Antenas inteligentes

Antenas inteligentes o "smart antennas"

Son antenas que combinan múltiples elementos con un procesador de señal capaz de optimizar automáticamente la radiación o el patrón de recepción. Las hay de dos tipos:

las de haz conmutado, con un número finito de patrones predefinidos o estrategias de combinación (Antenas sectoriales) o
las de arrays adaptativos o configuración de haz, más avanzadas, que cuentan con un número infinito de patrones de iluminación (dependiendo del escenario) y ajustan el diagrama radiante y los nulos en tiempo real.^[1]

Antena sectorial (izquierda) versus antena inteligente de configuración de haz (derecha)

Las antenas de arrays adaptativos mejoran la recepción de la señal y minimizan las interferencias, dando una ganancia mejor que las antenas convencionales. Este tipo de antenas permiten direccionar el haz principal, y/o configurar múltiples haces, así como generar nulos del diagrama de radiación en determinadas direcciones que se consideran interferentes.Con ello se aumenta la calidad de la señal y se mejora la capacidad por la reutilización de frecuencias. Son aplicables a casi todos los protocolos y estándares inalámbricos (comunicaciones móviles, WLL, WLAN, satélite, etc.).

Es una tecnología con un excelente potencial para aumentar la eficacia del uso del espectro en comparación con los sistemas radiantes tradicionales. Con un control inteligente de la iluminación de la antena se puede ampliar la capacidad y la cobertura de las redes móviles.

Antenas Adaptativas: Analogía con el oído y cerebro humano

El siguiente ejemplo le ayudará a entender cómo funciona una antena adaptativa.^[2] Cierre los ojos e inicie una conversación con alguien que se mueva por la habitación donde están ustedes dos. A pesar de tener los ojos cerrados, le resultará sencillo saber por donde se mueve el otro interlocutor, por lo siguiente:

Vd. está oyéndole por medio de dos oídos que son sus sensores acústicos.

La voz llega a cada oído por distinto camino (diversidad de espacio), por tanto los sonidos no llegan a los dos oídos a la vez. Casi siempre habrá una pequeña diferencia.

Su cerebro es un procesador de señal muy especial, sin que Vd. se de cuenta está realizando una gran cantidad de cálculos para determinar la posición de la otra persona.

Su cerebro, además, suma las señales de los dos oídos, de modo que el sonido que le llega de la orientación del interlocutor es el doble de intenso del que le llega de otras zonas.

Las antenas adaptativas hacen lo mismo, con antenas en vez de oidos. Incluso pueden tener 8, 10 o 12 oídos para ser más precisas. Y como además de recibir sirven para emitir, un sistema adaptativo puede ajustar el patrón de emisión para que ilumine hacia la misma dirección de donde recibe. Por tanto, ese sistema además de "recibir" 8, 10 o 12 veces más fuerte también puede "emitir" más fuerte y con mayor directividad.

Demos un paso más con este ejemplo; si entrasen más personas a la habitación, su procesador de señal (su cerebro) ignoraría el ruido producido por las otras conversaciones, las que no quiere escuchar (las interferencias), para enfocar su antención en la conversación deseada. De manera similar un sistema adaptativo con un procesador adecuado puede diferenciar entre las señales deseadas y las no deseadas.

Multiplexación en código: Analogía con el oído y cerebro humano

Al hilo del ejemplo anterior, aprovecharemos para presentar otro caso que está indirectamente relacionado con las antenas inteligentes: imagine ahora que está en el extranjero en un local lleno de gente, bastante ruidoso por cierto, donde la mayoría de las personas están hablando en el idioma local.

¿No cree le resultará bastante fácil percatarse de alguna conversación que se esté manteniendo en medio de aquel ruido en el idioma de su país, en su idioma materno?

Podríamos decir que las conversaciones de ese local está multiplexadas en código, y que Vd., su cerebro, tiene un procesador de señal con la clave adecuada para distinguir las de su idioma.

MIMO

Concepto MIMO

Multiple-Input Multiple-Output o MIMO (en castellano « entradas múltiples, salidas múltiples ») es una tecnología de antenas inteligentes de arrays adaptativos empleada en algunas redes inalámbricas como, por ejemplo, en femtoceldas y en WiMAX que aprovecha el fenómeno de multipropagación y radiocomunicaciones en diversidad de espacio para conseguir una mayor velocidad y un mejor alcance del que se consigue con las antenas tradicionales.

La tecnología MIMO emplea varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor, y para un mismo ancho de banda y potencia transmitida consigue mejores resultados que los sistemas SISO (single-input single-output). La capacidad de un sistema MIMO en un entorno de dispersión por multipropagación, cuando las señales recibidas no están correlacionadas entre sí, es proporcional al número de antenas empleadas. El diseño de las antenas y el proceso de la señal recibida necesita técnicas especializadas.

El diseño de las antenas MIMO buscar reducir la correlación entre las señales recibidas, para ello utiliza los diferentes modos de diversidad que se pueden dar en la recepción, como la diversidad de espacio (al estar las antenas separadas), la diversidad de ganancia (por emplear antenas con diferentes patrones de radiación, ortogonales u otros) y la diversidad de polarización (antenas con distinta polarización) etc. Estas tres formas de diversidad se muestran el la figura siguiente.^[3]

Variantes de la tecnología MIMO

MIMO: Multiple input multiple output; este es el caso en el que tanto transmisor como receptor tienen varias antenas.

MISO: Multiple input Single output; en el caso de que haya varias antenas de emisión pero solamente una en el receptor.

SIMO: Single input multiple output; en el caso de una sola antena de emisión y varias antenas en el receptor.

En función de las tres variantes citadas se empleará una u otra de las siguientes tecnologías:

Configuración de Haz (Beamforming): Consiste en la formación de un patrón de iluminación bien determinado, fruto del desfase de la señal en las distintas antenas. Sus principales ventajas son una mayor ganancia de señal además de una menor atenuación con la distancia. Gracias a la ausencia de dispersión el beamforming consigue un patrón bien definido y direccional. En este tipo de transmisiones se hace necesario el uso de dominios de configuración de haz, sobre todo en el caso de múltiples antenas de transmisión. Hay que tener en cuenta que esta técnica precisa un conocimiento previo del canal a utilizar en el transmisor.

Multiplexación espacial (Spatial multiplexing): Consiste en la multiplexación de una señal de mayor ancho de banda en señales de menor ancho de banda iguales transmitidas desde distintas antenas. Si estas señales llegan con la suficiente separación en el tiempo al receptor este es capaz de procesarlas y distinguirlas creando así múltiples canales en anchos de banda mínimos. Esta técnica es eficaz para aumentar la tasa de transmisión, sobre todo en entornos difíciles en cuanto a la relación señal ruido. Únicamente está limitado por el número de antenas disponibles tanto en receptor como en transmisor. No requiere el conocimiento previo del canal en el transmisor o receptor. Para este tipo de transmisiones es obligatoria una configuración de antenas MIMO.

Diversidad de código (Code-division multiple access): Son una serie de técnicas que se emplean en medios en los que por alguna razón solo se puede emplear un único canal, codificando la transmisión mediante espaciado en el tiempo y la diversidad de señales disponibles dando lugar al código espacio-tiempo. Para aumentar la diversidad de la señal se recurre a una emisión desde varias antenas basándose en principios de ortogonalidad.

La multiplexación de espacio puede ser combinada con la configuración de haz cuando el canal es conocido en el transmisor o combinado con la diversidad de código cuando no es así. La distancia física entre las antenas ha de ser múltiples longitudes de onda en la estación base. Para poder distinguir las señales con claridad, la separación de las antenas en el receptor tiene que ser de al menos 0,3 λ.

Aprovechamiento de la diversidad de espacio

En un sistema de comunicaciones es básico poder distinguir los usuarios. Los sistemas de acceso múltiple más usuales son la multiplexación en frecuencia (frequency division multiple access, FDMA), la multiplexación en tiempo (time-division multiple access, TDMA) y la la multiplexación en código (code-division multiple access, CDMA). Estás técnicas separan los usuarios según la frecuencia, el tiempo y el código, respectivamente, y proporcionan tres tipos de diversidad.

Figura 1 TDMA (izda.), FDMA (centro), CDMA (dcha.)

Una antena inteligente puede reducir las interferencias empleando diversidad de espacio (que se suele denominar en inglés como spatial diversity o SDMA) y en consecuencia aumentar la capacidad de comunicación adaptando dinámicamente las características del sistema radiante. Concretamente, concentra y dirige el haz al usuario, consiguiendo mayor eficacia que una antena sectorial y mejorando el comportamiento ante interferencias.

Patrones de iluminación - Configuración de haz

Un sistema radiante con elementos en fase está formado por un conjunto de elementos radiantes cuyas señales se suman y forman un determinado patrón de radiación o iluminación. Cambiando la amplitud y fase de los elementos individuales se puede modificar la forma del patrón de iluminación, fenómeno que se conoce como "confifuración de haz" (o beamforming process en inglés).

En este tipo de sistemas radiantes se busca tener el máximo de señal en la dirección deseada, y simultáneamente conseguir "nulos" en la dirección de las emisiones indeseadas. Por tanto, la antena se puede ajustar para que tenga una alta sensibilidad a las señales de un determinado usuario y que tenga menos a las de otros usuarios.

Las antenas inteligentes que estamos tratando en este artículo incorporan unos procesadores para poder de variar dinámicamente el patron radiante.

Una de los entidades reguladoras nacionales (ANR) que más esfuerzos de investigación y pruebas ha dedicado a estas técnicas es Ofcom, que ya en 2003 construyó un prototipo de sistema WiFi, IEE 802.11a con antena inteligente, que se muestra en la imagen siguiente.^[4]

Prototipo de punto de acceso 802.11a con antena adaptativa semi-inteligente y procesador^[5]

Video explicativo

Video comercial (sin palabras) que explica gráficamente las antenas inteligentes de array adaptativo.

↑ En inglés se conocen como: beamforming antennas
↑ Basado en conversaciones con D. A. Elias, miembro del Consejo de la CMT
↑ Del del Prof. R. W. Heath Jr., de la University of Texas
↑ Los informes de los proyectos se pueden descargar de:
↑ De Development of Smart Antenna Technology, Final Report to Ofcom, Vector Fields, 2006

Bibliografía

M.A. Beach, D.P. McNamara, P.N. Fletcher & P. Karlsson, MIMO – A Solution for advanced wireless access?, University of Bristol, Bristol. BS8 1TR
Development of Smart Antenna Technology, Final Report to Ofcom, Vector Fields, 2006
Final Report on Semi-Smart Antenna Technology Project, 1) Department of Electronic Engineering, Queen Mary, University of London, (2) Lucent Technologies, (3) BSC Associates Ltd, July 2006.
Referencias MIMO Wireless Communications & Signal Processing Group. University of South Florida.
"Communications in wireless MIMO, channels: Channel models, baseband algorithms, and system design" Curso de postgrado Universidad de Oulu, Finlandia
Smart antenna based interference mitigation IST-4-027756 WINNER II D4.7.3 v1.0. 30/6/2007
WINNER, 2006-2007 public deliverables
A. J. Paulraj, D. A. Gore, R. U. Nabar, and H. Bölcskei, “ An Overview of MIMO Communications - A Key to Gigabit Wireless”, Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 2, Feb. 2004
Gesbert, D.; Shafi, M.; Da-shan Shiu; Smith, P.J.; Naguib, A., “From theory to practice: an overview of MIMO space-time coded wireless systems”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Volume: 21 , Issue: 3 , April 2003, Pages:281 - 302
Shafi, M.; Gesbert, D.; Da-shan Shiu; Smith, P.J.; Tranter, W.H., “Guest editorial: MIMO systems and applications. 1”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Volume: 21, Issue: 3, April 2003, Pages: 277 – 280
Shafi, M.; Gesbert, D.; Da-shan Shiu; Smith, P.J.; Tranter, W.H., “Guest editorial MIMO systems and applications. II”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Volume: 21, Issue: 5, June 2003, Pages: 681 - 683.
R.A. Soni, R.M. Buehrer, and R.D. Benning, An Intelligent Antenna System for cdma2000,” IEEE Signal Processing Magazine, vol. 19, no. 4, pp 54-67, July 2002.

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