1、 I. UIT-R M.2040 1 INFORME UIT-R M.2040 Conceptos y aspectos tcnicos clave de las antenas adaptables (Cuestin UIT-R 224/8) (2004) 1 Introduccin Este Informe identifica los conceptos clave de las antenas adaptables y describe sus aspectos tcnicos. El enfoque tradicional para el anlisis y el diseo de
2、los sistemas inalmbricos ha sido generalmente el de abordar los sistemas de antena por separado de otros aspectos clave de los sistemas, tales como: los temas de propagacin; las tcnicas de reduccin de la interferencia; la organizacin del sistema (tcnicas de acceso, control de potencia, etc.); la mod
3、ulacin. Las tecnologas de antena adaptables se implementan de forma ptima con un enfoque general del sistema, en el que todos los componentes de ste, incluyendo el sistema de antena, se integran de forma ptima, dando lugar a mejoras sustanciales de la cobertura (por ejemplo, zona ms amplia de cobert
4、ura, reduccin de los agujeros de cobertura) en cada clula, a una reduccin muy superior de los problemas de interferencia y a unas mejoras sustanciales de la capacidad del sistema. Este Informe examina los diversos conceptos de antenas adaptables, incluyendo el de canales espaciales, ofrece un anlisi
5、s terico del potencial de la tecnologa e identifica las caractersticas clave. En el Anexo 1 se adjunta un glosario de la terminologa pertinente de los sistemas de antena adaptable. 1.1 Recomendaciones conexas Las Recomendaciones indicadas a continuacin pueden ser tiles dado que tratan sobre sistemas
6、 mviles en los que pueden considerarse adecuados en mayor o menor medida los conceptos que se examinan aqu: Recomendacin UIT-R M.622: Caractersticas tcnicas y de explotacin de los sistemas celulares analgicos del servicio mvil terrestre para telefona de uso pblico Recomendacin UIT-R M.1032: Caracter
7、sticas tcnicas y de explotacin de los sistemas mviles terrestres que utilizan tcnicas de acceso multicanal sin controlador central Recomendacin UIT-R M.1033: Caractersticas tcnicas y de explotacin de los telfonos sin cordn y sistemas de telecomunicaciones sin hilos Recomendacin UIT-R M.1073: Sistema
8、s celulares digitales de telecomunicaciones mviles terrestres Recomendacin UIT-R M.1074: Integracin de los sistemas pblicos de radiocomunicaciones del servicio mvil Recomendacin UIT-R M.1221: Requisitos tcnicos y de explotacin de las estaciones de radiocomunicaciones mviles multimodo celulares 2 I.
9、UIT-R M.2040 Recomendacin UIT-R M.1457: Especificaciones detalladas de las interfaces radioelctricas de las telecomunicaciones mviles internacionales-2000 (IMT-2000) Recomendacin UIT-R M.1678: Antenas adaptativas para sistemas del servicio mvil Recomendacin UIT-R SM.856: Nuevas tcnicas y sistemas ef
10、icaces desde el punto de vista del espectro. 2 Conceptos de antena y de antena adaptable 2.1 Antenas y cobertura Las antenas adaptables pueden definirse como un sistema de antenas y el procesamiento correspondiente de la seal que juntos son capaces de cambiar dinmicamente su diagrama de radiacin par
11、a ajustarse al ruido, la interferencia y la propagacin multitrayecto. Las antenas adaptables se utilizan para mejorar la relacin entre la seal y el ruido de interferencia (SINR) recibida y tambin pueden considerarse como dispositivos que conforman haces para la transmisin. De igual manera, los siste
12、mas de haz conmutado utilizan una serie de haces fijos en el emplazamiento de la antena. El receptor selecciona el haz que da la mejora mxima de la seal y la mayor reduccin de interferencia. Los sistemas de haz conmutado pueden no ofrecer el grado de mejora de la calidad de los sistemas adaptables,
13、pero son mucho menos complejos y ms fciles de ajustar a las tecnologas inalmbricas existentes. Por ltimo, las antenas inteligentes se definen tambin como sistemas que pueden incluir tecnologas de antena adaptable y de haz conmutado. En el Anexo 1 figura un glosario de los trminos pertinentes de ante
14、nas adaptables; en este punto se ofrecen nuevos anlisis sobre la terminologa y su utilizacin general. Se avisa al lector de que hay una cierta variacin de la terminologa; por ejemplo, a los sistemas no adaptables o no conmutados se les denomina en ocasiones inteligentes, debido sencillamente a la in
15、corporacin de los dispositivos electrnicos de RF en el extremo del mstil, y a menudo los trminos de adaptacin y de conformacin de haz se utilizan bastante ligeramente o restringidamente, por ejemplo, la Recomendacin UIT-R SM.856, aparentemente el nico caso de otra Recomendacin del UIT-R que mencione
16、 algn aspecto de las antenas adaptables, emplea el trmino de adaptacin en vez de emplear correctamente el de plena adaptacin, pero describe brevemente un ejemplo de una interpretacin muy restringida y especfica de este trmino, tal como se utilizaba en los sistemas anteriores de ondas mtricas). Adems
17、, hay que tener cuidado cuando se aplica el trmino de adaptacin en el anlisis de los sistemas mviles terrestres, especialmente si se emplea slo sin otra descripcin, por ejemplo, cuando se aplica al control dinmico de la modulacin o de los recursos de anchura de banda o de la codificacin, la potencia
18、 u otros atributos de un protocolo de interfaz area. Adecuado para los entornos simples de RF en los que no se dispone de un conocimiento especfico del emplazamiento del usuario, el enfoque omnidireccional dispersa las seales, llegando a los usuarios de destino con nicamente una fraccin muy dbil de
19、la energa radiada total al entorno (o lo contrario, en el caso de las emisiones procedentes de usuarios hacia la estacin de base (EB). Dada esta limitacin, las estrategias omnidireccionales tratan de superar las dificultades de la propagacin multiplicando simplemente el nivel de potencia de las seal
20、es. En las situaciones en las que hay numerosos usuarios (y por tanto fuentes de interferencia) relativamente cercanos entre s, sucede que una mala situacin se empeora porque una gran mayora de la energa de la seal de RF resulta ser una fuente de interferencia potencial para otros usuarios de las mi
21、smas clulas o de clulas adyacentes, en vez de aumentar el volumen de informacin que cursa el enlace. I. UIT-R M.2040 3 En las aplicaciones de enlace ascendente (usuario a EB), las antenas omnidireccionales no ofrecen ventajas en trminos de las seales de los usuarios a los que se da servicio, limitan
22、do con ello el alcance de los sistemas. Adems, este enfoque de elemento nico no tiene capacidad de reduccin de la propagacin multitrayecto. Por este motivo, las estrategias omnidireccionales afectan directa y adversamente a la eficacia espectral, limitando la reutilizacin de frecuencias. Una antena
23、nica puede tambin fabricarse para que tenga una cierta transmisin preferencial y direcciones de recepcin fijas: hoy en da, muchos sistemas de antena convencional dividen o sectorizan las clulas. Los sistemas de antenas sectoriales toman una superficie de clula tradicional y la subdividen en sectores
24、 a los que se da cobertura utilizando mltiples antenas direccionales localizadas en el emplazamiento de la EB. Operacionalmente, se trata a cada sector como una clula diferente. Las antenas direccionales tienen una ganancia superior a la de las antenas omnidireccionales, siendo todas las dems caract
25、ersticas iguales, por lo que el alcance a estos sectores suele ser mayor que el que se obtiene con una antena omnidireccional. Las clulas sectoriales pueden mejorar la reutilizacin del canal, confinando la interferencia que provoca la EB y sus usuarios al resto de la red, y se utilizan ampliamente p
26、ara este fin. En el servicio comercial se han utilizado hasta seis sectores por clula. 2.2 Sistemas de antena adaptable y diversidad La comprensin de la diversidad es importante en este contexto. Tal como seala Winters 1, las tres degradaciones principales de un sistema inalmbrico celular pueden agr
27、uparse en tres categoras, a saber, el desvanecimiento por propagacin multitrayecto, la dispersin del retardo y la interferencia cocanal. Tal como se explica ms adelante, con mltiples antenas, en nmero de M, se puede por lo general obtener un aumento M de ganancia y adems una ganancia de diversidad r
28、especto al desvanecimiento multitrayecto. La ganancia M puede considerarse como la reduccin de la potencia de recepcin requerida para una S/N de salida media determinada (independiente del entorno), mientras que la componente de ganancia de diversidad (nicamente posible cuando se presenta la propaga
29、cin multitrayecto) es la reduccin de la relacin S/N de salida media requerida para una tasa de errores determinada, en presencia de desvanecimientos. As pues, los sistemas de antena con diversidad espacial incorporan dos o ms elementos de antena cuya separacin fsica se utiliza para combatir los efec
30、tos negativos de la propagacin multitrayecto. La diversidad ofrece una mejora en la intensidad efectiva de la seal recibida, utilizando uno de los dos mtodos siguientes: Diversidad conmutada: suponiendo que al menos una antena estar en un emplazamiento favorable en un momento determinado, este siste
31、ma efecta de forma continua la conmutacin entre antenas (conectando cada uno de los canales de recepcin a la antena situada ms favorablemente) a fin de seleccionar la antena con la energa mxima de seal. Al tiempo que se reduce el desvanecimiento de la seal, la diversidad conmutada no aumenta la gana
32、ncia, pues se utiliza una nica antena en cada momento, y no ofrece reduccin de la interferencia. Combinacin de diversidad: este enfoque combina de forma coherente las seales procedentes de cada antena para producir la ganancia: los sistemas de relacin de combinacin mxima combinan las salidas de toda
33、s las antenas para maximizar la relacin entre la energa combinada de la seal recibida y el ruido. 4 I. UIT-R M.2040 Al contrario de los sistemas con diversidad conmutada, la combinacin de diversidad utiliza todos los elementos de antena en todo momento para cada usuario, creando un diagrama efectivo
34、 de antena que se ajusta dinmicamente al entorno de la propagacin. No obstante, no se garantiza que la combinacin de diversidad haga mxima la ganancia para un usuario particular. Como los algoritmos que determinan la estrategia de combinacin tratan de hacer mxima la energa total de la seal, ms que l
35、a de un usuario particular, el diagrama de antena efectivo puede de hecho ofrecer una ganancia mxima a las antenas distintas de las del usuario deseado (por ejemplo, las de los usuarios con canal en otras clulas). Ello es especialmente as en los entornos de gran interferencia, tpicos de un sistema c
36、elular fuertemente cargado. 2.3 Sistemas de antena e interferencia Los sistemas de antena ms sofisticados pueden reducir el otro factor limitativo importante de los sistemas inalmbricos celulares: la interferencia cocanal. A efectos de la transmisin, el objetivo ser concentrar la potencia de RF haci
37、a el usuario de un canal radioelctrico nicamente cuando lo requiera, limitando con ello la interferencia a otros usuarios de clulas adyacentes. Para la recepcin, la idea consiste en dar una ganancia mxima en la direccin del usuario deseado, al tiempo que se reduce simultneamente la interferencia pro
38、cedente de otros usuarios en el mismo canal y en canales adyacentes. Para ello se supone un sistema de antena con capacidades de orientacin instantnea del haz. Ello puede lograrse con la tecnologa de sistemas de antena controladas por fase, en particular con las tcnicas de conformacin digital del ha
39、z. Adems, la utilizacin de un gran nmero de elementos simples de antena ofrece tambin una nueva dimensin al tratamiento de la diversidad. 2.4 Sistemas de antenas inteligentes La aparicin de procesadores de seal digitales potentes y econmicos, de procesadores multiuso y de circuitos integrados especf
40、icos de una aplicacin (ASIC), as como el desarrollo de diversas compaas y entidades de investigacin de tcnicas de procesamiento de la seal por medios informticos, han convertido los sistemas avanzados de antena adaptable en una realidad prctica para los sistemas de comunicaciones celulares: los sist
41、emas de mltiples antenas combinados con las tcnicas digitales de conformacin del haz y el procesamiento econmico avanzado de la seal en banda de base abren un rea nueva y prometedora para mejorar los sistemas de comunicaciones inalmbricas. En el 12 figuran referencias tiles sobre las antenas adaptab
42、les. En el ncleo de un sistema de antena adaptable hay un sistema de elementos de antena (dos o ms, generalmente entre cuatro y 12) cuyas entradas se combinan para controlar de forma adaptable la transmisin y/o la recepcin de la seal. Los elementos de antena pueden disponerse en configuraciones line
43、ales, circulares, planas o aleatorias y frecuentemente suelen instalarse en el emplazamiento de la EB, aunque tambin pueden ir en el terminal mvil. Cuando una antena adaptable orienta su lbulo principal con una mejora de ganancia para dar servicio a un usuario en una direccin particular, los lbulos
44、laterales del sistema de antena y los nulos (o direcciones de ganancia mnima) se orientan en diversas direcciones a partir del centro del lbulo principal. Distintos sistemas de conmutacin de haz y de antenas inteligentes adaptables controlan los lbulos y los nulos con diversos grados de precisin y f
45、lexibilidad. Ello tiene consecuencias directas en trminos de calidad del sistema. I. UIT-R M.2040 5 2.4.1 Antena con haz conmutado Los sistemas de antena con haz conmutado forman mltiples haces fijos con una sensibilidad superior en direcciones particulares. Estos sistemas de antena detectan la inte
46、nsidad de la seal, eligiendo entre varios haces fijos predeterminados, sobre la base de combinaciones ponderadas de salidas de antena con la potencia de salida mxima en el canal del usuario distante, y se conmutan entre un haz y otro a medida que el mvil se desplaza por el sector. Estas opciones est
47、n controladas por tcnicas de RF o de procesamiento digital de la seal en banda de base. Puede considerarse que los sistemas con haz conmutado responden a una estrategia de micro-sectorizacin. 2.4.2 Sistema de antena adaptable La tecnologa de antena adaptable representa el enfoque ms avanzado y produ
48、ctivo hasta la fecha para lograr mejoras significativas de la eficacia espectral. Utilizando diversos algoritmos de procesamiento de la seal, un sistema adaptable identifica de forma efectiva y sigue todas las seales pertinentes y fuentes de interferencia presentes, a fin de minimizar dinmicamente la interferencia y maximizar la recepcin de las seales de inters. Al igual que un sistema de haz conmutado, un sistema adaptable tratar de incrementar la ganancia sobre la base de la seal del usuario recibida en los diversos elementos del sistema de antena. No obstante, nicamente lo
