Los Terminales

El otro elemento clave en el sistema DVB-SH son los terminales. La existencia de dos arquitecturas implica la presencia de dos categorías de terminales disponibles, uno para cada arquitectura.

Mientras que los terminales de tipo SH-B son compatibles con una arquitectura SH-A, pudiendo funcionar tanto en una red SFN como MFN, los terminales de tipo SHA no pueden funcionar en arquitecturas SH-B, dado que no disponen del receptor TDM.

Uno de los fenomenos mas habituales en la recepción via satélite son las largas interrupciones de la línea de visibilidad con el satelite. Como consecuencia se producen desvanecimientos ocasionados por edificios, puentes… A nivel del receptor este problema se resuelve utilizando memorias de acceso directo en los chips que permiten recuperarnos de desvanecimientos de hasta 10s. Por otra parte, la red de retrasmisión terrestre utilizando las antenas 3G permite reducir los puntos de perdida de señal considerablemente.

Ejemplo:

No he podido encontrar características de antenas de terminales DVB-SH. A continuación muestro un ejemplo de antena comercial para un terminal de la red DVB-H:

Se trata de una antena para terminal de TV móvil en banda dual UHF-banda L.

Esta antena se utiliza principalmente para teléfonos móviles, pdas, ultra mobile PCs y sus principales beneficios son el reducido tamaño y la modularidad. También presenta un elevado factor de aislamiento con la red GSM.

El diagrama de radiación es omnidireccional con una ganancia +-2dB. Su peso es inferior a 2gramos y el rango de frecuencias donde puede trabajar (coexistiendo con GSM) es 470MHz a 698MHz y 1670MHz a 1675MHz.

En la figura siguiente vemos como se colocaría la antena insertada en un terminal móvil.


En la siguiente figura se muestra el detalle de cómo se debe realizar la soldadura de la antena sobre la placa PCB:

Links usados para este post:

http://www.fractus.com/

Bueno, y hasta aqui ha sido todo por el momento en lo que al sistema DVB-H/SH y los distintos tipos de antenas. Espero poder mejorar los post con mas links y fotos.

DVB-SH el sistema satelital.

Una de las piezas claves del sistema DVB-SH es el satélite. La arquitectura de la solución esta basada en una distribución híbrida terrestre-satelital de la señal.

Por un lado tenemos el centro de producción de contenidos que envía la señal al satélite geoestacionario. El satélite retransmite la señal a sus zonas de cobertura y a los repetidores terrestres (emplazamientos de telefonía 3 G) que proporcionan la cobertura complementaria a aquellas zonas donde la señal de satélite se ve seriamente degradada. Además la red terrestre permite aumentar la capacidad del sistema.

El aumento de capacidad se efectua porque el sistema DVB-SH emplea señales OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) en la red terrestre complementaria y señales OFDM o TDM en la transmisión vía satélite. La utilización de OFDM permite desplegar redes de frecuencia única SFN, en las que los receptores pueden combinar todas las señales provenientes de los transmisores a su alcance (incluido el satélite), siempre y cuando el retardo entre señales no supere el intervalo de guarda de la señal OFDM. Por otra parte DVB-SH permite además el empleo de la forma de onda TDM para la componente satelital, la cual permite mayores potencias de transmisión en el satélite.

La presencia de dos capas físicas (TDM/OFDM) aumenta las posibilidades de configuración del sistema, y da lugar a dos arquitecturas diferentes:

-Arquitectura SH-A: tanto la componente satelital como la componente terrestre emplean la forma de onda OFDM.
-Arquitectura SH-B: la componente satelital emplea la forma de onda TDM mientras que la componente terrestre emplea OFDM.

La arquitectura SH-A posibilita la creación de redes de frecuencia única SFN :

- transmiten los mismos contenidos a la misma frecuencia
- permiten una elevada eficiencia espectral
- imponen que la señal transmitida por la componente terrestre sea idéntica a la transmitida por la componente satelital en todo el territorio bajo la huella del satélite.

En esta arquitectura también se pueden emplear redes MFN (Multi Frequency Networks), en las que, aunque tanto la componente satelital como la terrestre emplean OFDM y transmiten en canales de frecuencia diferentes. Las mejoras son:
- se reduce la eficiencia espectral,
- es posible la transmisión de contenidos locales
- es posible ajustar los parámetros de transmisión en cada región o ciudad : planificación óptima

Algunas técnicas empleadas para mejorar la calidad de la señal : soft-combining ( en las que las señales radioeléctricas provenientes del satélite y de la red terrestre se combinan en banda base), code-combining (permite obtener una ganancia adicional por diversidad) .

En una arquitectura de tipo SH-B, cada una de las dos componentes que constituyen la red DVB-SH emplea una forma de onda diferente, por lo que es necesario que transmitan en diferentes frecuencias para no interferirse entre sí. Esto permite:

- reducción de la eficiencia espectral de la red
- la transmisión desde satélite alcanza un mayor rendimiento gracias al empleo de TDM.


LA ANTENAS DEL SATELITE

La arquitectura híbrida terrestre satelital plantea una gran cantidad de posibilidades, convirtiendo la planificación DVB-SH en una tarea mucho más flexible y compleja que en DVB-H, especialmente si se empelan satélites con capacidad multihaz.

Dichos satélites están equipados con agrupaciones de antenas y sistemas de alimentación capaces de generar complejos diagramas de radiación.

Gracias a dichos diagramas es posible conseguir zonas de cobertura independientes y solapadas entre sí con un único satélite. Este tipo de satélites son aconsejables en zonas de gran diversidad lingüística y cultural como es el caso de Europa, ya que permiten particularizar los contenidos que se transmiten por cada uno de los haces.

El 14 abril 2008 el satelite ICO G1 fue declarado operativo. Este satélite, construido en la plataforma Loras 1300 proporciona gracias a su tecnología la flexibilidad necesaria para maximizar el uso del espectro radio y proporcionar soluciones avanzadas MSS (mobile satelite services). El sistema es capaz de soportar un amplio rango de tecnologías Standard como Wimax, GSM, CDMA, GMR y DVB-SH.

El satélite que utiliza la tecnología GBBF (ground base beamforming) en ambos modos transmisión y recepción que permite la creación desde 1 a 250 distintos lóbulos sobre el territorio de cobertura sin realizar ningún cambio en el satélite.

Harris Government Communications Systems fue la empresa encargada de diseñar el reflector, que seria embarcado en el sistema espacial Loral, para su posterior despliegue en el espacio.

VIDEO click!

El reflector tiene 12 metros de diametro y dispone de unas características únicas que le permiten estar guardado como un paraguas en unas dimensiones muy pequeñas y a su vez proporciona una gran ganancia y un comportamiento especialmente diseñado para las aplicaciones de servicios moviles interactivos

Algunas fotos durante su diseño:

El satélite fue puesto en orbita el 14 de abril desde Cape Canaveral y proporcionara servicios de comunicaciones de nueva generación en US, Puerto Rico and the Virgin Islands. La el reflector se centra en la frecuencias de banda S, y esta creado utilizando una supefice de gold-plated mesh patentada por Harris.

Foto del sistema de antena desplegado en el espacio y en los laboratorios:

Algunos links utilizados en este post.

www.harris.com
www.antennasonline.com
www.satmagazine.com
www.ico.com

Reutilización del sistema de telefonía móvil : El montaje de las antenas

En este último post dedicado a el sistema de telefonía movil, cuya estructura a nivel de antenas es completamente reutilizada por el sistema de distribución de televisión movil (DVB-SH), lo dedicamos a las distintas formas en que las antenas son montadas, en los distintos emplazamientos. Esta parte del proyecto, adquisición del sitio y montaje de la estructura de la antena es una de las que mayores costes tiene para los operadores.

El montaje de la antena depende principalmente del emplazamiento (espacio disponible y regulaciones a las que esta sujeto) y las caracteristicas físicas de la antena.

Partes de la antena:
En la figura siguiente un dibujo generico de los principales elementos que se utilizan para el montaje de una antena. En él podemos ver los anclajes, jumpers, mastil, cables, conectores y todo tipo de accesorios que son necesarios para la sujección y la correcta conexión de la antena a las estación base.

VIDEO: Montaje de una antena GSM en un emplazamiento rural. click!

(a) Antenas omnidireccionales.
Si lo alto de una torre o un mástil están disponibles, las antenas omnidireccionales son las preferidas. Hay que tener en cuenta mantener la distancia adecuada para que se produzca la deseada decorrelación de señales.

(b) Montaje de paneles.
En configuraciones cuadrangulares o triangulares, los paneles se fijan en los laterales de la torre (ver dibujo).



(c.) Montaje en tejados.
Especialmente en los edificios mas altos se coloca un pequeño mástil que servirá para instalar la antena (ver dibujo)


(d) Montaje en la pared.
También un pequeño mástil nos servirá de agarre para montar las antenas en las paredes o borde de los tejados .

VIDEO

Complejo montaje de una antena en una torre. Click!

Hasta aqui la descripción de algunas de las antenas usadas en el sistema de telefonía. En los siguientes post hablaremos de algunos de los tipos de antenas que podemos encontrar en terminales móviles para DVB-H/SH.

Reutilización del sistema de telefonía móvil : Antenas en Microcélulas

Finalmente, un ultimo tipo de antenas que vamos a describir de los sistemas de telefonía moviles son las antenas que dan cobertura en los entornos microcelulares (entornos urbanos indoor & outdoor: centros comerciales, edificios...)

En estos entornos existe una gran contribución del efecto multicamino, y mucho tráfico debido a una gran densidad de usuarios. Parámetros como la ganancia o el diagrama de radiación pierden importancia y otros elementos como la estética de la antena y su mimetismo con el entorno donde se va a montar son mas relevantes a la hora de realizar la elección.

Las antenas en microcélulas se instalan generalmente a baja altura, con trasmisores de baja potencia, y en localizaciones muy diversas (techos, paneles, mobiliario urbano, …). En estos entornos es también de gran importancia que la estación base (micro-BTS) no sea intrusiva visualmente.

Ejemplos indoor and outdoor:

Para estos entornos se han desarrollado micro estaciones base que dan servicio a una celda. En la figura siguiente podemos ver las distintas configuraciones que estas microestaciones pueden soportar.

La microestación base tiene incluido un diplexor que combina las señales de trasmisión y recepción. Las antenas utlizadas tiene polarización simple (vertical) o polarización curzada.

Ejemplo de antena indoor multibanda con combinador integrado:

Parámetros principales:

Frecuencias: 806MHz-960MHz, 1710MHz-2700MHz
Polarización: Vertical
Ganancia: 7dBi
Ancho banda -3dB: Horizontal 90º
VSWR: '<2>

Ejemplo de antena indoor omnidireccional, multibanda:

Parametros principales.

Frecuencias: 806MHz-960MHz & 1425MHz-3800MHz & 5150MHz-6000MHz
Polarización: Vertical
Ganancia: 2dBi
Impedancia: 50 ohminos.
VSWR: varía según la frecuencia entre 1.4 y 2.0
Potencia máxima: 50W (50ºC temperatura ambiente)
Diámetro: 258mm
Altura: 94mm
Reflector: Aluminio

Estas antenas, también son especialmente reutilizadas por el sistema DVB-SH para dar cobertura en zonas donde la señal de los repetidores de telefonía outdoor o la señal del satélite no llega con suficiente potencia.

Reutilización del sistema de telefonía móvil: Antenas multibanda

En el post anterior hemos visto las antenas que trabajan en una sola banda de frecuencias, pero en entornos donde por distintas causas tienen que coexistir sistemas en varios rangos de frecuencia resultan mucho mas coste-efectivas utilizar antenas multibanda.

Son antenas que pueden trabajar en distintos rangos de frecuencia permitiendo su uso para aplicaciones GSM/UMTS. Entre otros beneficios, uno de los principales es la reducción del número de antenas y la mejora del impacto visual.

Entre las antenas dual-banda, tenemos GSM900/UMTS, GSM900/GSM1800, GSM1800/UMTS. Estas antenas pueden ser con polarización simple o polarización dual/cruzada.

La característica principal de este tipo de antenas es que son adecuadas para dos bandas de frecuencias. En consecuencia tenemos dos conectores distintos para polarización simple y cuatro si se trata de polarización cruzada. Podemos también añadir un diplexor a este tipo de antenas, lo cual nos permitirá utilizar un alimentador común entre antena y estación base (BTS)

Los diplexores.
Son dispositivos de tres puertos que pueden ser utilizados de dos formas distintas:
- Puerto 1 conectado a la BTS trabajando en la banda de baja frecuencia (ej. GSM900)
- Puerto 2 conectado a la BTS trabajando en la banda de alta frecuencia (ej. GSM1800)
- Puerto 3 común a ambas frecuencias conecta el cable alimentador y la antena.

O también utilizado:
- Puerto 1 conectado a la antena trabajando en la banda de baja frecuencia (ej. GSM900)
- Puerto 2 conectado a la antena trabajando en la banda de alta frecuencia (ej. GSM1800)
- Puerto 3 común a ambas frecuencias conecta el cable alimentador y la BTS.

El diplexor es atravesado tanto por la señal tanto en transmisión como en recepción e introduce unas pérdidas de inserción de 0.3dB. Estas pérdidas y el coste añadido del diplexor son justificables ya que únicamente utilizamos un sistema de alimentación que tiene un coste mas elevado. Sin embargo hay que comprobar siempre que el alimentador cumple los requisitos en ambas bandas de frecuencia ( la atenuación aumenta con la frecuencia).

Una desventaja del uso de antenas dual-banda con diplexor es que en ambas bandas de frecuencia tenemos que aplicar el mismo tilt.

Ejemplo antena dual-band: 2 Multiband pannel, dual polarization, electrical downtilt variable. GSM1800/UMTS

Parametros principales:

Rango de frecuencias: 1710MHz-2180MHz

Bandas: 1710MHz-1880MHz and 1920MHz-2180MHz

Polarización: Cruzada +45º,-45º

Ganancia,tilt en banda [1710MHz-1880MHz]: (16,1dBi, 0º), (15.3dBi,5º), (16dBi,10º)

Ganancia,tilt en banda [1920MHz-2180MHz]:(16.5dBi,0º), (16.7dBi,5º), (16,2dBi,10º)

Ancho de banda a -3dB: 88º en ambas bandas.

Tilt eléctrico ajustable de manera contínua de 0 a 10º.

Relación delante/detras: >24dB

Aislamiento Intrasystem:>30dB

Aislamiento Intersystem:>30dB

Impedancia: 50 ohmios

VSWR: <1.5

Intemodulación IM3: <150dbc

Máxima potencia por entrada: 300W a 50ºC temperatura ambiente.

Diagramas de radiación horizontal/vertical:

Elección de antena dual banda o dos antenas una para cada banda. Ejemplos.

(a) El operador tiene construida su red GSM900 y ha adquirido una licencia UMTS. Estamos en un entorno urbano donde ya se ha realizado una operación de densificación reduciendo los tamaños de celda y sectorizando las antenas omnidireccionales. Para instalar en la misma cobertura la red UMTS es recomendable cambiar las antenas GSM900 por antenas dual-banda GSM900/UMTS para evitar incrementar el numero de antenas de 3 o 6, a 6 o 12. O lo que todavía es más costoso y complejo, adquirir un nuevo emplazamiento para la red UMTS.

(b) El operador quiere construir la red UMTS en zonas de bajo tráfico donde ya tiene implantadas su red GSM900. Como inicialmente la cobertura de GSM900 va a ser mayor, tiene mas sentido implantar antenas independientes para UMTS por ejemplo en zonas urbanas.

En los sistemas multibanda tenemos que utilizar mas de un ANc por celda, concretamente uno por banda.


Antenas Triple Banda:

El sistema de antena triple banda necesita al menos 6 alimentadores por sector. Si se comparten los alimentadores el numero puede reducirse hasta dos por sector.

Una configuración utilizando triplexores, permite tener únicamente dos cables de alimentación por sector para las tres bandas. Un inconveniente de esta configuración es que los conectores deben mantener sus características en las tres bandas y el sistema compartirá el mismo tilt.

Para dar una mayor flexibilidad se propone separar los cables de alimentación entre GSM900 y GSM1800/UMTS.

Las ventajas de este modo de trabajo son:
- Mayor flexibilidad en la elección del alimentador.
- Mejoras en el desacoplo de las señales con los diplexores.

Hasta aqui un repaso a algunos de las características principales de las antenas multibanda. Volviendo a nuestra aplicación de partida, la television broadcast sobre dispositivos móviles, es precisamente en los emplazamientos con este tipo de antenas donde se reutiliza la infraestructura existente para añadir la señal DVB-SH.

Fabricantes:

www.rfsworld.com

www.kathrein.com

www.tongyu.com

Reutilización del sitema de telefonia móvil. Antenas básicas.

Continuando con el post anterior, el sistma DVB-SH aprovecha la infraestructura de red de telefonía móvil para trasmitir su señal. Concretamente y dada la proximidad en frecuencia reutiliza el sistema de antenas de 2.5G/3G, esto permite una gran reducción el CAPEX para la inversión inicial del operador. Las únicas modificaciones necesarias son a nivel del trasmisor donde la señal de televisión debera ser convenientemente combinada para ser trasmitida en la portadora RF.

Una de las principales diferencias de la señal con respecto a la señal de telefonía móvil es que en la trasmisión broadcast utilizamos una frecuencia única en todas las celdas. Esto permite mejorar la cobertura con menos repetidores o transmisores ya que las interferencias con otras celdas actúan de forma constructiva.

Dejando claro que únicamente los sistemas que trabajen en la banda proxima a 2.2GHz nos interesan para nuestra aplicacion de televisión broadcast en el móvil. Vamos aprovechar para analizar algunos de los tipos de antena utlizados en la telefonía móvil, concretamente GSM900, GSM1800 y UMTS.

La antena básica que encontramos es un dipolo con polarización vertical. Si nos encontramos en entornos con poca densidad de tráfico y en un emplazamiento elevado, la elección será una antena omnidireccional como la descrita a continuación:

Antena Omnidireccional con polarización vertical para GSM

Parámetros principales:

Antena Omnidireccional con polarización vertical para GSM
Parámetros principales:
Frecuencia: 870MHz-960MHz
Polarización: Vertical
Ganancia:11dBi
Impedancia: 50 ohmnios
VSWR: <1.5
Intermodulación IM3: <-153dBc
Máxima potencia: 500w (50º temperatura ambiente)
Conectores: Abajo, Female
Peso: 8kg
Diámetro del Radomo: 51mm
Carga del viento: 210N (150km/h)
Máxima velocidad del viento: 200km/h
Altura: 3033mm
Fabricante: Katherin
Radiador: Cobre y latón.
Montaje: Anclaje lateral al mástil.

Otro tipo de antenas que podemos encontrar son las denominadas de polarización dual o cruzada. Están formadas por un array de dipolos. Los dipolos con polarizaciones horizontal y vertical (+-45º) están intercalados. Para desacoplar las señales que vienen por los dipolos con distintas polarizaciones éstos se encuentran aislados par a par, con su propio conector de entrada. Esta técnica se considera también una alternativa a la diversidad espacial y nos permite reducir el tamaño de las antenas. Aunque en ocasiones se puede utilizar de manera complementaria a otras técnicas de diversidad.

Compact Panel con polarización cruzada para GSM con control de la elevación (tilt) eléctrico fijo.

Parámetros principales:

Frecuencia: 824MHz-894MHz
Polarización: Cruzada +45º,-45º
Ganancia: 2x17dBi
Ancho de banda a -3dB: Horizontal 66º, Vertical 10º
Relación delante-detrás: >30 dB
Aislamiento: >30dB
Supresión del lóbulo secundario ( 0-30º horzon): > 17dB
Impedancia: 50ohmios
VSWR: <1.4
Intermodulación IM3: <15dBc
Máxima potencia por entrada: 500W a 50ºC temperatura ambiente.
Fabricante: Katherin
Entrada 2-7x16 female
Peso: 9.5kg
Carga del viento: Frontal 340N, Lateral 220N, Trasero 750N ( 150km/h)
Máxima velocidad del viento: 200km/h
Altura/Anchura/Profundidad: 2062x272x160mm

Diagrama de radiación Horizontal/Vertical

Técnicas para optimizar los sistemas de antenas:

(1) Diversidad de espacial/polarización: El objetivo es la reducción del desvanecimiento corto plazo (short-term-fadding) mejorando la sensibilidad del receptor en lugar de aumentando la potencia del transmisor. Trasmitimos dos señales con la misma información pero parcialmente decorreladas. Esta decorrelación la obtenemos utilizando dos antenas separadas espacialmente una distancia adecuada (horizontal = 20m GSM900, 3m GSM1800/UMTS, vertical = 5m GSM900, 2.5m GSM1800/UMTS) o utilizando dos planos distintos de polarización (aconsejado para entornos urbanos). Las ganancias por diversidad pueden ser desde 2dB (entorno rural) hasta 6dB (entorno urbano).

(2) Beam Tilt: En zonas donde hay gran densidad de antenas es aconsejable modificar el apuntamiento del lóbulo principal en el plano vertical (downtilt).

Existen tres métodos para modificar el apuntamiento, y todos modifican por igual tanto en transmisión como en recepción:

- Mecánico: Sin duda el más coste-efectivo, se implementa en la fabricación de una específica antena bajo los requisitos del cliente. Una vez realizado el ajuste, siempre se puede volver a modificar. Sin embargo su gran inconveniente es que únicamente modifica el apuntamiento del lóbulo principal, dejando sin modificar los lóbulos secundarios.

VIDEO: click!

- Fijo eléctrico: Permite modificar el apuntamiento por igual tanto de lóbulo principal como de los secundarios, mejorando el control sobre las interferencias. Este tilt se consigue modificando la fase en la alimentación de la antena.



En el caso fijo, es el fabricante quien decide los grados (downtilt) que se baja el lóbulo y no es posible su posterior modificación (se puede modificar añadiendo un tilt mecánico). La introducción de nuevas antenas no es posible sin realizar una nueva planificación.

- Variable eléctrico: Nos permite modificar el apuntamiento de manera manual o remota, aumentando la flexibilidad de la antena y permitiendo la expansión y modificación de la red. Este tipo de antenas son mas caras. Valores típicos de tilt (0-10º). Se puede combinar tilt eléctrico y mecánico.

Elección del tipo de tilt: Mientras en una red GSM el tilt solo debe ser modificado cuando introducimos nuevos elementos/emplazamientos en la red (tilt mecánico o electrico fijo recomendado). En las redes UMTS existe una relación entre la capacidad, la cobertura y las interferencias que hace que el tilt deba ser modificado más frecuentemente ( tilt electrico variable).

En la siguiente figura el detalle de una antena con tilt electrico variable con control manual y a su lado una antena con tilt electrico variable con control remoto.

Sistema Radio de la Estación Base:

Las antenas se encuentran conectadas a las Estaciones Base donde estan entre otros elementos los transmisores. Un diagrama genérico de esta conxión se encuentra a continuación:

Entre la antena y el trasmisor se encuentra el modulo denominado ANC Antena Network Combiner que permite combinar las distintas señales provinentes de hasta 4 trasmisores. Para mayores capacidades se añaden mas niveles de combinadores. El ANc correspondiente proporciona a la antena dos caminos cada uno de ellos utilizado en transmisión y recepción. La señal recibida por un camino se utiliza como señal de diversidad para el otro camino.

Ejemplo de antena alimentada por un ANc. Las salidas de la red de combinadores son por un lado dos antenas con polarización lineal vertical, y por el otro lado, una única antena con polarización cruzada.




Cada ANc alimenta con dos cable alimentadores (feeders) a dos antenas con polarización única o a una antena con polarización cruzada. En la configuración estandar tenemos un ANc por célula. Sin embargo para trabajar en entornos muy sensibles a las perdidas, podemos modificar nuestro sistema, utilizando dos o tres ANc. Esto reduce el numero de niveles de combinación de señales, con lo que las perdiadas de inserción que cada uno de estos dispositivos se reduce, pero por otro lado también implica el aumentar el número de antenas por celda.

En la práctica, un estudio caso a caso se debe realizar para determinar que estructura escogemos.

Hasta aqui una visión de las antenas outdoor que conmunmente utilizadas en telefonía móvil, trabajando en una única banda de frecuencia y como se interconectan con las estaciones base.

Enlaces a fabricantes:

www.rfsworld .com

http://www.kathrein.com/

http://www.tongyu.com/

Unlimited TV :DVB-H/SH

Uno de los servicios estrella en los operadores es la televisión móvil. Las restricciones técnicas han sido superadas y actualmente es posible ofrecer una calidad y experiencia usuario similar a la TDT. El objetivo de los siguientes post es analizar algunos de los ejemplos de antenas que aparecen en este complejo sistema de radiodifusión de contenidos utiliza.

En esta primera figura podemos ver la arquitectura genérica de un sistema de televisión móvil :

Una de los servicios que estan llamados a despegar con fuerza en los próximos meses es la llamada televisión móvil. Este servicio es considerado como un elemento clave en el futuro modelo de negocio de los operadores y se plantea como el paso definitivo en la convergencia entre la telefonía y la televisión. El objetivo de la televisión móvil es ofrecer contenidos multimedia y servicios interactivos con una gran cobertura manteniendo las expectativas a nivel de calidad y user experience.

A grandes rasgos tenemos una plataforma de servicios de televisión móvil donde llegan los contenidos ya sean en directo o almacenados y que se encarga basicamente de codificar dependiendo del perfil de usuario (calidad que puede recibir segun la red con la que se conecta) y el modo en que va a ser distribuido el programa (unicast o broadcast). También añade informaciones adicionales y en el caso de contenidos restringidos (caso broadcast) introduce el acceso condicional (el usuario debera estar abonado al canal y su terminal disponer de una clave para desencriptar la información).

Existen distintos enfoques a la hora de planificar y desarrollar este nuevo servicio. Nosotros vamos a describir un modelo híbrido Unicast-Broadcast basado en el estandar DVB-SH, que es considerado como la solución más flexible y que presenta menos problemas desde el punto de vista de implantación a los operadores.

Las primeras experiencias de televisión móvil estan enfocadas a grupos reducidos de usuarios, abonados 2.5/3G que establecen una conexión unicast y reciben en streaming un video bajo demanda, canales de televisión en directo o nearlive. La calidad y tasa de transmisión de los contenidos es adaptativa según distintos factores ( tipo de terminal, calidad de la señal, tipo de red..) para ofrecer en cada momento la experiencia optima. Este sistema resulta caro desde el punto de vista del usuario y como necesita de una buena cobertura 3G no permite acceder a un mercado masivo. Sin embargo es con la aparición de la norma DVB-H (la versión móvil de la televisión digital terrestre DVB-T) y mas recientemente el DVB-SH (extensión de la norma a banda S) se abre la posibilidad de una difusión broadcast de contenidos llegando a una cobertura similar a la televisión analogica, lo que permite reducción del precio para los usuarios y aumento de abonados para los operadores.

Existen dos franjas de frecuencias preferidas en las que es posible la transmisión broadcast de televisión móvil (ver figura).

De todas las bandas posibles, la más interesante es la banda S (2.2GHz). Las principales ventajas son:
- No se encuentra en competencia con otro servicio. Esta libre. UHF esta ocupada en Europa hasta que se realice el apagón analógico.
- Próxima a las frecuencias de 3G. Permite reutilizar equipos, antenas y emplazamientos muy costosos.
- Antenas receptoras mas pequeñas, va a permitir diversidad espacial en recepción.
- Mayor eficiencia espectral.
- Posibilidad de combinar una topología de red terrestre + satélite. Gran versatilidad que se adapta a todo tipo de entorno.

Sin embargo, una solución óptima es el uso de receptores duales DVB-H/SH y aprovechar ambas infraestructuras la de telefonía 3G y la de transmisión de televisión en UHF para proporcionar una elevada cobertura a un bajo coste de implantación.

Un sistema típico DVB-SH basado en un arquitectura hibrida que combina una componente satélite, y cuando esta disponible, un sistema CGC (complementary ground component) que consiste en repetidores terrestres alimentados por una red de distribución de contenidos broadcast (fibra, DSL..).
Los repetidores pueden ser de tres tipos:

1) Transmisores Terrestres: forman parte de la infraestructura broadcast existente, que va a complementar la recepción de la señal via satélite, especialmente en zonas donde la recepción sea difícil, zonas urbanas, indoor… Estos trasmisores reutilizan la infraestructura existente de telefonía móvil, aunque también se pueden colocar en stand-alone. La inserción de contenido de interés local es posible en este nivel de la arquitectura.

2) ‘Personal Gap Fillers’ : Tienen una cobertura limitada y permiten la retrasmisión en la misma frecuencia o el cambio de frecuencia de la señal. Un uso típico es la cobertura indoor en lugares donde no llega la señal del satelite. No es posible la inserción de contenido en este punto.

3) Trasmisores móviles: Infraestructura complementaria para dar cobertura en trenes, barcos u otros entornos donde la continuidad en la recepción via satélite o terrestre no esta garantizada. Es posible la inserción de contenidos.

En los siguientes post, entraremos uno por uno en los distintos sistemas radio describiendo con mas detenimiento los trasnmisores y los principales tipos de antenas utilizadas.

LINKS A VIDEOS
1) Video con la descripción del sistema de mobileTV 'Unlimited TV' que propone Alcatel-Lucent, click!

2) Videos sobre el lanzamiento y el despliegue de las antenas del satelite ICO, click1!, click2!

Antena para WiMAX.

Adaptative Antenna Systems.

En este primer ejemplo del blog de Antenas vamos a hablar de las antenas utilizadas en los sistemas WiMAX y concretamente nos centraremos en el tipo de antena mas común utilizado en la construcción de este tipo de redes: las antenas adaptativas o smart antenas.

INTRODUCCIÓN

WiMAX es una tecnología diseñada para proporcionar un acceso inalámbrico a las redes de datos con unas velocidades de trasferencia elevadas y a diferencia del WiFi, permitiendo una gran area de cobertura (como una red 2G/3G). Esta tecnología se presenta también como una solución para llevar el acceso a internet de alta velocidad a entornos rurales donde las redes de cable resultan demasiado costosas o muy complejas.

En el diseño de la red WiMAX aunque similar a una red 2G/3G es necesario tener en cuenta las siguientes peculiridades:

• Trabaja a mas altas frecuencias : 2.3GHz, 2.5GHz o 3.5GHz y a mayor frecuencia mayor es la atenuación.
  
• El ancho de banda es mayor (5MHz-10MHz) debido a que require unas tasas de transferncia altas y esto reduce la sensibilidad del receptor.
  
• Necesita utilizar modulaciones con gran número de símbolos (64QAM) con lo que la interferencia en las celdas debe ser muy baja.
  
• Necesita ofrecer una buena cobertura indoor en todo tipo de entornos.
  

En nuestro ejemplo, un nuevo operador WiMAX planea construir su red de cobertura nacional para ofrecer servicios de banda ancha en cinco años. En la primera fase únicamente se va a dar servicio a los grandes núcleos urbanos del pais y se le da mas prioridad a proporcionar una buena cobertura que a tener un gran ancho de banda global. Inicialmente el número de usuarios será bajo por lo que la capacidad no será un inconveniente. En la segunda fase se tendrá que aumentar la capacidad de la red y proporcionar cobertura a los usuarios rurales y en las principales vias de comunicación entre ciudades (autopistas, carreteras, ferrocarriles...).

La arquitectura genérica de la red End-to-End es la siguiente:

LA RED DE ACCESO RADIO (Radio Access Network):

La red de acceso WiMAX esta formada principalmente por tres elementos básicos:

1) Los terminales de usuario: Siguiendo la norma 802.16e hay en el mercado dos tipos de dispositivos:

• Wireless DSL modems que permiten el acceso fijo utilizando ordenadores portatiles, telefonos VoIP y estan orientados a usuarios tanto residenciales como corporativos (en la oficina).
  
• Terminales de acceso Nómada: Utilizando una tarjeta PCMCIA basada en la norma y que permite el acceso con total movilidad a la red.
  

2) WiMAX Base Station: Conectan los terminales de usuario a la red cableada y a los servidores (Internet).

3) WiMAX Access Control: Se encarga del control de acceso autentificacion y autorización de los usuarios. Gestiona los permisos y los tipos de acceso que cada usuario tiene sobre los recursos de la red.

LA ESTACIÓN BASE:

Esta compuesta principalmente por cuatro módulos (ver diagrama):

• Módulo encargado de la transmisión y el procesado de la señal en banda base.
• Módulo con los filtros RF, los amplificadores bajo ruido (LNA) y los filtros de la antena. (FEU)
• Módulo encargado de la conversión A/D y la modulación en RF.
• Módulo de alimentación.

La estación base se conecta por un lado con las antenas que darán cobertura a varias células y por el otro lado con la red cableada (fibra) o radioenlaces punto a punto que la interconectan al backbone de la red y los servidores. Normalmente el area de cobertura se divide en tres 3 sectores cada uno con una estación base y una antena (ver figura).

LA ANTENA.

En nuestro ejemplo para cumplir todos los requisitos técnicos en los distintos entornos y teniendo en cuenta la segunda fase del proyecto donde se requerirá un aumento de la capacidad tanto en Uplink como en DownLink, escogemos un sistema de antena adaptativa (ver figura) que esta formado la estación base y un array de cuatro antenas separadas media longitud de onda. El elemento fundamental de cada antena del array son antenas lineales (dipolos).

Cada antena es utilizada tanto en transmisión como en recepcion y están conectadas al tranceiver FEU (filtros + amplificadores de potencia +moduladore/demoduladores = Front End Unit) por un conector tipo N.

Parametros de la antena:

• Impedancia de Entrada: 50ohmios (ver VSWR)
• Rango de frecuencias: 3.3GHz-3.8GHz
• Ancho de banda 500MHz
• Ganancia lóbulo principal: 21dBi
• Ganancia de cada columna: 15 dBi
• Separación entre los elementos que forman las columnas: 0.45 λ -0.55λ
• Ancho haz -3dB: 7º
• Polarización: Vertical
• Diagrama de radiación:

Otras configuraciones de antenas posibles a conectar a nuestra estación base son:

• Utilizar dos antenas simples polarizadas verticalmente (1TX/2RX), preferida en entornos rurales.
• Utilizar dipolos cruzados con polarizacion horizontal y vertical, preferida en entornos urbanos con muchas reflexiones.
• Un array de cuatro antenas AAS (adaptative antenna system). (Solucion escogida en nuestro ejemplo)

¿Porqué se denominan antenas adaptativas?

Las AAS están formadas por un array de antenas y un sistema de procesado digital (DSP). Este sistema de procesado es el que dota de inteligencia a la antena y su misión es la de modificar el diagrama de radición del conjunto de antenas maximizando la directividad del lóbulo principal en las direcciones donde se encuentra la señal deseada y a su vez colocando mínimos o nulos en las direcciones donde estan las interferencias.
La alteración del diagrama de radiación se realiza de forma adaptativa según el estado del entorno ajustando mediante un algoritmo la amplitud y la fase relativa de los diferentes elementos del array.

Nuestro sistema de antena + estacion base tiene una gran versatilidad y puede ser utilizada tanto en entornos urbanos/sub-urbanos como rurales. Ademas y de cara a mejorar las prestaciones de la red en la segunda fase del proyecto, permite la implementación de técnicas de optimización como el Beamforming y MIMO.

Beamforming:
Esta técnica permite la mejora de la calidad de la señal, aumentando el área de cobertura de la antena. Ademas favorece la disminución de las interferencias permitiendo utilizar patrones de modulación con mas símbolos y aumentando así la tasa de transferencia y el througput del sistema.
El principio del Beamforming es la combinación coherente de las señales transmitidas/recibidas desde/hacia los terminales. Esta combinación de señales provoca un haz formado hacia la dirección principal de energía recibida (en la dirección del usuario). Esta técnica es muy beneficiosa en entornos en los cuales las recepciones por multicamino son limitadas y la hace especialmente recomendada para cobertura marco-celular. En el caso particular de nuestra antena, es posible generar varios haces independientes (uno por sub-canal).

Además, la técnica de Beamforming permite la supresión de lóbulos fuera del haz principal, permitiendo eliminar las interferencias. Concretamente para una agrupación de M antenas, M-1 elementos interferentes pueden ser explicitamente cancelados si son posibles de separar espacialmente. Esto provoca una mejora den la relacion senyal interferencia de 25dB en el uplink!

Impacto en la antena: El BF esta basado en el uso de señales coherentes por lo que la separación entre antenas debe ser media longitud de onda. Esto implica a frecuencias de 3.5GHz unas dimensiones de antena entorno 24cm de ancho (mucho menores que utilizando técnicas de diversidad espacial donde se necesitan al menos 10 longitudes de onda para obtener señales decorreladas)

Impacto en los termniales: Ninguna modificación deber realizarse en los terminales para beneficiarse de las ventajas del BF.

Resumiendo el Beamforming proporciona:

• Mejor cobertura tanto en downlink como en uplink. Reducción del número de estación bases a instalar.
• Reducción de interferencias tanto en el downlink como en el uplink.
• Mejoras en la capacidad.
• Simplicidad de los terminales.
• Funcionamiento estable en todos los entornos (rural, urbano)

MIMO:
Multiple input- Multiple Output utiliza multiples transmisores/receptores buscando reducir el short-term fading mejorado la sensibilidad del recepetor sin aumentar la potencia transmitida o el ancho de banda. Esto permite aumentar la tasa de datos transmitidos y recibidos asi como la eficiencia espectral. Los esquemas utilizados para implementar esta técnica requieren de al menos dos antenas (configuración soportada por la estación base) : 2x2 diversidad espacio-temporal (STB), 2x2 multiplexación espacial y virtual MIMO.

Justificación de la elección del sistema de antena:

Para nuestro proyecto necesitamos un sistema de antena+estación base que nos permita ser flexibles, adaptarnos a los distintos entornos y ofrecer mejores prestaciones en una segunda fase sin tener que realizar costosas inversiones. Es por ello que el sistema de antena adaptativa permite gracias al Beamforming reducir la inversión inicial del operador aumentando la cobertura (40% menos de estaciones base necesarias) y sin un gran impacto en los terminales. En una segunda fase la técnica de MIMO permitira aumentar la capacidad en los entornos mas densamente poblados, con el inconveniente que los terminales deberan estar adaptados (doble antena).

Links a fabricantes de antenas utilizados en el ejemplo:

http://www.rfsworld.com/

http://www.kathrein.com/