beamforming

Introdução

O aumento constante de tráfego nas redes que utilizam a tecnologia 4G exige uma constante atualização da infraestrutura de telecomunicações sem que haja a necessidade de adicionar novas faixas de frequência. Naturalmente, a tecnologia evolui. Assim, para adequarmos a diversidade de aplicações que precisam de uma rede de alto desempenho (IoT, comunicação massiva entre máquinas, carros autônomos, etc), a tecnologia necessariamente deve ser reformulada.

A massive MIMO (Multiple Imputs Multiple Outputs) é uma tecnologia central para a quinta geração de telecomunicação móvel (5G), visto que pretende aumentar consideravelmente a quantidade de inputs 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.

O beamforming, principal técnica utilizada em ondas milimétricas para 5G, soluciona esse problema ao concentrar o sinal em um lóbulo principal com alta diretividade, que aponta apenas na direção dos usuários, reduzindo, de modo geral, a interferência no ambiente, o que permite o uso mais eficiente do espectro e reduz a potência consumida (figura 1). 

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Figura 1: Comparação entre o aproveitamento do sinal e da potência de antenas tradicionais (esquerda) e do tipo beamforming (direita). Fonte: Rohde & Schwarz, Antenna Array Testing – Conducted and Over the Air: The way to 5G, 2016.

Arquiteturas Beamforming:

O phase coherent signal é uma característica comum à toda arquitetura beamforming. Isso significa que há uma relação fixa de fase entre todas as ondas portadoras geradas pelo array de antenas, o que permite a geração de um lóbulo principal em uma direção específica. Para calcular essa diferença de fase entre os elementos da matriz de antenas vamos considerar a situação descrita pela figura 2: um array linear com espaçamento d localizado na região de campo distante de um sinal oriundo de outro array (a onda eletromagnética incidente é aproximadamente plana). Se o ângulo de incidência é θ , a onda, naturalmente, deve propagar-se por uma distância d*sinθ  para chegar a cada elemento consecutivo. Assim, a diferença de fase entre os sinais recebidos por elementos sucessivos será: 

Essa diferença de fase é a mesma observada entre os elementos do array de transmissão (figura 3), ou seja, para uma frequência constante, ao mudar a diferença de fase, altera-se o ângulo de incidência

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Figura 2: Onda plana incidindo com ângulo em um array de antenas. Fonte: Rohde & Schwarz, Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization – White Paper, 2016.

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Figura 3: Sinal produzido pelo array de transmissão. A função dos atenuadores será abordada mais adiante. Fonte: Rohde & Schwarz, Antenna Array Testing – Conducted and Over the Air: The way to 5G, 2016.

Existem dois tipos de arquitetura:

  • Beamforming analógico: a arquitetura analógica é uma tecnologia que surgiu na década de 60 em aplicações militares. É mais simples e menos custosa, usando apenas um módulo RF para toda a matriz. O ajuste de fase é feito individualmente para cada elemento, sendo possível o controle de apenas um lóbulo principal (figura 4).
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Figura 4: Arquitetura do beamforming analógico. Fonte: Rohde & Schwarz, Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization – White Paper, 2016.

  • Beamforming digital: é uma arquitetura nova que, em teoria, suporta tantos módulos RF (o que aumenta consideravelmente o custo), quanto elementos de antena. O ajuste de fase pode ser feito de modo generalizado utilizando hardware digital, o que flexibiliza e otimiza a transmissão e recepção, permitindo facilmente, por exemplo, a transmissão de múltiplos feixes, variações quase instantâneas do número de feixes, correções rápidas, etc. Essa arquitetura é ideal para o massive MIMO, entretanto, consome muita energia (figura 5). O problema do consumo é resolvido por arquiteturas híbridas que mantêm módulos individuais e ajuste de fase analógico para cada elemento.
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Figura 5: Arquitetura do beamforming digital. Fonte: Rohde & Schwarz, Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization – White Paper, 2016.

 Antena array linear

Vamos imaginar agora um array linear disposto ao longo do eixo x (figura 6). O padrão de antena do array pode ser obtido de maneira aproximada a partir de 

, é o padrão individual de cada elemento (que é aproximadamente igual para uma quantidade grande de elementos) e , o array factor, uma série numérica periódica em , para a qual cada termo apresenta um fator an (cujo efeito será discutido mais adiante) associado a amplitude dos sinais de cada elemento. Esse fator pode ser simplificado e normalizado, resultando, para N elementos, em

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Figura 6: Antena array linear. Fonte: Rohde & Schwarz, Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization – White Paper, 2016.

O array factor normalizado é uma função de múltiplas variáveis. A Figura 7 exemplifica seu comportamento para variações em N e em d.

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Figura 7: Array factor normalizado para várias configurações. Para 28 GHz, 5mm é aproximadamente 0,5*λ, enquanto 16mm é aproximadamente 1,5*λ. Fonte: Rohde & Schwarz, Millimeter-Wave Beamforming: Antenna Array Design Choices & Characterization – White Paper, 2016.

Ao analisar a figura 7, podemos afirmar que, para um espaçamento fixo, ao aumentar o número de elementos, o lóbulo principal torna-se mais diretivo e o número de lóbulos laterais aumenta, porém, com tamanhos reduzidos. A diretividade também aumenta quando aumentamos o espaçamento entre os elementos. Entretanto, o número de lóbulos laterais aumenta, sendo alguns muito similares ao principal, o que corresponde a um alto gasto de potência em direções indesejadas. De modo geral, para evitar que lóbulos laterais com níveis muito elevados existam na região visível, definida entre -90° e 90°, a condição que deve ser satisfeita é

Caso ela não seja satisfeita, o ângulo máximo que o lóbulo principal pode ocupar deve ser restrito para que não haja interferência dos lóbulos laterais. Assim, o ângulo máximo é dado por

que também fornece a distância máxima entre os elementos para um ângulo máximo definido.

A mudança no ângulo ocorre, como vimos anteriormente, quando alteramos o ∆φ dos elementos da antena. A variação do padrão do array em função de ∆φ é exemplificada na figura 8.

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Figura 8: Padrão do array para N=8 e d= 0,5*λ. Note que nesse caso é apresentado o padrão do array que é muito similar aos gráficos apresentados na Figura 7. Isso indica que o array factor é suficiente para descrever o comportamento da antena. Fonte: Rohde & Schwarz, Antenna Array Testing – Conducted and Over the Air: The way to 5G, 2016.

Uma outra maneira de reduzir o nível dos lóbulos laterais é alterar os fatores an do array factor, utilizando atenuadores (figura 3). Esse efeito é exemplificado na figura 9.

Figura 9: Padrão do array para N=8 , d= 0,5*λ e atenuação simétrica linear. Fonte: Rohde & Schwarz, Antenna Array Testing – Conducted and Over the Air: The way to 5G, 2016.

Propagação de sinais

Os sinais produzidos pelas antenas do tipo beamforming são ondas eletromagnéticas, assim, são atenuadas enquanto viajam de um transmissor para um receptor. A atenuação de livre caminho descreve, sob dadas condições ideais, a atenuação de um sinal em função da frequência (fórmula de Friis). Mesmo no caso de um caminho livre de obstruções, naturalmente há uma série de outros fatores que afetam o sinal transmitido (figura 10).

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Figura 10: Atenuação devida aos gases atmosféricos. Note que entre 20 e 60 GHz existem picos de atenuação consideráveis. Fonte: Microwave Journal, 5G Phased Array Technologies eBook, 2019.