Los sistemas de antenas avanzadas cumplen una función crucial en la comunicación moderna. Garantizan la conectividad fluida tanto en sistemas de comunicación tierra-tierra como tierra-aire. En la situación siempre cambiante de las antenas utilizadas para la comunicación, las demandas por un mejor rendimiento aumentan de manera exponencial. Las mejoras en las antenas de comunicación y la expansión del espectro electromagnético utilizable allanaron el camino para una mejor velocidad de la señal, mayor capacidad de red y cobertura optimizada. Este artículo explora las tecnologías de vanguardia de sistemas de antenas avanzadas como MIMO y sistemas de antenas distribuidas (DAS, por sus siglas en inglés) que admiten la era moderna de la comunicación inalámbrica en aplicaciones aeroespaciales y tierra-tierra.
Los sistemas de antenas se basan en la tecnología MIMO
Quedaron en el pasado los días de antenas únicas y extensibles en la parte posterior de una radio portátil. Hoy en día, muchos sistemas modernos de antenas emplean la tecnología de multientrada, multisalida (MIMO). Esta tecnología está formada por varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor para mejorar el rendimiento de datos de la señal, así como la confiabilidad. Al aprovechar la multiplexación espacial, MIMO permite la transmisión simultánea de múltiples flujos de datos con la misma banda de frecuencia. La tecnología MIMO estándar por lo general utiliza de 2 a 6 antenas transmisoras y receptoras para enviar y recibir datos.
Los sistemas aeroespaciales y por satélite con múltiples antenas pueden utilizar las técnicas MIMO para mejorar la calidad y las tasas de transferencia de datos en la comunicación tierra-aire. MIMO es particularmente útil para el acceso a Internet por satélite, transmisión de videos y aplicaciones intensivas de datos de comunicación.
MIMO de gran tamaño (abreviado como mMIMO) amplía significativamente el alcance de MIMO de la generación anterior. Por ejemplo, las antenas modernas de la red mMIMO de Ericsson, como el producto AIR 6476, cuentan con 64 transmisores y 64 receptores.
La tecnología mMIMO es un facilitador clave de las redes 5G. Puede instalar varias antenas en una estación base de radio y, de esta manera, aumentar la capacidad de la red y proporcionar una mejor cobertura. El software de antenas avanzadas puede controlar estas matrices de MIMO de gran tamaño para detectar interferencia, dar forma a la celda de distribución de la red de manera inteligente y reducir la interferencia entre celdas.
La multiplexación aumenta la intensidad de la señal
La multiplexación es una técnica utilizada habitualmente en sistemas MIMO para transmitir múltiples flujos de información únicos que operan en frecuencias iguales o diferentes de distintas antenas. Estos flujos de datos luego son recibidos por antenas independientes, donde cada señal se vuelve a combinar para formar la señal original. Dado que cada señal tendrá su propia distorsión del canal a medida que viaja entre antenas, la antena receptora MIMO debe ajustar los flujos individuales de señal mediante el uso de procesamiento avanzado de señal digital para reconstruir la señal original.
Las técnicas de multiplexación, como modulación de amplitud en cuadratura (QAM, por sus siglas en inglés), pueden aumentar la intensidad general de la señal e incrementar las velocidades de transferencia de datos entre los montajes de las antenas. La QAM puede transmitir datos en múltiples canales de antenas de manera simultánea, lo cual favorece los canales totales que el sistema de antenas total puede transmitir. Es particularmente útil en sistemas de comunicación por satélite, como Starlink, dado que el espectro limitado de frecuencia se debe utilizar de manera eficaz para admitir múltiples usuarios y tasas altas de transferencia de datos.
Las antenas individuales tienen una cantidad fija de datos que pueden transmitir por segundo, por hercio. Al poder dividir una única señal grande en flujos más pequeños que se ajustan a la capacidad de una sola antena, las señales de datos grandes se pueden transmitir a través de una serie dinámica de antenas más pequeñas. La técnica QAM está diseñada para dividir la señal de una única antena en múltiples flujos más pequeños. Varias antenas pueden aumentar el ancho de banda al agregar canales adicionales de la misma frecuencia de señal y aumentar la precisión mediante la formación de haces.
Las capacidades de multiplexación originalmente se desarrollaron para 4G LTE y ahora cumplen una función crucial en 5G al admitir transmisión de alta velocidad de datos mientras mantienen la eficiencia del espectro y la antena.
La diversidad espacial ayuda a que las señales cubran grandes distancias
Las señales inalámbricas que cubren distancias grandes pueden verse afectadas por fenómenos de desvanecimiento, o interferencia de obstáculos o interferencia electromagnética. Las técnicas de codificación diversificada espacial se pueden considerar como una comunicación multicanal redundante. Estas técnicas se utilizan para enviar múltiples copias de la misma señal a través de antenas de transmisión separadas físicamente (incluso si ya están multiplexadas).
Además, múltiples antenas separadas físicamente entre ellas reciben esas señales duplicadas, aunque estén dañadas. No obstante, debido a los diferentes trayectos de la señal, cada señal dañada individualmente se puede combinar, y, de esta manera, reducir el impacto del fenómeno de desvanecimiento en el trayecto y restaurar la confiabilidad de la señal.
Dada la naturaleza de las necesidades de la comunicación a larga distancia en las aplicaciones aeroespaciales, las técnicas de diversidad espacial minimizan de manera eficaz el desvanecimiento de la señal y la interferencia para este tipo de comunicación.
La formación de haces envía señales de manera eficiente
La formación de haces, que habitualmente se halla en aplicaciones con múltiples antenas, como MIMO y sistemas de antenas distribuidas, es una técnica de optimización de redes de antenas avanzadas que se enfoca en las señales de radio en una dirección específica a fin de aumentar la cobertura y la capacidad de una red inalámbrica. Los patrones de las antenas se ajustan de manera inteligente para crear interferencia positiva entre las ondas electromagnéticas individuales en una dirección muy específica. Esta estrategia permite la amplificación de la señal específica, menos interferencia y una máxima calidad de señal.
La formación de haces se logra al ajustar la fase y la ganancia de una entrada de señal RF única a través de múltiples antenas. En las aplicaciones MIMO, cada antena envía diferentes señales que se pueden combinar, cada una ponderada con su propia ganancia y fase para crear una formación de haces de múltiples canales. Este tipo de formación de haces puede enviar señales completamente diferentes en muchas direcciones mediante una matriz de antena MIMO única.
La formación de haces es altamente relevante en los sistemas de comunicación aeroespacial, especialmente para la comunicación aire-tierra, donde es esencial la eficiencia de la potencia. Las técnicas de formación de haces permiten que los satélites y los aviones se enfoquen en sus transmisiones hacia ubicaciones específicas, como estaciones terrestres u otros aviones, para maximizar la calidad de la señal y minimizar la interferencia.
Los sistemas de antenas distribuidas despliegan la cobertura de manera uniforme
Mientras que los montajes modernos de antenas individuales son excelentes para aumentar la capacidad, es posible que los sistemas de antena única no sean operables en todos los entornos. En grandes edificios con poca penetración de señal o grandes interferencias, los sistemas de antenas distribuidas pueden proporcionar la cobertura de red necesaria. Estos sistemas están formados por antenas distribuidas en un edificio, y diseñadas para coordinar y maximizar la conectividad, y minimizar el desperdicio de señal.
Las redes de los sistemas de antenas distribuidas están diseñadas para complementar las estaciones base de redes, como las torres de celdas 4G y 5G, al extender las redes a los edificios donde es posible que una antena única no proporcione cobertura confiable. Los sistemas de antenas distribuidas generalmente respaldan los principales operadores de redes y pueden compararse de manera conceptual con extensores de alcance de wifi, pero para redes celulares.
Los sistemas de antenas distribuidas pueden variar en tamaño para respaldar los edificios que varían desde espacios pequeños de oficinas de 10 000 pies cuadrados (930 metros) con 2 a 4 sistemas de repetidores celulares hasta edificios enormes y altos de más de 500 000 pies cuadrados (4645 metros). Los sistemas de antenas distribuidas al aire libre pueden cubrir áreas grandes densamente pobladas, incluidas calles de ciudades concurridas, zoológicos y espacios para eventos. En las aplicaciones aeroespaciales, estos sistemas se utilizan habitualmente dentro de aviones grandes para proporcionar de manera uniforme cobertura inalámbrica y capacidad.
Tecnología de antenas de comunicación para aplicaciones aeroespaciales
Las tecnologías de antenas avanzadas cumplen una función vital en los sistemas de comunicación tierra-aire y tierra-tierra. Las soluciones de conectividad inalámbrica de alto rendimiento y confiables son cada vez más esenciales para las aplicaciones aeroespaciales, lo que incluye comunicación por satélite, avión-avión, avión-tierra y de pasajeros dentro del vuelo. A medida que la industria aeroespacial evoluciona, estas soluciones de antenas serán instrumentales para garantizar que se satisfagan las crecientes demandas de comunicación con cobertura segura, confiable y eficiente.
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