As técnicas avançadas de antena 5G são a principal forma de maximizar o valor 5G?
ONDE ESTÁ O VALOR GERAL DO 5G E QUEM PERCEBE ISSO?
Existem duas respostas óbvias em termos dos principais geradores do valor global do 5G. Uma delas é que o 5G facilita a capacidade adicional rentável através do acesso a um novo espectro, da utilização eficiente desse espectro e da facilidade de implantação de estações base, fundamental para a concretização de todo o potencial deste novo espectro.
Em segundo lugar, permite apoiar novos casos de utilização, incentivando a inovação conectada e novos cenários de implementação. No entanto, olhar para a implementação rentável de capacidade adicional - esta é uma forma de reduzir, ou pelo menos restringir, os custos do seu modelo de negócio existente, independentemente de os operadores serem ou não capazes de obter as receitas mais recentes associadas aos novos casos de utilização 5G.
POR QUE RAZÃO OS MATRIZES DE ANTENAS SÃO TÃO IMPORTANTES PARA A IMPLEMENTAÇÃO DO 5G?
Fundamentalmente, estamos a falar de energia sob a forma de campos elétricos e magnéticos oscilantes. Os campos podem ser configurados ou otimizados de diversas formas, com diversos graus de complexidade matemática, de forma a focar a energia numa determinada direção (feixes) ou em torno de um determinado ponto do espaço (bolha).
É claro que a concentração de energia aumentará a intensidade do sinal ou, simplesmente, o número de barras visíveis num telemóvel. Isto significa que, desde que o dispositivo tenha um sinal aceitável, a energia pode ser ajustada adequadamente, tanto na estação base como no próprio dispositivo, para garantir que a energia global não é “desperdiçada”. Portanto, a concentração da energia é altamente desejável em termos de utilização global de energia.
Qualquer instalação de estação base única está limitada pelas normas nacionais em termos de potência máxima. A concentração na energia é, portanto, um facilitador essencial, juntamente com a implantação de espectro adicional que permite a partilha eficiente (multiplexagem) do recurso “energético”. Quanto mais concentrada for a energia, mais eficiente será a estação base geral – e isto é realizado sob a forma de rendimento global ou alcance das células.
É claro, portanto, que a capacidade de concentrar energia de forma eficiente leva a uma implantação mais eficiente das estações base. Isto, por sua vez, leva a um rendimento global mais elevado e/ou a uma maior cobertura de células, o que significa que são necessárias menos estações base para suportar o mesmo conjunto global de requisitos de serviço. Concentrar a energia leva diretamente à eficiência de custos. Quanto mais focado for o feixe ou bolha de energia, maior será a poupança de custos (para reduzir a equação à sua forma mais simples). As matrizes de antenas são a forma como concentramos essa energia.
COMO É QUE OS ARRAYS DE ANTENAS FOCAM A ENERGIA?
As antenas simples, em geral, transmitem um sinal, oscilando campos elétricos e magnéticos, num ângulo muito amplo – muitas vezes omnidirecional. O formato e o fabrico da antena moldam o padrão real de transmissão/receção, mas em geral não está focado.
Se adicionarmos antenas adicionais ao lado da primeira e escolhermos cuidadosamente o espaçamento, poderemos transmitir o mesmo sinal de cada uma das antenas enquanto criamos padrões de interferência construtivos e destrutivos. Os sinais interferem entre si, ora somando-se (onde estão em fase), ora cancelando (quando estão fora de fase).
É a interferência construtiva, onde os sinais de cada antena se somam para criar um sinal muito maior, que nos dá efetivamente o mecanismo de “focagem”. A interferência construtiva ocorre geralmente sob a forma de um feixe de energia (numa determinada direção), ou bolha de energia (em torno de um ponto no espaço). Noutras direcções, ou noutros pontos, o sinal é muito mais fraco porque os sinais das diferentes antenas interferem destrutivamente e actuam anulando-se mutuamente.
Assim, aqui estão duas partes principais:
- Em primeiro lugar, quanto mais antenas existirem, mais focado será o sinal, feixe ou ponto.
- Em segundo lugar, alterando o tempo relativo do sinal à medida que é aplicado a cada antena, podemos direcionar o feixe ou ponto de foco. Na realidade, é muito mais complexo do que isto, mas esta descrição simples permite-nos ver porque é que o 5G é tão especial quando se trata destas técnicas.
O QUE HÁ DE TÃO ESPECIAL NO 5G E NA MATRIZ DE ANTENA?
Existem algumas diferenças fundamentais entre o 5G e as gerações anteriores, mas o que realmente interessa em termos de conjuntos de antenas são as frequências para as quais o 5G é relevante. As gerações anteriores foram concebidas e projetadas para funcionar na banda UHF entre ~700 MHz a 2.600 MHz. Aqui, as antenas são relativamente grandes e a utilização de conjuntos de antenas com mais de quatro ou oito antenas torna-se problemática em termos de custo e tamanho/peso físico.
Em contraste, o 5G permite a utilização de frequências muito mais altas, bem no espectro de ondas milimétricas, bem como nas frequências baixas e médias já mencionadas. Nas frequências mais elevadas, as antenas são muito mais pequenas, permitindo que muitas antenas sejam utilizadas num único conjunto – talvez 64 ou 256, conhecidos como conjuntos de antenas maciças. Isto, por sua vez, permite técnicas de formação de feixe ou antena MIMO (Multiple In Multiple Out) muito focadas.
O 5G não só permite o acesso a uma gama de espectro muito mais vasta, como também nos permite utilizar esse espectro de forma muito eficiente – desde que utilizemos técnicas avançadas de antenas – utilizando matrizes. Os ganhos de eficiência que podemos alcançar em comparação com as gerações anteriores são muito significativos, com valores de referência de 3x os do LTE Advanced, mas os números na vida real são potencialmente muito, muito mais elevados. Isto dá-nos uma eficiência excepcional nas ondas milimétricas mais altas, embora o alcance reduzido nas frequências mais altas signifique que as estações base seriam implantadas em “pontos quentes de alta capacidade”.
Com os avanços nas capacidades de processamento e nas técnicas de fabrico, é também viável implementar conjuntos de antenas maciças em frequências médias, onde a área ocupada pela célula é geralmente maior do que as frequências de ondas milimétricas – levando a implementações de estações base altamente eficientes com excelente rendimento e cobertura.
Outro aspeto fundamental é que o Novo Rádio 5G permite-nos aceder ao espectro reservado às redes privadas em faixas de frequência não licenciadas ou partilhadas. Este é um facilitador significativo para a automação industrial e fábricas inteligentes, e os novos modelos de negócio associados. Estas frequências não licenciadas relevantes tendem a ser mais elevadas no espectro, pelo que os conjuntos de antenas maciças e as técnicas de formação de feixe/MIMO que os acompanham são partes essenciais de muitos novos cenários de implantação e casos de utilização.
O resultado final
O impacto de tudo isto é a eficiência, que por sua vez leva à implantação económica de recursos/estações base. Existem vários aspetos diferentes do 5G que contribuem para a eficiência global, mas são as técnicas avançadas de antenas, e em particular os conjuntos de antenas massivas, que nos dão os meios para concretizar plenamente o potencial do 5G no que diz respeito a manter os custos sob controlo, ao mesmo tempo que aumentamos massivamente a capacidade e, ao mesmo tempo, exploramos novos casos de utilização e modelos de negócio.
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Author: Paul Waite
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