¿Qué NO te dice la ganancia de una antena?
Cuando se habla en sentido general del desempeño de redes móviles, la ganancia de una antena pasiva es importante. Sin embargo, sobre enfocarse en la ganancia puede a veces llevarnos a pasar por alto otros factores cruciales que impactan la eficiencia y calidad de la red. Entonces, ¿qué tan crítica es la ganancia de una antena pasiva, y a cuáles otros elementos debemos prestarle atención para obtener un desempeño de red óptimo?
Senior Account Manager Antenna
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Las redes móviles son sistemas complejos con muchas partes en movimiento. Uno de los mayores retos para los proveedores de servicio es balancear equipamiento (HW), software y servicios. Este balance es fundamental para asegurar que los usuarios tengan la mejor experiencia posible con sus servicios móviles.
En la búsqueda de esa meta, los equipos técnicos de los proveedores de servicio se enfocan en planeación y optimización de red, evaluaciones y pruebas rigurosas para seleccionar el equipamiento optimo para sus redes. Entre estos componentes esenciales esta la antena pasiva, el conocido panel blanco o gris en las torres que provee la señal que permite que los dispositivos móviles se conecten.
Así que…exploremos esta intrigante pregunta: Si la misión es mejorar la calidad del servicio mientras aseguramos que los usuarios disfruten de señales fuertes y claras, mayores velocidades, y conectividad ininterrumpida, ¿por qué a menudo ponemos tanto énfasis en la ganancia de una antena como la principal medida de éxito?
El valor de ganancia en las fichas técnicas (datasheets) de las antenas sólo incumbe a una dirección especifica, enfocada en un punto concreto en la celda, donde incluso podría no haber mucho trafico que servir. Esta realidad, nos abre un mundo de posibilidades para considerar otros factores que podrían mejorar el desempeño de la red todavía más.
A pesar de la evidencia factual, tendemos a pasar por alto otros factores críticos que impactan significativamente el propósito principal de nuestros clientes: mejorar el servicio y la experiencia de los usuarios. En Ericsson Antenna System, nuestros esfuerzos en investigación y desarrollo estan dedicados a entender como la combinación de los distintos parámetros de la antena contribuyen a mejorar el desempeño de la red. Particularmente, la eficiencia de haz (o beam efficiency por sus palabras en inglés), es un indicador que te dice mucho sobre el desempeño que se puede esperar de la antena en la red.
Algunos clientes se preguntan si una mayor eficiencia de haz siempre se traduce en mayor ganancia. Y la respuesta es No, y permítanme explicarles, desde una perspectiva simplificada, algunos conceptos y sus diferencias.
1. Eficiencia de haz
De forma muy concisa, y ciñéndonos únicamente al dominio horizontal, la eficiencia de haz (medida en porciento - %) no es más que (1) La energía irradiada en el sector dividido entre (2) la total energía irradiada por la antena. Pero aquí es importante resaltar, la definición de sector. De forma general, nos referimos a un sector de 120 grados que va desde -60 a +60 grados partiendo de la dirección de radiación principal del haz.
Optimización de la Eficiencia del Haz de la Antena: Mejorando SINR, RSRP y Rendimiento de la Red al Maximizar la Concentración de Señal en Sectores Objetivo
En esta imagen donde se ve un corte horizontal del diagrama de radiación de una antena como ejemplo, toda la zona del sector indicado en azul que se traslapa con el haz de la antena (rojo) contribuye a la eficiencia de haz. A su vez, toda la energía que queda fuera de esta zona actúa como interferente en los sectores adyacentes. Las pruebas que hemos hecho nos demuestran que cuanto más alta es la concentración de la energía (señal) en este espacio, mayor es la contribución al desempeño de la red, sosteniendo mejoras de relación señal a interferencia más ruido (en inglés, Signal to Interference plus Noise Ratio, o SINR), modulación de alto grado, potencia recibida de la señal de referencia (en inglés, Reference Signal Received Power, o RSRP), agregación de portadoras, que claramente resultan en una mejor experiencia del usuario final.
Además, una recepción de la señal de más alta calidad nos permite apreciar una reducción de la potencia de transmisión de los móviles, dándole más vida de batería del equipo al usuario y reduciendo las interferencias en uplink en la red.
2. Ganancia
La ganancia, en sentido práctico, se define como la directividad menos las pérdidas.
La ganancia es importante, ya que es la medida que te indica la máxima eficacia con la cual la antena irradia la potencia que recibe en una dirección especifica.
Y recuerden, la directividad, es la proporción de la intensidad de la radiación en una dirección especifica (la dirección de máxima intensidad) entre la intensidad de la radiación promediada en todas las direcciones. En otras palabras, se consigue dividiendo la intensidad máxima de radiación entre la intensidad promedio de radiación, y se expresa en dBi.
Y quiero resaltar esta parte de una dirección especifica, porque tiene gran influencia en nuestra evaluación de una antena. Veamos el gráfico para una mejor explicación.
Medición de la Ganancia de la Antena: Comprendiendo el Comportamiento del Haz en Sectores de 120 Grados para Mejorar el Servicio y la Experiencia del Usuario
En este grafico la flecha verde indica la dirección específica en la que se mide la ganancia, fíjense cómo de todo el sector de 120 grados que veíamos en el gráfico 1, este punto representa solo una pequeña parte, y no proporciona demasiada información sobre el comportamiento que realmente está teniendo este haz cuando evalúas todo el sector, donde efectivamente deseas mejorar el servicio y donde se concentra una cantidad superior de usuarios.
3. Haz a potencia media (Half power beamwidth, o HPBW) – Horizontal o vertical
Un concepto adicional que quisiera aclarar es el ancho de haz a potencia media (del inglés, Half Power Beamwidth, o HPBW), que es un ángulo, medido en grados. La amplitud de este ángulo está determinada por la magnitud de la potencia de radiación y acapara la región hasta donde la potencia de radiación disminuye en un 50% (o 3 dB) comparada con el máximo de potencia del haz principal.
Entendiendo el HPBW Horizontal: Diseño Típico de 65 Grados para Antenas Pasivas en Configuraciones de Sitios Trisectoriales
En este grafico se puede ver marcado en verde un HPBW horizontal de unos 65 grados, que suele ser un criterio común de diseño de antenas pasivas para configuraciones de emplazamientos celulares trisectoriales.
De forma resumida, hemos aprendido que:
- Cuando hablamos de ganancia nos referimos a un punto especifico del sector.
- Cuando hablamos de H-HPBW nos referimos a un ángulo dentro del sector.
- El sector está definido por los 120 grados (-60 a + 60) desde el haz principal.
La eficiencia de haz mide el porcentaje de energía irradiada en el sector con respecto al total de energía irradiada.
Los estudios y pruebas que Ericsson hace continuamente para mejorar el diseño de sus antenas y maximizar el rendimiento y desempeño de la red, muestran que el enfoque en eficiencia de haz va en la dirección correcta.
Y finalmente, aquí muestro un grafico donde se pueden ver todos los conceptos juntos:
- El patrón azul representa una antena que tiene mejor ganancia, pero peor eficiencia de haz. (irradia menos energía en el sector).
- El patrón rojo representa una antena que tiene menor ganancia, pero mejor eficiencia de haz (irradia más energía en el sector).
- El ángulo delimitado por las líneas verdes representa el HPBW horizontal.
- La apertura marcada por las líneas moradas representa el sector de 120 grados.
Análisis Comparativo de Patrones de Antena: Equilibrando Ganancia, Eficiencia del Haz, HPBW Horizontal y Cobertura de Sectores de 120 Grados
Aquí se observa claramente como la antena azul, aunque tiene mejor ganancia tiene peor eficiencia de haz, con una menor proporción de su haz en partes deseadas dentro del sector y más energía irradiada en zonas no deseadas. Al comparar estos patrones, efectivamente la antena de patrón rojo resulta en mejor desempeño, pero muchas veces nos vemos atraídos a elegir la azul sólo porque ¡tiene mejor ganancia! Debemos evolucionar nuestro criterio de evaluación de antenas y enfocarnos en el impacto en la red más que en especificaciones individuales.
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