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Introducción: Por qué la diversidad polarización importa en los sistemas MIMO modernos
La rápida evolución de las comunicaciones inalámbricas, desde 4G LTE hasta 5G y más allá, exige una mayor fiabilidad y un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. La tecnología de Múltiples Productos (MIMO) se ha convertido en la piedra angular de estos avances, permitiendo que múltiples secuencias de datos se transmitan y reciban simultáneamente.
Comprender la diversidad de polarización: los fundamentos
¿Qué es la polarización?
La polarización describe la orientación del vector de campo eléctrico de una onda electromagnética mientras se propaga por el espacio. En comunicaciones inalámbricas, se utilizan comúnmente tres estados de polarización primaria: polarización lineal] (diferencia vertical o horizontal), polarización circular (mano derecho o mano izquierda), y [LT:4]
Cómo funciona la diversidad de polarización
La diversidad de polarización aprovecha el hecho de que múltiples estados independientes de polarización pueden ser utilizados para transmitir y recibir señales sin interferencias mutuas significativas. En un sistema MIMO típico que emplea diversidad de polarización, las antenas están diseñadas o configuradas para operar en polarizaciones ortogonales, por ejemplo, un elemento de antena transmite una señal polarizada verticalmente mientras que otro transmite una señal horizontalmente polarizada, o una sola antena incluye puertos de dobles.
Comparación con la diversidad espacial y temporal
La diversidad polarizada es una de las diversas técnicas de diversidad utilizadas en MIMO. La diversidad espacial ] depende de la separación física entre las antenas (normalmente múltiples longitudes de onda) para lograr señales decoradas. La diversidad temporal ]
Beneficios clave de la diversidad de polarización en sistemas MIMO
Reliabilidad de la señal mejorada y mitigación de fallas
En canales inalámbricos, la propagación multipática provoca que las señales lleguen al receptor por muchos caminos, cada uno con diferentes amplitudes, fases y polarizaciones. Si el transmisor y receptor utilizan sólo una polarización única, una profunda desfase en esa polarización podría dar lugar a una pérdida completa de la comunicación. Mediante el uso de dos o más polarizaciones ortogonales, el sistema crea múltiples ramas de desvanecimiento independientes.
Aumento de la capacidad del sistema y la eficiencia espectral
Los sistemas MILT logran altas tasas de datos mediante la transmisión de múltiples flujos de datos independientes en la misma banda de frecuencia (multificación espacial). La diversidad de polarización duplica el número de canales espaciales disponibles por elemento de antena: una antena doble polarizada puede soportar dos secuencias simultáneamente, duplicando eficazmente el aumento de multiplexación sin aumentar el número de antenas físicas.
Mejora de la utilización del espectro y la gestión de las interferencias
La diversidad de polarización permite un uso más eficiente del espectro radiológico escaso. Al transmitir polarizaciones ortogonales simultáneamente, el sistema puede reutilizar la misma banda de frecuencia para múltiples flujos, mejorando eficiencia espectro (bits/s/Hz). Además, debido a que las señales polarizadas ortogonales tienden a ser menos correlativas, pueden utilizarse para la cancelación de interferencias y el ejemplo multiusumático
Tamaño y coste de la antena reducida
Una de las ventajas prácticas de la diversidad de polarización es que puede ser implementada sin requerir grandes antenas. Una única antena de parche doble ocupe la misma huella física como una antena monopolarizada pero proporciona dos veces las ramas de diversidad. Esto es crítico para dispositivos compactos como los smartphones, donde el espacio para las antenas es limitado. Además, las antenas modernas utilizan técnicas como
Desafíos de aplicación y estrategias de mitigación
Diseño de antena y pureza de polarización
Las antenas de diseño que mantienen estados de polarización distintos y ortogonales en el ancho de banda operativo son difíciles. Las imperfecciones en geometría de antena, estructuras de alimentación y materiales circundantes pueden causar radiación cruzada no deseada, ganancia de diversidad degradante. Los ingenieros deben optimizar cuidadosamente los elementos de antena para lograr alta discriminación de poliar (XPD)[Felect:1]]
Efectos ambientales en la polarización
Los entornos de propagación inalámbrica no están estáticos; los edificios, los árboles, los vehículos móviles e incluso la lluvia pueden alterar el estado de polarización de las señales transmitidas. Las reflexiones de las superficies a menudo cambian la polarización, por ejemplo, una onda horizontalmente polarizada reflejada en una pared metálica vertical puede ser parcialmente polarizada. Este efecto de despolarización reduce la ortogonalidad entre los canales de polarización, lo que conduce a una mayor correlación y a una disminución de los beneficios de adaptación.
Complejidad de procesamiento de señales
La diversidad de polarización agrega dimensiones al canal MIMO, también aumenta la complejidad del receptor de banda base. El receptor debe estimar la matriz de canal poliarimetrica completa, que incluye términos de acoplamiento cruzado. Máxima probabilidad (ML) detección o receptores lineales (por ejemplo, MMSE) debe ser extendido para manejar los cuatro subcanales de configuración de HSP (V)
Costo y Calibración
Las cadenas RF (cables, conectores, amplificadores) también deben mantener el equilibrio de fase y amplitud en las polarizaciones. Los procedimientos de calibración son necesarios para asegurar que el sistema no introduzca desequilibrios que puedan degradar el rendimiento. Aunque el costo inicial es ligeramente superior a las antenas monopolarizadas, los beneficios en términos de capacidad y fiabilidad suelen justificar el despliegue de células de gran valor, especialmente la inversión.
Diversidad de polarización en los despliegues en el mundo real
5G y MMO Masivo
En 5G New Radio (NR), la diversidad de polarización es ampliamente adoptada tanto en estaciones base como en equipos de usuarios. Los paneles de antena MIMO masivos utilizan a menudo elementos cruzados-dipolos cruzados-dipolos o parches dispuestos en conjuntos rectangulares. Por ejemplo, un sistema MIMO masivo de 64 antenas normalmente consiste en 32 elementos duales, proporcionando 64 canales eficaces de actualización a través de la diversidad de la arquitectura.
Wi-Fi 6 y 6E
Wi-Fi 6 (802.11ax) y Wi-Fi 6E también se benefician de la diversidad de polarización. Los puntos de acceso suelen incorporar antenas de doble polarización, especialmente en despliegues de alta densidad como estadios, aeropuertos y centros de conferencias. La mejora del reutilización espacial y la mitigación de interferencias proporcionada por la diversidad de polarización ayudan a mantener alta rentabilidad incluso cuando muchos clientes están conectados simultáneamente.
Comunicaciones por satélite
Los enlaces de satélite utilizan frecuentemente la polarización circular para superar los efectos de rotación de Faraday en la ionosfera. Se ha explorado la diversidad de polarización en la MIMO de satélites para constelaciones de LEO y GEO para aumentar la eficiencia espectral. Por ejemplo, un satélite puede transmitir dos corrientes de datos diferentes utilizando la polarización circular derecha (RHCP) y la doble de la corriente de la izquierda (terminalización de espectro de flujo de flujo de flujo de flujo de flujo de energía.
Redes de IoT y Low-Power
En el dominio Internet de las cosas (IoT), donde los dispositivos suelen tener un tamaño y unas limitaciones de potencia estrictas, la diversidad de polarización proporciona una manera elegante de mejorar la robustez de los enlaces sin añadir hardware significativo. Muchos chipsets IoT modernos (por ejemplo, desde Nordic Semiconductor y Silicon Labs) soportan interfaces de antena de doble polarización.
Perspectivas futuras: Más allá de 5G y 6G
Polarización y codificación reconfigurables
La investigación en antenas reconfigurables que pueden cambiar dinámicamente entre polarización lineal y circular (o entre estados ortogonales) está avanzando. Combinar polarización aditiva con modulación de índices podría permitir que cada estado de polarización lleve bits de información adicionales, aumentando la eficiencia espectral sin ampliar ancho de banda. Modulación de índices en el dominio de polarización es un área prometedor observada
MIMO completo y Momento Angular orbital
Los sistemas futuros pueden explotar MIMO tridimensional que combina la polarización con dimensiones espaciales, temporales y de frecuencia. Además, los modos de impulso angular orbital (OAM) —esencialmente una forma de diversidad de polarización en el dominio de fase— se están investigando para comunicaciones de terahercios. Mientras que aún experimental, la multixación OAM podría proporcionar un número aún mayor de canales de diversidad de despliegue simple sobre el término
Aprendizaje de la máquina para la optimización de la polarización
Los algoritmos de aprendizaje automático se están desarrollando para optimizar la diversidad de polarización en tiempo real. Una red neuronal puede aprender el comportamiento de polarización de canales de señales piloto y ajustar las matrices de polarización de transmisión o receptor que combinan pesos para maximizar la capacidad. Esto es particularmente útil en escenarios de alta movilidad (por ejemplo, comunicaciones vehiculares) donde la polarización de canales cambia rápidamente.
Integración con superficies inteligentes reconfigurables (RIS)
Las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) pueden manipular la polarización de las señales reflejadas para mejorar la diversidad de polarización. Mediante el ajuste de la fase y amplitud de los elementos metástricos individuales, un RIS puede crear rutas de diversidad de polarización virtual, proporcionando grados adicionales de libertad sin multiplicar el número de antenas activas. Esta sinergia entre la diversidad de polarización y el RIS se espera que sea un generador clave para las redes de 6G, ofreciendo mayores tasas de energía.
Conclusión
La diversidad polarización es una técnica fundamental y altamente eficaz para mejorar el rendimiento de los sistemas MIMO. Mediante la utilización de los estados de polarización ortogonal, aumenta la fiabilidad de la señal, aumenta la capacidad, mejora la utilización del espectro y reduce el tamaño de la antena, todo crítico para las redes inalámbricas modernas de 4G a 5G y más allá.
Para mayor lectura, consulte el artículo de Comunicación Personal Inalámbrica sobre diversidad de polarización MIMO y el modelo de propagación UIT-R P.1238 para la polarización interior .