Beamforming

Was ist Beamforming?

Beamforming (wörtlich Strahlformung) ist eine Art des Funkfrequenzmanagements, bei dem ein Funksignal auf ein bestimmtes Empfangsgerät ausgerichtet wird. Beamforming kommt in zahlreichen Technologien zum Einsatz, darunter drahtlose Kommunikation, Akustik, Radar und Sonar. Bei dieser Technik werden Funk- und Schallwellen für die Übertragung oder den Empfang von Signalen zielgenau gesteuert.

Anstatt ein Signal von einer Sendeantenne in alle Richtungen auszustrahlen – wie dies normalerweise der Fall ist –, nutzt Beamforming mehrere Antennen, um das gleiche Signal auf ein einzelnes Empfangsgerät, zum Beispiel einen Laptop, ein Smartphone oder ein Tablet, auszurichten und zu senden. Eine schnellere und zuverlässigere drahtlose Datenübertragung ist die Folge.

Das Konzept stammt aus dem Jahr 1905, aber in jüngerer Zeit wurde die Technologie auf WLANs und Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) angewendet. Der 802.11-Standard enthält beispielsweise eine Spezifikation zur Implementierung von Wi-Fi-Beamforming in Routern.

Wie funktioniert Beamforming?

Die Funktionsweise von Beamforming variiert je nach Typ oder Implementierung. Indem jedoch mehrere Antennen in unmittelbarer Nähe mehrere Signale zu verschiedenen Zeiten aussenden, kann ein Sender oder Router, der Beamforming beherrscht, die gesendeten Signale anpassen. Auf diese Weise wird der optimale Pfad ermittelt, den das Signal nehmen muss, um das Clientgerät zu erreichen. In gewissem Sinne gestaltet Beamforming das Funksignal, während es einen physischen Raum durchquert.

Die abstrahlenden Elemente – oder Teile der Antenne, die für die Unterstützung von Funkströmen ausgelegt sind – in Mehrfachantennen müssen ein Signal mit identischen Wellenlängen und Phasen übertragen.

Es gibt auch andere Beamforming-Verfahren. Die wichtigsten sind folgend aufgeführt:

• Analoges Beamforming verwendet Phasenschieber, um das gleiche Signal von mehreren Antennen zu senden. Das Signal wird auf unterschiedliche Phasen eingestellt, wodurch ein Antennenprofil mit einer bestimmten Ausrichtung entsteht. Die Signalphasen der Antennensignale werden im Frequenzbereich angepasst, was die Abdeckung verbessert.
• Digitales Beamforming verwendet für jede Antenne unterschiedliche Signale in einem digitalen Basisband. Hierbei platziert man digitale Empfänger an den abstrahlenden Elementen der einzelnen Antennen. Unterschiedliche Phasen werden auf verschiedene Frequenzbänder angewendet, wodurch digitales Beamforming flexibler ist. Ein digitaler Beamforming-Prozessor kann dann zahlreiche unabhängige Signale in jede beliebige Richtung lenken. Diese Methode ist nützlich für räumliches Multiplexing.
• Hybrides Beamforming ist eine Kombination aus analogem und digitalem Beamforming. Der hybride Ansatz nutzt analoges Beamforming zusammen mit digitaler Vorcodierung, die zur Unterstützung der Multistream-Übertragung verwendet wird, um die von einem Antennen-Array übertragene Abstrahlcharakteristik zu bilden. Der Prozess legt die Anzahl der analogen Signale fest und lässt dabei einige Frequenzabweichungen zu. 5G-Basisstationen können hybrides Beamforming verwenden.
• Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ist eine Antennentechnologie für Funknetzwerke, bei der sowohl auf Sender- als auch auf Empfängerseite mehrere Antennen zum Einsatz kommen. Massive MIMO nutzt eine gemeinsame Frequenz, die dann in mehrere Richtungen gelenkt wird. Das Verfahren erfordert digitale Signalprozessoren und ein Areal mit vielen Signalinterferenzen. Die unterschiedlichen Ankunftszeiten der Signale bilden mehrere TDM-Kanäle (Time-divison Multplexing-), die eine Pfadredundanz ermöglichen. Massive MIMO wird in der Funk-, Wi-Fi- und 5G-Technologie verwendet.
• Beim Beam Steering wird die Phase der Eingangssignale an jedem abstrahlenden Antennenelement geändert. Diese Methode verfolgt im Grunde das Empfangsgerät und lenkt ein Signal zu ihm. Eine gemeinsame Frequenz wird mit einem Signalstrahl in die richtige Richtung gesteuert. Gleichzeitig kann man unterschiedliche Signale an andere Geräte senden.

5G-Beamforming

Beamforming lässt sich mit 5G-Signalen verwenden, um die für 5G typischen Schwierigkeiten zu überwinden, etwa Interferenzen und Reichweitenbeschränkungen. Mit 5G-Beamforming können fokussiertere Signale an ein Empfangsgerät wie ein Smartphone oder einen Laptop gesendet werden. Das Verfahren minimiert die Störungen zwischen den einzelnen Signalstrahlen.

Hybrides Beamforming und Massive MIMO sind gängige Kandidaten für 5G. Massive MIMO kann zum Beispiel Mehrantennen-Arrays und räumliches Multiplexing nutzen, um mehrere unabhängige Signale zu übertragen.

Vorteile von Beamforming

Zu den Vorteilen von Beamforming gehören die folgenden Punkte:

• Es wird mehr Leistung in die festgelegte Richtung des Strahls abgegeben.
• Eine höhere Signalqualität erreicht das Empfangsgerät, was die Abdeckungskapazität des Mobilfunkmasts oder der Basisstation erhöht.
• Es kommt zu schnelleren Datenübertragungen und weniger Fehlern.
• Signalstörungen zwischen Geräten lassen sich vermeiden, da die Signale nur dort gesendet werden, wo sie benötigt werden.
• Analoges Beamforming ist relativ einfach zu implementieren und hat einen geringeren Energiebedarf.

Aktuelle Einschränkungen von Beamforming

Beamforming hat jedoch auch seine Grenzen:

• Es erfordert mitunter mehr Computing-Ressourcen und -Leistung für Beamforming-Berechnungen.
• Digitale und Massive-MIMO-Beamforming-Systeme können komplexer sein, insbesondere, wenn mehr Antennen und andere Hardware verwendet werden.
• Die Kosten fallen tendenziell höher als bei herkömmlichen Systemen aus.

Beamforming: Kosten und weitere Aspekte

Bei der Implementierung von Beamforming gilt es, mehrere Faktoren zu berücksichtigen:

• Die hohen Frequenzen und eine große Anzahl von Antennenelementen können kostspielig sein.
• Digitales Beamforming erfordert Transceiver für jede Antenne, was die Kosten aufgrund des größeren Stromverbrauchs in die Höhe treibt.
• MIMO-Systeme und Beamforming-Algorithmen können komplex sein.
• Antennenleistung, Abstrahlcharakteristiken und Managementalgorithmen für den Signalstrahl sollten sorgfältig bedacht und ausgewählt werden, da sie die Performance beeinflussen.
• Produkte für Endverbraucher, wie Router, können teuer sein – einige Router kosten zwischen 80 und rund 300 Euro.

Die Zukunft der Beamforming-Technologie

Beamforming besitzt das Potenzial, sich in WLAN- und 5G-Netzwerken stärker zu etablieren, und könnte zu einer unverzichtbaren Technologie werden, damit Kommunikationsnetzwerke künftige Datenraten und Netzwerkkapazitäten unterstützen. Mit verbesserten Beamforming-Algorithmen wird Beamforming zudem in der Lage sein, die optimalen Datenpfade auszuwählen.

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