Antena Ant enaspar sparaa tel telefo efoní níam am óvil (Cellular (Cel lular Antennas)
Capítulo 11 UNI – FIEE Lima – PERÚ Ing. Marcial López Tafur
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TecnologíaCelular estación estación base celda
Las redes celulares dividen su área de cobertura en múltiples múltiples “celdas”
sector
Red Telefónica Backhaul Network
Switching/ Switching/ Routing Routing
Redes de Datos
Cada una tiene su propia infraestructura de radio y usuarios
Básico para muchos servicios inalámbricos de dos vías (two-way).
Teléfonos celulares (1G, 2G, , 2.5G, 3G, …)
MMDS broadband data Wireless LANs 2.5-2.7 GHz
LMDS broadband data 26/28 GHz
TecnologíaCelular estación estación base celda
Las redes celulares dividen su área de cobertura en múltiples múltiples “celdas”
sector
Red Telefónica Backhaul Network
Switching/ Switching/ Routing Routing
Redes de Datos
Cada una tiene su propia infraestructura de radio y usuarios
Básico para muchos servicios inalámbricos de dos vías (two-way).
Teléfonos celulares (1G, 2G, , 2.5G, 3G, …)
MMDS broadband data Wireless LANs 2.5-2.7 GHz
LMDS broadband data 26/28 GHz
• El diseño diseño de los sistemas sistemas celular celulares es implica implica un compromisoen compromisoen los requerimientos requerimientosde: de: – definición del servicio – calidad del servicio – capacidad – costos de capital y de operación – requerimientos de recursos incluidos el espectro – precio/asequibilidad del usuario final – coexistencia con otras tecnologías de radio.
• La tecnología de las antenasadaptivas cambia fundamentalmen fundamentalmentela tela naturaleza naturaleza de estos compromisos.
TorreCelular
Diagramade Bloquesdel SistemaCelular/PCS forward Mobile
BTS
BSC
MTSO
PSTN
reverse
BTS
Base Tranceiver Station
BSC
Base Station Controller
Data Bases
MTSO: Mobile Telephone Switching Office
Radio Link
Bearer Trunk Signaling Trunk
Patrónde Reuso deFrecuencias
Ejemplo:AMPS • 50MHz de espectro • 30kHz por canal por dirección • 832 canales para full-duplex total • 4, 7, y 12 sectores de celdas (clusters) usados
AMPScont. • 832 canales (2 frecuenciaspor canal) – Forward: 869-894 MHz – Reverse: 824-849MHz – Forward/Reverse Spacing: 45MHz – Espaciamiento del Canal Adyacente: 30kHz – 21 Canales de Control por grupo
• Coberturade la celda: 2-20km
Ubicación dela Antenna - Alta • Buena cobertura • Problemas de Interferencia Co-Canal
Edificioscomo Fronteras • Define los límites de la Celda • Posible Interferenciade Canales Adyacentes
Interferencia • Interferencia Co-Canal • Interferenciade Canal Adyacente • Fuentesexternas
Canalesde Señalización • DedicatedControl Channels (CC) – El Móvil buscará el canal de control más fuerte cuando se enciende – Identificación del Sistema – Número de Canales de Paging y Acceso
• Paging Channels (PC) – Usada para iniciar llamadas a un Móvil
• Access Channels (AC) – Usada para iniciar llamadas de un Móvil
Llamadadesde elM óvil • El Móvil recibe los números AC sobre PC • El Móvil encuentrael AC más fuerte • El Móvil señaliza (marca) sobre el AC a la Base Station y al MTSO • El MTSO transmiteel Bearer Channel No.
LlamadaOriginada porel Móvil, AMPS Móvil RCC
BTS
BSC
MTSO PSTN
MIN, ESN, número marcado validación
FCC
Nº de canal, código SAT, Potencia
FVC
SAT
RVC
SAT
FVC RVC
Conversación
Llamadaal Móvil • El PSTN envía la llamada al MTSO • El MTSO transmiteal Móvil la ID sobre todos los Paging Channels • El Móvil reconoce el Access Channel más fuerte • El MTSO seleccionael canal de voz a usar • El MTSO envía el número de canalde voz al móvil
CallHandoff (Transferencia) • La estación base monitoreala intensidad de la señal. • Sí la intensidadc ae más abajo del nivel de hand-off, todas las estacionesbase buscanel móvil; la más fuerte se convierte en la nueva BS • La MTSO instruyea la nueva estación base a activar el canal de voz para recibir la transferencia.
CallHandoff cont… • El MTSO de la estación base actualenv ía señales de comandos al móvil dándole la nueva asignación del nuevo canal. • El móvil sintoniza el nuevo canal. • La estación base previa se desconectade la comunicación.
El Móvil • ESN - ElectronicSerial Number • ProgrammableNAM (Number Assignment Module) • Contiene entre otras cosas – La ID (Identificación) del sistema – Primer canal de control a buscar – preferencias de selección del sistema – MIN (Mobile Identification Number)
MobileIdentification Number • MIN1 - Mobile System Id (3 dígitos) – US: Código de Área – Internacional: Identificación del Operador Móvil
• MIN2 – Número de la Estación – US: NXX y número de la línea – Internacional: número interno del móvil
Hand-Off( Traspaso) MS MS
BS
BS
MTSO
Roaming( Itinerancia, Viajero) MTSO Mobile
MTSO
Mobile
Mobile Mobile
Mobile
Mobile Mobile
Mobile Mobile
Detalles delRoaming MS
BS
Pregunta MTSO MTSO
Respuesta HLR
HLR
VLR
Información de facturación Perfil del servicio
Current Location Temporary Directory Number
IntersystemHand -Off MS MS
BS
BS
MTSO
MTSO
El Efecto “Shoe-Lace” MS
BS BS BS BS BS BS BS BS
MS
Multi-SystemTandem MS MS
BS
MTSO
BS
MTSO
MTSO
MTSO
MTSO
El Efecto “Trombón” MS
BS
MTSO MTSO
Estación Fija
Temasde Seguridad/Fraude • Seguridad – Privacidad de las Conversaciones – Negación del Servicio
• Fraude – Obtención ilegal de los ESN/MIN – Roaming-related (“tumbling” ESNs)
Clasesde Estándares • Celular Analógico – FDMA - Frequency Division Multiple Access
• Celular Digital – FDMA – TDMA – Time Division Multiple Access – CDMA – Code Division Multiple Access
Métodosde Acceso TDMA FDMA y c n e u q e r F
y c n e u q e r F
CDMA
Time y c n e u q e r F
Time
Time
Antenaspara estacionesbase
Para800 MHz
Referencias( dBd y dBi) Patrón Isotrópico Patrón dipolo
Isotrópico (dBi) Dipolo (dBd) Ganancia
3 (dBd) = 5.15 (dBi) 0 (dBd) = 2.15 (dBi)
Apertura de Dipolos
Patrón Vertical
Dipolo simple
4 Dipolos Verticalmente aplilados
Patrón Horizontal
Apertura Horizontal
Apertura Vertical
Diseños de Elementos Irradiantes
Dipole
Short Log (H83)
Gen3XPol
Patch
dB Director
Discone (DC)
™
Log
™
Másdise ñosde radiadores Elements
Dipolo
1800/1900/UMTS
Diversidad (XPol)
Patch
800/900 MHz
MAR - Micro strip Annular Ring
Dipolos
Dipolo Simple
Crossed Dipole
Inclinación Mecánica Kit de montaje
Antenas con Inclinación (Tilt) Eléctrico Ajustable
InclinaciónEl éctrica/Mecánica
Mecánica
Eléctrica
dB TripleTree Kit de montage
Para antenas 800/900 MHz a 1700-2700 MHz.
Mástil telescópico.
Reduce el costo y tempo de instalación.
Gancho superior y terminal en la base, para facilitar a instalación.
™
Para uso con las antenas de dual polarización.
Cobertor (Radome) externo opcional (puede ser pintado).
Inclinación (Downtilt) – eléctrica (fija o variable) o mecánico (kit).
Acero galvanizado para mayor resistencia.
Generando la inclinación delhaz Dipolos alimentados “en fase”
Dipolos alimentados “Fuera de fase”
Energía
en
¼
Fase Excitador Excitador
a d n O e d e t e r F
Electrical Downtilt Coverage 110
100
90
80
70
120
110 60
130
100
90
80
70
120 50
140
60
130 40
50
140
150
30
160
40
150 20
30
160
20
170
10
170
10
180
0
180
0
190
350
190
350
200
340
210
330
220
320 230
310 240
300 250
260
270
280
290
Elevation Pattern Electrical Tilt
200
340
210
330
220
320 230
310 240
300 250
260
270
280
290
Azimuth Pattern 0° 4° 6° 8° 10°
Llenadode nulos El llenado de nulos es una técnica de optimización que reduce los nulos entre los lóbulos menores en el plano de elevación.
Importantepara antenascon anchos de haz estrechos.
Null Filled to 16 dB Below Peak 0 ) m B -20 d ( l e -40 v e L -60 d e v i e -80 c e R-100
Transmit Power = 1 W Base Station Antenna Height = 40 m Base Station Antenna Gain = 16 dBd Elevation Beamwidth = 6.5°
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Distance (km)
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Antenas Dieléctrico de Aire • Polarización Vertical • Apertura Horizontal de 60º •Relación F/B Inferior a la familia Log Periódica
65° ± 5°
105° ± 10° 90° ± 7°
DB97XG65 F/B 25 dB
120° ± 12°
DB97XG105 F/B 23 dB DB97XG90 F/B 25 dB
DB97XH120 F/B 20 dB
Panel Tradicional
Panel Especial
Alimentador
Elementos
Torrespara telefoníacelular • Una torre para telefonía celular es típicamente un mástil de acero o estructura auto-soportada (triangular o cuadrada) que se eleva decenas de metros sobre el nivel del piso.
• Esta torre es usada por tres diferentes compañías de telefonía celular.
Torrespara celulares( Cont…) • En la base de la torre se colocan los equipos. • En los sistemas modernos se requieren equipos pequeños. Los más antiguos tienen pequeños edificios en su base.
Torrespara celulares( Cont…) • Aquí está el equipo de un operador celular. • Las cajas que albergan los TX/RX. • Los equipos se conectan a las antenas con cables coaxiales.
• Mirando detalladamente, se ve que la torre y todos los cables y el equipo en la base de la torre están firmemente puestos a tierra. • Ejemplo, La plancha en esta imagen con los alambres de funda verde atornillados a esta plancha de cobre sólida.
• Una Una se señal de que que múltiples múltiples operadores operadores comparten esta torre es que existen cinco candados en la puerta.
• Mucha Mucha genteha genteha expresa expresadopr dopreocu eocupaci paci ón al al tener una celda cerca a ellos, “no la quiero cerca a mi casa”. • Esto Esto es debido debido en parte parte a los temore temoresy sy preocup preocupaci aciones onesacer acerca ca de la salud, salud, y de como lucen en el vecindario (sí son muy altas). • Continú Continúan an los estudio estudiosal sal respect respecto o peron perono o existe existe ningunap ningunaprue rueba ba en firme firme de que vivir vivir cerca a una celda celular pueda ser peligros peligrosopar opara a la salud. salud.
• A veces los operadores tiene que “embellecer” las torres celulares • Buenos ejemplos son estaciones de baja potencia, las cuales pueden ser camufladas en las paredes de los edificios.
Ejemplode unSistema Múltiple Macrocelda: radio de la celda de 1 Km. a 15 Km. Microcelda: radio de la celda de 0.1km a 1km Picocelda: radio de la celda de 10 cms a metros Macrocelda
Microcelda Picocelda
Imagende unaEstaci ónBase Microcelda(Toronto)
Solucionesal problemade cobertura • Las obstruccionesf ísicas crean “huecos” • Causadas por: – Montañas – Edificios – Cañones
BTS Cobertura Normal Repetidor Obstrucción Cobertura a “llenar”
¿Cuandoes necesarioun repetidor? Los Usuarios no pueden hacer o recibir llamadas debido a señal débil por falta de penetración de la RF en el local. Las llamadas se caen, o presentan ruido y distorsión.
¿En qué tiposde estructuraspuede operar un repetidor? Edificios de oficinas o departamentos, estacionamientos, shopping centers y residencias.
¿Cómofunciona unsistema repetidor? El sistema redirecciona, filtra y amplifica la señal disponible en la antena externa hacia adentro del área de cobertura despejada, a través de una antena interior. La mejoría de la señal permite a los usuarios mantener llamadas fuertes y claras .
ConfiguraciónT ípica Antena Externa Antena Interna
ERB (hasta 8 km distante)
Usuario
Amplificador Bidirecional (BDA)
¿Porqu é usarun Kit Repetidor? • Optimiza la relación costo/beneficiopara coberturaen áreas de 1,800a 9,000m2 • Instalación Sencilla. • SoportaAMPS, TDMA, CDMA e iDEN • Kit incluye todo el material, (cables coaxiales opcionales) • DisponiblesAntenas opcionales.
Kit típico • Modelos: para 806-869 MHz - Trunking para 824-894 MHz - Celular • Amplificador Bi-Direccional • Antena Externa • Antena OmnidirectionalInterna • Cable de Alimentación • Enchufe para CA
Amplificador Bi-direccional (ABD) • Alta potencia, gananciamedia • Alimentación 120/240V CA • 50 dB de gananciam ínima (53 dB típico) • Pot sal. (compuesta) Uplink 20 dBm Downlink 14 dBm (4 dBm CDMA)
AntenaExterna • Instalación externa • Orientadahacia la ERB • Hermética a pruebade agua. • Ganancia8 dBd (10 dBi) • Ancho de Banda 806-894 MHz
Antena Omnidireccional Interior • Perfil bajo, montaje en techo. • Permite coberturaen todas las direcciones, paraabajo y fueradel punto de instalación. • Puesta a Tierra de CC. • Gananciaunitaria (2 dBi) • Ancho de Banda:806-960;17103000 MHz
InstalaciónT ípica dela AntenaOmnidirecional
InstalaciónT ípica dela AntenaOmnidirecional Oficinas 3.6mx3.6m
Techos bajos 3mx3m
Cobertura Omnidirecional Sala de Reuniones
AREA LIBRE
AntenasOpcionales • Montaje en paredes de corredores o escaleras (configuracionesque exijan gananciamayor o cobertura direccional): • 6 dBd (8 dBi) • Plano Direccional • Ancho del haz 80°
Cobertura Direccional Típica(corredor) Indica que una cobertura no penetra una tercera pared
Cobertura Direccional Típica(corredor) Baja 3m x 3m
Dirección de propagación Escritorios 3m x 3m
Corredor
indica que la cobertura no puede penetrar a tercera pared
largo 3m
Instalación Antena Plana Direccional
AplicaciónRepetidor Interior Antena exterior Hasta 8 Km de distancia
Repetidor
Celda Antena
Móvil
AplicaciónRepetidor Interior Edificio Típico
Del Repetidor
Cobertura del sistema CABLE COAXIAL
Repetidor y Antena
ANTENA
Sótanos
Divisor
AntenasFractales Con el avance de los sistemas de comunicaciones y el importante incremento de otras aplicaciones de los sistemas inalámbricos, las antenas de banda ancha y de bajo contorno están en gran demanda tanto para aplicaciones comerciales como militares. Antenas multibanda y banda ancha son las más aceptadas en los sistemas de comunicación personal (celulares, trunking, beepers, etc.), pequeñas terminales satelitales y otras aplicaciones inalámbricas. Algunas de estas aplicaciones también requieren que la antena esté embebida en la estructura exterior.
Actualmente se están aplicando extensivamente las antenas fractales obteniéndose muy buenos resultados en cuanto a eficiencia, espacio, ancho de banda y ganancia. La aplicación de los fractales a las antenas permite la optimización en tamaño y ganancia para arreglos multibanda y banda estrecha. El hecho de que muchos fractales tengan complejidad infinita puede ser usado para reducir el tamaño de la antena y desarrollar antenas bajo contorno
Característicasprincipales: Un gran ancho de banda, radian muy eficazmente para una gama amplia de frecuencias. El rango de frecuencia es especificada por el tamaño más pequeño y más grande presente en la antena. Tienen una ganancia considerable, por encima de un antena dipolo normal y depende muy poco de la frecuencia en un rango de frecuencias grande. Poseen una estructura espacial que se relaciona a la ganancia de la antena. Esta estructura espacial puede ser muy útil cuando se requiere direccionalidad.
Principalesventajas Área pequeña Impedancia de acople estable para un rango amplio de frecuencias. Resonancia múltiple Gran ganancia en algunos casos
Principalesdesventajas Diseño y creación más dificultosa Baja ganancia en algunos casos
AntenaDipolo de Koch
Antena Sierpiski
Distribución de Corriente Antena Sierpiski
Antena Sierpiski “Cargadas” Variación de ángulode apertura:
Antena Sierpiski “Cargadas” Variación de factor de autosimilaridad:
Tecnología Áreas de aplicación: Sistemas Móviles Celulares: Antenas en estaciones base, antenas en teléfonos receptores. Dispositivos de Micro ondas: Circuitos microcinta detectores de RF antenas micro cinta. Otras: Aeronáutica, sector automotor, comunicaciones marítimas, aplicaciones militares
CONCLUSIONES Las Antenas fractales son una buena alternativa para los exigentes requerimientos en los nuevos sistemas de comunicación. El diseño de éstas implican interdisciplinariedad, ya que se requieren conocimientos de matemáticas fractales y teoría Electromagnética. Constituyen un nuevo campo de oportunidades.