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Beamforming e sua importância para o 5G

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.


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