Imagem: Photograph of Women Working at a Bell System Telephone Switchboard,
Department of Labor. Women's Bureau. 7/1/1920-7/21/1967.

A física e a história da comunicação móvel - do rádio ao 5G

G G G G G... Q?!

Na última quarta-feira (05/08/2020) o canal Ciência USP no youtube fez uma live com um professor da POLI-USP, Sergio Kofuji, e com o criador do Xadrez Verbal, Filipe Figueiredo, para debater sobre as questões envolvendo a tecnologia e geopolítica da Rede 5G.

A live faz um bom trabalho em mostrar os desafios e questões, tanto técnicas quanto políticas, porém não é difícil se sentir perdido sobre alguns dos conceitos físicos abordados. A minha proposta nesse post, portanto, é revisar alguns conceitos das ondas eletromagnéticas, como elas carregam informações, permitindo o seu uso nas telecomunicações, e, por fim, o que mudou nas diversas gerações gerações de celular, até chegar na quinta: o 5G!.

Ondas e sinais

Uma "onda" é um fenômeno com comportamento oscilatório, podendo ser do tipo Mecânica, como o som, que usa a matéria como meio para se propagar, ou Eletromagnética, como a luz, que podem se propagar inclusive no vácuo. As ondas são uma forma de dissipação energia: a energia do impacto entre dois objetos pode ser dissipado pelo som e a energia de um corpo que está muito quente (como o Sol) pode ser dissipado na forma de luz.

Independente do seu tipo, porém, elas possuem algumas características principais:

A amplitude da onda é análoga à sua intensidade - para uma onda sonora, por exemplo, a amplitude representa o volume com que escutamos o som. As ondas possuem uma crista, valor positivo da amplitude, e um vale, valor negativo da amplitude, mas por ser uma função contínua, a onda passa por todos os valores dentro desse intervalo. Vale mencionar, ainda, que a amplitude raramente é fixa, como nas ondas que costumammos ver no ensino médio.

O comprimento de onda, $\lambda$, é a distância entre duas cristas (ou dois vales, ou dois qualquer-outro-ponto, pela característica da onda). Esse valor nos ajuda a entender como a onda interage com outras coisas: ondas muito curtas (com comprimento de onda pequeno) são facilmente bloqueadas por paredes de concreto, enquanto ondas maiores passam por elas sem dificuldades.

O período, $T$, é a quantidade de tempo que um ponto demora para percorrer a distância de um comprimento de onda. A frequência, $f$, é o inverso disso: dado um período de tempo fixo (digamos, um segundo), quantas vezes um ponto percorre essa mesma distância. A relação matemática entre as duas grandezas é dada por:

O último termo importante é a velocidade da onda, $v$, de forma intuitiva, imagine que a imagem acima está se movimentando para a direita (direção de propagação) como um todo, sua rapidez é a velocidade de propagação da onda. Quando falamos, por exemplo, da "velocidade do som" ou a "velocidade da luz", é disso que estamos falando. O cálculo é feito usando a fórmula:

Essa velocidade. porém, depende do meio em que a onda se propaga, por isso que "velocidade da luz" é um termo incompleto, precisamos especificar "velocidade da luz no vácuo" ou "velocidade da luz no ar":

Radiação Eletromagnética

No século XIX o cientista britânico James C. Maxwell juntou dois fenômenos conhecidos mas, até então, separados: a eletricidade e o magnetismo. As postulações de Maxwell abriram caminho para desenvolvimentos em campos como o eletromagnetismo, a ótica e a física quântica.

A radiação eletromagnética é causada por uma partícula subatômica (isso é, menor que um átomo) chamada Photon (do grego "unidade (-on) de luz (photo-)") E pela ação de dois campos perpendiculares oscilantes, um magnético e o outro elétrico - Esse caráter ambíguo foi descoberto por Einstein e é conhecido, pasmem, como a "Dualidade Onda-Partícula".

Normalmente consideramos uma ou outra das facetas, dependando da aplicação. Ao estudar, por exemplo, os painéis fotovoltáicos, é mais relevante considerar a luz como partícula. Para a aplicação das telecomunicações é mais conveniente pensarmos na radiação eletromagnética como onda.

Mais especificamente, dividimos essas ondas conforme sua frequência. É bem possível que você nunca tenha relacionado que ondas de rádio e a luz visível são exatamente as mesmas ondas, oscilando a frequências diferentes (ou com comprimentos de onda diferentes - lembre que a velocidade da onda depende única apenas do meio em que ela se propaga, dessa forma, voltando à sua equação, comprimento de onda, $\lambda$, e frequência, $f$, são inversamente proporcionais.)

Essa diferença de frequência influencia na quantidade de energia que os fótons da onda eletromagnética "carrega", segundo a equação de Planck-Einstein. Isso nos ajuda a compreender como elas interagem com o ambiente:

Não precisamos saber o valor constante de Planck, $h$, nem entrar em muitos detalhes sobre a fórmula, afinal, não quero correr o risco de entrar muito à fundo na física quântica 😛. Basta saber que o valor da constante é positivo, o que significa que, quanto maior a frequência, mais energia a onda eletromagnética carrega.

As ondas de rádio, por terem elevado comprimento de onda, são capazes de atravessar longas distâncias. As Micro-ondas, possuem energia suficiente para aquecer a nossa comida. A luz visível é capaz de gerar corrente elétrica, a partir do Efeito Fotoelétrico. Nas frequências acima do Ultravioleta, a energia já é suficiente para danificar matéria orgânica.

O protetor solar possui compostos orgânicos que absorvem a energia da radiação no lugar da sua pele. Use protetor solar.
Fonte: Spigget, 2010.

Essa é, aliás, a importância do protetor solar, ele serve como um escudo contra a radiação para a sua pele. Acho engraçado que tem muita gente que tem medo de que o 5G cause Coronavírus, algo que não faz sentido nenhum, porque o 5G é só "luz numa frequência diferente", mas não usa protetor solar. 🤷‍♂️

Sinais

É possível que você esteja confuso neste momento, afinal, na seção anterior falamos do rádio (a onda eletromagnética) mas, quando você pensa no rádio (o equipamento eletrônico), você o associa com o som, uma onda mecânica. As ondas de rádio tem alguma característica especial que permite que ela se transforme magicamente em som, por acaso?

Não!

Na garganta do locutor, suas cordas vocais começam a vibrar, movimentando o ar e, consequentemente, propagando uma onda mecânica, o som, pelo ar. Esse som se espalha ao redor da sala inteira, mas algumas moléculas de ar atingem o diafragma de um microfone. Esse diafragma converte a vibração em corrente elétrica e um circuito do equipamento transforma a corrente em sinal digital - uma sequência de zeros e ums.

Esse sinal digital é então "interpretado" por uma antena, que produz uma onda eletromagnética correspondente, por meio da excitação de cargas elétricas carregadas:

Essa onda eletromagnética viaja até a torre mais próxima, que irá fazer a conexão (por cabos, não pelo ar) até a torre mais próxima de você. Daí, acontece basicamente o caminho contrário: a onda eletromagnética é captada pela antena do seu rádio, que gera um sinal digital, que é interpretado como corrente elétrica e usada para excitar um diafragma, que vibra o ar e gera som.

Se você estiver muito longe de uma torre, é possível que o sinal fique fraco e comece a sofrer interferência de outras ondas. Se o seu equipamento for muito velho, ele pode ficar menos eficiente na geração da corrente elétrica. Tudo isso vira ruído - sons que não estavam presentes na gravação original da voz do locutor.

Como, então, essas interferências não são mais comuns? Aliás, se a voz gera uma corrente que gera um sinal que gera uma onda eletromagnética, o que acontece se você para de falar? Ou se você começar a falar num tom diferente? Como o rádio consegue identificar que aquele sinal ainda é o mesmo, mesmo com o som que gera ele mudando muito?

As estações de rádio costumam ser identificadas por uma frequência, como por exemplo 93.7 MHz. Essa é a frequência da Onda Transportadora, que é a responsável por levar o sinal para longe. Ela faz essa logística justamente "escondendo" as informações do sinal!

Bom, o termo técnico é modular, mas, tanto faz, a ideia é a mesma: se a sua onda portadora é de 1000 Hz e você quer transmitir uma música através dela, você faz com que a amplitude da portadora mude conforme o sinal da música. Essa técnica é conhecida como Modulação por Amplitude - O rádio AM!

Os rádios mais recentes costumam ser FM, Modulados por Frequência, o que significa que o sinal modifica a frequência da onda portadora. Fique tranquilo, essas mudanças são beeem pequenas, então o processo descrito anteriormente continua o mesmo, só que agora o rádio se conecta à uma faixa de frequências em torno daquela da estação.

A diferença entre os dois tipos de modulação pode ser percebido de forma bastante clara no GIF.
Fonte: Berserkerus, 2008.

A vantagem do rádio FM é que a frequência é menos suscetível a ruídos na transmissão, fazendo com que o sinal seja transmitido com maior qualidade.

Informação

A informação digital possui um "peso", por isso que, quando vamos instalar um programa em um computador, temos que comparar o tamanho do arquivo com a disponibilidade do HD (Disco Rígido).

Esse "peso" é dado pelos bits, que são a mínima unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida, um valor binário que identifica se o sinal é alto (1) ou baixo (0). Um conjunto de 8 bits é denominado um Byte.

No contexto de telecomunicações é relevante entender a taxa de transmissão de dados (ou, de forma mais corriqueira a velocidade da conexão): quantos zeros e uns a onda é capaz de transmitir em um determinado tempo. A unidade padrão nesse contexto é o Kbps, mil zeros e uns por segundos.

As Telecomunicações

Tudo que foi discutido até agora nos permitiu entender quais as bases físicas dessa tecnologia, mas, uma onda de rádio é uma onda de rádio, como diferenciamos as gerações de telecomunicações?

Bom, mais ou menos. O comprimento de onda não diz respeito apenas à distância que a onda é percorre, mas, também, o que irá interferir com a sua propagação. Principalmente quando estamos falando de um ambiente com prédios, eletrodomésticos (que também emitem suas próprias ondas eletromagnéticas) e condições climáticas adversas (chuva pode prejudicar o sinal, por exemplo), ondas muito curtas têm dificuldade de atravessar obstáculos.

Mas isso nos faz entrar em uma contradição: por um lado, ondas com frequências mais altas são capazes de uma transferência de dados mais rápida, enquanto ondas de frequência menores viajam distâncias maiores (lembremos da fórmula que diz que a frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda). Ainda por cima temos que lidar com uma faixa de frequências bastante restrita, uma vez que, muitas aplicações também competem pela faixa de frequências úteis para telecomunicações.

Esse cabo de guerra é o que motiva toda evolução das diferentes gerações de telecomunicação móvel, com desejo por conexões mais rápidas, mas sérias limitações logísticas, pela quantidade de antenas que precisariam ser construídas para cobrir uma região com ondas tão curtas.

A Geração zero

A geração zero, ou pré-celular, é a tecnologia de telefones nos carro. Apesar de Lars Magnum Ericsson ter criado (por hobby) um telefone de carro em 1910, a tecnologia não era verdadeiramente sem fio, pois precisava ser conectado a postes na rua. Só vamos começar a considerá-la uma geração de telecomunicação móvel, a partir dos anos 40 e 50, quando as primeiras torres de celular foram criadas.

Os telefones de carro são conhecidos como a geração zero.
Fonte: Geoffrey C. Fors.

Ela não é, porém, a primeira geração, porque o telefone dependia da bateria carro, ou seja, não era realmente móvel. Mas desenvolveu muitas técnicas que viriam a promover a verdadeira revolução, por isso o título honorário de Geração Zero.

A Primeira Geração

As primeiras tecnologias de telecomunicação verdadeiramente móvel foram lançadas em 1979, em Tóquio, e eram capazes de realizar apenas chamadas de voz. Os sinais eram completamente analógicos e usavam frequências de ondas de rádio mais longas, na faixa dos 150 MHz. A transmissão de dados máxima era de 2.4 Kbps.

O nome Primeira Geração, 1G, só surgiu à posteriori.

Um Motorola DynaTAC 8000X de 1984
Fonte: Redrum0486, 2008.

a tecnologia ainda era bastante primitiva, com aparelhos com baterias que acabavam rápido; preços muito altos; baixa qualidade de áudio e pouca segurança (as chamadas não eram encriptadas, permitindo "invasões" por pessoas usando rádios amadores - bastava se conectar à mesma frequência), mesmo assim os novos aparelhos foram um sucesso comercial, consolidando a telefonia móvel!

A Segunda Geração

Em 1991 é lançada, na Finlândia, a Segunda Geração, 2G, de redes de comunicação móvel - mais rápida e segura. A rede 2G foi a primeira a usar sinais digitais, o que permitiu a redução do tamanho dos aparelhos, ao mesmo tempo que aumentando a taxa de transmissão de dados. Essa mudança também permitiu que ligações fossem criptografadas, acabando com a interceptação por meios convencionais.

A rede 2G popularizou o uso de telefones celulares, é muito provável que o seu primeiro celular tenha sido parecido com o da foto. O meu certamente foi!
Fonte: Richard Mason, 2006.

Com a maior capacidade de mandar dados, foi possível transmitir mensagens de texto e imagens, fazendo com que a forma com que nos comunicamos on-line mudasse para sempre. Inclusive adotando limitações como forma de construir a linguagem própria do meio: as mensagens possuíam um número máximo de caracteres que poderiam ser enviados, logo, era natural que surgiriam abreviações: "Você" virou "vc", "cadê" virou "kd", e assim por diante...

O 2G, inicialmente, utilizava a tecnologia GSM, Sistema Global para Comunicação Móvel que enviava informação à uma taxa de 30 a 35 Kbps. Mas logo foi implementado o GPRS, Pacote de Serviços de Rádio Gerais, que era bastante parecido com o anterior, porém permitia uma taxa de transferência maior, com 110 Kbps. Essa implementação ficou conhecida como 2.5G.

Eventualmente o sistema EDGE, Taxa de Dados Melhorada para Evolução do GMS, foi lançado, permitindo velocidades de até 135 Kbps, formando o que se chama de 2.75G. Se você usa um smartphone capaz de já ter se deparado, em algum lugar com sinal mais fraco, o símbolo E na tela (ao invés de 3G ou 4G), esse é, justamente, o sistema EDGE!

A Terceira Geração

A Terceira Geração começou a ser testada em 1998, mas só foi oficialmente lançada no final de 2001. As novas taxas de transferências permitiram mandar textos maiores, fotos com mais qualidade e vídeos, inclusive chamadas em vídeo. Começa aqui a Era do Smartphone.

Talvez o maior símbolo do 3G é o lançamento do primeiro iPhone, em 2007.
Fonte: Blake Patterson, 2007..

O 3G, também com sinal digital, permitia taxas de transferência de dados de até 2 Mbps, mas sua grande revolução foi quebrar os dados em pequenos pacotes e enviá-los paralelamente, por múltiplos canais, o que era possível pelo uso das tecnologias EDGE e CDMA2000, Divisor de código de acesso múltiplo.

De forma similar à geração anterior, também existiram gerações intermediárias, como o 3.5G que implantou o HSPA, Acesso de Pacote de alta velocidade, que podia ser identificado pelo símbolo H e era de 4 a 5 vezes mais rápido que a tecnologia anterior, permitindo serviços de streaming de vídeo, como Youtube.

No 3.75G, tivemos um desenvolvimento no HSPA, o HSPA+, que previa o uso de múltiplas antenas, maior segurança na criptografia, maior estabilidade do sinal e, também, aumento de velocidade de transmissão de dados - Agora as velocidades teóricas de envio chegavam a 42 Mbps!

A Quarta Geração

Enquanto a transição do 2G para o 3G era feita com uma simples mudança de chip, a Quarta Geração necessitava de estruturas específicas para seu funcionamento, justificando, assim, uma nova geração de celulares. Esses novos aparelhos também começaram a acompanhar a tecnologia: se é possível fazer o streaming de vídeos com alta qualidade, a tela precisa ser de alta definição; Se agora é possível jogar jogos on-line em qualquer lugar, o processador dos celulares deveria ser capaz de executar esses jogos. Até o momento em que escrevo esse post, o 4G segue sendo o paradigma nos centros urbanos.

Lá em 2016, quando você ia para alguma praça, você tinha certeza de que iria encontrar dezenas de crianças (ou não-tão-crianças) correndo por aí e jogando Pokemon GO. Isso só foi possível pelas altas taxas de transmissão de dados do 4G e a ampla disponibilidade da rede móvel.
Fonte: ProtoplasmaKid, 2016..

Com o 4G a velocidade de transmissão de dados explodiu, chegando a 1 Gbps, velocidade que permite o download de filmes inteiros em questão de minutos. Não foi apenas uma mudança de paradigma técnico, mas também cultural.

A Quinta Geração

Se o 1G nos permitiu comunicação remota, o 2G nos aproximou com mensagens de texto instantâneas, o 3G consolidou as redes sociais nas nossas vidas e o 4G nos colocou em um novo patamar de conectividade, qual será o papel da Quinta Geração? Alguns dizem que será uma revolução ainda maior.

Se com o 5G pretende-se ultrapassar a taxa de transmissão de 1 Gbps e a latência entre 40 e 60 ms do 4G, será necessário construir toda uma infraestrutura (bastante cara), porque, para atingir velocidades tão altas, são usadas ondas mais curtas, cuja penetração é menor. Em ambientes urbanos, com muitos prédios, carros e intereferências, serão necessárias milhares de novas antenas, para que o serviço tenha a mesma disponibilidade das gerações anteriores.

Dessa forma, não basta saber quando a nova geração virá, mas também em quais situações ela deverá ser empregada. As aplicações mais promissoras são aquelas que aproveitam da conexão instantânea, para conectar objetos antes inconectáveis, o que se convém chamar de Internet das Coisas, o IoT.

Mas IoT não é só conectar sua torradeira à internet. Aplicações de fábricas inteligentes, no contexto da Indústria 4.0, e de cidades inteligentes, como carros autônomos, também são extremamente dependentes das baixas latências - Como você pode imaginar, para evitar acidentes automotivos, é preciso que a comunicação entre os veículos autônomos seja rápida e eficiente.

Uma intersecção em que todos os carros se comunicam e são dirigidos de forma autonôma por robôs.
Fonte: GIF criado por anônimo, com base no vídeo Autonomous Intersection Management: Traffic Control for the Future, do usuário csatc2002.

Porém essa realidade ainda está longe, no Brasil as primeiras redes 5G estão sendo testadas em frequências baixas (como as que operam no 3G e 4G), além do que, para usufruir dessa rede, o aparelho precisará ter certas estruturas, que só estão começando a ser instaladas nos celulares mais modernos. Mas esse não é o único entrave: médicos e pesquisadores também apontam a falta de estudos sobre o efeito do 5G em pessoas, inclusive escrevendo uma carta pedindo uma pausa na instalação de 5G nos EUA, até que se entenda melhor as consequências no corpo humano.

Aqui vale lembrar que, se você está com sinal no seu celular neste momento, você está sendo atravessado por radiação eletromagnética, provavelmente na faixa das micro-ondas (que é onde opera o 3G, 4G e o Wi-Fi) e ainda não sabemos exatamente os efeitos disso no corpo humano, até porque é um fenômeno bastante recente.

Conclusões

O campo das telecomunicações é incrível, vasto e extremamente complexo. Eu sei que fiquei apenas na superfície do problema, mas, como leigo, me sinto um pouco mais satisfeito em saber o que são aquelas antenas de telefone e o porquê de existirem tantas; como funciona o rádio; como voz, música e dados, de forma geral, são transmitidas por ondas eletromagnéticas e quais são as gerações de celular!

Aliás, antes de escrever esse texto, eu nem sabia que o G significava geração (já falei que sou leigo na área? 😅). Espero que você, assim como eu, tenha entendido os conceitos físicos e a evolução da tecnologia, tendo assim uma maior apreciação pelas redes de telecomunicação globais, toda vez que você assiste um vídeo de zap em full hd no ônibus voltando pra casa.

Referências

FEYNMAN, R. The Feynman Lectures on Physics Vol. I Ch. 28: Electromagnetic Radiation. Disponível em: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_28.html. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

NASA. The Electromagnetic Spectrum. Disponível em: https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

SHARMA, M. Princípios de Telecomunicações- Apostila de ELE-31. 2015. Disponível em https://silo.tips/download/ele-31-principios-de-telecomunicaoes-5. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

VILLATE, J. Física 2. Eletricidade e Magnetismo. 2010. Disponível em: https://macbeth.if.usp.br/~gusev/eletricidade2.pdf. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

Difference Between AM And FM - Introduction | What is Amplitude Modulation. Disponível em: https://byjus.com/physics/difference-between-am-and-fm/. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

WHEEL, T. N. History of the Car Phone. Disponível em: https://thenewswheel.com/history-of-the-car-phone/. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

MENA, P. The Mobile Wireless Communication Technology Journey - 0G, 1G, 2G, 3G, 4G, 5G. Disponível via Wayback Machine em: https://web.archive.org/web/20200813025904/http://protei.me/blog/telecom-news/the-mobile-wireless-communication-technology-journey/. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.

Brainbridge. From 1G to 5G: A Brief History of the Evolution of Mobile Standards. Disponível via Wayback Machine em: https://web.archive.org/web/20200721230119/https://www.brainbridge.be/news/from-1g-to-5g-a-brief-history-of-the-evolution-of-mobile-standards. Acesso em: 06 de Janeiro de 2026.