Una mejor antena para redes móviles

Cuando habla por un teléfono celular, está compartiendo frecuencias de radio con todos los demás que usan uno dentro de un radio de tres kilómetros de la estación base más cercana. Como todo el mundo sabe, este uso compartido no siempre funciona a la perfección: la congestión de la red puede provocar llamadas estáticas, caídas y descargas de datos lentas.





Pero, ¿y si no tuvieras que compartir la señal de un teléfono celular? ¿Qué pasaría si la estación base más cercana pudiera apuntar un rayo de radio directamente a su teléfono mientras se mueve, en lugar de arrojar señales en todas direcciones? En ese escenario, podría esperar llamadas de voz más claras y una entrega más rápida de información digital, como páginas web o videos. Y al enviar múltiples haces, su operador de telefonía celular también podría entregar señales mejoradas a otros clientes.

Este enfoque para aumentar la capacidad de las redes celulares se denomina formación de haces adaptativa. Y los ingenieros de Nokia lo están acercando rápidamente al uso comercial. Aunque el gigante de las telecomunicaciones finlandés es más conocido por sus teléfonos, también es un importante proveedor de equipos de transmisión y redes para operadores móviles. En el subsuelo del Centro de Investigación de Nokia en Helsinki, Finlandia, donde sus equipos están en cuarentena del clamor de las señales celulares, los investigadores están construyendo y probando un prototipo de antena de estación base de formación de haces que podría triplicar la capacidad de la última generación de redes celulares.

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Esas nuevas redes aún no están sobrecargadas. Pero eso no es motivo de complacencia. Los sistemas 3G, como CDMA de banda ancha, recién están comenzando a implementarse en todo el mundo, por lo que las redes no están congestionadas en este momento, dice Hannu Kauppinen, gerente senior de investigación de tecnologías de radio en Nokia Research Center. Pero anticipamos que en el futuro, los operadores necesitarán aumentos de capacidad. Por eso estamos investigando esta función.

Mientras que una torre de telefonía celular tradicional funciona como un rociador de césped, irradiando en un círculo, una antena de formación de haz funciona como una manguera. La idea básica es que en un área abarrotada desea dar la máxima señal a la persona adecuada, en lugar de desperdiciar la energía extendiéndola en un volumen más amplio, explica Greg Hindman, presidente y cofundador de Nearfield Systems, con sede en Torrance, CA. , que construye sistemas de prueba y medición para fabricantes de equipos de radio. Muchos de nuestros clientes están trabajando en esto.

Se necesitan nuevas formas de ayudar a más personas que llaman porque las redes de telefonía celular emplean un recurso finito: el espectro de radio. La técnica original para atender a múltiples usuarios inalámbricos en un espacio poblado, iniciada hace más de 40 años, fue dividir el espacio en celdas, cada una con una estación base separada. Pero dado que las celdas eran grandes y podían contener muchos clientes, eso no era suficiente. Las señales tuvieron que dividirse utilizando diferentes frecuencias de radio o canales.



En los Estados Unidos, sin embargo, el espectro asignado por el gobierno para las redes celulares analógicas de primera generación fue suficiente para admitir sólo 56 canales por celda; el número 57 en una celda dada no tuvo suerte. Así que las frecuencias tuvieron que dividirse aún más.

En las redes digitales de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), cada ráfaga de información en una frecuencia particular se divide en tres intervalos de tiempo, cada uno de unos pocos milisegundos de duración. Estas ranuras se asignan a tres teléfonos diferentes, cada uno de los cuales puede juntar los datos de su ranura de tiempo en una conversación continua. El resultado es que tres teléfonos a la vez pueden usar la misma frecuencia, triplicando la capacidad de cada celda, a aproximadamente 168 canales. TDMA es la técnica básica detrás de protocolos como el Sistema Global para Comunicaciones Móviles, o GSM, utilizado por grandes empresas como China Mobile, T-Mobile, la división Cingular del nuevo AT&T y Personal Communications Services, o PCS, utilizado por Pique.

Una técnica alternativa es abandonar los canales por completo y, en cambio, difundir múltiples conversaciones en pequeños fragmentos a lo largo de todo el espectro celular. En este método, conocido como Acceso Múltiple por División de Código (CDMA), todos los teléfonos en una celda en particular escuchan el mismo rango de frecuencias y reciben los mismos datos sin procesar, pero cada dato está precedido por un código digital único para el teléfono de un cliente. . Solo ese teléfono puede seleccionar y reensamblar las piezas que constituyen la conversación del usuario. CDMA es el protocolo inalámbrico preferido de Verizon Wireless en los Estados Unidos, Orange en Europa y NTT DoCoMo en Japón.



La versión de tercera generación (o 3G) de CDMA se llama CDMA de banda ancha, en referencia a su mayor capacidad para transportar datos como música e imágenes en movimiento en vivo. En circunstancias ideales, las redes WCDMA pueden enviar datos a velocidades cercanas a DSL: 384 kilobits por segundo a usuarios en movimiento y 2 megabits por segundo a usuarios estacionarios, en comparación con alrededor de 50 kilobits por segundo para redes de segunda generación. Este estándar ya ha sido adoptado por NTT DoCoMo y otros operadores, y Nokia ha invertido mucho en el protocolo, construyendo los teléfonos, equipos de estación base, sistemas informáticos y software necesarios.

Mientras Nokia se prepara ahora para manejar la congestión anticipada en las redes WCDMA, sus investigadores han completado el círculo: han regresado a la idea de dividir las señales celulares espacialmente. Así como la tecnología celular de primera generación dividió el espacio en células, la formación de haces divide las células en rebanadas, cada una servida por un haz diferente. (La tecnología Beamforming se puede aplicar a cualquier tipo de red celular digital, no solo a las basadas en CDMA).

Si bien la formación de haces en sí no es una idea nueva, nunca se ha aplicado con éxito a la telefonía celular. Es básicamente tecnología militar antigua, dice Kauppinen. Algunos radares han estado funcionando con este principio durante mucho tiempo. Pero solo en los últimos años hemos comprendido cómo funcionaría realmente la formación de haces en las redes celulares.



La antena de formación de haces que se está probando en el laboratorio de Helsinki es en realidad ocho antenas en una. Está fabricado con tiras de cobre de unos ocho centímetros de ancho cada una, soldadas juntas en una superficie que cubre aproximadamente un metro cuadrado. El dispositivo modula inteligentemente las ondas de radio superpuestas de las ocho antenas para dirigir las señales en direcciones específicas. (Se podrían usar más antenas, pero los cálculos necesarios para dirigir las señales aumentan drásticamente a medida que se agregan más antenas).

Imagínese arrojar dos piedras simultáneamente en un estanque en calma. En algunos puntos, los picos de las ondas que se extienden coincidirán, creando picos más altos. En otros lugares, los picos de una ondulación anularán las depresiones del otro, dejando el agua en calma. Además, dejar caer las piedras en momentos ligeramente diferentes cambiará las ubicaciones donde coinciden los picos. Al calcular los intervalos de tiempo exactamente, podría, en teoría, hacer que los picos más altos se alineen en una dirección específica.

Así es como funciona la antena de formación de haces de Nokia. Una caja detrás de la lámina de cobre contiene los sofisticados amplificadores y circuitos de procesamiento de señales digitales necesarios para dirigir hasta ocho haces separados en diferentes direcciones. En la práctica, es probable que haya muchos llamantes dentro del arco de cada haz, por lo que se utilizarían técnicas estándar de división de código dentro de cada haz para atender a varios llamantes, lo que teóricamente aumentaría la capacidad general de la red en un factor de ocho. Sin embargo, debido a factores de complicación, como la geografía y la interferencia entre haces, el uso de ocho haces en realidad no aumentaría ocho veces la capacidad de la red. En simulaciones de entornos urbanos y semiurbanos, encontramos que [la antena formadora de haces] aumentaba la capacidad en un factor de dos a tres, dice Kauppinen.

Nokia cree que es una mejora suficiente para interesar a los operadores móviles. Y hay otra razón para el atractivo de la tecnología: a diferencia de otros tipos de arreglos de antenas, una antena de formación de haz no necesita múltiples cables de cobre gruesos, pesados ​​y costosos para conectarse al equipo amplificador en el suelo. En cambio, todo el equipo necesario está dentro de la propia antena.

Si tiene que tener cuatro cables, cada uno de tal vez una pulgada de grosor, que llegue a un conjunto de antenas, eso es un obstáculo práctico, y es la razón principal de la renuencia de los operadores a instalar conjuntos de antenas, dice Thomas Höhne, investigador de Kauppinen's laboratorio. Ahora que el amplificador está integrado en la antena, significa que podemos colocar una fibra óptica delgada hasta la antena. Y el amplificador de potencia no necesita ser extrafuerte, porque estamos sumando las señales de las antenas.

Kauppinen dice que la electrónica del prototipo está funcionando bien. En unas pocas semanas, el equipo probará la antena de formación de haces en la cámara anecoica subterránea de la empresa. Luego lo llevarán al techo y verán cómo funciona en el aire fresco de Helsinki. Queremos demostrar que nuestras simulaciones son verdaderas y recopilar experiencia práctica, dice Kauppinen.

No está claro cuándo las antenas de formación de haces podrían estar disponibles para uso comercial. Es un proyecto de prueba de concepto, enfatiza Kauppinen, diseñado para convencer a las unidades de negocios de la empresa de que la tecnología puede convertirse en un producto viable.

Incluso si Nokia sigue adelante, no estará solo. Según Hindman de Nearfield Systems, muchas empresas, incluidas algunas en China, Corea del Sur y Taiwán, están comprando equipos para probar la formación de haces. Es probable que la tecnología se convierta en otro de los trucos que están empleando los operadores móviles para cumplir la promesa de un servicio inalámbrico de banda ancha de alta calidad.

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