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Análisis del impacto futuro de Smart Antenas en redes de tercera generación
Análisis del impacto futuro de Smart Antenas en redes de tercera generación Félix Castejón Ingeniero de Red castejó[email protected] Las antenas siempre han sido un elemento pasivo dentro del sistema radio en las bandas de frecuencia de 900 ó 1800 MHz de la red de telefonía móvil celular y utilizadas en el sistema GSM estándar. Sus características de diseño: ganancia, amplitud del haz en el plano horizontal y vertical, relación de lóbulo principal a secundario, nos han posibilitado estudiar su interacción en la red, donde han condicionado el área de cobertura de la celda. Los despliegues de los operadores en las distintas fases, han contado desde su inicio con antenas sectoriales, formadas por arrays ranurados o de dipolos diseñados para las frecuencias de trabajo de los sistemas TACS y GSM 900. Con la concesión de licencias en la banda DCS, se empezaron a instalar arrays con diversidad en polarización ± 45º,de forma que se obtuvo una ganancia por diversidad en polarización que constituye una técnica de combinación espacial distinta a la usada, y con menor impacto visual en un entorno urbano. Los despliegues anteriores de red mediante el uso de herramientas software de predicción y posterior site survey, han diseñado celdas hexagonales, con sectorizaciones a 120º fijas, como patrón. Las fases iniciales de los despliegues para el sistema UMTS se realizan sobre los emplazamientos existentes instalados por los operadores, haciéndolos cositting con los ya existentes. Los requerimientos de nivel de señal para los distintos servicios de CS y PS van a requerir, en muchos casos, emplazamientos nuevos a menor distancia, debido a la atenuación en la propagación, banda 2 GHz. y la limitación de potencia de transmisión en la BS. En centros urbanos de grandes ciudades que no se pueda aumentar el número de emplazamientos se tendrá que hacer uso de sistemas más adaptativos y versátiles, como el empleo de “antenas inteligentes” (SA), capaces de ofrecer al usuario las tasas binarias que llegaran en un futuro hasta 2 Mbps en coberturas de exteriores e indoor. Tomemos por ejemplo el servicio que se quiere ofrecer desde la empresa Mobipay, fundada por operadores móviles y entidades financieras, donde el consumidor llegará a pagar con su terminal en toda clase de comercios y centros comerciales, lógicamente será necesario un nivel de cobertura suficiente para asegurar el correcto funcionamiento in-building de los terminales. En UMTS, los canales del downlink no se pueden separar perfectamente debido al multipath existente, además la posición del móvil condiciona la interferencia que provocan las estaciones de los alrededores. En los canales del uplink, los distintos móviles van a interferir la recepción en la BS aumentando la BER y BLER. lu Tecnología y Sociedad BIT 141 OCT.-NOV. 68 2003En sistemas CDMA, vamos a contar con una media de 12 dB de fading lognormal en los entornos urbanos, ciudades de tamaño medio o grande, lo que hará agradecer una ganancia adicional, la eliminación de la interferencia y la minimización del fading en los canales, proporcionada por el empleo de SA en las redes de tercera generación. Este beneficio se puede cifrar en términos de capacidad en un aumento de 2,5 veces mayor, en simulaciones del servicio realizadas con un tráfico mixto voz/datos a distintas velocidades Las SA, a diferencia de las antenas convencionales, se pueden descomponer en dos elementos; el “hardware”, formado por un array de elementos implementados en distintas tecnologías y el “beamforming”, la más importante y novedosa formada por un software de procesamiento de la señal. En esta parte se encuentran actualmente todos los esfuerzos investigadores, y han dado lugar a una clasificación de algoritmos basados en características de la señal: su estructura temporal, tonos piloto en el caso de redes CDMA, basados en su estructura espacial DOA, (Direction of Arrival) y los denominados algoritmos ciegos, basados en la estructura de la señal transmitida. Podemos en una segunda aproximación distinguir entre dos etapas del desarrollo de las SA. Las antenas de haces conmutados, que son un conjunto de haces conmutables por software basándose en los enlaces establecidos y posición del usuario y las antenas adaptativas, capaces de modificar no sólo el lóbulo principal de la antena sino su diagrama de radiación entero, diferencia substancial comparada con las antenas empleadas hasta hoy, de diagrama de radiación fijo. Existen ya soluciones comerciales basadas en arrays conmutadas, como las ofrecidas por empresas ejemplo: Metawave y Arraycomm en los EE.UU. y experiencias entre suministradores como Ericsson con operadores europeos, por ejemplo Mannesman en sus servicios GSM. Estas son pioneras de las antenas adaptativas que prestarán servicio en las futuras redes UMTS reduciendo interferencias, aunque a un coste elevado frente a los instalado actualmente. Si tal como se prevé por parte de los suministradores, las redes de telefonía móvil evolucionan finalmente a una red global UMTS, los operadores se verán obligados a disponer de una red mucho más versátil, que estará basada y ampliada sobre la existente GSM en la actualidad. Las SA en las redes UMTS van a beneficiar principalmente en: – Incremento de la capacidad al disminuir la interferencia entre usuarios, en el uplink que se traduce en un incremento de cobertura. – En el downlink, al transmitir menos potencia, incrementará la capacidad, ya que como sabemos en el sistema UMTS la potencia es un recurso compartido por los usuarios en el downlink. – Las SA van a suponer un aumento de la cobertura y capacidad, cualidades que las harán muy útiles en las redes UMTS cuando estas tengan la mayoría de abonados en su red de voz y datos. Las SA serán capaces de hacer un seguimiento dinámico de los focos de tráfico que se generan, seremos capaces de concentrar la energía allá donde la necesitemos, y anular los efectos adversos de las interferencias que se producen derivadas de sobre alcances, reflexiones y refracciones en los scatterers. Los hot spots se cubrirán con mas eficiencia y mayor capacidad que con las microcélulas, y en muchos casos desde las BS macros se mejoraran las situaciones de NLOS, (nonline of sight) y coberturas in-building.. .El real decreto y orden ministerial aparecidos en España, junto a la preocupación creciente de exposición electromagnética en personas, han hecho que los temas relacionados con la radiación desde los emplazamientos de las redes actuales de telefonía móvil se encuentren "bajo lupa”. El empleo de SA en estaciones ubicadas dentro de zonas urbanas densas minimiza la exposición permanente e innecesaria en espacios denominados “sensibles”. La tecnología aportada por las SA podrá solucionar muchos problemas puntuales, como la concentración de mucha densidad de campo, e incluso en un futuro forzar nulos en la dirección de punto sensibles evitando una continua exposición. Las futuras redes UMTS, van a tener que ofrecer servicios de CS, conmutación de circuitos y PS conmutación de paquetes a distintas tasas binarias, que constituyen el soporte de los futuros servicios de valor añadido que los operadores van a ofrecer. Además tendremos que implementar una nueva RRM, “radio resource management” más dinámica y lejos de la asignación de recursos estática realizada hoy en día, basada sobre datos estadísticos en un principio. En estos dos puntos las SA van a suponer un gran salto cualitativo. El ejemplo reseñado anteriormente de la empresa Mobipay forma parte de los servicios financieros que junto a los de: información, educación, comunitarios, entretenimiento, comunicación y negocios, se calcula tendrán aproximadamente un 70% de uso indoor, por lo que las futuras redes formadas por BS, microcélulas y picocélulas necesitarán de BS dotadas con SA en los emplazamientos de ciudad para poder llegar allí donde se encuentre el usuario; por ejemplo un edificio alto de oficinas necesitará recursos dedicados desde la mañana hasta media tarde, cuando estos se liberen, que podrán dedicarse mayoritariamente a servicios outdoor. BIT 141 OCT.-NOV. 69 2003 25 AÑOS
30 oct 2015