Radioenlaces ponto-a-ponto operando em ondas milimétricas para o uso no 5G

The present article deals with the ways in which the propagation of the mmWaves wave, its targeting condition and its use by the fifth-generation systems. Index Terms—EHF, Millimetric Waves, Propagation, Radio link. Resumo— A necessidade constante pela melhoria na capacidade de tráfego de dados para a telefonia móvel e a falta de bandas de frequências licenciadas existentes até o valor de 6 GHz, torna extremamente relevante o uso das bandas que trabalham com ondas milimétricas ou mmWaves, importante e fundamental para o funcionamento da 5ª Geração de redes móveis. Assim, são elaborados modelos teóricos com o intuito de fazer o projeto destas redes, que usam células reduzidas, sistemas que se adaptam automaticamente, estações presentes em ruas e telhados de prédios, refletores, conjunto de antenas inteligentes e múltiplas, tanto para o recebimento quanto para a transmissão.

Trabalhar nessas faixas de frequências elenca uma série de obstáculos exclusivos, como uma forte atenuação por gases da atmosfera e precipitação, para enlaces de grande alcance e a possibilidade do efeito de sombreamento graças à baixa penetração e difração, ocasionada por barreiras. Estudos sobre meios para se alcançarem tecnologias que vençam tais desafios tem surgido [4]. II. fundamentos de radioenlace e radiocomunicação O trabalho inicia-se com pressupostos de fundamentação teórica necessários para a compreensão da temática apresentada, partindo posteriormente, para o tratamento do assunto propriamente dito. A. Meio de transmissão A forma de transmissão em que um enlace de radio trabalha com o conjunto formado pela superfície da Terra e a atmosfera. Possui como gases, o nitrogênio, que é a maior parte, o oxigênio e o dióxido de carbono.

Esta camada é transparente com relação à radiação do Sol e a sua temperatura diminui com o aumento da altitude. O efeito fundamental proporcionado pela propagação nesta camada é a refração, que interfere no caminho que as ondas percorrem com o crescimento da velocidade de propagação, graças à elevação da altitude [2]. B. Faixas de frequências As faixas de frequências, suas denominações, nomes comuns e exemplos de aplicações encontram-se na Figura 1: Fig. Efeito da refração. D. Raio terrestre equivalente A refração na atmosfera ocorre, pois, quando as ondas radiofônicas estão se propagando, existem diferentes índices de refração do ar, que variam com a altitude, assim, eles sofrem modificações com as diferenças de clima, de pressão, umidade e temperatura [2].

Na atmosfera denominada padrão, o índice de refração diminui com a altura, provocando o encurvamento das ondas para baixo. No entanto, para a análise da propagação das ondas, utiliza-se o feixe sem esta curvatura, fazendo com que o raio da Terra seja maior. O uso da definição de raio equivalente é conseguido, a partir da representação do perfil do local, entre as antenas de recepção e transmissão, em gráficos com raio de curvatura que equivalem a 4/3 do raio da Terra. Ele mostra, no eixo horizontal, a distância entre as antenas e no vertical, a altura relativa ao nível do mar. E. Desvanecimento ou perda de caminho em larga escala Os canais de comunicação são utilizados para propagarem um sinal que tenha certa informação, como por exemplo, um conjunto de bits, ou também, estabelecer a comunicação de diversos transmissores para diversos receptores.

Nas redes de telefonia, o meio físico onde há a conversação entre estações rádio base (ERB) e celulares é o ar e está submetido a diversas condições atmosféricas e problemas na transmissão. Todas as particularidades do espaço, próximas da linha de visada das antenas com características diferentes das encontradas no vácuo, estão presentes neste processo de propagação, conforme mostra a Figura 4: Fig. Frentes de onda no Elipsoide de Fresnel. Considerando um enlace real, as antenas − transmissora e receptora – se encontram nas extremidades do eixo maior, conforme aparece na Figura 5. Fig. Perfil entre o Grajaú e o Galeão. O ganho de uma antena está ligado à sua abertura efetiva (Ae) e pode ser calculado pela Equação 6: A Equação 5 mostra que a potência recebida é proporcional ao valor Pt /d2, o que indica uma relação de potência entre as potências transmitida e recebida.

A equação de Friis diz que a potência recebida possui variação com o quadrado da distância entre as antenas, o que significa uma atenuação de 20 dB/década [1]. A perda no percurso significa a atenuação do sinal como um valor positivo, dado em dB, é conceituado como a diferença entre a potência de transmissão e a potência média recebida: Quando os ganhos das antenas são eliminados, as antenas são tidas como apresentando ganho unitário e a perda do caminho passa a ser: A equação de Friis só funcionará para regiões de campo distante que estejam depois da zona de transição definida pela região de Fraunhofer (acontece para distâncias superiores a 2D2/ λ, onde a orientação do campo independe da distância da antena).

Na região de campo distante, frentes de onda se comportam como superfícies planas com fase constante e a região é calculada conforme a Equação 9. Já para campos próximos, a distribuição angular do campo elétrico possui dependência com a distância relativa à antena [1]. A potência recebida pode estar ligada à amplitude da parte radiante do campo elétrico no campo distante e, também, ao ganho da antena de recepção. No espaço livre, a densidade de fluxo de potência (W/m2) é fornecida por: onde EIRP (potência isotrópica radiada equivalente) = PtGt e representa a potência irradiada máxima disponível de um transmissor na direção do ganho máximo da antena, em comparação com um radiador isotrópico, e ƞ = 120 π ohms = 377 ohms, que é a impedância intrínseca do espaço livre.

Desse modo, a densidade do fluxo de potência é: A Equação 14 mostra como a densidade de fluxo de potência se espalha no espaço livre a partir de um ponto de origem isotrópico. Pd pode ser entendido como a razão do EIRP por uma superfície esférica com raio d. a potência recebida em uma distância d, Pr(d) é mensurada pelo produto da densidade de fluxo pela abertura efetiva da antena receptora e está ligada ao campo elétrico, utilizando as Equações 12, 13, 14 e 15. A Figura 7 mostra os parâmetros fundamentais usados no cálculo [2]: Fig. Cálculo das alturas usando teste de prospecção. Onde λ é o comprimento de onda; Δh é a distância do ponto crítico à linha de visada (m); r1 é o raio do elipsoide de Fresnel no ponto crítico (m); Hpc é a altitude do ponto crítico (m); Ha é altitude do ponto A (m); Hb é a altitude do ponto B (m); hc é a correção da curvature da Terra no ponto crítico (m); hA é a altura da antena A (m); hB é a altura da antena B (m); d1 é a distância do ponto crítico até a antena A (Km); d2 é a distância do ponto crítico até a antena B (Km) e d é a distância total entre as antenas (Km).

III. Radioenlaces ponto-a-ponto operando em ehf O grande número de bandas disponibilizadas para frequências em ondas milimétricas é um atrativo interessante para se entregar valores de taxas de vários Gbps e, também, para diminuir a chance de congestionamento em bandas de frequências reduzidas, ou seja, menores que 6 GHz. Fig. Diagrama em blocos da comunicação de rádio - recepção. Diagrama ampliado do Receptor: Tem a função de mudar o sinal RF para FI, sendo dividido em 2 blocos principais: Unidade de RF e Unidade de FI. Unidade de RF: - Pré-amplificador RF de ruído reduzido e equipado com o controle automático de ganho. Ele tem a finalidade de diminuir a potência para os casos de desvanecimento [3]. Para fazer o acoplamento e o desacoplamento dos sinais de Tx e Rx, são usados os circuitos de derivação, ramificação ou Branching [3].

A derivação consiste em um duplexador – cadeias de filtros passa-faixa, circuladores, isoladores e circuitos de guia de onda ou cabo coaxial. Circulador e derivadores – mandam um sinal de radiofrequência injetado na porta adjacente (em um certo sentido de rotação) [3]. Filtro Rejeita-Faixa – usado nos planos em que a separação entre os subfaixas inferior e superior é muito reduzida (7. GHz e 6 GHz). Assim, trata-se de uma possibilidade muito interessante para as redes de comunicação móveis, por diminuir a falta de largura de banda na faixa de micro-ondas, saturado nos tempos de hoje para o uso comercial. As transmissões de vários Gbps na banda EHF têm sido feitas para ambientes indoor, usando WPAN – Wireless Personal Area Network como para outdoor, a partir das WMAN – Wireless Metropolitan Area Network [1].

Para entender os desafios da quinta geração, é preciso compreender as condições de performance deste recurso. As condições fundamentais de performance para o futuro incluirão o crescimento escalável da taxa de transmissão de ados, redução da latência e a diminuição do custo energético. Não é necessário que todos estes requisitos sejam cumpridos ao mesmo tempo, pois, aplicações distintas possuem condições diferentes de performance. • Falha de conexão: graças ao obstáculo de entrar em materiais de construção sólidos, junto com a baixa capacidade de difração em mmWaves, resultante dos comprimentos de onda curtos, é possível que o sinal de mmWaves tenha falhas de conexão mais comuns em regiões metropolitanas bastante habitadas [1]. • Redes heterogêneas ou híbridas: as redes de quarta geração oferecem ótima cobertura e confiabilidade aos enlaces de comunicação graças à utilização da faixa de frequência mais baixa.

Para que aconteça o aproveitamento dos investimentos nas gerações anteriores, sobretudo na especificada e a continuidade dos serviços entregues atualmente, uma passagem suave e eficiente da quarta para a quinta geração, utilizando uma arquitetura híbrida de quarta geração aliada a mmWaves é pensada. Existe a possibilidade de conseguir uma cobertura de rede maior e altas taxas de dados em grande parte da área de cobertura. À rede de quarta geração, pode-se conferir o tráfego de controle da rede e serviços que solicitem taxas reduzidas, como voz e texto. Antena Corneta. Antenas com Refletor Parabólicas e Cassegrain [3]. IV. Conclusões O presente artigo trabalho com as particularidades fundamentais envolvidas na propagação de mmWaves, relacionando os efeitos presentes e as possibilidades para as redes móveis de quinta geração.

Os radioenlaces envolvendo ondas milimétricas serão importantes nesta nova geração de telefonia celular, que está quase chegando à realidade dos indivíduos. “Estudo das características de ondas milimétricas para os sistemas 5G”. Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Curso de Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal Fluminense, como requisite parcial para obtenção do Grau em Engenheiro de Telecomunicações. Niterói, RJ. Figueiredo, G. M. Nunes, L. A. P. Maia, L. L.