Antena omnidireccional vs. antena direccional

ContenidoIntroduccin Requisitos previos Requerimientos Componentes utilizados ConvencionesDefiniciones bsicas y conceptos sobre las antenas Efectos en interiores Pros y contras de las antenas omnidireccionales Pros y contras de las antenas direccionales Interferencias Conclusin

IntroduccinEn este documento, se proporcionan definiciones bsicas sobre antenas y se tratan conceptos relacionados, haciendo hincapi en los pros y loscontras de las antenas omnidireccionales y direccionales.

Requisitos previosRequerimientos

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Componentes utilizados

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Convenciones

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Definiciones bsicas y conceptos sobre las antenasUna antena ofrece a un sistema inalmbrico tres propiedades fundamentales: ganancia, direccin y polarizacin. La ganancia mide el aumento depotencia. Es la cantidad de aumento de energa que una antena agrega a una seal de radiofrecuencia (RF). La direccin es la forma del patrn detransmisin. Cuando la ganancia de una antena direccional aumenta, el ngulo de radiacin suele disminuir. Esto proporciona una mayordistancia de cobertura, aunque con un ngulo de cobertura reducido. El rea de cobertura o patrn de radiacin se mide en grados. Estos ngulosse miden en grados y reciben el nombre de anchos de haz.

Una antena es un dispositivo pasivo que no ofrece ninguna potencia adicional a la seal. En su lugar, una antena simplemente redirige la energaque recibe del transmisor. Al redirigir dicha energa, se proporciona ms energa en una direccin que en el resto de direcciones.

Los anchos de haz se definen tanto en planos horizontales como verticales. Los anchos de haz son la separacin angular entre los puntos deenerga media (puntos de 3 dB) del patrn de radiacin de la antena en cualquiera de los planos. Por lo tanto, para una antena, existen anchos dehaz horizontales y verticales.

Figura 1: Ancho de haz de antena

Las antenas se clasifican comparndolas con antenas isotrpicas o dipolares. Una antena isotrpica es una antena terica con un patrn deradiacin uniforme de tres dimensiones (similar a una bombilla sin reflector) En otras palabras, una antena isotrpica terica presenta un anchode haz vertical y horizontal perfecto de 360 grados, o bien un patrn de radiacin esfrico. Es una antena ideal que irradia en todas direcciones ypresenta una ganancia de 1 (0 dB), esto es, cero ganancia y cero prdida. Se utiliza para comparar el nivel de potencia de una antena determinadafrente a una antena isotrpica terica.

Figura 2: Patrn de radiacin de una antena isotrpica

Las antenas pueden clasificarse a grandes rasgos en omnidireccionales y direccionales, atendiendo a su direccionalidad.

A diferencia de las antenas isotrpicas, las antenas dipolares son antenas reales. El patrn de radiacin dipolar es 360 grados en el planohorizontal y aproximadamente 75 grados en el plano vertical (en este documento, se asume que la antena se encuentra en posicin vertical) y seasemeja a una rosquilla en su forma. Puesto que el haz se encuentra ligeramente concentrado, las antenas dipolares presentan una gananciasuperior con respecto a las antenas isotrpicas de 2,14 dB en el plano horizontal. Se supone que las antenas dipolares presentan una ganancia de2,14 dBi, en comparacin con las antenas isotrpicas. Cuanto mayor es la ganancia de las antenas, menor es el ancho de haz vertical.

Imagine que el patrn de radiacin de la antena isotrpica es un globo que se extiende por igual desde la antena en todas direcciones. Ahoraimagine que presiona en la parte superior e inferior de ese globo. Esto hace que el globo se expanda hacia fuera, abarcando as un rea mayor delpatrn horizontal, aunque disminuye el rea de cobertura superior e inferior de la antena. De esta forma, se obtiene una mayor ganancia, puesto

que la antena parece extenderse hasta un rea de mayor cobertura.

Figura 3: Patrn de radiacin de una antena omnidireccional

Las antenas omnidireccionales presentan patrones de radiacin similares. Estas antenas proporcionan un patrn de radiacin horizontal de 360grados. Se utilizan cuando se necesita cobertura en todas direcciones (dentro del plano horizontal) desde la antena, con diferentes grados decobertura vertical. La polarizacin es la orientacin fsica del elemento de la antena que emite la energa RF. Una antena omnidireccional, porejemplo, suele ser una antena polarizada vertical.

Figura 4: Polarizacin de antena

Las antenas direccionales envan la energa RF en una determinada direccin. Cuando la ganancia de una antena direccional aumenta, la distanciade cobertura tambin aumenta, aunque el ngulo de cobertura eficaz disminuye. Para antenas direccionales, los lbulos se dirigen en unadireccin determinada y en la parte trasera de la antena queda una pequea cantidad de energa.

Figura 5: Patrn de radiacin de una antena direccional

Otro aspecto importante de las antenas es la proporcin entre la parte delantera-trasera, que mide la directividad de la antena. Se trata de laproporcin de energa que la antena dirige en una direccin determinada, que depende del patrn de radiacin con respecto a la energa que dejaatrs la antena o que se desperdicia. Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayor ser la proporcin delantera-trasera. Una buena proporcindelantera-trasera suele ser normalmente 20 dB.

Figura 6: Patrn tpico de radiacin de una antena direccional con lbulos calibrados

Una antena puede presentar una ganancia de 21 dBi, con una proporcin delantera-trasera de 20 dB o de 15 dB. Esto significa que la gananciahacia atrs es de 1 dBi y la ganancia lateral es de 6 dBi. Para optimizar el rendimiento general de una LAN inalmbrica, es importante sabercmo se puede maximizar la cobertura de radio seleccionando la antena apropiada y su ubicacin.

Efectos en interioresLa propagacin inalmbrica puede verse afectada por el reflejo, la refraccin o la difraccin en un entorno determinado. La difraccin consiste enel curvado de las esquinas de las ondas. Las ondas de RF pueden tomar multitrayectos entre el transmisor y el receptor. Un multitrayecto es unacombinacin de una seal primaria y una seal reflejada, refractada o difractada. Por ello, en el lado de receptor, las seales reflejadascombinadas con la seal directa pueden corromper la seal o aumentar la amplitud de la misma, lo que depende de las fases de dichas seales.Puesto que la distancia que la seal directa recorre es ms corta que la que recorre la seal rebotada, el diferencial de tiempo hace que se recibanlas dos seales.

Estas dos seales se superponen y se combinan en una sola. En la realidad, el tiempo entre la recepcin de la primera seal y la ltima seal deeco recibe el nombre de magnitud de retardo. La magnitud de retardo es el parmetro utilizado para expresar el multitrayecto. El retardo de lasseales reflejadas se mide en nanosegundos. La cantidad de magnitud de retardo depende de la cantidad de obstculos o infraestructuras que seencuentren entre el transmisor y el receptor. Por ello, la magnitud de retardo tiene ms valor en superficies de fbricas debido a la gran cantidadde estructuras metlicas que se encuentran en comparacin con un entorno domstico. En general, el multitrayecto limita la velocidad de datos odisminuye el rendimiento.

Figura 7: Efectos del multitrayecto en entornos de interior

La propagacin de RF en entornos de interior es diferente a la de exterior. Esto se debe a la presencia de obstrucciones slidas, techos y suelosque contribuyen a la disminucin y prdida de la seal de multitrayecto. Por ello, el multitrayecto o la magnitud del retardo es mayor en entornosde interior. Si la magnitud de retardo es mayor, la interferencia aumenta y provoca una disminucin del rendimiento de procesamiento a unadeterminada velocidad de transmisin de datos.

Los entornos de interior pueden tambin clasificarse como lneas de visin (LOS) cercanas y no LOS. En entornos de LOS cercanas, donde puedever puntos de acceso (AP) como en los vestbulos, el multitrayecto suele ser menor y puede superarse fcilmente. Las amplitudes de las sealesde eco son mucho menores que las de la primaria. Sin embargo, en condiciones donde no hay lnea de vista, las seales de eco pueden presentarniveles de potencia mayores, puesto que la seal primaria puede encontrarse parcial o totalmente obstruida y normalmente hay ms multitrayecto.

El multitrayecto ha sido un evento semifijo. Sin embargo, pueden entrar en juego otros factores como objetos en movimiento. La condicin de undeterminado multitrayecto cambia de un perodo de ejemplo a otro. Esto recibe el nombre de variacin en el tiempo.

Una interferencia de multitrayecto puede hacer que la energa RF de una antena sea muy grande, pero los datos sean irrecuperables. No deberalimitar el anlisis slo al nivel de potencia. Un nivel bajo de seal RF no significa una comunicacin pobre, a diferencia de una calidad de sealbaja. Debe analizar la calidad de seal y el nivel Rx de un extremo al otro. Un nivel Rx elevado y una calidad de seal baja significan que haymuchas interferencias. Debe analizar de nuevo el plan de frecuencia del canal en dicho escenario. Un nivel Rx bajo y una calidad de seal baja

significan que existe demasiado bloqueo.

La propagacin de ondas en entornos de interior se ve tambin afectada por los materiales de construccin. La densidad de los materialesutilizados en la construccin de un edificio determinan el nmero de muros que una seal RF puede atravesar manteniendo una coberturaadecuada. Los muros de papel y de vinilo presentan pocos efectos en la penetracin de la seal. Los muros y suelos slidos y los muros dehormign prefabricado pueden limitar la penetracin de la seal a uno o dos muros sin degradar la cobertura. Esto puede variar dependiendo de siexisten refuerzos de acero en los muros de hormign. El hormign y los bloques de hormign pueden limitar la penetracin de la seal a tres ocuatro muros. La madera y los muros de mampostera sin mortero suelen permitir una penetracin adecuada de cinco o seis muros. Un muroconstruido con un metal denso hace que las seales se reflejen, lo que tiene como resultado muy poca penetracin. Los suelos de hormignreforzado con acero restringen la cobertura entre los pisos a uno o dos pisos.

Cuanto mayor sea la frecuencia, menor ser la longitud de onda. Una longitud de onda ms corta tiene ms probabilidad de que un material deconstruccin la absorba y la deforme. Por ello, 802.11a, que funciona en una banda de frecuencia mayor, es ms propenso a sufrir el efecto delmaterial de construccin.

El efecto real en la radiofrecuencia debe probarse en el sitio en cuestin. Por ello, es necesario un estudio del sitio. Debera llevar a cabo unestudio del sitio para comprobar el nivel de seal que se recibe al otro lado de los muros. Un cambio en el tipo de antena y la ubicacin de lamisma puede eliminar las interferencias de multitrayecto.

Pros y contras de las antenas omnidireccionalesLas antenas omnidireccionales son muy sencillas de instalar. Debido a los patrones horizontales de 360 grados, pueden incluso montarsebocabajo, colgadas de un techo en entornos de interior. Asimismo, gracias a su forma, es muy recomendable asociar estas antenas al producto.Por ejemplo, puede ver antenas Rubber Duck asociadas a AP inalmbricos. Para obtener una ganancia omnidireccional desde una antenaisotrpica, los lbulos de energa se presionan hacia dentro desde la parte superior e inferior, y se fuerza su salida mediante un patrn con formade rosquilla. Si contina presionando hacia dentro ambos extremos del globo (patrn de antena isotrpica), tendr lugar un efecto "tarta" con unhaz de ancho vertical muy estrecho, aunque con una cobertura horizontal muy amplia. Este tipo de diseo de antena ofrece distancias decomunicacin muy largas, aunque presenta como inconveniente poca cobertura por debajo de la antena.

Figura 8: Antena omnidireccional sin cobertura por debajo de la antena

Si intenta abarcar un rea desde un punto elevado, habr un gran vaco sin cobertura por debajo de la antena.

Este problema puede solucionarse de manera parcial mediante el diseo de lo que se denomina "downtilt". Con esta inclinacin downtilt, losanchos de haz se manipulan para que la cobertura por debajo de la antena sea mayor que por encima. Esta solucin mediante downtilt no esposible en una antena omnidireccional, debido a la naturaleza de sus patrones de radiacin.

La antena omnidireccional suele ser normalmente una antena polarizada vertical, por lo que no puede beneficiarse del uso de la polarizacincruzada frente a las interferencias.

Una antena omnidireccional de ganancia baja proporciona una cobertura perfecta para un entorno de interior. Abarca ms reas cercanas al AP oal dispositivo inalmbrico para aumentar la probabilidad de recibir la seal en un entorno de multitrayecto.

Pros y contras de las antenas direccionalesCon las antenas direccionales, puede desviar la energa RF hacia una direccin determinada en distancias ms largas. As, puede abarcar grandeslongitudes, aunque el ancho de haz efectivo disminuye. Este tipo de antena es muy til en coberturas LOS cercanas, como en vestbulos, largospasillos, estructuras aisladas con espacios entre ellas, etc. Sin embargo, puesto que la cobertura angular es menor, no puede cubrir grandes reas.sa es la desventaja para las coberturas generales de entornos de interior, ya que se desea abarcar un rea angular mayor alrededor del AP.

Las matrices de antena deben estar enfocadas en la direccin en la que se desea la cobertura, lo cual puede convertir el montaje de las mismas entodo un reto.

InterferenciasPuesto que los dispositivos 802.11 funcionan en bandas sin licencia, cualquiera puede utilizarlos. Las interferencias de WLAN provienen de otrosdispositivos o fuentes similares, como microondas, telfonos inalmbricos, seales de radar de un aeropuerto cercano, etc. Pueden existir

interferencias provenientes de otras tecnologas que utilizan la misma banda, como Bluetooth o dispositivos de seguridad. Las bandas sin licenciade 2,4 GHz presentan un lmite de canales que pueden utilizarse para evitar interferencias y presentan nicamente tres canales disponibles que nose traslapan.

Las interferencias y los multitrayectos hacen que la seal de recepcin flucte a una frecuencia determinada. Esta variacin de seal recibe elnombre de desvanecimiento. El desvanecimiento es tambin selectivo en cuanto a frecuencia, puesto que la atenuacin vara en funcin de lafrecuencia. Un canal puede clasificarse como canal de desvanecimiento rpido o canal de desvanecimiento lento. Esto depende de la velocidad enque cambia la seal de banda de base transmitida. Un receptor mvil que viaja a travs de un entorno de interior puede recibir fluctuaciones deseal rpida derivadas de adicciones y cancelaciones de las seales directas a la mitad de los intervalos de longitud de onda.

Las interferencias aumentan los requerimientos de la relacin seal-ruido (SNR) para una velocidad de datos particular. Los recuentos derecuperacin de paquetes aumentan en un rea en donde las interferencias o los multitrayectos son muy elevados. Un cambio en el tipo de antenay la ubicacin de la misma puede eliminar las interferencias de multitrayecto. La ganancia de la antena se agrega a la ganancia del sistema ymejora los requerimientos de la relacin seal e interferencia-ruido (SINR) tal y como se muestra a continuacin:

Figura 9: Umbral de ruido y relacin de seal e interferencia-ruido

Aunque las antenas direccionales ayudan a centrar la energa en una direccin determinada, lo que puede ayudar a superar el desvanecimiento yel multitrayecto, ste ltimo, a su vez, reduce la potencia de centralizacin de una antena direccional. La cantidad de multitrayectos que unusuario puede abarcar desde una larga distancia desde el AP puede ser mucho mayor.

Las antenas direccionales utilizadas en interiores presentan normalmente una ganancia menor y, como resultado, tienen unas relaciones delbulos delantero-trasero y delantero-lateral menores. Esto hace que exista menos posibilidad de rechazar o reducir las seales de interferenciasrecibidas desde direcciones que se encuentren fuera del rea de lbulos primaria.

ConclusinA pesar de que las antenas direccionales pueden ser de gran utilidad para determinadas aplicaciones de interior, la gran mayora de instalacionesde interior utilizan antenas omnidireccionales debido a las razones citadas en este documento. La seleccin de una antena, direccional uonmidireccional, debe responder estrictamente a un estudio apropiado y correcto del sitio.

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Fecha de Generacin del PDF: 15 Abril 2008

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