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[PT-EN] Beamforming e sua importância para o 5G

Updated: Aug 6

Vamos supor que você precisa ir de um ponto A até um B, e no caminho não existe nenhum ponto de luz. Existem duas opções para levar nessa viagem: uma vela ou uma lanterna. Qual delas você escolhe? A resposta mais lógica é a lanterna, e isso se dá pelo fato de que, além da vela poder apagar acidentalmente, a lanterna pode ser direcionada para uma direção específica, e isso pode ser muito útil quando você precisa se localizar em um lugar completamente escuro. E, a partir desse exemplo, que podemos entender o como é útil a técnica do Beamforming dentro de processamento de sinais, e por que é tão necessária para o 5G.


Pois, assim como a vela, as antenas que possuímos em roteadores emitem um sinal omnidirecional (para todas as direções). A técnica do Beamforming, entretanto, é um direcionador digital de um sinal, funcionando como uma lanterna. Graças a isso, o sinal possui maior potência, estabilidade e confiabilidade.


A necessidade de se obter sinais específicos não é recente, a forma mais antiga de se direcionar um sinal de uma antena é mecânica, como as antenas parabólicas, por exemplo, muito usadas ainda em radioastronomia em que esse direcionamento mecânico não é um problema. Basicamente, essas antenas possuem um prato em volta delas e, assim, uma determinada abertura, então conforme movimenta-se o dispositivo para uma direção, os sinais daquela região são intensificados.


Entretanto, existem diversas atuações que esse modelo pode ser um grande impedimento. Seja por necessitar de taxas muito altas ou por propósitos de localização. A partir disso, criou-se nos anos 40 uma direção elétrica chamada Beamforming para ser colocado em submarinos de segunda guerra. Até chegar ao formato digital que conhecemos hoje. Mas como é que ele funciona?


Essa técnica funciona pelo uso de convergência de antenas, para direcionar a energia - seja acústica ou eletromagnética - para uma determinada direção, ou podendo também rejeitá-la. Isso ocorre devido a sobreposição dos sinais, que podem obter interferência construtiva ou destrutivas das ondas e assim localizar o seu ângulo específico. Devido ao princípio de reciprocidade, pode ser tratado tanto para recepção quanto para transmissão. Gerando algo parecido com a imagem abaixo.





Graças a esse modelo, que foi ganhando popularidade nos últimos anos devido ao avanços técnicos e barateamento dos seus fatores, hoje, podemos tê-lo em nossas casas com roteadores e celulares mais recentes. Na Nautilus, por exemplo, usamos essa técnica para obter uma posição precisa do robô a partir da emissão de um pinger no ambiente. Esse tema é mais aprofundado no texto sobre ecolocalização, caso queira entender mais.


Aparelhos com tecnologia wifi 802.11n em diante já começam a utilizar este e MIMO (multiple input/multiple output), para maior estabilidade de informações de rede.


MIMO, por sua vez, é o uso de múltiplas antenas acopladas a um processador digital, que arranja para que todos possam transmitir e receber informações, podendo conversar com múltiplos aparelhos ao mesmo tempo, diferente de roteadores antigos que só comunicavam um sinal por vez, mesmo que imperceptível.


Essas duas tecnologias que constituem uma das bases para que o 5G possa ser uma realidade hoje. Isto ocorre pois essa tecnologia trabalha em uma zona de frequência extremamente alta (EHF), acima de 30GHz. E apesar de poder transmitir dados em velocidades absurdas como 2Gbit/s - chegando a ser 40x maior do que a fornecida pelo 4G que trabalha em frequências próximas a 3GHz - essas frequências possuem alcances muito baixos, além de sofrerem muito com obstáculos no caminho. Transformar uma região, como uma cidade, em um ambiente com 5G seria o mesmo que instalar uma quantidade de antenas imensamente maior que a que possuímos atualmente. É aí que o Beamforming e o MIMO podem se tornar grandes facilitadores, e extremamente necessários, para a realização dessa tecnologia. Podendo direcionar os sinais para os pontos necessários, e pelo melhor caminho, o alcance do 5G se torna mais viável e preciso. Além de que, por ser uma quantidade enorme de dados, reduzirá significativamente a quantidade de transmissão de energia desperdiçada.





Apesar disso, nem tudo são flores, ainda é muito difícil - e caro - transformar o 5G em realidade. Entretanto, o Beamforming se mostra como uma das peças chaves para tornar essa tecnologia uma realidade, por alcance e posição serem seus problemas cruciais no momento. Com o barateamento dessas tecnologias e seus avanços, quem sabe podemos começar a ver antenas 5G aparecerem pelas cidades num futuro próximo.


Escrito por Ronaldo



Let’s suppose that you have to go from point A to point B, and in this way there is no point of light. There are two options to take on this trip: a candle or a flashlight. Which one would you choose? The most logical answer is the flashlight, and this happens because, the candle is able to accidentally burn out and the lantern can be directed in a specific direction, and this can be very useful when you are situated in a complete dark place. From that example, we can understand how the Beamforming technique is useful within signal processing and reasons why it is so required for 5G be a reality.


Like the candle the antennas that we have in routers, for example, emit an omnidirectional signal (in all directions). This technique, however, is a digital direction of a signal, functioning as a flashlight. Thanks to this, the signal has greater power, stability and reliability.


A demand for obtain specific signals is not recent. The oldest form of directing a signal from an antenna is mechanical, like satellite dish, for example, widely used in radio astronomy which this mechanical direction It's not a problem. Basically, these antennas have a plate around them and thus a certain opening, as the device moves on one direction, the signals from that region are intensified.


However, there are several actions that this model can be a great impediment. Whether needing very high rates or for localization purposes. Based on that an electric direction called Beamforming that was created in 1940s, to be placed on WWII submarines. Until we get to the digital shape that we know. But how does it work?


This technique works by using antenna convergence to direct the energy - be it acoustic or electromagnetic - for a given direction, or also reject it. This is due to the overlap of the signals, which can obtain constructive or destructive interference of the waves and thus locate in a specific angle. Due to the principle of reciprocity it can be reception or streaming, generating something like the image below.



Thanks to this model, which has been gaining popularity in recent years due to the technical advances and cheapness of this factors, today we can have in our houses newer routers and cell phones. At Nautilus, for example, we use this technique to obtain an accurate position of the robot to the emission of a pinger in the environment. This theme is further explored in the text on echolocation, if you want to understand more.


Devices with 802.11n wifi technology onwards already start using this and MIMO (multiple input / multiple output) for greater stability of network information.


MIMO in turn use multiple antennas coupled to a processor which arranges for everyone to transmit and receive information, being able to chat with different devices at the same time, unlike old routers that communicate only one signal at time, even if imperceptible. This two technologies forms one of the bases for 5G turn into a reality today. The reason why this mechanism is so different and sophisticated it is the capacity of working in a extremely high frequency (EHF), above 30 GHz. And although it can transmit data on absurd speeds like 2Gbit / s - reaching 40x higher than provided by 4G that works on frequencies close to 3GHz - these frequencies have ranges very low, in addition to suffering a lot with obstacles along the way. Transform a region, as a city, in a 5G environment it would be the same as installing a quantity of antennas vastly larger than the one we currently have. That's where Beamforming and MIMO can become great facilitators, and sorely needed, for the realization of this technology. Being able to direct the signals to the necessary points and in the best way, the reach of the 5G becomes more viable and accurate. In addition, huge amount of data, will significantly reduce the amount of transmission and of wasted energy.


Despite that, this is a bit distant reality, it is still very difficult - and expensive - to transform 5G something ordinary. However, Beamforming is shown as one of the key parts to make this possible because reaching and positioning are its crucial problems at the time. With the cheapness of these technologies and their advances, who knows we may start to see 5G antennas appear in cities in the near future.


Written by Ronaldo Koppe