fcqi.tij.uabc.mxfcqi.tij.uabc.mx/usuarios/egarcia/cursoweb/material de...inteligentes: capacidad de...

1

ANTENAS INTELIGENTES PARA ANTENAS INTELIGENTES PARA COMUNICACIONES MOVILES COMUNICACIONES MOVILES

CELULARESCELULARESDavid H. Covarrubias Rosales David H. Covarrubias Rosales

��

Noviembre 2005 2

Aspectos de modelado y simulaciAspectos de modelado y simulacióón de los n 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 tenfatizando particularmente en la téécnica cnica de filtraje espacial, modelos espaciales de de filtraje espacial, modelos espaciales de propagacipropagacióón en el canal radio, n en el canal radio, agrupamientos de antenas, y tagrupamientos de antenas, y téécnicas de cnicas de conformaciconformacióón digital de haz.n digital de haz.

David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas

��

3

�� !!� !!�"��"��##

$!!%�&�$!!'$!!%�&�$!!'

10.6 14.119.3 21.2

26.4 27.3 29.1

41.7

51.1 54.3

64.868.0 69.6 72.0

78.584.1 84.5

88.9 90.1 91.6

101.8

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�!��"��

#�$%�

&��

� ��

��

'��

(��

) ��

&��

��$�*�

(��

2003

MU

ND

IAL

AM

ER

ICA

LA

TIN

A

ME

XIC

O

31.627.7

25.1

2004

Fuente: COFETEL

David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas4


�� ()� ��()� �� !!� !!�"��"��##

**!��$!!' **!��$!!'

0.1 0.2 0.4 0.4 0.6 0.8 1.1 1.8 3.5

8.0

14.2

21.6

25.4

29.131.6

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

Jun-

04

En los últimos ocho años, la telefonía móvil ha registrado un espectacular crecimiento en el número de clientes

Fuente: COFETEL

5David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas

�� +��(�� ,��$!!%��+��(�� ,��$!!%�-- ,��$!!'#,��$!!'#

��

2003 2004

2003 2004

2003 2004

0

10

20

30

40

50

60

70

TDM A CDM A G SM

��

��

��

Fuente: EMC World Cellular Database 6David H. Covarrubias RosalesGrupo de Comunicaciones inalámbricas

��

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

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


��

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.0110

-2

10-1

100

101

Simulacion del canal radio para 900MHz

Tiempo [s]

Niv

el d

e se

ñal [

dB]


��

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

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


��La capacidad no es la única limitante inherente a los sistemas dLa capacidad no es la única limitante inherente a los sistemas de e comunicaciones móviles, también se pueden destacarcomunicaciones móviles, también se pueden destacar

�� El desvanecimiento por El desvanecimiento por multitrayectomultitrayecto

�� La interferencia La interferencia cocanalcocanal

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

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

10David H. Covarrubias Rosales

El gran esfuerzo en los sistemas móviles de segunda El gran esfuerzo en los sistemas móviles de segunda generación se enfocó principalmente en el desarrollo generación se enfocó principalmente en el desarrollo de modulación, códigos, protocolos, etc. mientras de modulación, códigos, protocolos, etc. mientras que dicho esfuerzo fue mínimo en la tecnología que dicho esfuerzo fue mínimo en la tecnología relacionada con antenasrelacionada con antenas

Grupo de Comunicaciones inalámbricas

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

inteligenciainteligencia

sistemas auto sistemas auto -- configurablesconfigurables

alta eficienciaalta eficiencia

��

11David H. Covarrubias Rosales

En la búsqueda de tales esquemas que En la búsqueda de tales esquemas que resuelvan los conceptos anteriores la 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 Antenas adaptativasadaptativas

Antenas inteligentesAntenas inteligentes


��


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

��

��

��


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

antenas inteligentesantenas inteligentes

��


Antenas Antenas Inteligentes:DefiniciónInteligentes:Definición

�� .��.��/��0��.��.��/��0�� /� �� 0� ��/� �� 0� �� "� �� &� �� "� �� &� �� "� �� "� �� 1��1


Antenas Antenas Inteligentes:DefiniciónInteligentes:Definición

InterferentesInterferentes

NuloNulo en en direccióndirecciónde de loslos interferentesinterferentes

LóbuloLóbulo principalprincipal

MismoMismo TiempoTiempo

MismaMisma FrecuenciaFrecuencia


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

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

��


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

��


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

�� Capacidad de procesamiento Capacidad de procesamiento aplicado al conjunto de señales 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 Las características de las antenas inteligentes de tener haces de radiación con una mayor tener haces de radiación con una mayor directividaddirectividad(mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva (mayor ganancia y mayor selectividad angular) deriva en las siguientes ventajasen 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 Reducción del nivel de interferencia (mejor BER y BER y QoSQoS))

Mejora en la seguridadMejora en la seguridad

��


��

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

,��,�� 2��2�� 3 ��3 ��

,2�3,2�3

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


��&��3� �� &��3� ��

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

La habilidad del La habilidad del arrayarray de antenas de de antenas de aumentar dicho alcance resulta de su aumentar dicho alcance resulta de su habilidad de habilidad de aumentar su relación aumentar su relación SNRSNR

23

456��4,�73,�4,�65�35�653,456��4,�73,�4,�65�35�653,

•• Ganancia: Ganancia: Capacidad de enfocar (sombrear) Capacidad de enfocar (sombrear) la sela seññal (energal (energíía), a ser ma), a ser máás fuerte en una s fuerte en una direccidireccióón que otra.n que otra.

•• Diagrama de radiaciDiagrama de radiacióón:n: describe la fuerza describe la fuerza relativa del campo radiado en varias relativa del campo radiado en varias direcciones desde la antena, en una direccidirecciones desde la antena, en una direccióón n fija o fija o ctecte..

•• RegiRegióón de campo cercano: n de campo cercano: RminRmin �� 2D2D22//��

•• RegiRegióón de campo lejano: n de campo lejano: RminRmin �� 2D2D22//��



456��4,�73,�4,�65�35�653,456��4,�73,�4,�65�35�653,


8�� 8��

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

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


��9�,9�,

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


3��:�� 2��3��:�� 2��

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

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


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

Mayor complejidad del sistemaMayor complejidad del sistema

Mayores costosMayores costos

Mayor sofisticación de los métodos de filtraje Mayor sofisticación de los métodos de filtraje espacial/temporalespacial/temporal

Tecnología en proceso de madurezTecnología en proceso de madurez

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

��


Metodología de estudio de aMetodología de estudio de antenasntenasinteligentesinteligentes aplicadas a comunicaciones aplicadas a comunicaciones

móviles celulares:móviles celulares:�� Modelos espaciales de canal radio para la ubicación de Modelos espaciales de canal radio para la ubicación de interferentes.interferentes.

�� Arreglo (Arreglo (arrayarray) de antenas: geometría, separación de ) de antenas: geometría, separación de elementos y excitación . elementos y excitación .

�� Técnicas de filtraje espacial para la determinación del Técnicas de filtraje espacial para la determinación del DoADoA

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

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

��

DOA

ARREGLO

DE

ANTENAS

MODELOS DE CANAL

BEAMFORMING

•Interferentes

•Multitrayectorias

•AOA y TOA

•Geometría de dispersión

•Desvanecimientos

•Patrón de radiación

•Direccionamiento de haz

•Parámetros de antena

•Excitación de elementos

•Síntesis del patrón

•Patrón óptimo

•Filtraje espacial

•Adaptabilidad

•Estimación de parámetros

Metodología de estudio de aMetodología de estudio de antenasntenas inteligentesinteligentes aplicadas a aplicadas a comunicaciones móviles celulares:comunicaciones móviles celulares:


31

�426+4,�6,�3�3+6,�26�353+�832�4;��426+4��426+4,�6,�3�3+6,�26�353+�832�4;��426+4��3�,,�354�3�,,�354



�426+4,�6,�3�3+6,�26�353+�832�4;��426+4��426+4,�6,�3�3+6,�26�353+�832�4;��426+4��3�,,�354�3�,,�354

fcqi.tij.uabc.mxfcqi.tij.uabc.mx/usuarios/egarcia/cursoweb/material de...inteligentes: capacidad de...

Documents