Antenas de Celular

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


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


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.


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


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


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


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


Alimentador

Elementos


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

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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.

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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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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

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