CapCapíítulo 11tulo 11
Antenaspara telefoníam óvil(Cellular Antennas)
UNI – FIEELima – PERÚ
Ing. Marcial López [email protected]
Switching/Routing
TecnologíaCelular
celda
sector
Las redes celulares dividensu área de cobertura enmúltiples “celdas”
Cada una tiene supropia infraestructurade radio y usuarios
Básico para muchosservicios inalámbricos dedos vías (two-way).
Teléfonos celulares (1G,2G, , 2.5G, 3G, …)
MMDS broadband dataWireless LANs 2.5-2.7GHz
LMDS broadband data26/28 GHz
Switching/Routing
Redes deDatos
RedTelefónica
BackhaulNetwork
estación base
• El diseño de los sistemas celulares implicaun compromisoen los requerimientosde:– 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 antenasadaptivascambia fundamentalmentela naturaleza deestos compromisos.
TorreCelular
Diagramade BloquesdelSistemaCelular/PCS
Mobile BTS BSC MTSO PSTN
Data Bases
forward
reverse
BTS Base Tranceiver Station
BSC Base Station Controller
MTSO: Mobile Telephone Switching Office
Radio LinkBearer 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 BTS BSC MTSO PSTN
RCC MIN, ESN, número marcado
validación
FCC Nº de canal, código SAT, Potencia
FVC SAT
RVC SAT
FVCRVC
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 intensidadde la señal.
• Sí la intensidadc ae más abajo del nivel dehand-off, todas las estacionesbasebuscanel móvil; la más fuerte se convierteen la nueva BS
• La MTSO instruyea la nueva estaciónbase a activar el canal de voz para recibirla transferencia.
CallHandoff cont…
• El MTSO de la estación base actualenv íaseñales de comandos al móvil dándole lanueva 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)
MTSO
BSBS
MSMS
Roaming( Itinerancia, Viajero)
Mobile
MTSO
Mobile
Mobile
Mobile
Mobile
MTSO
Mobile
Mobile
Mobile
Mobile
Detalles delRoaming
MTSO
BS
MS
MTSO
HLR
HLR VLR
Pregunta
Respuesta
Información defacturación
Perfil del servicio
Current Location
TemporaryDirectory Number
IntersystemHand -Off
MTSO
BSBS
MSMS
MTSO
El Efecto “Shoe-Lace”
BS
BS
BS
BS
BS
BS
BS
BS
MS
MS
Multi-SystemTandem
MTSO
BSBS
MSMS
MTSOMTSO MTSO MTSO
El Efecto “Trombón”
MTSO
BS
MS
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 AccesoFr
eque
ncy
TimeFr
equ
ency
Time
Freq
uenc
y
Time
FDMATDMA
CDMA
Antenaspara estacionesbase
Para800 MHz
Referencias( dBd y dBi)
0 (dBd) = 2.15 (dBi)
Isotrópico (dBi)Dipolo (dBd)Ganancia
Patrón Isotrópico
3 (dBd) = 5.15 (dBi)
Patrón dipolo
Aperturade Dipolos
Patrón Vertical Patrón Horizontal
4 Dipolos Verticalmenteaplilados
Dipolo simple
Apertura VerticalApertura Horizontal
Diseños de Elementos Irradiantes
Patch dB Director™ Log Discone (DC)
Dipole Short Log (H83) Gen3XPol™
Másdise ñosde radiadores
Patch 800/900 MHz MAR - Micro stripAnnular Ring
Dipolo 1800/1900/UMTS Diversidad (XPol)
Elements
Dipolos
Dipolo Simple Crossed Dipole
Inclinación MecánicaKit de montaje
Antenas con Inclinación (Tilt)Eléctrico Ajustable
InclinaciónEl éctrica/Mecánica
Mecánica Eléctrica
Para antenas 800/900 MHz a1700-2700 MHz.
Mástil telescópico.
Reduce el costo y tempo deinstalación.
Gancho superior y terminal enla base, para facilitar ainstalación.
dB TripleTree™Kit de montage
Para uso con las antenas dedual polarización.
Cobertor (Radome) externoopcional (puede ser pintado).
Inclinación (Downtilt) –eléctrica (fija o variable) omecánico (kit).
Acero galvanizado paramayor resistencia.
Generando la inclinaciGenerando la inclinacióón delhazn delhaz
Dipolos alimentados“en fase”
Dipolos alimentados“Fuera de fase”
Excitador
Fase
Energía
en
Fret
ede
Ond
a
Excitador
¼
Electrical Downtilt Coverage
0
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240250
260 270 280290
300
310
320
330
340
350
8°0° 10°6°4°Electrical Tilt
0
10
20
30
40
50
6070
8090100110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240250
260 270 280290
300
310
320
330
340
350
Elevation Pattern Azimuth Pattern
Llenadode nulosEl llenado de nulos es una técnica de optimización que reduce los
nulos entre los lóbulos menores en el plano de elevación.
Importantepara antenascon anchosde haz estrechos.
Null Filled to 16 dB Below Peak
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-100
-80
-60
-40
-20
0
Distance (km)
Rec
eive
dLe
vel(
dBm
)
Transmit Power = 1 W
Base Station Antenna Height = 40 m
Base Station Antenna Gain = 16 dBd
Elevation Beamwidth = 6.5°
Antenas Dieléctrico de Aire
• Polarización Vertical
• Apertura Horizontal de 60º
•Relación F/B Inferior a la familia Log Periódica
65° ± 5°
DB97XG65F/B 25 dB
90° ± 7°
DB97XG90F/B 25 dB
105° ± 10°
DB97XG105F/B 23 dB
120° ± 12°
DB97XH120F/B 20 dB
Panel Tradicional
Panel Especial
Alimentador
Elementos
Torrespara telefoníacelular• Una torre para telefonía
celular es típicamente unmástil de acero oestructura auto-soportada(triangular o cuadrada)que se eleva decenas demetros sobre el nivel delpiso.
• Esta torre es usadapor tres diferentescompañías detelefonía celular.
Torrespara celulares( Cont…)
• En la base de la torrese colocan losequipos.
• En los sistemasmodernos serequieren equipospequeños. Los másantiguos tienenpequeños edificios ensu base.
• Aquí está el equipode un operadorcelular.
• Las cajas quealbergan los TX/RX.
• Los equipos seconectan a lasantenas con cablescoaxiales.
Torrespara celulares( Cont…)
• Mirandodetalladamente, se veque la torre y todoslos cables y el equipoen la base de la torreestán firmementepuestos a tierra.
• Ejemplo, La planchaen esta imagen conlos alambres de fundaverde atornillados aesta plancha de cobresólida.
• Una señal de quemúltiples operadorescomparten esta torrees que existen cincocandados en lapuerta.
• Mucha genteha expresadopreocupaci ón altener una celda cerca a ellos, “no la quierocerca a mi casa”.
• Esto es debido en parte a los temoresypreocupacionesacerca de la salud, y decomo lucen en el vecindario (sí son muyaltas).
• Continúan los estudiosal respecto peronoexiste ningunaprueba en firme de que vivircerca a una celda celular pueda serpeligrosopara la salud.
• A veces losoperadores tiene que“embellecer” las torrescelulares
• Buenos ejemplos sonestaciones de bajapotencia, las cualespueden sercamufladas en lasparedes de losedificios.
Ejemplode unSistema MúltipleMacrocelda: radio de la celda de 1 Km. a 15 Km.Microcelda: radio de la celda de 0.1km a 1kmPicocelda: radio de la celda de 10 cms a metros
Macrocelda
Microcelda
Picocelda
Imagende unaEstaci ónBaseMicrocelda(Toronto)
Solucionesal problemadecobertura
• Las obstruccionesf ísicas crean “huecos”
• Causadas por:– Montañas– Edificios– Cañones
BTS
Repetidor
Cobertura a “llenar”
CoberturaNormal
Obstrucción
¿Cuandoes necesarioun repetidor?
Los Usuarios no pueden hacer o recibirllamadas debido a señal débil por falta depenetración de la RF en el local. Las llamadasse caen, o presentan ruido y distorsión.
¿En qué tiposde estructuraspuedeoperar un repetidor?Edificios de oficinas o departamentos,estacionamientos, shopping centers yresidencias.
¿Cómofunciona unsistemarepetidor?
El sistema redirecciona, filtra y amplifica laseñal disponible en la antena externa haciaadentro del área de cobertura despejada, através de una antena interior. La mejoría dela señal permite a los usuarios mantenerllamadas fuertes y claras.
ConfiguraciónT ípica
Usuario
ERB(hasta 8 km
distante)
AntenaExterna
Antena Interna
Amplificador Bi-direcional (BDA)
¿Porqu é usarun KitRepetidor?
• Optimiza la relación costo/beneficioparacoberturaen 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 - Trunkingpara 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 dBmDownlink 14 dBm (4 dBmCDMA)
AntenaExterna• Instalación externa• Orientadahacia la ERB• Hermética a pruebade agua.• Ganancia8 dBd (10 dBi)• Ancho de Banda 806-894 MHz
Antena OmnidireccionalInterior
• Perfil bajo, montaje en techo.• Permite coberturaen todas las
direcciones, paraabajo y fueradelpunto de instalación.
• Puesta a Tierra de CC.• Gananciaunitaria (2 dBi)• Ancho de Banda:806-960;1710-
3000 MHz
InstalaciónT ípica delaAntenaOmnidirecional
InstalaciónT ípica delaAntenaOmnidirecional
Oficinas
3.6mx3.6m
Techos
bajos
3mx3m
Sala deReuniones
CoberturaOmnidirecional
AREA LIBRE
AntenasOpcionales
• Montaje en paredes de corredoreso escaleras (configuracionesqueexijan gananciamayor o coberturadireccional):
• 6 dBd (8 dBi)• Plano Direccional• Ancho del haz 80°
Cobertura DireccionalTípica(corredor)
Indica que unacobertura nopenetra una
tercera pared
Cobertura DireccionalTípica(corredor)
InstalaciónAntenaPlanaDireccional
indica que lacobertura no puedepenetrar a tercera
pared
Escritorios3m x 3m
Baja3m x 3m
Dirección de propagación
Corredor
largo 3m
AplicaciónRepetidor Interior
Celda
Hasta 8Km de
distancia
Antenaexterior
Antena Móvil
Repetidor
Sótanos
EdificioEdificioTTíípicopico
ANTENA
CABLECOAXIAL
Cobertura del sistema
DelRepetidor
Divisor
Repetidor yAntena
AplicaciónRepetidor Interior
AntenasFractalesCon el avance de los sistemas de comunicacionesy el importante incremento de otras aplicaciones delos sistemas inalámbricos, las antenas de bandaancha y de bajo contorno están en gran demandatanto para aplicaciones comerciales como militares.Antenas multibanda y banda ancha son las másaceptadas en los sistemas de comunicaciónpersonal (celulares, trunking, beepers, etc.),pequeñas terminales satelitales y otrasaplicaciones inalámbricas. Algunas de estasaplicaciones también requieren que la antena estéembebida en la estructura exterior.
Actualmente se están aplicando extensivamentelas antenas fractales obteniéndose muy buenosresultados en cuanto a eficiencia, espacio, anchode banda y ganancia.
La aplicación de los fractales a las antenas permitela optimización en tamaño y ganancia para arreglosmultibanda y banda estrecha. El hecho de quemuchos fractales tengan complejidad infinita puedeser usado para reducir el tamaño de la antena ydesarrollar antenas bajo contorno
Característicasprincipales:
Un gran ancho de banda, radian muy eficazmentepara una gama amplia de frecuencias. El rango defrecuencia es especificada por el tamaño máspequeño y más grande presente en la antena.
Tienen una ganancia considerable, por encima deun antena dipolo normal y depende muy poco de lafrecuencia en un rango de frecuencias grande.
Poseen una estructura espacial que se relacionaa la ganancia de la antena. Esta estructura espacialpuede ser muy útil cuando se requieredireccionalidad.
Área pequeñaImpedancia de acople estable para un rangoamplio de frecuencias.Resonancia múltipleGran ganancia en algunos casos
Principalesventajas
PrincipalesdesventajasPrincipalesdesventajasDiseño y creación más dificultosaBaja 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:
Áreas de aplicación:Sistemas Móviles Celulares:
Antenas en estaciones base, antenas enteléfonos receptores.
Dispositivos de Micro ondas:Circuitos microcinta detectores de RFantenas micro cinta.
Otras:Aeronáutica, sector automotor,
comunicaciones marítimas, aplicaciones militares
Tecnología
Las Antenas fractales son una buenaalternativa para los exigentes requerimientosen los nuevos sistemas de comunicación.
El diseño de éstas implicaninterdisciplinariedad, ya que se requierenconocimientos de matemáticas fractales yteoría Electromagnética.
Constituyen un nuevo campo deoportunidades.
CONCLUSIONES
Muchasgracias porsu atención
UNI -FIEE
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