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miércoles 22 de octubre de 2014, 13:04h

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Las últimas tendencias en comunicaciones móviles, principalmente con la introducción de la 3G y 4G, sobre todo en Europa, apuntan a la utilización de un nuevo tipo de antenas para mejorar la capacidad y la calidad de los servicios de telecomunicaciones, así como para ofrecer un mayor número de servicios inalámbricos.

Todo ello será posible gracias a las antenas inteligentes (smart antennas), que consiguen aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente con una serie de ventajas que se expondrán a continuación. En esencia, el sistema funciona de tal forma que cuando el usuario se desplaza, o lo hace la señal interferente, se modifica la dirección del lóbulo principal para que se mueva con él y/o se minimice la interferencia y, en el caso común en que una estación de radio atienda a varios usuarios simultáneamente, los sistemas permiten transmitir el haz desglosado en varios lóbulos muy directivos, de forma que se reduce la interferencia en la red considerablemente y se incrementa la capacidad en ambos sentidos.


Principios de funcionamiento
La tecnología de antenas para equipar las estaciones base de las redes celulares ha ido evolucionando progresivamente en respuesta a las necesidades de la industria. Los factores clave han sido la limitación de las frecuencias y la incorporación de nuevas bandas, junto con la integración de nuevas funcionalidades, para ofrecer más capacidad y funcionalidad a las redes móviles celulares. Así, se ha pasado por las antenas omnidireccionales, sectorizadas, logaritmo-periódicas, multibanda, multihaz, etc. hasta llegar a las inteligentes.
Los sistemas móviles tradicionales actuales, de uso extensivo, utilizan varias antenas monohaz para dar cobertura a una única célula (una por sector). Sin embargo, existe una limitación de la anchura de dicho haz, que viene impuesta por la ganancia de la antena, pues ganancias elevadas implican anchos de haz reducidos y viceversa. Esta restricción no existe en los sistemas de antenas inteligentes, también llamados SAS (Smart Antennas Systems).
Una antena inteligente es una agrupación (array) de antenas junto con el procesamiento digital (DSP), que optimiza los diagramas de transmisión y recepción dinámicamente en respuesta a una señal de interés en el entorno. Sin embargo, al hablar de “inteligencia”, siendo estrictos, las antenas no son inteligentes sino lo que es inteligente es el sistema completo dado que puede interactuar con el medio y la inteligencia radica en la posibilidad de variar el patrón de radiación en su forma una vez se ha implementado la antena.
Es muy importante tener muy en cuenta las aplicaciones, el ancho de banda disponible y los servicios que se va prestar mediante estas antenas, ya que no en todas las ocasiones son recomendables, además de que su coste es muy superior al de una antena normal.

Características
Empiezan a ser comunes las antenas inteligentes, de las que las hay de dos tipos:
• Las de haz conmutado (multihaz), con un número finito de patrones predefinidos o estrategias de combinación (antenas sectoriales).
• 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.
En uno u otro caso, emplean un phased-array o un adaptative-array, respectivamente, capaz de generar haces muy estrechos, con lo que la ganancia de la antena es notablemente superior a la de las convencionales (omnidireccional o sectorizada), así que transmitiendo la misma potencia se puede recibir a mayor distancia. En el caso de un sistema de telefonía móvil, esto permite reducir el número de estaciones base para cubrir la misma zona.
Estos sistemas multihaz (haz múltiple o haz gobernable) mejoran la recepción de la señal procedente del móvil minimizando, además, las interferencias. En contrapartida, se deben emplear algoritmos de conmutación entre haces y software de procesamiento de la señal de RF bastante complejos. Para cada llamada, estos algoritmos determinan cuáles son los haces que mantienen una mejor calidad de la señal eligiendo, en cada momento, el mejor de ellos. De este modo, el sistema asegura a los usuarios una calidad óptima mientras dura su llamada. La conmutación entre los diferentes haces o la variación del patrón de radiación se efectúa a medida que el móvil se desplaza. Para ello, el SAS monitoriza la calidad de la señal determinando cuándo un cierto haz debe ser seleccionado o modificado.
Hay una serie de características propias de las antenas inteligentes, que se resumen a continuación:

Ventajas de los sistemas de antenas inteligentes
• Aumento de la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente.
• Incremento de la capacidad y la confiabilidad.
• Reducción la potencia de transmisión.
• Reducción de la propagación multitrayecto.
• Disminución del nivel de interferencia.
• Incremento del nivel de seguridad.

En cuanto a la seguridad, ésta se ve incrementada gracias a que la transmisión entre la estación y el equipo móvil es direccional, por lo que es muy difícil que otro equipo intercepte la comunicación a menos que está situado en la misma dirección en que apunta el haz de la antena. También, se hace fácil la localización de usuarios que estén haciendo un uso fraudulento de los servicios que ofrece la red de comunicaciones móviles.

Tipos de antenas inteligentes
Existen, básicamente, tres tipos de SAS, aunque los dos primeros presentan algunas características comunes.
• Haz conmutado
El sistema genera varios haces a ángulos prefijados que se van conmutando secuencialmente dando como resultado 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 determinar la posible existencia de señales. En caso de recibir la 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.
• Haz de seguimiento
El sistema es algo más complejo que el anterior y está formado por un array de antenas con una red de excitación que permite controlar electrónicamente las fases de las corrientes de excitación que llegan a los elementos del mismo para modificar la dirección del haz convenientemente y establecer la comunicación con el usuario respectivo.
La diferencia entre las de antenas de haz conmutado y de haz de seguimiento es que el de haz conmutado tiene posiciones angulares fijas (prefijadas)y el de seguimiento no, ofreciendo mayor resolución angular (ejecuta algoritmos DoA/Direction of Arrival para identificar la dirección de llegada de las señales de los usuarios.
• Haz adaptativo
En este sistema las salidas de cada elemento se ponderan con un valor de peso cuyo valor se asigna dinámicamente para conformar un diagrama de radiación que presente el haz principal hacia la ubicación del usuario deseado y los haces o lóbulos secundarios hacia las direcciones de las componentes del multitrayecto de la señal deseada y mínimos o nulos de la radiación en las direcciones de las fuentes de interferencia.
La selectividad espacial que proporciona los sistemas de este tipo, permite discernir las señales interferentes provenientes de otros usuarios, logrando con esto hacer insensible a la antena receptora hacia esas direcciones y evitar que esas señales sean procesadas en el sistema de recepción. Requieren el uso de algoritmos DoA, tanto para la detección de las señales de llegada e interferentes así como para la determinación de los pesos que conforman los haces. También, permiten reducir la potencia de transmisión en la dirección de esos usuarios para evitarles interferencias, lo que reduce el BER y permite aumentar la calidad de la transmisión de información.
Esta tecnología tiene 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. Las antenas de de haz adaptativo son, pues, las que ofrecen el mayor rendimiento e inteligencia.
• Antenas MIMO
Un caso particular de antenas de este tipo son las MIMO (Multiple-Input Multiple-Output o MIMO (entradas múltiples, salidas múltiples), una tecnología de antenas inteligentes de arrays adaptativos empleada también en algunas redes inalámbricas como, por ejemplo, en femtoceldas y en WiMAX que aprovecha el fenómeno de multipropagación (multipath) 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).

Algunas aplicaciones
Las antenas inteligentes se pueden combinar con las convencionales en la misma red, tanto en una red GSM o UMTS como LTE, utilizando bien técnicas de salto de frecuencia o de control de potencia, incrementando la capacidad de las redes hasta un factor de 3 en los puntos más conflictivos.
El principal beneficio de los sistemas SAS es que maximizan la capacidad del sistema aumentando el número de usuarios por área y optimizando el uso del espectro. Por tanto, será posible implementar más células para cubrir la misma zona e incrementar así la capacidad total del sistema, o bien cubrir una zona más amplia utilizando el mismo número de estaciones base o nodosB. Este hecho es crucial especialmente en entornos urbanos, mientras que en zonas suburbanas o rurales permite extender la cobertura de las células de modo que se reduzca el número de las mismas. Por tanto, en ambos casos, posibilita ofrecer servicios de valor añadido con mayor cobertura a un menor coste.
Por otra parte, puesto que la ganancia y la sensibilidad de una antena inteligente es mejor que la de una antena convencional, la potencia transmitida por el móvil es menor, lo que permite alargar la duración de las baterías, un hecho muy importante para los usuarios, sobre todo de aquellos que disponen de smartphones.

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