IoT. Sistemas de antenas distribuidas

Uno de los principales retos a los que se enfrenta la implementación de IoT es la disminución de la penetración de la señal celular dentro de los edificios. Los materiales de construcción pueden atenuar significativamente la señal celular, lo que significa que las frecuencias de varios gigahercios utilizadas en las redes celulares de banda media y alta a menudo tienen una cobertura muy limitada.

El uso de sistemas de antenas distribuidas, conocidos como DAS, es una de las muchas soluciones propuestas para superar las limitaciones de las redes celulares en interiores. Ahora se consideran una parte clave de la infraestructura empresarial y se despliegan activamente para crear las redes celulares privadas seguras necesarias para respaldar las aplicaciones industriales de IoT.

Este artículo explicará qué son los sistemas de antenas distribuidas, los tipos clave de DAS, cómo se implementan y las ventajas y desventajas de un enfoque de DAS para redes celulares para IoT.

¿Qué es un sistema de antenas distribuidas?

Un sistema de antenas distribuidas o DAS es simplemente un conjunto de antenas en red separadas espacialmente  que pueden enviar y recibir señales en una frecuencia portadora designada. En IoT, las antenas DAS se utilizarán para la transferencia de datos de alta velocidad y baja latencia, pero también se pueden usar para la conectividad de voz y otros tipos de transferencia de datos.

Los DAS se despliegan principalmente para mejorar la cobertura o la capacidad de una red celular. Es posible que los sistemas DAS no puedan realizar ambas tareas simultáneamente, por lo que se debe seleccionar un DAS para su rendimiento en un área específica. Los entornos, como las estaciones de tren o los estadios deportivos, necesitan capacidad, mientras que las ubicaciones remotas, como las minas o los entornos de alta densidad que bloquean la señal de la celda, necesitan cobertura.

Componentes básicos de un DAS

[A] La fuente de señal

Un DAS necesitará tener una señal para distribuirla a través del territorio que cubre. La fuente de señal suele ser una estación base que se instala para recibir la señal 4G/LTE o 5G que se va a distribuir a través de una conexión inalámbrica o de retorno por cable. El rendimiento de un DAS está determinado por el tipo (4G/LTE o 5G) y la calidad de la señal celular adquirida. La fuente de señal puede ser una antena exterior ubicada donde se puede recibir una señal celular fuerte (fuera del aire), una estación base en el sitio o a través de instalaciones de celdas pequeñas. Dependiendo del proyecto, se pueden combinar fuentes de señal.

(i) Fuera del aire

El DAS fuera del aire se alimenta de la señal celular del aire, utilizando una antena donante y un repetidor para adquirir y traer la señal celular que se va a distribuir. Es muy similar a la señal celular a menor escala utilizada por los amplificadores celulares. Debido a que es una señal repetida, no agrega capacidad a la red que se crea. Se está alimentando de la capacidad existente. Este tipo de DAS depende de la calidad de la señal adquirida por la antena donante. Si la señal del donante es deficiente o la red de donantes está congestionada, el rendimiento del DAS también será deficiente. Sin embargo, las fuentes de señal fuera del aire son las más fáciles y baratas de configurar como solución para ampliar la cobertura dentro de un edificio.

(ii) BTS

Las estaciones transceptoras base (BTS) y sus diversas tecnologías de nodos (NodeB, eNodeB y gNodeB) se pueden utilizar para crear una fuente de señal dedicada que se extrae directamente de una conexión por cable a la red central. Este tipo de fuente de señal DAS es configurada por  los operadores de redes celulares utilizando las conexiones de fibra de cada operador y está diseñada con la capacidad de soportar decenas de miles de dispositivos de usuario final. Se trata de una implementación extremadamente costosa, pero ofrece el máximo rendimiento y una capacidad extremadamente alta. La configuración de un BTS también puede llevar mucho tiempo, ya que utiliza equipos especializados de los operadores de telefonía móvil y tiene importantes requisitos de espacio, refrigeración y energía.

iii) Células pequeñas

Un DAS también se puede configurar con celdas pequeñas, incluidas femtoceldas, picoceldas, nanoceldas para proporcionar conectividad inalámbrica de alta calidad a entornos interiores. Las diferentes celdas pequeñas se conectan individualmente a la red del operador y generan una fuerte señal celular en interiores. Requieren una conexión de backhaul a Internet para la transferencia de datos. La cobertura de las celdas pequeñas está limitada a cientos de metros, pero pueden aumentar la capacidad e incluso se pueden utilizar como fuente de señal. Las celdas pequeñas son más baratas y rápidas de implementar que las BTS, con un rendimiento comparable y la capacidad de escalar la capacidad si es necesario.

[B] El sistema de distribución

La señal celular recibida puede distribuirse a través de un edificio utilizando un sistema de distribución cableado o "activo" o una red híbrida o digital, se explica más adelante. La distribución por cable utiliza cable Ethernet o fibra. Todas las tecnologías de distribución amplifican y distribuyen la señal celular adquirida de la fuente. Estas son las opciones clave:

(i) DAS activo

El DAS activo toma la señal entregada por la fuente de señal y puede convertirla para su transmisión a través de fibra (fibra DAS) o Ethernet. Esto se hace mediante una unidad maestra que puede convertir e incluso digitalizar las señales entrantes de tantos operadores celulares como sea necesario. A continuación, la señal se transmite a unidades de radio remotas, nodos que convierten la señal en una señal de radiofrecuencia que puede ser emitida por las antenas. Se trata de una estrategia altamente escalable para la distribución de señales, con el potencial de ser atendida por tramos de cable casi ilimitados.

(ii) DAS pasivo

Con el DAS pasivo, la señal celular se transfiere a todo el edificio mediante cable coaxial, divisores y otros componentes de RF. Esta es la forma más simple de DAS, lo que lo hace popular entre las empresas que buscan una solución que sea fácil de administrar. Esta estrategia es vulnerable a los efectos de la atenuación de la señal, especialmente con el aumento de la distancia entre las antenas de retransmisión y la fuente de señal. Es una estrategia de bajo costo que no requiere conversión de analógico a digital y es fácil de mantener. Es un sistema de distribución más costoso que los DA pasivos y tiene un mayor consumo de energía.

(iii) DAS digital

El DAS digital utiliza una señal portadora digitalizada que se transmite a través de fibra o Ethernet. Es un sistema caro pero muy resistente a la distorsión y las interferencias que pueden ser esenciales para aplicaciones críticas o sensibles. También hay un mayor control sobre la distribución y la capacidad de la red, ya que se puede ampliar rápidamente. El DAS digital es menos ruidoso y tiene un rendimiento excelente, pero es el más caro de los sistemas DAS.

iv) DAS híbrido

El DAS híbrido es un sistema que combina elementos activos y pasivos. Las unidades de radio remotas no están conectadas directamente a las antenas, sino que se conectan a las antenas mediante fibra o cable coaxial. Esta estrategia utiliza menos unidades de radio remotas, lo que ahorra costos. En edificios grandes, las unidades de radio remotas se instalan en cada piso para convertir la señal (alimentada por fibra) y enviarla a múltiples antenas que están conectadas a ella por cable coaxial. Es más caro que el DAS pasivo, pero más barato que el DAS activo o digital.

En conclusión

Los sistemas de antenas distribuidas son una opción viable para desplegar una cobertura de red celular robusta y fiable para IoT dentro de los edificios. El DAS requiere una importante inversión en infraestructura, además de los costos y la planificación necesarios para configurar la red celular privada que se transmitirá a través de él.

En una variedad de casos de uso, DAS ha demostrado eficacia en la entrega de una excelente cobertura en interiores, lo que lo convierte en una solución clave para respaldar la conectividad de IoT. Sin embargo, es una solución costosa y su implementación conlleva una variedad de desafíos prácticos que pueden limitar su rendimiento.