Método de redundancia para mejorar la confiabilidad de las comunicaciones
Central telefónica con antenas posteriores montadas más arriba para evitar la decoloración
La diversidad de antenas , también conocida como diversidad espacial o diversidad espacial , es cualquiera de los diversos esquemas de diversidad inalámbrica que utilizan dos o más antenas para mejorar la calidad y la confiabilidad de un enlace inalámbrico. A menudo, especialmente en entornos urbanos y de interiores, no hay una línea de visión clara (LOS) entre el transmisor y el receptor. En cambio, la señal se refleja a lo largo de múltiples caminos antes de ser finalmente recibida. Cada uno de estos rebotes puede introducir cambios de fase, retrasos de tiempo, atenuaciones y distorsiones que pueden interferir destructivamente entre sí en la apertura de la antena receptora.
La diversidad de antenas es especialmente eficaz para mitigar estas situaciones de trayectos múltiples . Esto se debe a que varias antenas ofrecen a un receptor varias observaciones de la misma señal. Cada antena experimentará un entorno de interferencia diferente. Por lo tanto, si una antena experimenta un desvanecimiento profundo , es probable que otra tenga una señal suficiente. En conjunto, un sistema de este tipo puede proporcionar un enlace robusto. Si bien esto se ve principalmente en sistemas de recepción ( recepción de diversidad ), lo analógico también ha demostrado ser valioso para los sistemas de transmisión ( diversidad de transmisión ).
En esencia, un sistema de diversidad de antenas requiere hardware e integración adicionales en comparación con un sistema de una sola antena, pero debido a la similitud de las rutas de señal, se puede compartir una buena cantidad de circuitos. Además, con múltiples señales, existe una mayor demanda de procesamiento en el receptor, lo que puede generar requisitos de diseño más estrictos. Sin embargo, por lo general, la confiabilidad de la señal es primordial y el uso de múltiples antenas es una forma eficaz de reducir la cantidad de cortes y conexiones perdidas.
Técnicas de antena
La diversidad de antenas se puede lograr de varias maneras. Según el entorno y la interferencia esperada, los diseñadores pueden emplear uno o más de estos métodos para mejorar la calidad de la señal. De hecho, con frecuencia se utilizan varios métodos para aumentar aún más la confiabilidad.
La diversidad espacial emplea múltiples antenas, generalmente con las mismas características, que están separadas físicamente entre sí. Dependiendo de la incidencia esperada de la señal entrante, a veces es suficiente un espacio del orden de una longitud de onda. Otras veces se necesitan distancias mucho mayores. La celularización o sectorización , por ejemplo, es un esquema de diversidad espacial que puede tener antenas o estaciones base a kilómetros de distancia. Esto es especialmente beneficioso para la industria de las comunicaciones móviles , ya que permite que varios usuarios compartan un espectro de comunicación limitado y eviten la interferencia entre canales.
La diversidad de patrones consiste en dos o más antenas ubicadas en el mismo lugar con diferentes patrones de radiación . Este tipo de diversidad hace uso de antenas direccionales que suelen estar separadas físicamente por cierta distancia (a menudo corta). En conjunto, son capaces de discriminar una gran parte del espacio angular y pueden proporcionar una mayor ganancia en comparación con un solo radiador omnidireccional.
La diversidad de polarización combina pares de antenas con polarizaciones ortogonales (es decir, horizontal/vertical, ± inclinación de 45°, polarización circular izquierda/derecha, etc.). Las señales reflejadas pueden sufrir cambios de polarización según el medio por el que viajan. Una diferencia de polarización de 90° dará como resultado un factor de atenuación de hasta 34 dB en la intensidad de la señal. Al emparejar dos polarizaciones complementarias, este esquema puede inmunizar a un sistema contra los desajustes de polarización que, de lo contrario, causarían el desvanecimiento de la señal. Además, dicha diversidad ha demostrado ser valiosa en estaciones base de comunicaciones móviles y de radio, ya que es menos susceptible a las orientaciones casi aleatorias de las antenas de transmisión. [1]
La diversidad de transmisión/recepción utiliza dos antenas separadas y ubicadas en el mismo lugar para las funciones de transmisión y recepción. Esta configuración elimina la necesidad de un duplexor y puede proteger los componentes sensibles del receptor de la alta potencia que se utiliza en la transmisión.
Los conjuntos adaptativos pueden ser una sola antena con elementos activos o un conjunto de antenas similares con capacidad de cambiar su patrón de radiación combinado a medida que persisten diferentes condiciones. Los conjuntos de barrido electrónico activo ( AESA ) manipulan desfasadores y atenuadores en la cara de cada sitio de radiación para proporcionar una capacidad de barrido casi instantánea, así como control de patrón y polarización. Esto es especialmente beneficioso para aplicaciones de radar, ya que proporciona a una sola antena la capacidad de cambiar entre varios modos diferentes, como búsqueda, seguimiento, mapeo y contramedidas de interferencia.
Técnicas de procesamiento
Todas las técnicas anteriores requieren algún tipo de posprocesamiento para recuperar el mensaje deseado. Entre estas técnicas se encuentran:
Conmutación: en un receptor conmutado, la señal de una sola antena se envía al receptor mientras la calidad de esa señal se mantenga por encima de un umbral prescrito. Si la señal se degrada, se conecta otra antena. La conmutación es la técnica de procesamiento de diversidad de antenas más sencilla y que consume menos energía, pero pueden producirse períodos de desvanecimiento y desincronización mientras la calidad de una antena se degrada y se establece otro enlace de antena.
Selección: al igual que con la conmutación, el proceso de selección presenta al receptor solo la señal de una antena en un momento dado. Sin embargo, la antena elegida se basa en la mejor relación señal-ruido (SNR) entre las señales recibidas. Esto requiere que se realice una medición previa y que todas las antenas hayan establecido conexiones (al menos durante la medición de la SNR), lo que genera un mayor requisito de potencia. El proceso de selección real puede tener lugar entre los paquetes de información recibidos. Esto garantiza que se mantenga una única conexión de antena tanto como sea posible. La conmutación puede entonces tener lugar paquete por paquete si es necesario.
Combinación: En la combinación, todas las antenas mantienen conexiones establecidas en todo momento. Luego, las señales se combinan y se presentan al receptor. Según la sofisticación del sistema, las señales se pueden sumar directamente (combinación de igual ganancia) o ponderarlas y agregarlas de manera coherente ( combinación de relación máxima ). Este sistema ofrece la mayor resistencia al desvanecimiento, pero como todas las rutas de recepción deben permanecer energizadas, también consume la mayor cantidad de energía.
Control dinámico: los receptores controlados dinámicamente pueden elegir entre los esquemas de procesamiento anteriores para cada situación. Si bien son mucho más complejos, optimizan el equilibrio entre potencia y rendimiento. Las transiciones entre modos o conexiones de antena se indican mediante un cambio en la calidad percibida del enlace. En situaciones de bajo desvanecimiento, el receptor puede no emplear diversidad y utilizar la señal presentada por una sola antena. A medida que las condiciones se degradan, el receptor puede asumir los modos más confiables pero que consumen más energía descritos anteriormente.
Aplicaciones
Una aplicación práctica bien conocida de la recepción de diversidad es en los micrófonos inalámbricos y en dispositivos electrónicos similares, como los sistemas de guitarra inalámbricos. Un micrófono inalámbrico con un receptor que no sea de diversidad (un receptor que tenga solo una antena) es propenso a cortes aleatorios, desvanecimientos, ruido u otras interferencias , especialmente si el transmisor (el micrófono inalámbrico) está en movimiento. Un micrófono inalámbrico o un sistema de sonido que utilice recepción de diversidad cambiará a la otra antena en microsegundos si una antena experimenta ruido, lo que proporciona una señal de mejor calidad con menos cortes y ruido. Idealmente, no se producirán cortes ni ruido en la señal recibida.
Otro uso común es en equipos de redes Wi-Fi y teléfonos inalámbricos para compensar la interferencia por trayectos múltiples . La estación base cambiará la recepción a una de las dos antenas según cuál esté recibiendo una señal más fuerte en ese momento. Para obtener mejores resultados, las antenas suelen colocarse a una longitud de onda de distancia. Para las bandas de microondas , donde las longitudes de onda son inferiores a 100 cm, esto a menudo se puede hacer con dos antenas conectadas al mismo hardware. Para frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas, las antenas deben estar a varios metros de distancia, lo que lo hace mucho menos razonable.
Las torres de telefonía móvil también suelen aprovechar la diversidad: cada cara (sector) de una torre suele tener dos antenas: una transmite y recibe, mientras que la otra es solo una antena receptora. Se utilizan dos receptores para realizar la recepción de diversidad.
Antenas celulares en una torre eléctrica que muestran dos antenas por sector
La codificación por diversidad es la técnica de codificación espacial para un sistema MIMO en canales inalámbricos. Los canales inalámbricos sufren severamente fenómenos de desvanecimiento, lo que provoca falta de fiabilidad en la decodificación de datos. Básicamente, la codificación por diversidad envía múltiples copias a través de múltiples antenas de transmisión, con el fin de mejorar la fiabilidad de la recepción de datos. Si una de ellas no recibe, las otras se utilizan para la decodificación de datos. MIMO logra diversidad espacial y multiplexación espacial.
^ Siamack Ghadimi (2 de abril de 2019), Comunicaciones inalámbricas polarizadas cruzadas diferenciales , Investigación científica
J. Moon y Y. Kim. “La diversidad de antenas fortalece las redes LAN inalámbricas”. Communication Systems Design, páginas 15 a 22, enero de 2003
SM Lindenmeier, LM Reiter, DE Barie y JF Hopf. “Diversidad de antenas para mejorar la tasa de errores en la recepción de radio digital móvil, especialmente en áreas con vegetación densa”. Conferencia internacional ITG sobre antenas, ISBN 978-3-00-021643-5 , páginas 45-48. 30 de marzo de 2007.
“Configuraciones de antenas de diversidad y matrices adaptables para terminales de comunicación inalámbrica portátiles” por Carl Dietrich, Jr. 15 de febrero de 2000.
“Tutorial de antenas adaptativas: eficiencia espectral y procesamiento espacial”, por Marc Goldburg. Oficina de Ingeniería y Tecnología de la FCC. 7 de septiembre de 2001.
“Un enfoque orientado a objetos basado en MATLAB para la simulación de canales con desvanecimiento por trayectos múltiples” Documento técnico de CD Iskander. Febrero de 2008.
