Tecnología inalámbrica / Movilidad : LAN inalámbrica (WLAN)

Antena omnidireccional vs. antena direccional

15 Abril 2008 - Traducción manual
Otras Versiones: PDFpdf | Traducción Automática (31 Julio 2013) | Inglés (27 Febrero 2007) | Comentarios

Contenido

Introducción
Requisitos previos
      Requerimientos
      Componentes utilizados
      Convenciones
Definiciones básicas y conceptos sobre las antenas
Efectos en interiores
Pros y contras de las antenas omnidireccionales
Pros y contras de las antenas direccionales
Interferencias
Conclusión
Discusiones relacionadas de la comunidad de soporte de Cisco

Introducción

En este documento, se proporcionan definiciones básicas sobre antenas y se tratan conceptos relacionados, haciendo hincapié en los pros y los contras de las antenas omnidireccionales y direccionales.

Requisitos previos

Requerimientos

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Componentes utilizados

Este documento no tiene restricciones específicas en cuanto a versiones de software y de hardware.

Convenciones

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Definiciones básicas y conceptos sobre las antenas

Una antena ofrece a un sistema inalámbrico tres propiedades fundamentales: ganancia, dirección y polarización. La ganancia mide el aumento de potencia. Es la cantidad de aumento de energía que una antena agrega a una señal de radiofrecuencia (RF). La dirección es la forma del patrón de transmisión. Cuando la ganancia de una antena direccional aumenta, el ángulo de radiación suele disminuir. Esto proporciona una mayor distancia de cobertura, aunque con un ángulo de cobertura reducido. El área de cobertura o patrón de radiación se mide en grados. Estos ángulos se 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 señal. En su lugar, una antena simplemente redirige la energía que recibe del transmisor. Al redirigir dicha energía, se proporciona más energía en una dirección que en el resto de direcciones.

Los anchos de haz se definen tanto en planos horizontales como verticales. Los anchos de haz son la separación angular entre los puntos de energía media (puntos de 3 dB) del patrón de radiación de la antena en cualquiera de los planos. Por lo tanto, para una antena, existen anchos de haz horizontales y verticales.

Figura 1: Ancho de haz de antena

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Las antenas se clasifican comparándolas con antenas isotrópicas o dipolares. Una antena isotrópica es una antena teórica con un patrón de radiación uniforme de tres dimensiones (similar a una bombilla sin reflector) En otras palabras, una antena isotrópica teórica presenta un ancho de haz vertical y horizontal perfecto de 360 grados, o bien un patrón de radiación esférico. Es una antena ideal que irradia en todas direcciones y presenta una ganancia de 1 (0 dB), esto es, cero ganancia y cero pérdida. Se utiliza para comparar el nivel de potencia de una antena determinada frente a una antena isotrópica teórica.

Figura 2: Patrón de radiación de una antena isotrópica

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

A diferencia de las antenas isotrópicas, las antenas dipolares son antenas reales. El patrón de radiación dipolar es 360 grados en el plano horizontal y aproximadamente 75 grados en el plano vertical (en este documento, se asume que la antena se encuentra en posición vertical) y se asemeja a una rosquilla en su forma. Puesto que el haz se encuentra ligeramente concentrado, las antenas dipolares presentan una ganancia superior con respecto a las antenas isotrópicas de 2,14 dB en el plano horizontal. Se supone que las antenas dipolares presentan una ganancia de 2,14 dBi, en comparación con las antenas isotrópicas. Cuanto mayor es la ganancia de las antenas, menor es el ancho de haz vertical.

Imagine que el patrón de radiación de la antena isotrópica es un globo que se extiende por igual desde la antena en todas direcciones. Ahora imagine que presiona en la parte superior e inferior de ese globo. Esto hace que el globo se expanda hacia fuera, abarcando así un área mayor del patrón horizontal, aunque disminuye el área de cobertura superior e inferior de la antena. De esta forma, se obtiene una mayor ganancia, puesto que la antena parece extenderse hasta un área de mayor cobertura.

Figura 3: Patrón de radiación de una antena omnidireccional

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Las antenas omnidireccionales presentan patrones de radiación similares. Estas antenas proporcionan un patrón de radiación horizontal de 360 grados. Se utilizan cuando se necesita cobertura en todas direcciones (dentro del plano horizontal) desde la antena, con diferentes grados de cobertura vertical. La polarización es la orientación física del elemento de la antena que emite la energía RF. Una antena omnidireccional, por ejemplo, suele ser una antena polarizada vertical.

Figura 4: Polarización de antena

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Las antenas direccionales envían la energía RF en una determinada dirección. Cuando la ganancia de una antena direccional aumenta, la distancia de cobertura también aumenta, aunque el ángulo de cobertura eficaz disminuye. Para antenas direccionales, los lóbulos se dirigen en una dirección determinada y en la parte trasera de la antena queda una pequeña cantidad de energía.

Figura 5: Patrón de radiación de una antena direccional

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Otro aspecto importante de las antenas es la proporción entre la parte delantera-trasera, que mide la directividad de la antena. Se trata de la proporción de energía que la antena dirige en una dirección determinada, que depende del patrón de radiación con respecto a la energía que deja atrás la antena o que se desperdicia. Cuanto mayor sea la ganancia de la antena, mayor será la proporción delantera-trasera. Una buena proporción delantera-trasera suele ser normalmente 20 dB.

Figura 6: Patrón típico de radiación de una antena direccional con lóbulos calibrados

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Una antena puede presentar una ganancia de 21 dBi, con una proporción delantera-trasera de 20 dB o de 15 dB. Esto significa que la ganancia hacia atrás es de 1 dBi y la ganancia lateral es de 6 dBi. Para optimizar el rendimiento general de una LAN inalámbrica, es importante saber cómo se puede maximizar la cobertura de radio seleccionando la antena apropiada y su ubicación.

Efectos en interiores

La propagación inalámbrica puede verse afectada por el reflejo, la refracción o la difracción en un entorno determinado. La difracción consiste en el curvado de las esquinas de las ondas. Las ondas de RF pueden tomar multitrayectos entre el transmisor y el receptor. Un multitrayecto es una combinación de una señal primaria y una señal reflejada, refractada o difractada. Por ello, en el lado de receptor, las señales reflejadas combinadas con la señal directa pueden corromper la señal o aumentar la amplitud de la misma, lo que depende de las fases de dichas señales. Puesto que la distancia que la señal directa recorre es más corta que la que recorre la señal rebotada, el diferencial de tiempo hace que se reciban las dos señales.

Estas dos señales se superponen y se combinan en una sola. En la realidad, el tiempo entre la recepción de la primera señal y la última señal de eco recibe el nombre de magnitud de retardo. La magnitud de retardo es el parámetro utilizado para expresar el multitrayecto. El retardo de las señales reflejadas se mide en nanosegundos. La cantidad de magnitud de retardo depende de la cantidad de obstáculos o infraestructuras que se encuentren entre el transmisor y el receptor. Por ello, la magnitud de retardo tiene más valor en superficies de fábricas debido a la gran cantidad de estructuras metálicas que se encuentran en comparación con un entorno doméstico. En general, el multitrayecto limita la velocidad de datos o disminuye el rendimiento.

Figura 7: Efectos del multitrayecto en entornos de interior

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La propagación de RF en entornos de interior es diferente a la de exterior. Esto se debe a la presencia de obstrucciones sólidas, techos y suelos que contribuyen a la disminución y pérdida de la señal de multitrayecto. Por ello, el multitrayecto o la magnitud del retardo es mayor en entornos de interior. Si la magnitud de retardo es mayor, la interferencia aumenta y provoca una disminución del rendimiento de procesamiento a una determinada velocidad de transmisión de datos.

Los entornos de interior pueden también clasificarse como líneas de visión (LOS) cercanas y no LOS. En entornos de LOS cercanas, donde puede ver puntos de acceso (AP) como en los vestíbulos, el multitrayecto suele ser menor y puede superarse fácilmente. Las amplitudes de las señales de eco son mucho menores que las de la primaria. Sin embargo, en condiciones donde no hay línea de vista, las señales de eco pueden presentar niveles de potencia mayores, puesto que la señal primaria puede encontrarse parcial o totalmente obstruida y normalmente hay más multitrayecto.

El multitrayecto ha sido un evento semifijo. Sin embargo, pueden entrar en juego otros factores como objetos en movimiento. La condición de un determinado multitrayecto cambia de un período de ejemplo a otro. Esto recibe el nombre de variación en el tiempo.

Una interferencia de multitrayecto puede hacer que la energía RF de una antena sea muy grande, pero los datos sean irrecuperables. No debería limitar el análisis sólo al nivel de potencia. Un nivel bajo de señal RF no significa una comunicación pobre, a diferencia de una calidad de señal baja. Debe analizar la calidad de señal y el nivel Rx de un extremo al otro. Un nivel Rx elevado y una calidad de señal baja significan que hay muchas interferencias. Debe analizar de nuevo el plan de frecuencia del canal en dicho escenario. Un nivel Rx bajo y una calidad de señal baja significan que existe demasiado bloqueo.

La propagación de ondas en entornos de interior se ve también afectada por los materiales de construcción. La densidad de los materiales utilizados en la construcción de un edificio determinan el número de muros que una señal RF puede atravesar manteniendo una cobertura adecuada. Los muros de papel y de vinilo presentan pocos efectos en la penetración de la señal. Los muros y suelos sólidos y los muros de hormigón prefabricado pueden limitar la penetración de la señal a uno o dos muros sin degradar la cobertura. Esto puede variar dependiendo de si existen refuerzos de acero en los muros de hormigón. El hormigón y los bloques de hormigón pueden limitar la penetración de la señal a tres o cuatro muros. La madera y los muros de mampostería sin mortero suelen permitir una penetración adecuada de cinco o seis muros. Un muro construido con un metal denso hace que las señales se reflejen, lo que tiene como resultado muy poca penetración. Los suelos de hormigón reforzado con acero restringen la cobertura entre los pisos a uno o dos pisos.

Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda. Una longitud de onda más corta tiene más probabilidad de que un material de construcción la absorba y la deforme. Por ello, 802.11a, que funciona en una banda de frecuencia mayor, es más propenso a sufrir el efecto del material de construcción.

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

Pros y contras de las antenas omnidireccionales

Las antenas omnidireccionales son muy sencillas de instalar. Debido a los patrones horizontales de 360 grados, pueden incluso montarse bocabajo, 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 inalámbricos. Para obtener una ganancia omnidireccional desde una antena isotrópica, los lóbulos de energía se presionan hacia dentro desde la parte superior e inferior, y se fuerza su salida mediante un patrón con forma de rosquilla. Si continúa presionando hacia dentro ambos extremos del globo (patrón de antena isotrópica), tendrá lugar un efecto "tarta" con un haz de ancho vertical muy estrecho, aunque con una cobertura horizontal muy amplia. Este tipo de diseño de antena ofrece distancias de comunicación muy largas, aunque presenta como inconveniente poca cobertura por debajo de la antena.

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

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Si intenta abarcar un área desde un punto elevado, habrá un gran vacío sin cobertura por debajo de la antena.

Este problema puede solucionarse de manera parcial mediante el diseño de lo que se denomina "downtilt". Con esta inclinación downtilt, los anchos de haz se manipulan para que la cobertura por debajo de la antena sea mayor que por encima. Esta solución mediante downtilt no es posible en una antena omnidireccional, debido a la naturaleza de sus patrones de radiación.

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

Una antena omnidireccional de ganancia baja proporciona una cobertura perfecta para un entorno de interior. Abarca más áreas cercanas al AP o al dispositivo inalámbrico para aumentar la probabilidad de recibir la señal en un entorno de multitrayecto.

Pros y contras de las antenas direccionales

Con las antenas direccionales, puede desviar la energía RF hacia una dirección determinada en distancias más largas. Así, puede abarcar grandes longitudes, aunque el ancho de haz efectivo disminuye. Este tipo de antena es muy útil en coberturas LOS cercanas, como en vestíbulos, largos pasillos, estructuras aisladas con espacios entre ellas, etc. Sin embargo, puesto que la cobertura angular es menor, no puede cubrir grandes áreas. Ésa es la desventaja para las coberturas generales de entornos de interior, ya que se desea abarcar un área angular mayor alrededor del AP.

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

Interferencias

Puesto que los dispositivos 802.11 funcionan en bandas sin licencia, cualquiera puede utilizarlos. Las interferencias de WLAN provienen de otros dispositivos o fuentes similares, como microondas, teléfonos inalámbricos, señales de radar de un aeropuerto cercano, etc. Pueden existir interferencias provenientes de otras tecnologías que utilizan la misma banda, como Bluetooth o dispositivos de seguridad. Las bandas sin licencia de 2,4 GHz presentan un límite de canales que pueden utilizarse para evitar interferencias y presentan únicamente tres canales disponibles que no se traslapan.

Las interferencias y los multitrayectos hacen que la señal de recepción fluctúe a una frecuencia determinada. Esta variación de señal recibe el nombre de desvanecimiento. El desvanecimiento es también selectivo en cuanto a frecuencia, puesto que la atenuación varía en función de la frecuencia. Un canal puede clasificarse como canal de desvanecimiento rápido o canal de desvanecimiento lento. Esto depende de la velocidad en que cambia la señal de banda de base transmitida. Un receptor móvil que viaja a través de un entorno de interior puede recibir fluctuaciones de señal rápida derivadas de adicciones y cancelaciones de las señales directas a la mitad de los intervalos de longitud de onda.

Las interferencias aumentan los requerimientos de la relación señal-ruido (SNR) para una velocidad de datos particular. Los recuentos de recuperación de paquetes aumentan en un área en donde las interferencias o los multitrayectos son muy elevados. Un cambio en el tipo de antena y la ubicación de la misma puede eliminar las interferencias de multitrayecto. La ganancia de la antena se agrega a la ganancia del sistema y mejora los requerimientos de la relación señal e interferencia-ruido (SINR) tal y como se muestra a continuación:

Figura 9: Umbral de ruido y relación de señal e interferencia-ruido

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Aunque las antenas direccionales ayudan a centrar la energía en una dirección determinada, lo que puede ayudar a superar el desvanecimiento y el multitrayecto, éste último, a su vez, reduce la potencia de centralización de una antena direccional. La cantidad de multitrayectos que un usuario 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 de lóbulos delantero-trasero y delantero-lateral menores. Esto hace que exista menos posibilidad de rechazar o reducir las señales de interferencias recibidas desde direcciones que se encuentren fuera del área de lóbulos primaria.

Conclusión

A pesar de que las antenas direccionales pueden ser de gran utilidad para determinadas aplicaciones de interior, la gran mayoría de instalaciones de interior utilizan antenas omnidireccionales debido a las razones citadas en este documento. La selección de una antena, direccional u onmidireccional, debe responder estrictamente a un estudio apropiado y correcto del sitio.


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