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TCC_Fagner (v_3) - correção

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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. Paginas.fe.up.pt/ [2006] Disponível em: 
https://paginas.fe.up.pt/~amoura/APROWEB/AAM_Param_Fundamentais.pdf
Acesso em 12 abril. 2020
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Oficinadanet.com. [28 jun. 2018]. Disponível em: https://www.oficinadanet.com.br/4g/
23085-4g-no-brasil
Acesso em 27 jun. 2020
https://www.mobiletime.com.br/noticias/04/04/2019/base-movel-total-cai-mas-lte-e-pos-pago-avancam-em-fevereiro/
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https://www.oficinadanet.com.br/4g/23085-4g-no-brasil
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https://www.zoom.com.br/celular/deumzoom/do-1g-ao-5g-evolucao-internet-no-celular
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