Adaptative Antenna Systems.
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 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.
- 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).
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. - 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:
