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TECNOLOGIA 5G: UM ESTUDO DE CASO DA EQUAÇÃO DE FRIIS Aluno: Fagner Viana de Jesus Prof. Orientador: MSc. Wesley Pecoraro Engenharia Elétrica – Centro Universitário Central Paulista (UNICEP) São Carlos, SP. RESUMO Este trabalho tem como objetivo fazer um estudo de caso das ondas eletromagnéticas da quinta geração (5G) dos sistemas de comunicações móveis utilizando a equação de Friis na faixa de frequência de 28 e 38 GHz, que são faixas de frequências consideradas potenciais para sistemas 5G. Através de pesquisas na literatura, demonstrou-se que a tecnologia trará muitos benefícios e possíveis alterações na infraestrutura existente. Palavras-Chaves: Telecomunicações. 5G. Friis. Antenas. Ondas milimétricas. Beamforming. MIMO. 1. INTRODUÇÃO A interatividade e a comunicação sempre foram fatores indispensáveis para um convívio social, desde sua existência o homem vem aprimorando as maneiras de se comunicar. Ao longo dos anos, foram desenvolvidas diversas tecnologias de comunicação sem fio, conhecidas como gerações, que possibilitaram o tráfego de informações nas redes sem fio. Criar um sistema para comunicação entre telefones sem fio não foi tarefa fácil. Após testes de diversos fabricantes, iniciados em 1947, somente em 1973 surgiu o primeiro celular e, com ele, a Primeira Geração (1G). Desde então esta tecnologia foi evoluindo tanto em termos de serviços oferecidos quanto na qualidade de sinal e aumento das taxas de bits, passando pela 2G, 2.5G, 3G, 3.5G e 4G, ilustradas na Figura 1. A Figura 1 ilustra um crescimento exponencial das taxas de bits desde a 1G, da ordem de Kbit/s até a 5G, maior que 1 Gbit/s. No entanto hoje, com a demanda crescente de taxas de bit cada vez mais elevadas, a atual geração de celular não está mais suprindo essa demanda (JORDÃO, 2009) e vários testes de conectividade uma nova geração vem sendo efetuados visando atender a esse novo perfil de usuários. A grande novidade dessa geração, denominada 5G, é o uso de um sistema integrado composto por diversos subsistemas com tecnologias inovadoras, descritas a seguir. A 5G já está em fase de testes em alguns países como EUA e Coreia do Sul, sendo motivo de grande expectativa nos mais variados campos do conhecimento. (SILVA, 2016). Figura 1 - Mudança das gerações durante os anos e suas particularidades. Fonte: SURANTHA, 20171 A Figura 1 ilustra as taxas de bits das diversas gerações de comunicações móveis sem fio e das redes locais sem fio (Wireless LANs) baseadas no padrão Ethernet. A Figura 1 ilustra um crescimento exponencial das taxas de bits desde a 1G, da ordem de Kbit/s até a 5G, maior que 1 Gbit/s. 1.1. Proposta do Trabalho 1 Disponível em: www.researchgate.net . Acesso em Maio. 2020. Diversas mudanças ocorreram nas gerações de celulares e em suas funcionalidades (BERGHER, 2020), desde a concepção do primeiro sistema de comunicações móveis sem fio. Essa tecnologia modificou de forma significativa a sociedade em que vivemos e, a cada dia, aumenta a demanda por maiores taxas de bit, sendo de vital importância uma internet rápida e abrangendo tanto residências quanto indústrias. O surgimento de uma nova geração de serviços móveis, com largura de banda, alta frequência, baixa amplitude e com condições de uso dos espectros radioelétricos bastante distintos, conduz a eventuais necessidades de reorganização das faixas de radiofrequências. Dessa forma, propõe-se realizar um estudo de caso do qual será explicitada uma metodologia de dimensionamento da tecnologia 5G. Espera-se que além da comprovação dos benefícios dessa nova tecnologia, o seu uso não prejudique o meio ambiente, assim como a saúde dos usuários. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O 4G LTE (Long Term Evolution) é o nome da tecnologia de quarta geração (4G) que foi criada com base no GSM (Global System for Mobile Communications- Sistema Global para Comunicações Móveis) e WCDMA (Wide-Band Code-Divison Multiple Access - Acesso múltiplo de divisão de código de banda larga). A diferença é que, dessa vez, a tecnologia prioriza o tráfego de dados em vez do tráfego de voz, como acontecia em gerações anteriores. Isso proporciona uma rede de dados mais rápida e mais estável (BRAGA, 2018). No Brasil, a faixa de frequência em 2500 MHz é utilizada pelas operadoras para ofertar banda larga móvel 4G (LTE) e banda larga fixa 4G (LTE). O 5G, por sua vez, é cerca de 100 vezes mais rápido se comparado ao 4G, fornecendo dados a mais de 1GB por segundo. Além disso, a nova tecnologia é capaz de atender muito mais usuários ao mesmo tempo, proporcionando assim, uma maior estabilidade de rede quando muitos dispositivos acessam do mesmo lugar, por exemplo. Mas, o verdadeiro diferencial do 5G, é sua versatilidade, uma vez que a tecnologia foi projetada para ser compatível com os mais diferentes dispositivos com conexão à internet, indo além dos smartphones, assumindo uma forma universal de se conectar à rede. (GABRIEL, 2019). A tecnologia MIMO (Multiple Imputs Multiple Outputs) é central para a 5G, visto que pretende aumentar consideravelmente a quantidade de entradas das estações base, possibilitando o envio e recepção de sinais de muitos usuários ao mesmo tempo. Assim, uma vez que centenas de antenas irão operar simultaneamente em uma única estação-base, é necessário criar uma tecnologia que evite a interferência entre os sinais emitidos por essa grande quantidade de antenas. A tecnologia Beamforming (Figura 2), por sua vez, foca o sinal em uma direção específica, onde um ou mais dispositivos estão conectados. Com isso, a transmissão entre o smartphone e o roteador, por exemplo, tem uma qualidade melhor, menos suscetível a interferências e com alcance ampliado. (RIBEIRO, 2015). Normalmente, quando o roteador comum transmite um sinal Wi-Fi, ele transmite os dados em todas as direções. Com o Beamforming o roteador determina onde o seu dispositivo (laptop, smartphone, tablet ou qualquer outra coisa) está localizado e projeta um sinal mais forte na direção específica. A formação de feixe promete um sinal Wi-Fi mais rápido e mais forte, com maior alcance para cada dispositivo. Em vez de simplesmente transmitir em todas as direções, o roteador tenta transmitir dados sem fio destinado a um dispositivo da maneira ideal, de maneira básica o resultado final da formação de feixe de um melhor sinal Wi-Fi e recepção para seus dispositivos. MIRANDA (2018). Figura 2 - Beamforming, Tecnologia redireciona sinal para dispositivos conectados. Fonte: Divulgação/Netgear/Techtudo, 2015.2 A Figura 2 mostra a diferença entre um roteador comum atual e o 5G com sistema beamforming. Nesse caso, quando o sistema wireless for acionado, somente irá abranger os dispositivos conectados a rede. 3. METODOLOGIA 2 Disponível em: www.techtudo.com.br. Acesso em Maio. 2020. http://www.techtudo.com.br/ Nessa seção foram descritos o cálculo de ondas eletromagnéticas, a Lei de Friis e suas relações, das quais são parâmetros fundamentais para investigar as características da tecnologia 5G. 3.1. Ondas Milimétricas A radiação eletromagnética é definida como a propagação de energia em forma de onda. O espetro eletromagnético, ilustrado na Figura 3, representa o conjunto de todas as radiações da natureza. As ondas milimétricas, conhecidas também como mmWare, são uma parcela do espectro eletromagnético acomodado entre as microondas e as ondas infravermelhas. SCHWARZ (2019). Figura 3 - Ondas, O Espectro Eletromagnético na Natureza. Fonte: MOREIRA, 2013 3. 3.2. Cálculo de ondas O termo microondas é utilizado na faixa de frequências entre 1 GHz e 100 GHz e existem varias aplicações nessa faixa espectral, desdeo popular forno de microondas, que opera na frequência de 2,4 GHz, passando pelo radar para rastreamento de objetos, por sistemas de comunicação por satélite até as tecnologias de aceleração de elétrons por microondas em aceleradores lineares. Já a faixa de ondas milimétricas (mmWare) fica entre 100 GHz e 1 THz e permite a obtenção de feixes de radiação eletromagnética 3 Disponível em: https://www.researchgate.net. Acesso em Julho. 2020. confinados, de pequenas dimensões, com aplicações importantes em sistemas de radar de alta resolução. MIRANDA (2020). A Tabela 1 mostra bandas que atua na faixa de 24,25 GHz a 56 GHz, com taxas de bit de descida (downlink) de 20Gbit/s, de subida (Uplink) de 10Gbit/s e latência da ordem de 1 ms. Que permitirão a implantação de hotspots, fornecendo um rendimento muito alto graças à grande largura de banda disponível para as operadoras em países como EUA, Coréia e Japão. OXFORD (2018). Tabela 1: Altas frequências reais do 5G aplicadas em alguns. Fonte: Oxford Science Park, 2018. No Brasil ainda é incerto o valor da frequência a ser utilizada para o 5G, mas diante de especulações e estudos na literatura tudo indica que terá uma frequência de pelo menos 26 GHz para ser distribuídos entre as operadoras, diante do leilão que acontecerá provavelmente em 2021, mas isso dependerá também de quanto o Brasil terá disponível. 3.3 Equação de Friis Segundo ANDRADE (2006) a Lei de Friis (1) permite relacionar a potência transmitida de uma antena e a potência recebida pela outra antena em condições ideais. Dadas duas antenas, a razão dentre a potência recebida pela antena receptora (Pr) e a potência transmitida (Pt) verificando a atenuação de percurso em um espaço indoor e representa as perdas devido ao espalhamento esférico espacial da potência radiada por uma antena instalada a uma altura de 1,80 m é dada por: PrPt =GtGr ( λ 4 πr ) 2 (1) onde, para uma frequência de 28 GHz sabe-se que Gt=1dBié o ganho de transmissão, Gr=12,6dBié o ganho de recepção, r=30m 2é o raio da antena e o coeficiente de propagação estimado λ=10,71 x 10−3é o comprimento de onda e abertura de feixe de 19°. Com uma frequência de 38 GHz Gt=1dBi, Gr=15,6dBi, r=30m 2 o raio da antena e um coeficiente de propagação estimado λ=7,89 x10−3 com abertura de feixe de 23°. Figura 4: Sistema de transmissão e retransmissão de sinal usando a Equação de Friis. Fonte: ANDRADE, (2005) As ondas milimétricas do 5G têm durante a sua transmissão e retransmissão entre as antenas um direcionamento coerente e a equação de radar orienta espacialmente as antenas emissora e receptora ao objeto do qual se pretende obter a área de eco para uma melhor qualidade, emissão e recepção de sinal. A equação (2) é composta pela potência captada e é dada por: Pc=W t= PtGt (θt , θt ) 4 π R1 2 = PtDt (θt ,ϕt) 4π R1 2 (2) A potência é irradiada de forma isotrópica produzindo no receptor uma densidade com o comprimento fenda W s que pode ser calculada por: Ws= Pc 4 π R2 1=ecrt PtDt (θt ,ϕt ) (4 πR1 R2)2 (3) A potência entregue na carga da antena receptora Pr será calculada (4) considerando a eficiência de radiação entre a antena de transmissãoecdt e a recepção ecdr, dada por: Pr¿ ArWs=ecdt ecdr PtDt (θt , ϕt )Dr (θt , ϕt ) 4 π ( λ 4 πR1 R2 ) 2 (4) Está relação permite calcular σ colocando-se adaptações e perda entre os polos com o coeficiente de reflexão de transmissão Гt entre as antenas, conforme (5). Pr Pt =ecdt ecdr (1−|Гt| 2 ) (1−|Гt| 2) Dt (θt , ϕt )Dr (θt , ϕt ) 4π ∗( λ4 πR1 R2 ) 2 ¿ ρw . ρr∨¿2 ¿ . (5) Para o caso de estar nas diretividades máximas e se admitir que as antenas adaptadas e as polarizações adaptadas vêm com a equação (6) de radar reformulada. Pr Pt = G0 tG0 r 4 π [ λ 4 πR1 R2 ] 2 . (6) A potência das ondas portadoras formadas por amplitude, frequência e fase (1) terá como objetivo, transportar o sinal 5G no espaço e tempo, mas devido aos obstáculos e intempéries, existe uma perda de propagação que é inversamente proporcional ao quadrado da distância. A potência recebida cai 6 dB quando a distância é dobrada (ou reduz 20 dB por década), também sendo inversamente proporcional ao quadrado da frequência de transmissão, aumenta para a atenuação de 6 dB se a frequência é dobrada. No caso de uma perda excessiva, tem que usar antenas de alto ganho para compensar as perdas de percurso que é convenientemente expressa em dB (7). (dB)=10 log ( PT PR )=−10 logGT−10 logGR+20 logf +20 logd+k (7) K = 20 log 3∗108 4π =147,6dB Pode-se comparar a perda de propagação com a perda básica de propagação entre antenas isotrópicas (Gtx=Grx=1) (d )=Ṗ (d0 )−10 уlog10( d d0 ) . ( 8) Figura 5: Potência média local e potência média em área. Fonte: TCHEOU (2016) As ondas milimétricas sofrem atenuações em relação a distância. Essa atenuação pode ser calculada por (7): L(d )=−10 log10 [GTGR( λ4πd ) 2 ] (9) Resolvendo a Equação de Friis para a distância entre uma antena e outra. Assumindo que é PR ,minmenor potência detectável no receptor, temos que a separação máxima rmax entre as antenas de transmissão e de recepção é rmax= λ 4 π √ PTGTGR PR ,min (10) A equação exemplifica que a quantidade de potência transferida entre duas antenas é igual ao produto dos ganhos das antenas. Assim, ausências de baixo ganho em antenas de transmissão podem ser compensadas com um ganho alto em antenas de recepção e vice-versa. Isto é muito utilizado em várias aplicações práticas, principalmente com a tecnologia 5G que será usado a tecnologia Beamforming que irá individualizar e amplificar o sinal externo Pr(potência disponível nos terminais da antena) de recepção já o Pt(potência disponível nos terminais da antena de transmissão). 3.4 Aplicações da Tecnologia Beamforming Segundo RIBEIRO (2015), o PCS (Phase Coherent Signal) é uma característica comum a toda arquitetura beamforming. Isso significa que há uma relação fixa de fase entre todas as ondas portadoras geradas pela matriz de antenas, o que aceita a geração de um lóbulo principal em uma direção específica, uma matriz linear com espaçamento d localizado na região de campo distante de um sinal vindo de outra matriz. Se o ângulo de incidência é θ, a onda, naturalmente, deve se propagar por uma distância r . sinθ para chegar a cada elemento sucessivamente. O cálculo da diferença entre fase e os elementos da matriz de antenas será avaliado de acordo com a figura 3.3.1. A diferença de fase é a mesma observada entre os elementos da matriz de transmissão (Figura 3), ou seja, para uma frequência constante, ao mudar a diferença de fase, altera-se o ângulo de incidência. O lóbulo principal de uma matriz de antena em uma frequência definida pode ser direcionado para um ângulo θ usando de fase deslocamentos calculado com a variação do ângulo de fase φ que alternar entre as frequências de 38 GHz com abertura de feixe de 23° e 28 GHz com abertura de feixe de 19°, que determina o fator de potência de uma linearidade entre angulatura e sinal senoidal (11). Δφ= 2π∗r∗sinϴ λ (11) Essa altercação de fase é a mesma analisada entre os elementos da matriz de transmissão, ou seja, para uma frequência fiel, ao mudar a diferença de fase, altera-se o ângulo de incidência, a Figura 6 de forma genérica e Figura 7 ilustram de forma mais completa que quanto maior a amplitudeλ, menor é a variação do ângulo de fase Δφ . Figura 6: Onda plana ocorrendo com ângulo em uma matriz de antenas. Fonte: PAPER, 2016. Figura 7: Sinal produzido pela matriz de transmissão. Fonte: PAPER, 2016. As antenas do tipo Beamforming, produzem sinais eletromagnéticos que são atenuados enquanto viajam de um transmissor para um receptor. A atenuação de livre caminho apresenta que, sobre dadas condições ideais, a atenuação de um sinal em função da frequência (1). Nota-se que entre 20 e 40 GHz existem picos de atenuação consideráveis, naturalmente há uma série de vários fatores que afetarão o sinal 5G transmitido. A Figura 8 mostra a frequência e a atenuação especifica de cada obstrução, oxigênio e vapor d’agua. Figura 8 - Beamforming: overview sobre a técnica utilizada em 5G. Fonte: IERVOLINO, 2019 4. 4. RESULTADOS A Equação de Friis (ou Lei de Friis ) é a equação que pode garantir um dimensionamento eficiente do 5G, calculando a perda e ganho de espectro constatou-se que o nível de potência da relação entre Pr Pt referente ao espectro da onda tem um valor estável chegando à frequência de 38 GHz, Pr Pt = 5,52 x 10−9 W e para 28 GHz, Pr Pt = 1,01 x 10−8 W, possibilitando assim um nível de latência de rede baixo. Porém, esses valores determinados dependerão da distância entre as antenas, podendo facilitar as instalações das tecnologias MIMO adotadas pelas concessionárias, garantido assim, um bom nível de sinal menos prejudicial à saúde e ao meio ambiente. 4 Disponível em: https://www.mathworks.com, Acesso em Agosto 2020. A tecnologia beamforming contribuirá ainda mais nessa empreitada, pois tem uma forma de distribuição de sinal que faz parte do padrão 802.11ac de redes sem fio usadas em roteadores de Internet Wi-Fi e antenas de transmissão. Este refletirá na questão do nível de variação do ângulo de fase Δφ, que será preciso para ajustar o sinal, pois quanto maior a frequência, maior será a angulatura. Já a tecnologia MIMO será utilizada para melhorar a largura de banda das conexões, aumentando o alcance da tecnologia 5G, o que melhorará o envio e recebimento de dados usando múltiplas antenas para transferi-los e recepciona-los. 5. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou um estudo de caso relacionado a uma metodologia de dimensionamento de sistemas 5G, através do uso da Lei de Friis. A mesma se mostra promissora e eficiente, podendo garantir um melhor uso da tecnologia 5G. A tecnologia beamforming também será uma grande aliada na construção das antenas de distribuição, pois ajudará a direcionar o sinal de maneira mais eficiente, robusta e direta. Dessa forma, este estudo possibilitou investigar características importantes da tecnologia 5G, não só relacionada a tecnologia para o desenvolvimento da infraestrutura de antenas no Brasil, mas atentando-se também para os possíveis efeitos nocivos que podem trazer aos seres humanos e ao meio ambiente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMARAL, Bruno. Base móvel total cai, mas 4G e pós-pago avançam em fevereiro. Mobiletime.com [4 abr. 2019]. Disponível no site: https://www.mobiletime.com.br/noticias/04/04/2019/base-movel-total-cai-mas-lte-e- pos-pago-avancam-em-fevereiro/ Acesso em 25 fev.2020 ANDRADE,Arthur. Antenas e Propagação. 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