Diversidad espacial:

La diversidad espacial es una característica útil para superar la interferencia de trayectos múltiples. Al proporcionar diversidad espacial, los circuitos internos de la radio pueden seleccionar entre las dos antenas receptoras para una mejor recepción inalámbrica. Los enlaces y conexiones sobre el agua, a largas distancias, pueden ser muy difíciles debido a los haces de radio que se reflejan en el agua, lo que crea interferencias de múltiples trayectos para las ondas de radio. En el caso de las aplicaciones 802.11ac o MIMO, se requieren dos o más antenas diversas en el espacio o la polarización para que la radio funcione a su velocidad de datos más alta.

Uno de los desafíos de la conmutación inalámbrica moderna es la fuerte interferencia de las crecientes transmisiones de ondas de radio en una banda de frecuencia limitada. Este problema ha llevado a la mejora de las tecnologías de transmisión hacia la eficiencia espectral. La multiplexación espacial es una de las formas más exitosas de mejorar la calidad de la transmisión inalámbrica.

La multiplexación espacial (SM o SMX) es una técnica de transmisión de RF utilizada en sistemas MIMO inalámbricos para transmitir flujos de señal de datos independientes y codificados de forma única desde cada una de las múltiples antenas. La multiplexación espacial se incorpora en las transmisiones MIMO de OFMD para mejorar la eficiencia espectral.

La multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM) es un método utilizado para modular el flujo de datos digitales en múltiples frecuencias portadoras separadas por canales de banda estrecha. Esta multiplexación reduce la diafonía y las interferencias. La mayoría de los sistemas MIMO están basados en OFDM. Varias aplicaciones modernas, como LTE, LTE+, DSL y redes inalámbricas, utilizan OFDM en su proceso de transmisión.

La principal ventaja de la transmisión MDFO con respecto a la portadora única alternativa es su capacidad para hacer frente a las limitaciones del canal, como la atenuación, la interferencia y el desvanecimiento de frecuencia debido a la propagación por trayectos múltiples. Actualmente, MIMO OFMD logra la mayor eficiencia espectral y ofrece el mayor rendimiento de capacidad en transmisiones inalámbricas.

Las antenas omnidireccionales MIMO OFDM multiplexadas espacialmente  se pueden utilizar en varias aplicaciones utilizando varias bandas de frecuencia: frecuencias de radio estándar y también bandas de frecuencia ISM.

La multiplexación espacial es ideal para mejorar la cobertura en áreas de alta densidad y eliminar posibles puntos ciegos. Su capacidad para hacer frente a fuertes interferencias y, al mismo tiempo, ofrecer una alta transmisión SNR le permite este propósito.

Diversidad espacial de las antenas:

La diversidad espacial de antenas, también llamada diversidad de antenas o diversidad espacial, es la práctica en las comunicaciones por radio de mejorar un enlace inalámbrico mediante el uso de dos o más antenas para la transmisión de señales.

La diversidad espacial depende siempre de que se proporcione a una o varias antenas receptoras múltiples observaciones de una señal, transmitida por más de una antena con diferentes ubicaciones y posiciones. En ciertos entornos, una sola antena transmisora puede ser vulnerable al desvanecimiento, la interrupción, la pérdida de conexiones u otras formas de interferencia. El uso de múltiples antenas aumenta la probabilidad de que reciba la señal correctamente y que se reciba una mejor señal de al menos una de las antenas involucradas. La recuperación precisa de la transmisión original también es factible utilizando la redundancia de las múltiples señales recibidas. Esta estrategia de capa física (PHY) es ventajosa para la transferencia de datos en entornos no estáticos donde hay poca o ninguna línea de visión y las señales pueden corromperse fácilmente, como exploramos a continuación.

La diversidad espacial es uno de los esquemas de diversidad disponibles para mejorar la calidad y fiabilidad de la señal. La diversidad espacial es uno de los métodos utilizados en las comunicaciones por radio para mejorar la robustez de las señales transmitidas y minimizar el desvanecimiento y la interferencia. Esto se hace mediante el uso de una pluralidad de canales de comunicación con diferentes características.

Los esquemas de diversidad alternativos utilizan factores como el tiempo, la frecuencia y la polarización para reforzar la transmisión de la señal, pero la diversidad espacial se caracteriza por la transmisión sincrónica de una sola señal entre múltiples antenas transmisoras y receptoras distintas. Es importante tener en cuenta que se deben utilizar al menos dos antenas con las mismas características y no es la temporización de la señal lo que produce la diversidad, sino el número de antenas involucradas.

Tipos clave de diversidad de antenas:

La diversidad de antenas puede subdividirse a su vez en:

• Diversidad de transmisión, donde la diversidad de antenas utiliza específicamente múltiples antenas transmisoras.
• Diversidad de recepción que implica el uso de varias antenas receptoras con las entradas de señal combinadas para la correcta recuperación del paquete de datos.
• La macrodiversidad o diversidad de emplazamientos describe una disposición de diversidad espacial en la que las antenas conectadas en red están muy separadas, como en el caso de las estaciones base celulares o los puntos de acceso inalámbricos.
• La microdiversidad es cuando las antenas están distanciadas dentro de una longitud de onda entre sí.

¿Qué es Multipath?

El multipath es esencialmente la propagación no lineal de una señal de radiofrecuencia entre el transmisor y el receptor. En esta circunstancia, las ondas electromagnéticas viajan a través de múltiples caminos a través de su entorno, creados por obstrucciones físicas y superficies que pueden absorber o reflejar la señal. Las señales de radiofrecuencia muestran fenómenos ópticos como la reflexión, la refracción y la difracción, y rebotarán en objetos como edificios o vegetación, lo que provocará una llegada retrasada, alterada o desfasada al receptor. Cada reflexión produce múltiples frentes de onda nuevos que duplican la señal original. En lugar de la señal original, varios frentes de onda espaciados temporalmente llegarán al receptor.

La multiruta es un problema común en entornos construidos donde hay superficies duras, metálicas o reflectantes para que la señal rebote. Los almacenes, hangares de aviones y áreas de fabricación son particularmente susceptibles. Materiales como el vidrio, el hormigón, el acero y otros metales en las proximidades de las antenas transmisoras o receptoras promoverán el efecto de trayectos múltiples.

Los enlaces y conexiones sobre el agua, y a través de largas distancias, también pueden ser muy difíciles debido a los haces de radio que se reflejan en el agua, creando interferencias de múltiples caminos para las ondas de radio a medida que exploramos a continuación.

El grado de multipath presente en las comunicaciones radioeléctricas se indica mediante la dispersión del retardo. Se define como la diferencia entre la llegada en el tiempo de los primeros componentes de la señal coherente y los últimos elementos multipath. Por lo general, se mide en nanosegundos, la dispersión del retardo varía según el entorno en el que se transmite la señal.

Efectos de la distorsión por trayectos múltiples:

El multipath troposférico se refiere a la atmósfera más cercana a la superficie de la Tierra y produce un patrón aleatorio de reflexiones. Esta forma de propagación de la señal tiene una serie de efectos, a menudo difíciles de controlar, que a menudo conducen a la corrupción de la señal transmitida. Esto se debe a que las ondas electromagnéticas habrán viajado diferentes distancias y a diferentes velocidades para llegar al receptor desfasadas. Estos cambios de fase, retrasos y atenuación de la señal tienen un efecto deletéreo en la señal recibida.

Los efectos de la interferencia multipath experimentada pueden incluir:

• El desvanecimiento inducido por trayectos múltiples es aquel en el que la señal original se atenúa debido a la interferencia de los múltiples frentes de onda alternativos que llegan al receptor.
• La corrupción de datos tiene lugar cuando un receptor se ve abrumado por frentes de onda multipath y no puede recuperar ningún dato coherente.
• Interferencia destructiva o anulación de la señal: se debe a la llegada directa fuera de fase de una señal multipath que cancela completamente la señal original.
• Interferencia constructiva o aumento de la amplitud de la señal: implica la llegada de frentes de onda multipath en fase con la señal principal, aumentando su amplitud e intensidad. Sin embargo, la calidad de la señal puede ser mala a pesar del aumento de la fuerza.
• Las técnicas de diversidad espacial son una solución fundamental a la distorsión por trayectos múltiples.

La diversidad de antenas es una solución específica para la mitigación eficaz de los efectos adversos de trayectos múltiples. Estas antenas físicamente separadas proporcionan al receptor varias observaciones de la señal transmitida, por lo que se observa que la señal ha pasado a través de una gama de condiciones de interferencia. Esto aumenta la posibilidad de que la señal correcta se pueda reconstruir con éxito en el extremo receptor y contrarresta los nulos y ecos de radio que requerirían reintentos repetidos de datos. La separación física de las antenas de diversidad también garantiza que las antenas experimenten niveles variables de interferencia multipath, de las cuales una o algunas tengan una mejor calidad de señal y rendimiento general. El efecto colectivo de estas antenas trabajando en conjunto, enviando los mismos paquetes de datos a través de más de un camino entre el transmisor y el receptor, es un enlace inalámbrico más robusto en condiciones difíciles. La diversidad espacial es ideal para mejorar la cobertura en áreas de alta densidad y eliminar los posibles puntos ciegos que obstaculizan particularmente los entornos urbanos e industriales.

Enlaces inalámbricos a través del agua:

Las señales de radiofrecuencia que se propagan sobre masas de agua son muy susceptibles a la interferencia multipath. La superficie del agua, especialmente si es de marea, sujeta a vientos o corrientes es irregular y extremadamente reflectante, lo que lleva a la creación de múltiples frentes de onda y ecos alternos. La interfaz de temperatura entre el aire y el agua también puede inducir conductos térmicos y una pérdida de señal notable.

La proximidad de la superficie del agua en contacto con el enlace inalámbrico producirá los efectos más fuertes y una de las estrategias clave para mejorar el multipath inducido por el agua es elevar los puntos finales del enlace inalámbrico lo suficientemente alto como para minimizar el multipath. Si esto no es posible, la diversidad de antenas con la construcción de enlaces paralelos secundarios puede resultar eficaz. Los requisitos de diversidad espacial para los enlaces inalámbricos sobre el agua necesitan una evaluación cuidadosa y una separación geométrica para lograr una conectividad adecuada, que generalmente se planifica de manera más efectiva mediante un estudio del sitio.

Selección de antenas de diversidad:

La selección de antenas es fundamental para el éxito de una configuración de diversidad. Para que el sistema funcione correctamente, las antenas deben estar estrechamente adaptadas a todas las características (p. ej. frecuencia, impedancia, polarización, patrón, etcétera), al menos siendo del mismo tipo y ganancia. Los esquemas de diversidad generalmente implican que las antenas estén separadas verticalmente, pero con suficiente proximidad para cubrir la misma área. Deben mantenerse lo más cerca posible del área de cobertura y entre sí para evitar tramos excesivos de cables. También son posibles configuraciones de diversidad con dos antenas dentro de viviendas compartidas, siempre que los elementos transmisores y receptores sean distintos y estén cableados por separado. Aunque se necesita más hardware y cableado que con un solo par de antenas, gran parte de los circuitos de radiofrecuencia se comparten entre las antenas transmisoras o receptoras. En el extremo receptor, se necesitará más potencia de procesamiento para la  funcionalidad de detección de portadora que puede discernir la señal que cumple con un umbral de señal preprogramado y cambiar el sistema para escuchar la antena de la que proviene.

Puntos prácticos sobre la configuración de la diversidad espacial.

Existen diferentes tipos de configuraciones de diversidad de antenas en función de la aplicación y del hardware disponible.

• La diversidad de antenas de radio individuales consta de un par de antenas coincidentes y una radio.
• La diversidad de antenas de radio duales se compone de las antenas emparejadas, cada una conectada a una sola radio.

Los esquemas de diversidad dependen en gran medida de los algoritmos de detección de portadoras (CS). También conocido como "escuchar antes de hablar", CS se refiere a la capacidad de monitorear la transmisión de la señal de las antenas de diversidad para determinar la intensidad o la calidad de la señal y hacer un cambio a la antena cuya señal excede un umbral predeterminado. Esto ayuda a mantener el rendimiento óptimo y la pérdida de datos o los reintentos al mínimo.

En un sistema de dos antenas con antenas transmisoras, ANT1 y ANT2, la señal recibida de ambas antenas se comparará con el umbral CS. El receptor permanecerá en la antena que supere el umbral. Si la señal ANT1 no es óptima, el nivel de la señal se comprobará a través de ANT2.

Los controladores de los sistemas de diversidad de antenas suelen tener

1. un modo de un solo interruptor de ahorro de energía que terminará automáticamente la recepción si no se detecta una señal adecuada en ninguna de las antenas, o
2. un modo de conmutación continua en el que el receptor escucha activamente durante períodos más largos una señal que supera el umbral CS.

Algunos sistemas de diversidad son capaces de recordar la antena que funcionó de manera óptima en el uso anterior y preferentemente volver a visitarla cuando el sistema se usa posteriormente, lo que potencialmente acorta los tiempos de arranque.

El papel de la frecuencia en la diversidad espacial:

Los sistemas de diversidad de antenas funcionan a una sola frecuencia. La frecuencia utilizada vendrá determinada por su aplicación. Para las tecnologías inalámbricas más conocidas que utilizan diversidad de antenas, se necesitan al menos dos antenas para que la radio funcione con las velocidades de datos más altas.

1. Wi-Fi

La diversidad de antenas WiFi se especifica en una serie de Estándares de WiFi Alliance, incluidos 802.11 a, ac, b, g, n, y utiliza multiples 2,4 GHz o 5 GHz antenas, conmutando entre ellas para obtener la mejor señal de radiofrecuencia para la transmisión de datos. En un enrutador típico, las antenas WiFi están ubicadas en ubicaciones separadas para que cada una reciba una versión diferente de la señal del cliente.

2. LTE

La conectividad LTE depende del uso de múltiples antenas, y se utilizan una serie de técnicas:

• La diversidad de transmisión se utiliza para mejorar la robustez de la señal en malas condiciones y mejorar la cobertura. No tiene ningún efecto en las velocidades de datos.
• La diversidad de recepción mejora la calidad de la señal y mejora la cobertura al combinar varias versiones de la misma señal transmitida.

Los flujos de datos LTE transmitidos de esta manera se pueden asignar a un solo usuario o a varios usuarios en un rango de frecuencias que incluyen 700 MHz, 1700-2100 MHz y 2500-2700 MHz.

Las antenas adaptadas instaladas en un esquema de diversidad deben estar espaciadas a una distancia que sea equivalente a un múltiplo de hasta cuatro veces la longitud de onda de la frecuencia transmitida. Por ejemplo, si ANT1 y ANT2 se utilizan para una radio de 2,4 GHz, deben estar espaciados a un múltiplo de 5 pulgadas, la longitud de onda a 2,4 GHz.

MIMO y diversidad de antenas:

MIMO significa entrada múltiple y salida múltiple y se refiere a un método que se utiliza para expandir la capacidad de un enlace inalámbrico mediante el uso de múltiples antenas transmisoras y receptoras. Es una característica de LTE y otras tecnologías inalámbricas, pero varía de la técnica de diversidad espacial, ya que se recibe simultáneamente más de una señal inalámbrica en lugar de mejorar una sola señal de datos.

En resumen:

La diversidad de antenas ha demostrado ser un método práctico y eficaz para superar el problema de la interferencia multipath en los enlaces inalámbricos. Es capaz de establecerse de manera competente en una variedad de entornos, desde distritos urbanos densamente poblados hasta cuerpos de agua abiertos. Dado que la diversidad espacial puede funcionar en cualquier frecuencia, el uso de antenas emparejadas o múltiples se utiliza con una gama de tecnologías de redes celulares e inalámbricas. Para un rendimiento óptimo de un esquema de diversidad, siempre es mejor un estudio cuidadoso del sitio, con la instalación cuidadosa de antenas adecuadamente espaciadas.