Las antenas inteligentes, también conocidas como antenas adaptativas, son conjuntos de antenas que utilizan algoritmos inteligentes para calcular la combinación óptima de antenas, de manera que las señales transmitidas por estas se superpongan y se mejoren en el extremo receptor. Esto aumenta la distancia de cobertura de la señal y mejora la velocidad de transmisión. Las antenas inteligentes aprovechan al máximo la tecnología de formación de haces y los conjuntos de antenas, obteniendo así mejores beneficios.
¿Por qué necesitamos antenas inteligentes?
Las antenas comunes enfrentan varios problemas en entornos de comunicaciones inalámbricas. Los estándares de Wi-Fi han evolucionado constantemente y ahora llegan a la sexta generación, conocida como Wi-Fi 6 (también conocida como 8011ax). Wi-Fi 6 ofrece una velocidad teórica de aproximadamente 10 Gbit/s, pero rara vez proporciona a los usuarios una velocidad tan alta en el uso real. Esto se debe a que, en las comunicaciones inalámbricas, la velocidad de Wi-Fi experimentada por los usuarios se ve afectada por los estándares de Wi-Fi y varios factores ambientales, como la interferencia y los obstáculos. Para mejorar la velocidad de Wi-Fi experimentada por los usuarios, es necesario expandir el rango de cobertura de los puntos de acceso (AP) para mejorar la calidad de la señal y reducir la interferencia entre las señales. Las antenas, como componente principal de un sistema de comunicaciones inalámbricas, determinan los haces de las señales transmitidas y afectan el rango de cobertura del AP. Existen dos tipos de antenas según su directividad: antenas omnidireccionales y antenas direccionales. En entornos reales de Wi-Fi, las antenas direccionales se utilizan principalmente en escenarios de alta densidad y enlaces de retorno, mientras que en otros escenarios, generalmente se adoptan antenas omnidireccionales. Sin embargo, las antenas comunes presentan tres dificultades principales que deben superarse:
- Cobertura en el borde : Las antenas omnidireccionales comunes tienen ganancias limitadas. Por esta razón, ofrecen buenos servicios para usuarios a corta distancia, pero solo ofrecen servicios de baja velocidad o incluso ningún servicio para usuarios a media y larga distancia.
- Cobertura sobre obstáculos : En entornos reales de Wi-Fi, los obstáculos, como tabiques, vidrio y paredes, son inevitables. Las señales de radio, al pasar a través de obstáculos entre las antenas y los usuarios, se atenúan en diferentes grados, lo que resulta en una mala experiencia de usuario.
- Cobertura en escenarios de alta densidad : En entornos de usuarios de alta densidad, la concurrencia de múltiples usuarios aumenta en gran medida la interferencia. Para abordar esto, Wi-Fi 5 y Wi-Fi 6 han introducido tecnologías multiusuario como multiusuario, entrada múltiple, salida múltiple (MU-MIMO) y acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA). A pesar de esto, la experiencia del usuario cerca del borde de cobertura no mejora significativamente como se esperaba.
Ventajas de las antenas inteligentes sobre las antenas comunes
Las antenas inteligentes mejoran eficazmente la experiencia del usuario al proporcionar una mejor cobertura en el borde, sobre obstáculos y en entornos de alta densidad. En comparación con las antenas comunes, las antenas inteligentes tienen las siguientes ventajas:
- Mayor distancia de cobertura : Las antenas inteligentes mejoran la intensidad de la señal en la misma ubicación que antes y aumentan la velocidad de Wi-Fi experimentada por el usuario. Como resultado, se requieren menos AP, lo que reduce las inversiones de los clientes.
- Mejor experiencia del usuario con cobertura sobre obstáculos : Las combinaciones de antenas se pueden ajustar de forma flexible para mejorar la intensidad de la señal en la dirección de los obstáculos. Esto a su vez aumenta la velocidad de Wi-Fi experimentada por el usuario a pesar de la misma atenuación que antes. Para obstáculos que no se pueden penetrar, las direcciones de las combinaciones de antenas también se pueden ajustar para evitar los obstáculos utilizando métodos de múltiples trayectorias, como la reflexión y la difracción de las señales de radio. De esta manera, se proporcionan servicios sin compromisos para los usuarios.
- Menor interferencia en entornos de alta densidad : Las direcciones de los haces de señal se pueden ajustar según la ubicación de los usuarios, reduciendo así la interferencia entre los usuarios en diferentes direcciones y mejorando la velocidad de Wi-Fi experimentada por el usuario.
¿Cómo funcionan las antenas inteligentes?
Las antenas inteligentes se implementan utilizando tecnologías de formación de haces y conjuntos de antenas. Ambas tecnologías aprovechan combinaciones de múltiples antenas para mejorar los haces de las señales transmitidas, mejorando así la experiencia del usuario inalámbrico. Al combinar las ventajas de las dos tecnologías, las antenas inteligentes logran mejores beneficios.
Tecnología de formación de haces
La formación de haces, también conocida como transmisión de formación de haces (TxBF), es una tecnología que transmite señales a STAs (estaciones de trabajo inalámbricas) de manera enfocada y direccional. Mejora de manera integral la calidad de las señales recibidas por las STAs y aumenta el rendimiento. La formación de haces se ha admitido desde Wi-Fi 4 (8011n) y se puede implementar utilizando múltiples antenas comunes. En un sistema de múltiples antenas, cuando las señales transmitidas por diferentes antenas llegan a una ubicación, pueden producirse señales de energía cero si dos haces tienen atenuación igual pero fases opuestas. La tecnología de formación de haces permite que dos haces se superpongan con el mejor efecto mediante la precompensación de las fases de las antenas de transmisión. Esto mejora la intensidad de las señales recibidas por las STAs, mejorando así la experiencia del usuario.
Tecnología de conjuntos de antenas
Un conjunto de antenas es una tecnología de conmutación de haces y consta de varias antenas pequeñas. Cada antena pequeña tiene varios elementos de antena. Cada elemento de antena se puede habilitar o deshabilitar de forma independiente. De esta manera, cada antena pequeña se puede utilizar como una antena omnidireccional o una antena direccional. La forma en que se combinan las antenas pequeñas está estrechamente relacionada con su ganancia, polarización, patrón, entre otros. Por lo tanto, el número de antenas pequeñas y sus elementos de antena determinan directamente la cantidad de haces formados finalmente. Por ejemplo, en la banda de frecuencia de 4 GHz, hay cuatro antenas, y cada antena tiene cuatro elementos, lo que significa un total de 16 elementos de antena. Dado que cada elemento de antena se puede habilitar o deshabilitar, en este caso se pueden obtener 216 combinaciones de antenas.
Basándose en algoritmos inteligentes, el conjunto de antenas puede seleccionar diferentes combinaciones de antenas para transmitir y recibir señales y, por lo tanto, formar diferentes direcciones de radiación de señales. Se seleccionan combinaciones óptimas de antenas para STAs en diferentes ubicaciones para transmitir y recibir señales y, formar haces. De esta manera, se mejora la intensidad de las señales recibidas por las STAs, mejorando la experiencia del usuario.
Formación de haces + Conjunto de antenas
El conjunto de antenas permite múltiples combinaciones de antenas, muchas más que las antenas comunes que admiten solo una combinación de antenas. El algoritmo de antena inteligente de Huawei selecciona la combinación óptima de antenas en función de la ubicación de una STA y luego utiliza la tecnología de formación de haces para optimizar los haces. Esto da como resultado haces y una mejor direccionalidad que cuando solo se utiliza la tecnología de conjunto de antenas. El resultado final es una mayor intensidad de las señales recibidas por las STAs, la supresión de interferencias y una mejor experiencia del usuario.
La combinación de formación de haces y conjunto de antenas Huawei ofrece una amplia gama de AP de interior AirEngine X760 que admiten antenas inteligentes. Para obtener más información, consulte los productos AirEngine Wi-Fi
Beneficios de las antenas inteligentes en diversos escenarios
Mejora de la cobertura en escenarios de cobertura de media y larga distancia
En un área de oficina abierta sin obstáculos, cuando un usuario con un terminal se aleja de un AP, el algoritmo de antena inteligente selecciona el haz direccional más adecuado en función de la ubicación del terminal para reemplazar el haz omnidireccional. El haz direccional tiene una ganancia alta; por lo tanto, se mejora la cobertura para usuarios de media y larga distancia, incluidos aquellos usuarios en el borde de la red.
Mejora de la cobertura en entornos inalámbricos complejos con obstáculos
En áreas de oficina con particiones de vidrio y particiones a media altura, como salas de reuniones divididas y salas de té divididas a media altura, las antenas inteligentes pueden mejorar la cobertura de los AP. En escenarios donde las señales deben penetrar a través de paredes, los haces direccionales tienen ventajas de penetración evidentes debido a que ofrecen altas ganancias. Si hay obstáculos que no se pueden evitar, las antenas inteligentes pueden seleccionar otros haces direccionales para evitar obstáculos en modos de trayectoria múltiple, como reflexión y difracción, evitando así una atenuación de señal evidente.
¿Dónde se utilizan las antenas inteligentes?
La definición básica de una antena inteligente es un conjunto de antenas con algoritmos de procesamiento de señales digitales, que identifican firmas espaciales. Utilizando estas firmas espaciales, la antena inteligente calcula vectores de formación de haces, que luego se utilizan para rastrear y ubicar el haz de antena en un dispositivo móvil o objetivo.
Al igual que el nombre lo indica, los algoritmos de procesamiento de señales son secuencias de instrucciones implementables por computadora para analizar, modificar y sintetizar señales (en este caso, señales de radiofrecuencia). Una firma de señal espacial es un vector de respuesta de una antena a una unidad móvil en una determinada ubicación. Un ejemplo de una firma de señal sería la dirección de llegada (DOA) de una señal. Calcular una DOA implica encontrar un espectro espacial de una serie de antenas y definir sus picos. Debido a que los cálculos son muy intensivos, los algoritmos de procesamiento de señales de las antenas inteligentes resultan muy útiles.
Algunas de las aplicaciones más comunes de las antenas inteligentes incluyen el procesamiento de señales acústicas, radares de seguimiento y escaneo y sistemas celulares como 5G y LTE. La principal diferencia entre las antenas reconfigurables y las antenas inteligentes es que las antenas reconfigurables son antenas de un solo elemento en lugar de conjuntos de antenas.
Los dos principales tipos de antenas inteligentes son los sistemas de haces conmutados y las matrices adaptativas.
Los sistemas de haces conmutados pueden elegir entre uno de muchos patrones predefinidos para mejorar la señal recibida. El objetivo general del sistema de haces conmutados es aumentar la ganancia según la ubicación del usuario.
En una publicación anterior, explicamos brevemente que los formadores de haces adaptativos se ajustan a diferentes situaciones para maximizar o minimizar la relación señal-interferencia-más-ruido (SINR), que ayuda a medir la calidad de la comunicación inalámbrica.
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