ES2241033T3 - Disposicion de antenas. - Google Patents
Disposicion de antenas.Info
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Abstract
SE DESCRIBE UNA CONFIGURACION DE ANTENA PARA USARSE EN UN SISTEMA DE RADIO MOVIL CELULAR, QUE CONSTA DE CUATRO ELEMENTOS RECEPTORES DE ANTENA AGRUPADOS EN DOS RAMAS (2, 4). LA PRIMERA RAMA (2) CONSTA DE UN ELEMENTO DE ANTENA (6) QUE RECIBE SEÑALES POLARIZADAS VERTICALMENTE SITUADO PROXIMO A UN ELEMENTO DE ANTENA (8) QUE RECIBE SEÑALES POLARIZADAS HORIZONTALMENTE. LA SEGUNDA RAMA (4) CONSTA DE UNA CONFIGURACION SIMILAR (10, 12), SEPARADA DE LA PRIMERA RAMA, PARA SUMINISTRAR LA DIVERSIDAD ESPACIAL DE LAS SEÑALES RECIBIDAS. CUANDO SE RECIBE UNA SEÑAL, LAS SEÑALES DE LOS CUATRO ELEMENTOS DE ANTENA (6, 8, 10, 12) SON ALIMENTADAS A UNA CONFIGURACION DE COMBINADOR (14, 16, 18) PARA PRODUCIR UNA GANANCIA POR DIVERSIDAD ESPACIAL Y DIVERSIDAD DE POLARIZACION.
Description
Disposición de antenas.
La presente invención se refiere a una
disposición de antenas para transducir las señales difundidas en un
sistema de comunicaciones de radio móviles celulares y, de forma
particular aunque no exclusiva, a dicha disposición para utilizar en
el enlace ascendente (de estación móvil a estación base) de un
sistema de comunicaciones de radio móviles celulares.
En un sistema de comunicaciones de radio móviles
celulares, se dispone de un grupo de estaciones base distribuidas
por un área que se divide teóricamente en un grupo de células,
estando asociada cada estación base a una célula. A cada célula, se
le asignan varios canales de radiofrecuencia a través de los cuales
las unidades móviles de la célula transmiten señales a la estación
base de la célula y las reciben desde ésta. Los canales de
frecuencia asignados a células adyacentes son, por lo general,
diferentes para permitir la reutilización de las frecuencias.
En funcionamiento, cada unidad móvil puede
transmitir una señal a la estación base en el enlace ascendente del
sistema de comunicación. La intensidad de la señal del enlace
ascendente recibida en la estación base variará según la
localización de la unidad móvil dentro de la célula, y la señal
recibida puede degradarse como consecuencia de los efectos de
propagación por trayectorias múltiples y una baja relación
señal-ruido en el enlace ascendente. Una forma de
aumentar la relación señal-ruido recibida en el
enlace ascendente es aumentar la ganancia en diversidad de la antena
receptora del enlace ascendente.
En entornos tales como los entornos rurales, la
ganancia de la antena receptora del enlace ascendente sigue
imponiendo una limitación indeseable sobre el tamaño de la célula.
En las áreas rurales, muy raras veces -por no decir nunca-, se
utiliza de forma simultánea la capacidad completa de los canales de
frecuencia asignados a una célula y, además, existen vacíos no
deseados en la cobertura de las células disponibles cuando las
estaciones base están muy dispersas.
Se conocen diversas disposiciones para mejorar la
ganancia del enlace ascendente del grupo de antenas receptoras de la
estación base de un sistema de radio móvil celular. Los sistemas
celulares de segunda generación utilizan comúnmente dos grupos de
antenas separados en cada sector de estación base para recibir la
señal de enlace ascendente con diversidad en el espacio. Las señales
recibidas en los dos grupos de antenas separados en el espacio se
habrán desplazado por diferentes trayectorias espaciales desde la
unidad móvil y, consiguientemente, habrán llegado con diferentes
envolventes de desvanecimiento, pudiéndose utilizar la señal
recibida en un grupo de antenas para aumentar la señal recibida en
el otro. Las salidas de los grupos de antenas se combinan para
aumentar la ganancia de la disposición de antenas receptoras del
enlace ascendente.
Para aumentar todavía más la ganancia de la
antena receptora del enlace ascendente de una forma distinta a la
mencionada, se ha propuesto utilizar una disposición de antenas de
diversidad en el espacio de cuatro ramas. La estación base presenta
cuatro grupos de antenas de polarización vertical separadas unas de
otras. Las cuatro salidas de los grupos de antenas separados se
combinan para proporcionar una ganancia en diversidad en el espacio
superior a la proporcionada por la disposición de antenas de
diversidad en el espacio de dos ramas.
Estas disposiciones de antenas de diversidad en
el espacio utilizan antenas que reciben sólo las componentes de
polarización vertical de la señal del enlace ascendente.
En otra disposición conocida de antenas
receptoras de enlace ascendente para un sistema de comunicaciones
móviles celulares, la ganancia se aumenta utilizando diversidad en
la polarización en la estación base. La componente de la señal
polarizada verticalmente se recibe en un grupo de antenas y la
componente de la señal polarizada horizontalmente se recibe en un
grupo de antenas diferente. Las dos salidas se introducen en un
combinador para generar una salida con una ganancia en diversidad de
polarización.
La patente nº US 4.723.321 se refiere a un
procedimiento y un aparato para utilizar con señales de transmisión
de doble polarización en sistemas de comunicación de radio que
utilizan antenas de diversidad en el espacio para anular la
interferencia de polarización cruzada y proporcionar también
ecualización. Se dispone de unos primeros y unos segundos medios de
antena que se sitúan de una forma que permite obtener diversidad en
el espacio, siendo ambos medios de antena utilizados para transducir
doble polarización y mejorar la eficacia de la transmisión.
El documento EP 766 414, con fecha de publicación
02.04.1997, se refiere a una estación de radio que constituye una
estación base para un sistema de telecomunicación, destinado a
llevar a cabo la telecomunicación inalámbrica con las unidades de
radio móviles. La estación de radio comprende una unidad
transmisora, una unidad receptora, un grupo de antenas y medios para
la recepción con diversidad. La estación puede ampliarse con varias
unidades, cada una de las cuales comprende una antena y está situada
a una distancia predeterminada de la antena o las antenas de las
otras unidades. Las antenas que forman parte de cada unidad están
adaptadas para la recepción con diversidad en el espacio en
colaboración con por lo menos una antena de cualquiera de las otras
unidades. Las antenas de cada unidad pueden recibir señales con
diferentes direcciones de polarización.
Según la presente invención, se proporciona un
aparato de antenas para recibir señales del enlace ascendente desde
las unidades móviles de un sistema de comunicaciones de radio
móviles celulares según la reivindicación 1.
Las señales de enlace ascendente de un sistema de
comunicaciones móviles celulares a menudo presentan tanto
componentes de polarización vertical como componentes de
polarización horizontal. Por ejemplo, cuando la unidad móvil es una
unidad móvil portátil con una antena omnidireccional de inclinación
azimutal, la señal emitida desde la unidad móvil presentará, en la
mayoría de direcciones, componentes de polarización vertical y
horizontal que pueden variar según la inclinación con la que se
sujeta la unidad móvil. Por consiguiente, en una estación base, se
reciben por lo general estas dos componentes de señal de resolución
ortogonal. De este modo, con la presente invención, es posible
mejorar la ganancia en diversidad de la antena receptora del enlace
ascendente, para conseguir una ganancia comparable a la del sistema
de diversidad en el espacio de cuatro ramas.
Dicho aumento de ganancia en diversidad del
enlace ascendente en una estación base de un sistema celular de
comunicaciones de radio móviles celulares asignará eficazmente una
provisión de ganancia del enlace de radio que servirá para mejorar
el rango operativo de las células de radio del sistema. El cálculo
del enlace de radio determina los niveles de cobertura dentro de los
edificios y de cobertura en el nivel de calle de una célula. Un
incremento en el rango de la célula (obtenido, por ejemplo, mediante
un aumento de ganancia en el enlace ascendente y una potencia de
transmisión más alta en el enlace descendente) tiene un efecto
fundamental sobre el número de sistemas de estación base necesarios
en una disposición y, por consiguiente, sobre el coste asociado.
El tamaño visual de una antena de una estación
base, ya esté situada en la parte superior de un edificio o bien en
una plataforma para antena construida expresamente, es un factor
importante a tener en cuenta cuando se considera el impacto
ambiental de una estación base. Puesto que cada sistema del grupo de
sistemas de radio móviles celulares que puede funcionar en un solo
territorio requiere un número mayor de estaciones base distribuidas
por todo el territorio (algunas de las cuales se hallarán en áreas
rurales o urbanas sensibles al entorno), resultará beneficioso
proporcionar una disposición de antenas capaz de proporcionar una
mayor ganancia en recepción de diversidad de enlace ascendente y
mantener, al mismo tiempo, una antena cuyo tamaño tenga un impacto
ambiental aceptable.
La presente invención permite reducir
considerablemente el tamaño de la configuración de antenas de una
estación base respecto de la antena de diversidad en el espacio de
cuatro ramas. La presente invención también puede utilizarse para
reducir la complejidad mecánica de la configuración física de las
antenas.
A continuación, se describirá una realización de
la presente invención, únicamente a título de ejemplo, haciendo
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 representa una célula de
comunicaciones de radio dividida en tres sectores;
la Figura 2 es un diagrama de bloques que
representa los componentes de una realización de la presente
invención y
la Figura 3 es una vista en perspectiva de una
configuración de antenas que incorpora la presente invención.
En relación con la Figura 1, la estación base BS
que funciona en un sistema TDMA está situada en el centro de una
célula que consta de tres sectores de 120º: S1, S2 y S3. Se asignan
grupos diferentes de canales de frecuencia a cada sector. La Figura
1 también ilustra una unidad móvil MU que transmite en el sector S1
en el enlace ascendente recibido por la estación base BS.
Cuando se asigna a una unidad móvil MU un canal
de frecuencia a través del cual puede comunicarse con la estación
base BS, la unidad móvil MU transmite su señal al entorno
circundante en todas las direcciones. Algunas partes de la señal se
desplazarán directamente hasta la estación base BS y otras partes de
la señal se reflejarán en obstáculos del entorno (colinas,
edificios, superficies de agua, etc.), llegando finalmente a la
estación base BS. La señal recibida en la estación base BS llegará
generalmente con diferentes fases, y con diferentes envolventes de
desvanecimiento, por los dos puntos. También es probable que las
componentes de señal de polarización vertical y polarización
horizontal lleguen a cada punto con diferentes envolventes de
desvanecimiento, puesto que las dos componentes tendrán intensidades
diferentes debido a las diferentes trayectorias de
desplazamiento.
En relación con la Figura 2, se ilustra una
disposición para utilizar en un sector de una estación base de radio
según una realización de la presente invención, que presenta una
antena de diversidad en el tiempo con dos ramas 2 y 4. Cada rama
comprende dos grupos de antenas generalmente ortogonales 6, 8 y 10,
12. Una de las ramas 2 presenta un grupo de antenas de polarización
vertical 6, tal como un grupo de antenas de dipolo, y un grupo de
antenas de polarización horizontal 8, tal como un grupo de antenas
dipolo. La segunda rama 4 presenta un grupo de antenas de
polarización vertical 10 y un grupo de antenas de polarización
horizontal 12 similar. Dichos grupos de dipolos constan de un grupo
de elementos radiantes. Los elementos individuales se conectan por
medio de una red en cada grupo de antenas, y presentan ajustes de
fase y amplitud individuales para la conformación del haz.
Las salidas de los grupos de polarización
vertical 6 y 10 se introducen en un combinador de dos puertas 14 por
medio de un circulador de tres puertas 17. Las salidas de los dos
grupos de polarización horizontal 8 y 12 se introducen en un segundo
combinador de dos puertas 16. Estos dos combinadores de dos puertas
14 y 16 (ambos de los cuales poseen salidas que presentan ganancia
en diversidad en el espacio) se disponen en cascada hasta un tercer
combinador de dos puertas 18, para generar una salida combinada
final que presenta tanto ganancia en diversidad de espacio como
ganancia en diversidad de polarización, siendo introducida dicha
salida en el sistema de la estación base 20 que, a continuación,
introduce las señales en un conmutador telefónico móvil (MSC). Los
combinadores 14 y 16 tienen en cuenta las amplitudes y fases
diferentes de las señales obtenidas de los grupos de antenas
verticales 6 y 10 y los grupos de antenas horizontales 8 y 12,
respectivamente. Las señales recibidas de los cuatro grupos de
antenas 6, 8, 10 y 12 son finalmente combinadas en el combinador 18
para aumentar el rendimiento del enlace ascendente.
El sistema de la estación base 20 también
presenta una salida que introduce las señales en el circulador 17
para su transmisión a través del enlace descendente de la célula por
medio del grupo de polarización vertical 10.
Los grupos de antenas de polarización vertical 6
y 10 están separados mutuamente por una distancia A suficiente para
obtener una ganancia en diversidad en el espacio significativa
cuando sus señales se combinan. Debe establecerse un equilibrio
entre esta ganancia, el tamaño y las limitaciones de coste
asociadas. Por lo tanto, la distancia A es preferentemente superior
a 6 veces la longitud de onda media o aproximadamente central de las
señales que se van a recibir, mientras que, en una disposición
preferida, la distancia A es del orden de 20 veces dicha longitud de
onda.
Para obtener diversidad en el espacio entre los
grupos de antenas de polarización horizontal 8 y 12, éstos se sitúan
a una distancia B unos de otros, distancia que por motivos prácticos
deberá ser de por lo menos 6 veces la longitud de onda de la señal
y, preferentemente, del orden de 20 veces la longitud de onda de la
señal. La distancia entre el grupo de polarización vertical y el
grupo de polarización horizontal de una sola rama de diversidad en
el espacio 2 ó 4 no tiene una influencia fundamental en la
intensidad de la señal, aunque los grupos deberán estar
suficientemente separados para reducir la interferencia mutua. No
obstante, para obtener una disposición compacta, los dos grupos de
antenas 6, 8 y 10, 12 de cada rama de diversidad en el espacio 2 y 4
deberán situarse a una distancia relativamente corta uno del otro en
comparación con la distancia A o B de la diversidad en el
espacio.
En relación con la Figura 3, se utiliza una
disposición como la representada en la Figura 2 como receptor del
enlace ascendente, y un transmisor de enlace descendente, para cada
uno de los tres sectores de un grupo de estación base de una célula
dividida en tres sectores 22. Las ramas 2, 4 de antenas de
diversidad transmiten y reciben señales en uno de los tres sectores
de 120º que componen la célula. Otras ramas de antenas 102, 104 y
202, 204 están distribuidas alrededor de la configuración de antenas
de la estación base 22 a intervalos de 120º para prestar servicio a
los dos sectores restantes. La descripción proporcionada aquí se
refiere a los componentes de una sección sólo. En los grupos de
antenas de los otros sectores 102, 104, 202 y 204, se emplearán
disposiciones similares.
Una disposición como la descrita puede
proporcionar una salida que tiene una ganancia superior a 3 dB,
aproximadamente, con respecto a la salida de una configuración de
antenas de diversidad en el espacio convencional de una célula
dividida en tres sectores. Este aumento puede corresponder a un
incremento del área celular circular de cobertura a nivel de calle
del 45% en un entorno rural casi abierto (RQO). Por consiguiente, el
radio de dicha célula circular puede incrementarse hasta los 11 km,
aproximadamente, en el sistema de radio móvil celular DCS1800.
Por lo tanto, una configuración de antenas según
la presente invención puede proporcionar una célula de enlace
ascendente de mayor tamaño, debido a la utilización de la diversidad
en el espacio y la diversidad en la polarización en el grupo de
antenas. El incremento de tamaño de la célula del enlace ascendente
puede requerir un correspondiente acondicionamiento del cálculo de
enlace de radio del enlace descendente. Esto puede conseguirse
incrementando la potencia radiada transmitida en el enlace
descendente o mejorando la sensibilidad de recepción de la unidad
móvil.
En el presente caso, las antenas transmisoras del
enlace descendente utilizan preferentemente sólo un componente de
polarización. En la realización descrita, se suministra, al grupo de
antenas de polarización vertical 10, una señal de transmisión desde
el sistema de estación base 20, por medio del circulador 17. Es, por
supuesto, posible utilizar un grupo o varios de antenas
independientes para la transmisión de señales a las unidades móviles
a través del enlace descendente, aunque esto supone un incremento
del tamaño y del coste de la configuración de antenas de la estación
base.
Se prevé que la presente invención tenga una
mayor utilización en entornos predominantemente rurales, donde el
tamaño de la célula del enlace ascendente constituye a menudo un
factor restrictivo sobre el rendimiento de un sistema de radio móvil
celular. Se prevé que la presente invención tenga una aplicación
fundamental con respecto a los sistemas macrocelulares, aunque la
presente invención también resultará ventajosa en sistemas
megacelulares, microcelulares y picocelulares.
La presente invención puede aplicarse a
cualquiera de las especificaciones actuales del sistema celular de
radio móvil, puesto que el parámetro de ganancia de la antena del
enlace ascendente no está normalizado. La presente invención es
aplicable en particular, pero no de forma exclusiva, al rango
comprendido entre los 300 MHz y los 3 GHz de las radiofrecuencias.
Por consiguiente, la presente invención puede aplicarse a los
principales sistemas de radio móviles celulares en funcionamiento,
incluidos el NMT-450 (que funciona en torno a los
450 MHz), el GSM, el TAGS, el AMPS, el NMT-900 (que
funciona en torno a los 900 MHz), el DCS1800 (que funciona en torno
a los 1800 MHz) y el DCS1900 (que funciona en torno a los 1900
MHz).
Debe observarse que, aunque en la realización
ilustrada se utilizan tres combinadores de dos puertas situados en
cascada 14, 16 y 18 en una combinación o disposición dada, pueden
emplearse tres combinadores de dos puertas para combinar las señales
del grupo de antenas 6, 8, 10 y 12 en una permutación cualquiera.
Como alternativa, las cuatro señales pueden introducirse en un
combinador de cuatro puertas o un formador de haz digital que ajusta
las amplitudes y fases de las cuatro señales de entrada para mejorar
el rendimiento del enlace ascendente.
Los combinadores utilizados son preferentemente
combinadores de relación máxima u óptimos, pero pueden ser cualquier
otro tipo de combinadores conocidos que proporcione una ganancia de
señales combinadas. También pueden emplearse combinadores con
conmutación, que utilizan una mera combinación de selecciones o la
selección de umbrales fijos o variables.
Aunque se ha descrito una disposición utilizada
en los sistemas de comunicaciones de radio celulares de tres
sectores, la presente invención es aplicable también a los sistemas
que utilizan células que presentan otras cantidades de sectores o
que no presentan ningún sector.
Se apreciará que es posible emplear otras
modificaciones o variantes sin apartarse por ello del alcance de la
presente invención.
Claims (13)
1. Aparato de antenas para recibir señales del
enlace ascendente desde las unidades móviles (MU) en un sistema de
comunicaciones de radio móviles celulares, comprendiendo dicha
disposición:
unos primeros medios de antena (6) para recibir
una señal de enlace ascendente con una primera polarización;
unos segundos medios de antena (8) para recibir
la señal de enlace ascendente con una segunda polarización distinta
a dicha primera polarización;
unos terceros medios de antena (10) para recibir
la señal de enlace ascendente con una tercera polarización en un
emplazamiento separado de dichos primeros medios de antena por una
distancia suficiente para obtener diversidad en el espacio con
respecto a dichos primeros medios de antena, y
unos cuartos medios de antena (12) para recibir
la señal de enlace ascendente con una cuarta polarización, distinta
a la tercera polarización, en un emplazamiento separado de dichos
segundos medios de antena por una distancia suficiente para obtener
diversidad en el espacio con respecto a dichos segundos medios de
antena, y
unos medios para combinar la señal de enlace
ascendente recibida en cada uno de dichos medios de antena para
generar una señal recibida combinada;
en el que dichos segundos medios de antena (8)
están situados más cerca de dichos primeros medios de antena (6) que
dichos terceros medios de antena (10) y
dichos cuartos medios de antena (12) están
situados más cerca de dichos terceros medios de antena (10) que
dichos segundos medios de antena (8);
caracterizado porque dicho aparato está
adaptado para utilizar diversidad en la polarización.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
dicha segunda polarización es sustancialmente perpendicular a dicha
primera polarización.
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que
dichos primeros medios de antena (6) están destinados a recibir la
señal de enlace ascendente con una polarización sustancialmente
vertical, y dichos segundos medios de antena (8) están destinados a
recibir la señal del enlace ascendente con una polarización
sustancialmente horizontal.
sustancialmente horizontal.
4. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dichos terceros medios de antena
(10) están destinados a recibir la señal de enlace ascendente con
una polarización sustancialmente paralela a dicha primera
polarización, y dichos cuartos medios de antena (12) están
destinados a recibir la señal de enlace ascendente con una
polarización sustancialmente paralela a dicha segunda
polarización.
5. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que dichos terceros medios de antena
(10) están destinados a transmitir señales de enlace descendente a
las unidades móviles del sistema.
6. Aparato según la reivindicación 5, en el que
dichos segundos (8) y cuartos (12) medios de antena están destinados
a no transmitir señales de enlace descendente a las estaciones
móviles (MU) del sistema.
7. Aparato según la reivindicación 5 ó 6, en el
que dichos primeros medios de antena (6) están destinados a no
transmitir señales de enlace descendente a las unidades móviles (MU)
del sistema.
8. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios de combinación
comprenden tres combinadores de dos puertas dispuestos en cascada
(14, 16 y 18).
9. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que dichos medios de combinación
comprenden un combinador de cuatro puertas.
10. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que cada uno de dichos medios de
antena está destinado a recibir señales de enlace ascendente desde
las unidades móviles (MU) de uno de los sectores de una pluralidad
(S1, S2 y S3) situado en torno a una estación base (BS) de dicho
sistema.
11. Aparato que comprende una pluralidad de
grupos de aparatos según la reivindicación 10, en el que cada uno de
dichos grupos presta servicio a uno de dichos sectores.
12. Aparato según la reivindicación 11, en el que
dicha estación base presta servicio a una célula dividida en tres
sectores, y en el que cada sector es servido por uno de dichos
grupos.
13. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, para recibir señales de enlace
ascendente a frecuencias comprendidas entre 300 MHz y 3 GHz.
Applications Claiming Priority (2)
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