presentacion antenas inteligentes

Antenas InteligentesAntenas Inteligentes

Carolina Useche RiveraCarolina Useche RiveraJorge Luis Cabrera PrietoJorge Luis Cabrera PrietoAlexander RodrAlexander Rodrííguez Peguez Peññaa

IngenierIngenieríía en Telecomunicacionesa en TelecomunicacionesFacultad TecnolFacultad Tecnolóógicagica--BogotaBogota--ColombiaColombia

SmartSmart AntennaAntennaAnalogyAnalogy

“The functionality of many engineering systemsis readily understood when it is related

to our human body system”

Constantine A. Balanis, ANTENNA THEORYANALYSIS AND DESIGN

Human Human AnalogyAnalogy


ElectricalElectrical equivalentequivalent


How do I How do I WorkWork??

to give an insight into how a smart-antenna system works, let us imagine two personscarrying on a conversation inside a dark room [refer to Figure 16.1(a)]. The listeneramong the two persons is capable of determining the locationof the speaker as he movesabout the room because the voice of the speaker arrives at each acoustic sensor, theear, at a different time. The human signal processor, the brain, computes the direction ofthe speaker from the time differences or delays of the voice received by the two ears.Afterward, the brainadds the strength of the signals from each ear so as to focus on thesound of the computed direction.

Furthermore, if additional speakers join in the conversation, the brain can tune outunwanted interferers and concentrate on one conversation at a time. Conversely, thelistener can respond back to the same direction of the desired speaker by orienting thetransmitter (mouth) toward the speaker.


Electrical smart-antenna systems work the sameway using two antennas instead of the two ears anda digital signal processor instead of a brain.

Therefore, after the digital signal processor measures thetime delays from each antenna element, it computes thedirection of arrival (DOA) of the signal-of-interest (SOI), andthen it adjusts the excitations (gains and phases of thesignals) to produce a radiation pattern that focuses on theSOI while, ideally, tuning out any signal-not-ofinterest(SNOI).

& & thethe ElectricalElectrical SmartSmart AntennaAntenna??

Sistemas Sistemas OmnidireccionalesOmnidireccionales

�� Cada forma exagonal representa una pequeCada forma exagonal representa una pequeñña a áárea geogrrea geográáfica llamada cfica llamada céélula con lula con radio mradio mááximo R. en le centro de cada cximo R. en le centro de cada céélula se encuentra el equipo de estacilula se encuentra el equipo de estacióón con n con una antena omnidireccional.una antena omnidireccional.

�� Debido a que solo un pequeDebido a que solo un pequeñño porcentaje de la energo porcentaje de la energíía total alcanza el usuario a total alcanza el usuario deseado, la demdeseado, la demáás energs energíía es radiada in direcciones no interesadas. Tanto como el a es radiada in direcciones no interesadas. Tanto como el numero de usuarios incrementa tambinumero de usuarios incrementa tambiéén lo hace la interferencia, de este modo n lo hace la interferencia, de este modo reduciendo la capacidad. Una solucireduciendo la capacidad. Una solucióón inmediata fue subdividir una cn inmediata fue subdividir una céélula en otras lula en otras mas pequemas pequeññas, esta tas, esta téécnica se llama cnica se llama cellcell splittingsplitting..


CELLULAR RADIO SYSTEMS EVOLUTION

�� Mantener la capacidad ha sido siempre un Mantener la capacidad ha sido siempre un reto tanto como el numero de servicios y reto tanto como el numero de servicios y suscriptores aumenta. Para lograr la suscriptores aumenta. Para lograr la capacidad de la demanda requerida por el capacidad de la demanda requerida por el crecimiento de suscriptores, los sistemas crecimiento de suscriptores, los sistemas de radio celular han evolucionado atravde radio celular han evolucionado atravéés s de los ade los añños. Para justificar la necesidad os. Para justificar la necesidad de antenas inteligentes en la estructura de antenas inteligentes en la estructura actual de sistemas celulares, una breve actual de sistemas celulares, una breve historia de la evolucihistoria de la evolucióón de los sistemas n de los sistemas radio celulares es presentado.radio celulares es presentado.


CellCell splittingsplitting

�� Subdivide una cSubdivide una céélula congestionada en pequelula congestionada en pequeññas cas céélulas llamadas: lulas llamadas: microcellsmicrocells, , cada una con su propia estacicada una con su propia estacióón base y una correspondiente n base y una correspondiente reduccireduccióón en la altura de la antena y transmisin en la altura de la antena y transmisióón de potencia. n de potencia. CellCellsplittingsplitting mejora la capacidad reduciendo el radio R y manteniendo D/R mejora la capacidad reduciendo el radio R y manteniendo D/R como bario sin variacicomo bario sin variacióón. D es la distancia entre el centro de los clusters. n. D es la distancia entre el centro de los clusters. La desventaja es el costo en que se incurre desde la instalaciLa desventaja es el costo en que se incurre desde la instalacióón de la n de la nueva estacinueva estacióón base, el incremento traspasos y mas alta carga d n base, el incremento traspasos y mas alta carga d procesamiento por suscritor.procesamiento por suscritor.


Sistema sectorizadoSistema sectorizado�� Como la demanda por servicios Como la demanda por servicios

inalinaláámbricos es cada vez mas mbricos es cada vez mas grande, el numero de grande, el numero de frecuencias asignadas para una frecuencias asignadas para una ccéélula eventualmente se hizo lula eventualmente se hizo insuficiente para soportar el insuficiente para soportar el numero requerido de numero requerido de suscriptores. , de este modo, suscriptores. , de este modo, una tuna téécnica celular disecnica celular diseññada ada fue necesaria para proveer fue necesaria para proveer mas frecuencias por mas frecuencias por áárea rea cubierta. Esta tcubierta. Esta téécnica se cnica se refiere a la refiere a la cellcell sectoringsectoring,,donde una sola antena donde una sola antena omnidireccional es remplazada omnidireccional es remplazada en la estacien la estacióón base con varias n base con varias antenas direccionales. antenas direccionales. TTíípicamente, una cpicamente, una céélula es lula es sectorizada dentro 3 secciones sectorizada dentro 3 secciones de 120de 120ºº. La consecuenciales la . La consecuenciales la disminucidisminucióón en la eficiencia de n en la eficiencia de troncalizacitroncalizacióónn debido al debido al sectorizacisectorizacióón del canal en la n del canal en la estaciestacióón base.n base.


ComparaciComparacióón entre omnidireccional n entre omnidireccional y sectorizadoy sectorizado


ComparaciComparacióón entre el n entre el sistema sistema MultiBeamMultiBeam y y

SwitchedSwitched--BeamBeam


RelaciRelacióón de interferencia Con de interferencia Co--canalcanal


Una antena inteligente esla combinación de unarreglo de antenas (arrays) con una unidad de Procesamiento Digital de Señales (DSP) queoptimiza los diagramas de transmisión y recepcióndinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno.

¿ANTENAS INTELIGENTES ?

El crecimiento continuo del número de usuarios de sistemas de comunicacionesmóviles y la implementación de nuevasplataformas de servicios móviles (3G) hanprovocado la necesidad de aumentar suscapacidades al más alto nivel posible

TECNOLOGIAS EMERGENTES DE MULTIACCESO

Para los Nuevos servicios de 3G se plantea como solución el empleo de la novedosa tecnología de Antenas Inteligentes ya que aprovechando las características particulares de estos Sistemas, se consigue aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente con las siguientes ventajas adicionales:

•Incremento de la Capacidad y Confiabilidad

•Reducción de Potencia de Transmisión

•Reducción de Propagación Multitrayecto

•Reducción de Nivel de Interferencia

•Incremento del Nivel de Seguridad

Antenas Inteligentes y Plataformas de Comunicaciones Móviles

con un arreglo de antenas la ganancia es mayor que en el caso de una antena omnidireccional o sectorizada, asi que transmitiendo a la misma potencia, se puede recibir la señal a una mayor distancia

en el caso de los sistemas de telefonia movil, esto permite reducir el numero de estaciones base para cubrir una zona especifica

INCREMENTO DEL ALCANCE

Con el aumento de ganancia producto del arreglo de antenas, se incrementa la sensibilidad de la estación base, por lo tanto los equipos móviles pueden transmitir a una menor potencia incidiendo directamente en el ahorro de baterías.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

REDUCCION DE POTENCIA DE TRANSMISION

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

REDUCCION DE PROPAGACION MULTITRAYECTO

Dependiendo de la configuración del sistema de Antenas Inteligentes, se pueden tener dos situaciones:

1) Captación de la Onda principal de la señal de interés, eliminando las señales de multitrayecto propias y las señales interferentes de otros Usuarios

2) Captación de la Onda principal de la señal de interés aprovechando la captación de sus señales de mutlitrayecto, para reforzar la señal principal, y eliminar las señales interferentes de otros usuarios

REDUCCION DE PROPAGACION MULTITRAYECTO

La selectividad espacial que proporciona el Sistema de antenas inteligentes, permite discernir las señales interferentes provenientes de otros usuarios con esto se logra hacer insensible a la antena receptora hacia esas direcciones y evitar que esas señales sean procesadas en el sistema de recepciónTambién permite reducir la potencia de transmisión en la dirección de esos usuarios para evitarles interferencias

La reducción del Nivel de Interferencia reduce la t asa de Error (BER), lo que permite aumentar la calidad de la transmisión d e la información

REDUCCION DEL NIVEL DE INTERFERENCIA

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 del Nivel de Seguridad

LAS ANTENAS INTELIGENTES ESTÁN ENMARCADAS DENTRO DE UN CONTEXTO MAS AMPLIO DE INSTRUMENTACIÓN CON SENSORES INTELIGENTES, EL CUAL SE HA VENIDO DESARROLLANDO VERTIGINOSAMENTE EN LOS ULTIMOS AÑOS CON APLICACIONES EN AREAS MULTIDISCIPLINARIAS TALES COMO:

• RADAR•SONAR•TERMICAS•SISMICA•EXPLORACION PETROLERA•BIOINGENIERIA

ANTENAS INTELIGENTES: UNA CLASE DE SENSOR

INTELIGENTE

CONCEPTOS BASICOS DE ANTENAS - TRANSMISION

Zona Lejana: Definida por la condición r >= R es la región mas importante en el estudio de las Antenas.

Potencial Vectorial Magnético en Zona Lejana :

El límite inferior de la Zona Lejana puede quedar e stablecido por condiciones de fase o amplitud y se determina por la máxima distancia en tre las siguientes condiciones:

Donde:

CONCEPTOS BASICOS DE ANTENAS RECEPTORAS (RX)

TENSIÓN INDUCIDA EN LOS TERMINALES DE UNA ANTENA RX (ZONA LEJANA)

DONDE:

SIENDO:

CONCEPTOS BASICOS DE ARREGLOS DE ANTENAS TX

Este campo total se reduce a la siguiente expresión, conocida como Teorema de la Multiplicación de Diagramas: (despreciando el acoplamiento inter-elementos, ó asumiendo antenas de dispersión mínima)

Donde E AB1 , se puede interpretar como el campo radiado por la antena basecentrada en el origen del sistema de referencia y con corriente de excitación unitaria, es decir:

Por otra parte: FA, es el Factor de Arreglo del sistema que viene dado por :

En la cual In representa la corriente de excitación ( amplitud y fase) del enésimo elemento del arreglo, y r0n es el vector posición del centro del enésimo elemento del arreglo. ar es el vector unitario radial dirigido hacia el punto de observación

En estas expresiones se evidencia el clásico concepto de antenas, que el CAMPO ELECTROMAGNETICO PRODUCIDO POR CUALQUIER SIST EMA RADIANTE QUEDA UNIVOCAMENTE DETERMINADO POR SU GEO METRIA Y SU EXCITACIÓN

CLASIFICACION DE LOS ARREGLOS:

ARREGLOS LINEALES CON SEPARACION CONSTANTE

CAMPO TOTAL PARA ARREGLOS LINEALES:

CAMPO TOTAL PARA ARREGLOS PLANARES:

CAMPO TOTAL PARA ARREGLOS Volumétricos:

Arreglo linealArreglo lineal

�� El factor de arreglo El factor de arreglo lineal depende lineal depende solamente de una solamente de una variable angular: el variable angular: el Angulo cAngulo cóónico nico θθ1 1 medido con respecto al medido con respecto al eje de arreglo, de alleje de arreglo, de allííque su grafico 3D, sea que su grafico 3D, sea un sun sóólido de revolucilido de revolucióón n con respecto al eje de con respecto al eje de arreglo. arreglo.

Arreglo planarArreglo planar

�� El factor de arreglo El factor de arreglo planar depende de planar depende de dos variables dos variables angulares: los angulares: los áángulos cngulos cóónicos nicos ((θθ1,1,θθ2) medido con 2) medido con respecto a los ejes 1 respecto a los ejes 1 y 2 del arreglo, de y 2 del arreglo, de allallíí que su grafico que su grafico 3D, sea un s3D, sea un sóólido lido simsiméétrico con trico con respecto al eje respecto al eje plano del arreglo.plano del arreglo.

Arreglo de antena receptora con matriz de pesosArreglo de antena receptora con matriz de pesos

Tipos de antenas InteligentesTipos de antenas Inteligentes

�� Haz ConmutadoHaz Conmutado

�� Haz de seguimientoHaz de seguimiento

�� Haz adaptativoHaz adaptativo

ES LA CONFIGURACION MAS SIMPLE DE ANTENAS INTELIGENTESEl sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente dando como resultando un barrido discreto de la zona de cobertura en posiciones angulares fijas. En cada posición discreta del haz se activa el sistema de recepción para detectar la posible existencia de señales. En caso de recibir señal, el sistema guarda información correspondiente a la posición del haz (ángulo + identificación de usuario) y se establece la comunicación con el usuario en un intervalo de tiempo. Después de este intervalo se conmuta al siguiente haz para detectar la existencia de otros posibles usuarios hasta llegar al límite angular de la zona de cobertura. Este proceso de repite permanentemente en el tiempo.

HAZ CONMUTADO(SWITCHED BEAM)

SISTEMA DE HAZ CONMUTADO

Movimiento del haz por cambio de faseMovimiento del haz por cambio de fase

Elementos del Sistema de Haz Conmutado:

•Matriz de Butler•Matriz de Blass•Acopladores Direccionales•Híbridos 3dB-90º•Líneas de Transmisión•Switches de Microondas (Diodos PIN)•Sistema de Control de Fase

ANTENAS INTELIGENTES DE HAZ CONMUTADO

MATRIZ DE BUTLER DE 8x8 ALIMENTANDO A UN ARREGLO L INEALDE 8 ELEMENTOSLos círculos representan Híbridos de 90º y los números son fases con cambios de pi/8.

Matriz de Butler. Estado del arte

De manera muy resumida, una matriz de Butler es un tipo de red de conformación de haz. Dependiendo cual de las N entradas es excitada, el haz de la antena apuntará en una dirección específica. La matriz de Butler fue descrita por primera vez por J. Butler y R. Loween un documento titulado Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas, Electronic Design, volume 9, pp. 170-173, April 12, 1961. Butler fue un empleado de Sanders Associates en Nashua, New Hampshire, la cual es ahora parte de BAE. Las características principales de la matriz de Butler son:

•N entradas y N salidas, con N normalmente 4, 8 o 16. •Entradas aisladas respecto de cada una de las otras entradas. •Salidas con mismo nivel de potencia. •ferencia de fase constante entre salidas consecutivas

Layout e implementaci ón de la matriz de Butler de 4x4 y del

array de antenas.

Principio de una antena direccional Principio de una antena direccional de haz mde haz múúltipleltiple

Este sistema es un poco mas complejo que el anterior. Esta conformado por un arreglo de antenas con una red de excitación que permitecontrolar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del arreglo para modificar la dirección del haz convenientemente y establecer comunicación con el usuario respectivo.A diferencia del sistema de haz conmutado, el sistema haz de seguimiento ejecuta algoritmos DoA (Direction of Arrival) para identificar la dirección de arribo de las señales de los usuarios. Otra diferencia es que los cambios de fase para en el sistema conmutado se realizan a ángulos fijos, es decir corresponden a ángulos prefijado en el sistema y en el sistema de Haz de seguimiento el posicionamiento del haz tiene mayor resolución angular

HAZ DE SEGUIMIENTO (SCANING)

PATRON DE RADIACION DE UN ARREGLO LINEAL UNIFORME D E 7 ELEMENTOS : HAZ DE SEGUIMIENTO

Elementos del Sistema de Haz de Seguimiento:

•Desfasadores•Compensadores•Líneas de Transmisión•Sistema de Detección de Dirección de Arribo (DoA)•Sistema de Control de fase

ANTENAS INTELIGENTES DE HAZ DE SEGUIMIENTO

La técnica de haz adaptativo constituye el máximo nivel de inteligencia que se podría dar a un sistema de antenas. En este sistema, las salidas de cada elemento del arreglo de antenas se ponderan con un factor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de radiación que presente el haz principal hacia la posición del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes de multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.

Esta técnica requiere el uso de algoritmos (DoA) tanto para la detección de las señales de arribo e interferentes como para la optimización de los pesos que conforman el haz.

HAZ ADAPTATIVO

PATRON DE RADIACION DE UN ARREGLO LINEAL UNIFORME D E 7 ELEMENTOS : HAZ ADAPTATIVO

Elementos del Sistema de Haz Adaptativo:

•Mezcladores•Oscilador Local•Filtros Pasa-Banda•Convertidor Analógico/Digital•Down-Converter•Sistema de Detección de Dirección de Arribo (DoA)•Sistema de Conformación de Haz

ANTENAS INTELIGENTES DE HAZ ADAPTATIVO

Sistema de haz adaptativoSistema de haz adaptativo

Conformador de haz digitalConformador de haz digital

Beneficios de las antenas Beneficios de las antenas inteligentesinteligentes

The primary reason for the growing interest in smart-antenna systems is the capacityincrease. In densely populated areas, mobile systems are usually interference-limited,meaning that the interference from other users is the main source of noise in thesystem. This means that the signal-to-interference ratio (SIR) is much smaller thanthe signal-to-noise ratio (SNR). In general, smart antennas will, by simultaneouslyincreasing the useful received signal level and lowering the interference level, increasethe SIR.Another benefit that smart-antenna systems provide is range increase. Because smartantennas are more directional than omnidirectional and sectorized antennas, a rangeincrease potential is available. In other words, smart antennas are able to focustheir energy toward the intended users, instead of directing it in other unnecessarydirections (wasting) like omnidirectional antennas do. This means that base stationscan be placed further apart, leading to a more cost-efficient development. Therefore, inrural and sparsely populated areas, where radio coverage rather than capacity is moreimportant, smart-antenna systems are also well suited .Another added advantage of smart-antenna systems is security. Ina society thatbecomes more dependent on conducting business and transmitting personal information,security is an important issue. Smart antennas make it more difficult to tap aconnection because the intruder must be positioned in the same direction as the useras seen from the base station to successfully tap a connection .Finally, because of the spatial detection nature of smart-antenna systems, they canbe used to locate humans in emergencies or for any other location-specific service .

InconvenientesInconvenientesWhile smart antennas provide many benefits, they do sufferfrom certain drawbacks. For example, their transceivers are much more complex than traditional base station transceivers. The antenna needs separate transceiver chains for each array antenna element and accurate real-time calibration for each of them.Moreover,the antenna beamforming is computationally intensive, which means that smart-antenna base stationsmust be equipped with very powerful digital signal processors. Thistends to increase the system costs in the short term, but since thebenefits outweigh the costs, it will be less expensive in the long run. For a smart antenna to have pattern-adaptive capabilities andreasonable gain, an array of antenna elements isnecessary.

REFERENCIASREFERENCIAS

� Tesis “Filtrado Espacial”, Manuel Belmar, UACH. � Tesis “WiMAX”, Alex Hidalgo, UACH. � Antenas inteligentes con aplicación en SDMA, H. Campanella, A. Comas, Y. Alba

� Antenas Inteligentes, Ing. Rafael Albornoz. http://www.lant.ing.uc.edu.ve

�� http://http://www.lant.ing.uc.edu.vewww.lant.ing.uc.edu.ve/FILES/ANTENAS%/FILES/ANTENAS%20INTELIGENTES20INTELIGENTES--8a8a--(SEC).(SEC).pdfpdfUniversidad de Carabobo, Universidad de Carabobo, DptoDpto de de ElectrElectróónica y Comunicacionesnica y Comunicaciones

� Constantine A. Balanis, ANTENNA THEORYANALYSIS AND DESIGN

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