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Descripción del tipo de antenas para celulares.
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1UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Captulo 11
Antenas para telefona mvil (Cellular Antennas)
UNI FIEE Lima PER
Ing. Marcial Antonio Lpez Tafur [email protected]
Torre Celular
Switching/Routing
Tecnologa Celular
celda
sector
Las redes celulares dividen su rea de cobertura en mltiples celdas
Cada una tiene su propia infraestructura de radio y usuarios
Bsico para muchos servicios inalmbricos de dos vas (two-way).
Telfonos celulares (1G,
2G, , 2.5G, 3G, )
MMDS broadband data Wireless LANs 2.5-2.7 GHz
LMDS broadband data 26/28 GHz
Switching/Routing
Datos & Internet
Red Telefnica
Backhaul Network
estacin base
El diseo de los sistemas celulares implica un compromiso en los requerimientos de: definicin del servicio
calidad del servicio
capacidad
costos de capital y de operacin
requerimientos de recursos incluidos el espectro
precio/asequibilidad del usuario final
coexistencia con otras tecnologas de radio.
La tecnologa de las antenas adaptivas cambia fundamentalmente la naturaleza de estos compromisos.
Diagrama de Bloques del Sistema Celular/PCS
Mobile BTS BSC MTSO PSTN
Data Bases & Internet
forward
reverse
BTS Base Tranceiver Station
BSC Base Station Controller
MTSO: Mobile Telephone Switching Office
Radio LinkBearer Trunk
Signaling Trunk
2UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Componentes Telefona Celular
VLR HLR
MobilePhone
Cell SiteRadio gearAntennas
Base StationControllerMultiplexing
Mobile Switching Center (MSC)Call ProcessingFeaturesSwitchingTranscoding
PhoneNetwork
Estructura Celular
El rea del servicio inalmbrico se divide en reas pequeas conocidas como celdas y son servidas por antenas La divisin es a veces arbitraria pero basada en la densidad
de telfonos y obstculos. La Celdas pueden ser grandes (cientos de Km2) o muy
pequeas (menos que .01 Km2) Los telfonos se comunican a travs de la antena en una celda
Las frecuencias pueden ser re-usadas en otras celdas (ms usuarios atendidos)
La potencia de la seal puede ser menor (mayor vida de la batera)
La ubicacin del telfono puede ser seguida y la continuidad de la llamada mantenida, an cuando el telfono se mueva. El telfono puede atendido en cualquier celda. El telfono puede estar en movimiento durante la llamada
Estructura Celular AMPS
Frecuencias pueden ser re-usadas en otra celdas 7 grupos de frecuencias en D-AMPS, otros esquemas difieren
Diferentes Geometras de Celdas Omnidireccional una antena cubre una celda Sectorizada cada antena cubre una fraccin (usualmente 1/3) de
una celda
Las Micro-celdas se usan en reas de gran densidad poblacional
4
5
2
17
6
3
4
5
2
17
6
3
4
5
2
17
6
3
Omnidireccional
3-sectores
Micro-celda
Re-uso de Frecuencias
S las mismas frecuencia son usadas cada 7 celdas:
El mvil ms distante dentro de la misma celda est a una distancia R de la torre.
El mvil ms cercano en otra celda usando las mismas frecuencias est 4R distante
Las seales de radio atenuadas por 20log10(d)
La seal interferente ser 20log10(4) = 12dB debajo de la seal.
El control de potencia reduce significativamente la interferencia promedio.
R
4R
A
B
Patrn de Reuso de Frecuencias Ubicacin de la Antenna - Alta
Buena cobertura
Problemas de Interferencia Co-Canal
3UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Edificios como Fronteras
Define los lmites de la Celda
Posible Interferencia de Canales Adyacentes
Interferencia
Interferencia Co-Canal
Interferencia de Canal Adyacente
Fuentes externas
Transferencia Handoff (handover)
S una llamada est en progreso mientras el telfono se mueve: La seal recibida variar como su mueva el telfono
Las celdas adyacentes monitorean la intensidad de la seal y determinan cuando la llamada necesita moverse
Handoff: El telfono es ubicado en una nueva frecuencia (y posiblemente
los timeslots y codes) en una nueva celda.
La llamada es conmutada a una nueva antena y el telfono es puesto en una nueva frecuencia.
Hard handoff la conexin es conmutada, con una prdida momentnea de continuidad (TDMA, GSM)
Soft Handoff Ambas la nueva y vieja celdas monitorean el telfono y ensamblan la seal de la combinacin, sin prdida de continuidad (CDMA)
Handoff
La intensidad de la seal es monitoreada por las celdas adyacentes
Cundo se determina si otra celda est cerca? El telfono es colocado en un nuevo canal La antena de la celda adyacente es ubicada La conexin es conmutada a la nueva celda
Complicaciones: Qu pasa si no hay canales disponibles? Congestin. Qu pasa si una celda adyacente est conectada a otro
switch? Qu pasa si otros problemas causan que el celular pierda la
comunicacin?
Call Handoff (Transferencia)
La estacin base monitorea la intensidad de la seal.
S la intensidad cae ms abajo del nivel de hand-off, todas las estaciones base buscan el mvil; la ms fuerte se convierte en la nueva BS
La MTSO instruye a la nueva estacin base a activar el canal de voz para recibir la transferencia.
Call Handoff cont
El MTSO de la estacin base actual enva seales de comandos al mvil dndole la nueva asignacin del nuevo canal.
El mvil sintoniza el nuevo canal.
La estacin base previa se desconecta de la comunicacin.
4UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Temas de Seguridad/Fraude
Seguridad
Privacidad de las Conversaciones
Negacin del Servicio
Fraude
Obtencin ilegal de los ESN/MIN
Roaming-related (tumbling ESNs)
Clases de Modulacin
Celular Analgico
FDMA - Frequency Division Multiple Access
Celular Digital
TDMA Time Division Multiple Access
CDMA Code Division Multiple Access
Mtodos de Acceso
Frequency
Time
Frequency
Time
Frequency
Time
FDMATDMA
CDMA
Referencias (dBd y dBi)
0 (dBd) = 2.15 (dBi)
Isotrpico (dBi)Dipolo (dBd)Ganancia
Patrn Isotrpico
3 (dBd) = 5.15 (dBi)
Patrn dipolo
Apertura de Dipolos
Patrn Vertical Patrn Horizontal
4 Dipolos Verticalmente aplilados
Dipolo simple
Apertura VerticalApertura Horizontal
5UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Antenas para estaciones base Para uso con las antenas de
dual polarizacin.
Cobertor (Radome) externo opcional (puede ser pintado).
Inclinacin (Downtilt) elctrica (fija o variable) o mecnico (kit).
Acero galvanizado para mayor resistencia.
Para antenas 800/900 MHz a 1700-2700 MHz.
Mstil telescpico.
Reduce el costo y tempo de instalacin.
Gancho superior y terminal en la base, para facilitar a instalacin.
dB TripleTreeKit de montage Inclinacin Elctrica/Mecnica
Mecnica Elctrica
Inclinacin MecnicaKit de montaje Generando la inclinacin del haz
Dipolos alimentados en fase
Dipolos alimentados Fuera de fase
Excitador
Fase
Energa
en
Excitador
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Electrical Downtilt Coverage
0
10
20
30
40
50
60
708090100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240250
260 270 280290
300
310
320
330
340
350
80 1064Electrical Tilt
0
10
20
30
40
50
60
708090100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250260 270 280
290
300
310
320
330
340
350
Elevation Pattern Azimuth Pattern
Llenado de nulosEl llenado de nulos es una tcnica de optimizacin que reduce los
nulos entre los lbulos menores en el plano de elevacin.
Importante para antenas con anchos de 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)
Rece
ived L
evel (
dB
m)
Transmit Power = 1 W
Base Station Antenna Height = 40 m
Base Station Antenna Gain = 16 dBd
Elevation Beamwidth = 6.5
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Diseos de Elementos Irradiantes
Patch dB Director Log Discone (DC)
Dipole Short Log (H83) Gen3XPol
Ms diseos de radiadores
Patch 800/900 MHz MAR - Micro strip Annular Ring
Dipolo 1800/1900/UMTS Diversidad (XPol)
Elements
Dipolos
Dipolo Simple Crossed Dipole
Antenas Dielctrico de Aire
Polarizacin Vertical
Apertura Horizontal de 60
Relacin F/B Inferior a la familia Log Peridica
8UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Alimentador
Elementos
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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
10
UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Torres para telefona celular
Una torre para telefona celular es tpicamente un mstil de acero o estructura auto-soportada (triangular o cuadrada) que se eleva decenas de metros sobre el nivel del piso.
Esta torre es usada por tres diferentes compaas de telefona celular.
Torres para celulares (Cont)
En la base de la torre se colocan los equipos.
En los sistemas modernos se requieren equipos pequeos. Los ms antiguos tienen pequeos edificios en su base.
Aqu est el equipo de un operador celular.
Las cajas que albergan los TX/RX.
Los equipos se conectan a las antenas con cables coaxiales.
Torres para celulares (Cont) Mirando detalladamente, se ve que la torre y todos los cables y el equipo en la base de la torre estn firmemente puestos a tierra.
Ejemplo, La plancha en esta imagen con los alambres de funda verde atornillados a esta plancha de cobre slida.
11
UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Una seal de que mltiples operadores comparten esta torre es que existen cinco candados en la puerta.
Mucha gente ha expresado preocupacin al tener una celda cerca a ellos, no la quiero cerca a mi casa.
Esto es debido en parte a los temores y preocupaciones acerca de la salud, y de como lucen en el vecindario (s son muy altas).
Continan los estudios al respecto pero no existe ninguna prueba en firme de que vivir cerca a una celda celular pueda ser peligroso para la salud.
A veces los operadores tiene que embellecer las torres celulares
Buenos ejemplos son estaciones de baja potencia, las cuales pueden ser camufladas en las paredes de los edificios.
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UNI FIEE Antenas para telefona celular 2013-1
Imagen de una Estacin Base Microcelda (Toronto)
Soluciones al problema de cobertura
Las obstrucciones fsicas crean huecos
Causadas por:
Montaas
Edificios
Caones
BTS
Repetidor
Cobertura a llenar
Cobertura Normal
Obstruccin
Cuando es necesario un repetidor ?
Los Usuarios no pueden hacer o recibir llamadas debido a seal dbil por falta de penetracin de la RF en el local. Las llamadas se caen, o presentan ruido y distorsin.
En qu tipos de estructuras puede operar un repetidor?
Edificios de oficinas o departamentos, estacionamientos, shopping centers y residencias.
Cmo funciona un sistema repetidor?
El sistema redirecciona, filtra y amplifica la seal disponible en la antena externa hacia adentro del rea de cobertura despejada, a travs de una antena interior. La mejora de la seal permite a los usuarios mantener llamadas fuertes y claras.
Configuracin Tpica
Usuario
ERB(hasta 8 km
distante)
Antena Externa
Antena Interna
Amplificador Bi-direcional (BDA)
Por qu usar un Kit Repetidor?
Optimiza la relacin costo/beneficio para cobertura en reas de 1,800 a 9,000 m2
Instalacin Sencilla.
Soporta AMPS, TDMA, CDMA e iDEN
Kit incluye todo el material, (cables coaxiales opcionales)
Disponibles Antenas opcionales.
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Kit tpico
Modelos:para 806-869 MHz - Trunkingpara 824-894 MHz - Celular
Amplificador Bi-Direccional
Antena Externa
Antena Omnidirectional Interna
Cable de Alimentacin
Enchufe para CA
Amplificador Bi-direccional (ABD)
Alta potencia, ganancia media
Alimentacin 120/240 V CA
50 dB de ganancia mnima (53 dB tpico)
Pot sal. (compuesta)Uplink 20 dBmDownlink 14 dBm (4 dBm CDMA)
Antena Externa
Instalacin externa
Orientada hacia la ERB
Hermtica a prueba de agua.
Ganancia 8 dBd (10 dBi)
Ancho de Banda 806-894 MHz
Antena Omnidireccional Interior
Perfil bajo, montaje en techo.
Permite cobertura en todas las direcciones, para abajo y fuera del punto de instalacin.
Puesta a Tierra de CC.
Ganancia unitaria (2 dBi)
Ancho de Banda:806-960;1710-3000 MHz
Instalacin Tpica de la Antena Omnidirecional
Instalacin Tpica de la Antena Omnidirecional
Oficinas
3.6mx3.6m
Techos
bajos
3mx3m
Sala de Reuniones
Cobertura Omnidirecional
AREA LIBRE
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Antenas Opcionales
Montaje en paredes de corredores o escaleras (configuraciones que exijan ganancia mayor o cobertura direccional):
6 dBd (8 dBi)
Plano Direccional
Ancho del haz 80
Cobertura direccional tpica (en corredores)
Indica que una cobertura no penetra una
tercera pared
Cobertura direccional tpica (en corredores)
InstalacinAntenaPlanaDireccional
indica que la cobertura no puede penetrar a tercera
pared
Escritorios
3m x 3m
Baja
3m x 3m
Direccin de propagacin
Corredor
largo 3m
Aplicacin repetidor interior
Celda
Hasta 8 Km de
distancia
Antena exterior
Antena Mvil
Repetidor
Stanos
Edificio Tpico
ANTENA
CABLE COAXIAL
Cobertura del sistema
Del Repetidor
Divisor
Repetidor y Antena
Aplicacin repetidor interior
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Muchas gracias por su atencin
UNI -FIEE