Los sistemas de arreglos de antenas MIMO en redes de comunicaciones móviles inalámbricos = - The MIMO antenna arrays in mobile wireless communication systems

Abstract

Los sistemas de comunicación móviles inalámbricos actuales y futuros deben y deberán estar en capacidad de generar altas tasas de transmisión, y gran confiabilidad para suplir la creciente demanda de nuevos y mejores servicios y aplicaciones multimedia soportados por los nuevos y sofisticados dispositivos móviles compactos. El uso de la tecnología de antenas MIMO (Multi-Input-Multi-Output) se presenta como una de las formas más efectivas para mejorar la confiabilidad e incrementar la capacidad de los sistemas de comunicación móvil inalámbricos sin el consumo extra de potencia y ancho de banda del canal. Los sistemas MIMO son técnicas que se aprovecha de la dimensión espacial del canal de propagación para explotar su potencial y rendimiento. Existen factores espaciales y direccionales de la propagación de ondas electromagnéticas en un canal que influyen fuertemente sobre el rendimiento de un sistema MIMO, y estrechamente relacionadas con el comportamiento multitrayecto (multipath) del canal, así como factores electromagnéticos de campo cercano (acoplamiento mutuo) de los arreglos de antenas. Nosotros hemos querido realizar un estudio del comportamiento de los sistemas de comunicaciones inalámbricas que utilizan arreglos de antenas en transmisión y recepción (sistemas MIMO), en diferentes ambientes reales de propagación. El desempeño de los sistemas de comunicaciones MIMO depende en gran medida de la interacción de las ondas electromagnéticas con el medio físico local donde estas se están propagando. El estudio se centra fundamentalmente en analizar la interacción de los elementos físicos que rodean o están en la vecindad de los arreglos de antenas en transmisión y en recepción. Para este fin, se cuantificó el desempeño de los sistemas MIMO a partir de métricas como la capacidad medida en bit/s/Hz (su función de densidad acumulada, CDF, la capacidad media y la capacidad outage). También se analizaron otras medidas que relacionan el desempeño de los sistemas MIMO con el canal de propagación, como son los eigenvalores de la estructura del canal y de los grados de libertad efectivos del canal (effective degree of freedom, EDOF), y la correlación espacial entre los diferentes sub-canales generados por el sistema MIMO, esta última capaz de darnos información muy concreta del desempeño de un sistema MIMO

Adicionalmente, se realizó un análisis a partir de la dispersión direccional de canal, el cual permite interpretar el comportamiento direccional de los diferentes componentes multipath que se generan en un enlace Tx.-Rx. Este comportamiento direccional del canal es analizado a partir de la dispersión azimuth rms (root mean squared azimuth spread, PHI(rx, RMS), PHI(tx, RMS), y la interdependencia entre la dispersión generado por las dos fuentes del enlace, es decir en el transmisor y en el receptor, por medio de los coeficientes de correlación calculados con base en la dispersión angular RHO (PHItx, PHIrx), direcciones de arribo (DoA), y derecciones de salida (DoD) de los diferentes componentes multipath generados por el canal de propagación. Para este análisis utilizamos en software de simulación que nos sirvió para obtener la respuesta del canal al impulso unitario (CIR), con la cual construimos la matriz de transferencia del canal de propagación en un número de enlaces simulados en este trabajo. Los escenarios de propagación se construyeron a partir de planos muy detallados, generando escenarios en tres dimensiones con un alto detalle físico, y electromagnético (incorporando al simulador información de las propiedades electromagnéticas de los materiales de construcción de los espacios físicos, es decir la permeabilidad, permitividad, conductividad de las estructuras). Esto nos permitió tener ambientes de propagación muy cercanos a la realidad, que utilizamos para definir un número de de enlaces Tx.-Rx. en zonas muy espcíficas con ciertas condiciones geométricas especiales para nuestro análisis. Este estudio basado en un análisis paramétrico de desempeño en los sistemas MIMO, se complementó con un estudio acerca de la interacción de las ondas electromagnéticas en campo cercano, a partir del análisis del acoplamiento mutuo entre las antenas de los arreglos de antenas MIMO. El estudio pretendió analizar como es posible mejorar el desempeño de arreglos MIMO disminuyendo los efectos del acoplamiento mutuo entre las antenas, cuando estas antenas comparten un plano de tierra pequeño, donde no es posible aumentar la distancia de separación entre antenas lo suficiente como para reducir este acoplamiento mutuo

Se conoce que, el acoplamiento mutuo entre los elementos de un arreglo de antenas afecta la correlación espacial. Una forma de reducir el acoplamiento mutuo es aumentar el espaciado de las antenas en el arreglo, esto es posible hacerlo en estaciones base donde la restricción de espacio no es fuerte. Sin embargo, en espacios reducidos como los presentados en los dispositivos móviles compactos (teléfonos celulares de última generación), y donde adicionalmente la presencia de otros elementos electrónicos, eléctricos y otras estructuras que lo componen, hacen que aumentar el espaciado entre las antenas sea una fuerte restricción, y un reto para los diseñadores. Con base a lo anterior, diseñamos un arreglo de 4 antenas tipo patch sobre una placa dieléctrica con dimensiones de 125 mm x 62.5 mm x 1.27 mm, operando con una frecuencia de 2.6 GHz. Para poder implementar 4 antenas en la placa dieléctrica, las antenas sufrieron un proceso de miniaturización con base en la inserción de slots, proceso que modifió las dimensiones eléctricas de la antena. A partir de lo cual, un proceso de modificación del plano de tierra junto con un proceso sistemático sobre la orientación y ubicación de las antenas dentro del arreglo se llavó a cabo utilizando la teoría de modos característicos. La teoría de modos característicos entregó información importante del comportamiento natural de la estructura a partir del espectro de eigenvalores o modos de los puertos, teniendo en cuenta que cada antena estaba asociada a un puerto. Todo esto y lo arriba expuesto se muestra al interior de este documento