como:

Donde αil, τil y νil son la amplitud, retardo y frecuencia Doppler del trayecto l-ésimo

ui(t) es la señal de datos en banda base del usuario i-ésimo

N(t) es el ruido térmico

Фi es el ángulo incidente en azimut del trayecto principal del usuario i-ésimo

ΔФil es la dispersión acimutal respecto de Фi

la respuesta del array viene dada por el steering vector de cada uno de los M elementos.

La señal de referencia en el receptor se genera a partir de los códigos CDMA usados por los diferentes usuarios. Con esta señal obtendremos los pesos apropiados del array para reducir la interferencia recibida de usuarios no deseados y seguir a la señal deseada. Por tanto, se trata de un esquema de referencia temporal. Se supondrá que cada usuario utiliza códigos OSVF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Gracias a la ortogonalidad entre los códigos de los diferentes usuarios, puede generarse una señal de error e(t) cuya potencia se minimizará con el procesado adaptativo. Esta señal estará compuesta de la interferencia de otros usuarios y por ruido. Para cada usuario, se correrá la señal recibida con el código correspondiente, se filtra para eliminar la interferencia del resto de usuarios, y se vuelve a correlar la señal filtrada con el mismo código. Esta es la señal de referencia que luego se utilizará para obtener e(t). El algoritmo genera un vector de pesos w, que minimizará la potencia del error e(t) en un número de iteraciones dado, con lo que el haz se conformará adecuadamente para maximizar la relación señal frente a interferencias (SIR).

Conformación de Haz Adaptativo

Este sería el máximo nivel de inteligencia con que se podría dotar al sistema. En este caso, la salida de cada elemento del array se pondera con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente, de modo que se conforma el diagrama de radiación para maximizar algún parámetro de la señal (por ejemplo, la SINR). De este modo, el diagrama sintetizado habitualmente presentará un lóbulo principal en la dirección del usuario deseado, lóbulos secundarios en las direcciones de las componentes multitrayecto (si se quieren procesar con un receptor Rake) y mínimos (e incluso nulos) de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.

Situación real de comunicación con terminal móvil

No siempre será posible eliminar toda la interferencia, ya que el número de fuentes interferentes que se pueden suprimir está directamente relacionado con el número de elementos de la antena. Esta técnica requiere el uso de complicados algoritmos, tanto para la detección de las señales deseada e interferente como para la optimización de los pesos que conforman el haz. Estos algoritmos suelen conllevar una gran carga computacional, mientras que deben procesarse en tiempo real, por lo que suponen una seria limitación.

Patrón de radiación en arreglo de siete elementos

ANTENAS INTELIGENTES CON APLICACIÓN 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.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.

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 necesario una cadena de transmisión y recepción independiente para cada elemento del array, 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.

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 reselección 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.

Conclusión

En las comunicaciones inalámbricas convencionales, una sola antena se utiliza en la fuente, y otra sola antena se utiliza en el destino. Esto se llama SISO (una sola entrada, de salida única). Estos sistemas son vulnerables a los problemas causados por los efectos de trayectoria múltiple. Cuando un campo electromagnético choca con obstáculos, como cerros, cañones, edificios y cables de servicios, los frentes de onda se dispersan, y así toman muchos caminos para llegar al destino. La llegada tardía de las partes dispersas de la señal provoca problemas tales como la decoloración, cut-out (efecto de acantilado), y la recepción intermitente. En un sistema de comunicaciones digitales como Internet, puede causar una reducción en los datos de velocidad y un aumento en el número de errores. El uso de antenas inteligentes puede reducir o eliminar los problemas causados por la propagación de ondas de trayectoria múltiple.

Bibliografía

Libro

TAPAN K. SARKAR

“SMART ANTENNAS”

Primera edición

Editorial “SERIES EDITOR”

Enlaces web

http://www.citeseerx.ist.psu.edu

http://searchmobilecomputing.techtarget.com/definition/smart-antenna

http://broadcastengineering.com/hdtv/smart_antennas/

http://saba.kntu.ac.ir/eecd/taghirad/E%20books/TOC/Smart%20Antennas.pdf