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.

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- 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/