Método de redundancia para mejorar la confiabilidad de las comunicaciones.
Central telefónica con antenas posteriores montadas más arriba para antifade
La diversidad de antenas , también conocida como diversidad espacial o diversidad espacial , es cualquiera de varios esquemas de diversidad inalámbrica que utiliza dos o más antenas para mejorar la calidad y confiabilidad de un enlace inalámbrico. A menudo, especialmente en entornos urbanos e interiores, no existe una línea de visión (LOS) clara entre el transmisor y el receptor. En lugar de ello, 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 múltiples antenas ofrecen al receptor varias observaciones de la misma señal. Cada antena experimentará un entorno de interferencia diferente. Así, si una antena está experimentando un desvanecimiento profundo , es probable que otra tenga señal suficiente. En conjunto, un sistema de este tipo puede proporcionar un vínculo sólido. Si bien esto se ve principalmente en sistemas de recepción ( recepción por diversidad ), lo analógico también ha demostrado ser valioso para sistemas de transmisión ( diversidad de transmisión ).
Intrínsecamente, un esquema de diversidad de antenas requiere hardware e integración adicionales en comparación con un sistema de antena único, pero debido a la similitud de las rutas de señal se puede compartir una buena cantidad de circuitos. Además, con las múltiples señales, se impone una mayor demanda de procesamiento al receptor, lo que puede llevar a requisitos de diseño más estrictos. Sin embargo, normalmente la confiabilidad de la señal es primordial y el uso de múltiples antenas es una forma efectiva de disminuir la cantidad de interrupciones y conexiones perdidas.
Técnicas de antena
La diversidad de antenas se puede lograr de varias maneras. Dependiendo del entorno y de 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 múltiples métodos para aumentar aún más la confiabilidad.
La diversidad espacial emplea múltiples antenas, normalmente con las mismas características, que están físicamente separadas 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 cocanal.
La diversidad de patrones consiste en dos o más antenas ubicadas conjuntamente con diferentes patrones de radiación . Este tipo de diversidad utiliza antenas direccionales que generalmente están físicamente separadas por una distancia (a menudo corta). En conjunto, son capaces de discriminar una gran parte del espacio angular y pueden proporcionar una ganancia mayor que 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 desajustes de polarización que de otro modo causarían 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 transmisoras. [1]
La diversidad de transmisión/recepción utiliza dos antenas colocadas separadas 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 utilizada 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 activos de escaneo electrónico ( AESA ) manipulan desfasadores y atenuadores en la parte frontal de cada sitio radiante para proporcionar una capacidad de escaneo casi instantánea, así como control de patrón y polarización. Esto es especialmente beneficioso para aplicaciones de radar, ya que ofrece 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 procesamiento posterior 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 permanezca 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 fácil y que consume menos energía, pero pueden ocurrir 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 procesamiento de selección presenta solo la señal de una antena al receptor 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 SNR), lo que lleva a un mayor requisito de energía. El proceso de selección real puede tener lugar entre paquetes de información recibidos. Esto garantiza que se mantenga una única conexión de antena tanto como sea posible. La conmutación puede realizarse entonces paquete a paquete si es necesario.
Combinando: Al combinarse, todas las antenas mantienen conexiones establecidas en todo momento. Luego, las señales se combinan y se presentan al receptor. Dependiendo de la sofisticación del sistema, las señales se pueden agregar directamente (combinación de ganancia igual) o ponderadas y agregadas de manera coherente ( combinación de relación máxima ). Un sistema de este tipo proporciona la mayor resistencia al desvanecimiento, pero como todos los caminos de recepción deben permanecer energizados, también consume la mayor cantidad de energía.
Control dinámico: Los receptores controlados dinámicamente son capaces de elegir entre los esquemas de procesamiento anteriores cuando surja la situación. Si bien son mucho más complejos, optimizan el equilibrio entre potencia y rendimiento. Las transiciones entre modos y/o conexiones de antena se señalan mediante un cambio en la calidad percibida del enlace. En situaciones de desvanecimiento bajo, el receptor no puede 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 por diversidad es en los micrófonos inalámbricos y en dispositivos electrónicos similares , como los sistemas inalámbricos de guitarra . Un micrófono inalámbrico con un receptor sin diversidad (un receptor que tiene una sola antena) es propenso a interrupciones aleatorias, desvanecimientos, ruido u otras interferencias , especialmente si el transmisor (el micrófono inalámbrico) está en movimiento. Un micrófono inalámbrico o un sistema de sonido que utiliza recepción de diversidad cambiará a la otra antena en microsegundos si una antena experimenta ruido, proporcionando una señal de mejor calidad con menos interrupciones y ruido. Lo ideal es que no se produzcan interrupciones ni ruidos en la señal recibida.
Otro uso común es en equipos de redes Wi-Fi y teléfonos inalámbricos para compensar la interferencia de múltiples rutas . La estación base cambiará la recepción a una de las dos antenas dependiendo de cuál esté recibiendo actualmente una señal más fuerte. Para obtener mejores resultados, las antenas generalmente se colocan 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 separadas por varios metros, 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 una antena de sólo recepción. Se utilizan dos receptores para realizar la recepción de diversidad.
Antenas celulares en una torre eléctrica que muestra dos antenas por sector
La codificación de diversidad son las técnicas de codificación espacial para un sistema MIMO en canales inalámbricos. Los canales inalámbricos sufren gravemente fenómenos de desvanecimiento, lo que provoca falta de fiabilidad en la decodificación de datos. Fundamentalmente, la codificación por diversidad envía múltiples copias a través de múltiples antenas de transmisión, para mejorar la confiabilidad de la recepción de datos. Si uno de ellos no recibe, los demás se utilizan para decodificar los datos. MIMO logra diversidad espacial y multiplexación espacial.
^ Siamack Ghadimi (2 de abril de 2019), Comunicaciones inalámbricas diferenciales de polarización cruzada , Investigación científica
J. Moon y Y. Kim. "La diversidad de antenas fortalece las LAN inalámbricas". Diseño de sistemas de comunicación, páginas 15 a 22, enero de 2003
SM Lindenmeier, LM Reiter, DE Barie y JF Hopf. "Diversidad de antenas para mejorar la BER en la recepción de radio digital móvil, especialmente en áreas con follaje denso". Conferencia internacional ITG sobre antenas, ISBN 978-3-00-021643-5 , páginas 45–48. 30 de marzo de 2007.
“Matrices adaptativas y configuraciones de antenas de diversidad para terminales de comunicación inalámbricas portátiles” por Carl Dietrich, Jr. 15 de febrero de 2000.
“Tutorial de antena adaptativa: eficiencia espectral y procesamiento espacial” por Marc Goldburg. Oficina de Ingeniería y Tecnología de FCC. 7 de septiembre de 2001.
“Un enfoque orientado a objetos basado en MATLAB para la simulación de canales de desvanecimiento por trayectos múltiples” Un documento técnico de CD Iskander. Febrero de 2008.
