I sistemi di antenna avanzati svolgono un ruolo cruciale nelle comunicazioni moderni. Assicurano una connettività continua nei sistemi di comunicazione terra-terra e terra-aria. Nel panorama in continua evoluzione delle antenne utilizzate per le comunicazioni, la richiesta di prestazioni migliori è in continuo aumento. I progressi nel campo delle antenne per le comunicazioni e l'espansione dello spettro elettromagnetico utilizzabile hanno aperto la strada a una maggiore velocità del segnale, a una maggiore capacità di rete e a una maggiore copertura. Questo articolo analizza le tecnologie avanzate e all'avanguardia dei sistemi di antenna, come MIMO e i sistemi di antenna distribuita (DAS), che rendono possibile l'era moderna delle comunicazioni wireless nelle applicazioni aerospaziali e terra-terra.
I sistemi di antenna si affidano alla tecnologia MIMO
I tempi delle antenne singole ed estensibili sul retro di una radio portatile sono finiti. Al giorno d'oggi, molti sistemi di antenna moderni utilizzano la tecnologia MIMO (Multi-input Multi-Output), che prevede l'utilizzo di più antenne sia sul trasmettitore che sul ricevitore per aumentare la velocità di elaborazione del segnale e migliorarne l'affidabilità. Sfruttando la multiplazione spaziale, i sistemi MIMO consentono la trasmissione simultanea di più flussi di dati sulla stessa banda di frequenza. Un sistema MIMO standard impiega in genere da 2 a 6 trasmettitori.
I sistemi satellitari e aerospaziali con antenne multiple possono utilizzare le tecniche MIMO per migliorare i rate dati e la qualità delle comunicazioni terra-aria. La tecnologia MIMO è particolarmente utile per l'accesso a Internet via satellite, lo streaming video e le applicazioni di comunicazione ad alta intensità di dati.
Massive MIMO (indicato in breve come mMIMO) amplia notevolmente la scala della precedente generazione di MIMO. Le moderne antenne di rete mMIMO di Ericsson, come AIR 6476, sono ad esempio dotate di 64 rami di trasmissione e 64 di ricezione.
La tecnologia mMIMO è un fattore chiave per le reti 5G. È in grado di distribuire numerose antenne in una stazione radio base, aumentando la capacità della rete e fornendo una migliore copertura. Un software di antenna avanzato è in grado di controllare questi array massive MIMO per rilevare le interferenze, modellare in modo intelligente la cella di distribuzione della rete e ridurre le interferenze tra le celle.
Il multiplexing aumenta la potenza del segnale
Il multiplexing è una tecnica comunemente utilizzata nei sistemi MIMO per trasmettere più "flussi" di informazioni unici che operano alla stessa frequenza o a frequenze diverse da antenne diverse. Questi flussi di dati vengono poi ricevuti da antenne indipendenti, dove ogni segnale viene ricombinato per formare il segnale originale. Dato che ogni segnale avrà la sua distorsione di canale mentre viaggia tra le antenne, l'antenna MIMO ricevente deve regolare i singoli flussi di segnale in base alla distorsione utilizzando un'avanzata elaborazione digitale del segnale per ricostruire il segnale originale.
Le tecniche di multiplexing, come la modulazione di ampiezza in quadratura (QAM), possono aumentare la potenza complessiva del segnale e aumentare la velocità di trasferimento dei dati tra i gruppi di antenne. La QAM può trasmettere dati su più canali d'antenna simultaneamente, aumentando il numero di canali totali che il sistema di antenne può trasmettere. Questa tecnologia è particolarmente utile nei sistemi di comunicazione satellitare, come Starlink, in quanto lo spettro di frequenze limitato deve essere utilizzato in modo efficace per ospitare più utenti e rate dati elevati.
Le singole antenne possono trasmettere una quantità fissa di dati al secondo per Hertz. Grazie alla possibilità di suddividere un singolo segnale di grandi dimensioni in "flussi" più piccoli che rientrano nella capacità di una singola antenna, i segnali di dati di grandi dimensioni possono essere trasmessi attraverso una serie dinamica di molte antenne più piccole. La QAM è progettata per suddividere il segnale di una singola antenna in più flussi di dimensioni ridotte. Più antenne possono aumentare la larghezza di banda aggiungendo altri canali della stessa frequenza di segnale e aumentando l'accuratezza grazie al beamforming.
Originariamente sviluppate per l'LTE 4G, le funzionalità multiplexing svolgono ora un ruolo cruciale nel 5G, consentendo la trasmissione di dati ad alta velocità e mantenendo al contempo l'efficienza dell'antenna e dello spettro.
La diversità spaziale aiuta i segnali a coprire lunghe distanze
I segnali wireless che coprono grandi distanze possono essere soggetti a fenomeni di fading o a interferenze dovute a ostacoli o interferenze elettromagnetiche. Le tecniche di codifica a diversità spaziale possono essere considerate come una comunicazione multicanale ridondante. Queste tecniche sono utilizzate per inviare più copie dello stesso segnale attraverso diverse antenne di trasmissione fisicamente separate (anche se già dotate di multiplex).
Inoltre, più antenne fisicamente separate tra loro ricevono questi segnali duplicati, anche se è probabile che siano corrotti. Tuttavia, dato il diverso percorso, ogni singolo segnale corrotto può essere combinato, riducendo l'impatto del fenomeno del path-fading e ripristinando l'affidabilità del segnale.
Date le esigenze di comunicazione a lunga distanza nelle applicazioni aerospaziali, le tecniche di diversità spaziale minimizzano efficacemente il fading del segnale e le interferenze per la comunicazione aerospaziale.
Il beamforming invia i segnali in modo efficiente
Comunemente presente nelle applicazioni con antenne multiple, come i sistemi MIMO e ad antenna distribuita, il beamforming è una tecnica avanzata di ottimizzazione dell'antenna e della rete che concentra i segnali radio in una direzione specifica per aumentare la copertura e la capacità di una rete wireless. I modelli di antenna vengono regolati in modo intelligente per creare un'interferenza positiva delle singole onde elettromagnetiche tra loro in una direzione molto specifica. Questa strategia consente un'amplificazione mirata del segnale e una riduzione delle interferenze e garantisce la massima qualità del segnale.
Il beamforming si ottiene regolando la fase e il guadagno di un singolo segnale RF in uscita attraverso più antenne. Nelle applicazioni MIMO, ogni antenna può inviare segnali diversi che possono essere combinati, ognuno dei quali ponderato con il proprio guadagno e la propria fase per creare una forma di fascio multicanale. Questo tipo di beamforming consente di inviare segnali completamente diversi in molte direzioni utilizzando un singolo array di antenne MIMO.
Il beamforming è molto importante nei sistemi di comunicazione aerospaziale, soprattutto per le comunicazioni aria-terra, dove l'efficienza energetica è essenziale. Le tecniche di beamforming consentono ai satelliti o agli aerei di concentrare le loro trasmissioni verso luoghi specifici, come stazioni a terra o altri velivoli, per massimizzare la qualità del segnale e ridurre al minimo le interferenze.
I sistemi di antenne distribuite diffondono la copertura in modo uniforme
Anche se i moderni gruppi di antenne singole sono eccezionali per aumentare la capacità, potrebbero non essere utilizzabili in tutti gli ambienti. In edifici di grandi dimensioni con scarsa penetrazione del segnale o forti interferenze, la copertura di rete necessaria può essere garantita da sistemi di antenne distribuite (DAS). Un DAS consiste in una rete di antenne distribuite in tutto l'edificio e progettate per coordinarsi in modo da massimizzare la connettività e ridurre al minimo gli sprechi di segnale.
Le reti DAS sono progettate per integrare stazioni base di rete, come le torri cellulari 4G e 5G, estendendo le reti negli edifici dove una singola antenna potrebbe non fornire una copertura affidabile. I sistemi ad antenna distribuita supportano generalmente tutti i principali operatori di rete e possono essere concettualmente paragonati agli estensori di portata Wi-Fi, ma per le reti cellulari.
Le dimensioni dei DAS possono variare per supportare edifici che vanno da piccoli spazi per uffici da 1000 metri quadrati con 2-4 sistemi di ripetitori cellulari a enormi grattacieli di quasi 50.000 metri quadrati. I sistemi di antenne distribuite per esterni possono coprire aree ampie e densamente popolate, tra cui strade cittadine trafficate, zoo e luoghi di eventi. Nelle applicazioni aerospaziali, i sistemi DAS sono comunemente utilizzati all'interno di grandi aerei per fornire una copertura e una capacità wireless uniforme.
Tecnologia delle antenne per le comunicazioni nelle applicazioni aerospaziali
Le tecnologie avanzate per le antenne svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi di comunicazione terra-aria e terra-terra. Le soluzioni di connettività wireless affidabili e ad alte prestazioni sono sempre più essenziali per le applicazioni aerospaziali, tra cui le comunicazioni satellitari, aereo-aeromobile, aereo-terra e passeggeri in volo. Con l'evoluzione del settore aerospaziale, queste soluzioni di antenna saranno determinanti per soddisfare le crescenti esigenze di comunicazione con una copertura efficiente, affidabile e sicura.
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