CapCapíítulo 11tulo 11

Antenaspara telefoníam óvil(Cellular Antennas)

UNI – FIEELima – PERÚ

Ing. Marcial López Tafurmlopez@uni.edu.pe

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