Beam Division Multiple Access: Was BDMA bei 5G bringt

Mehrfachzugriff und seine Bedeutung

Der Mehrfachzugriff ist ein Eckpfeiler der drahtlosen Telekommunikationssysteme. Wie der Begriff bereits andeutet, ermöglicht diese Technik mehreren Benutzern die gleichzeitige Nutzung eines begrenzten Teils des Funkspektrums. Jedes Benutzergerät kann gleichzeitig auf die verfügbare Bandbreite zugreifen, ohne die anderen zu stören.

Frühere Generationen von drahtlosen Kommunikationstechnologien verwendeten die folgenden Mehrfachzugriffstechniken

• Code Division Multiple Access (CDMA)
• Frequency Division Multiple Access (FDMA)
• Time Division Multiple Access (TDMA)

5G verfügt über eine eigene Reihe von Mehrfachzugriffstechniken, darunter die folgenden:

• Orthogonal FDMA (OFDMA)
• Single-carrier FDMA
• Nonorthogonal Multiple Access (NOMA)
• BDMA

BDMA, das von Wissenschaftlern des Korea Advanced Institute of Science and Technology vorgeschlagen wurde, ist die jüngste Ergänzung.

Wie funktioniert BDMA?

BDMA arbeitet mit der Zuweisung hochgradig gerichteter orthogonaler Strahlen an mehrere Mobilstationen in 5G-Netzwerken. Dabei wird der Antennenstrahl der Basisstation nach bestimmten Kriterien und dem Standort der Teilnehmer innerhalb der Zelle aufgeteilt. BDMA verwendet Beamforming-Vorcodierungsstrategien, um die Internetkonnektivität zu verbessern und Störungen zu reduzieren.

BDMA ist unabhängig von Frequenz-, Zeit- und Codebeschränkungen und überwindet damit die Einschränkungen von FDMA und OFDM in der drahtlosen Kommunikation. Innerhalb von 5G-Netzwerken ermöglicht BDMA, dass diese eine hohe Anzahl von mobilen Nutzern bewältigen können, während gleichzeitig die Interferenzen zwischen mehreren Teilnehmern reduziert werden. Mit anderen Worten: Durch die Implementierung von BDMA können 5G-Netzwerke die Spektrumskapazität effizienter nutzen, auch wenn sie die Anzahl der Kanäle erhöhen.

Stellen Sie sich ein BDMA-kompatibles 5G-Netzwerk vor, das aus einer Basisstation mit einem MU-MIMO-Array-System (Multiuser Multiple Input, Multiple Output) und mehreren Mobilstationen in einer Zelle besteht.

Ein Broadcast-Strahl identifiziert die von der Mobilstation benötigten Informationen. Ausgewählte Teilnehmer werden durch Strahlformung anhand verschiedener Kriterien identifiziert, darunter die Richtung der Mobilstation und der Grad der Interferenz. Massive-MIMO-Strahlen werden für eine effiziente Kommunikation in Single-User-MIMO-Strahlen umgewandelt. Stark gerichtete Strahlen erreichen mehrere Zielteilnehmer auf der Grundlage der Position, Geschwindigkeit und Orthogonalität des Client-Geräts.

BDMA-Merkmale

Hier sind einige der wichtigsten BDMA-Funktionen, die 5G-Netzwerke beeinflussen können.

MU-MIMO-Basisstation

Die Basisstation in BDMA muss Millimeterwellen unterstützen und MU-MIMO für Beamforming-Techniken implementieren. Die Basisstation holt Informationen über mobile Client-Geräte innerhalb der Zelle ein. Sie wählt die Teilnehmer anhand von Selektionskriterien aus. BDMA verwendet hybrides Beamforming, um Signale von der Basisstation an mehrere mobile Teilnehmer innerhalb der Zelle zu übertragen.

Hybrides Beamforming

BDMA nutzt hybrides Beamforming, um die 5G-Kapazität zu erhöhen. Der hybride Sender kombiniert die Eigenschaften von digitalem und analogem Beamforming. Jede HF-Kette in einem hybriden Sender ist mit Antennengruppen in der Basisstation verbunden.

Strahleigenschaften

Die Strahlformung wird zur Auswahl von MU-MIMO-Strahlen in der Basisstation verwendet. Jeder Strahl unterscheidet sich von den anderen und hat je nach Position des Teilnehmers eine andere Richtung, einen anderen Winkel und eine andere Breite. MU-MIMO-Strahlen werden für die Übertragung in Untergruppen umgewandelt. Jede Strahlengruppe kommuniziert mit einem ausgewählten Teilnehmergerät.

Auswahl der Teilnehmer

Die Teilnehmer werden auf der Grundlage ihrer Eigenschaft, andere Geräte in der Zelle nicht zu stören, ausgewählt. Verschiedene Auswahlverfahren vergleichen den Grad der Unabhängigkeit zwischen den einzelnen Teilnehmergeräten. BDMA verwendet einen mathematischen Vektor, um den Grad der Unabhängigkeit der Teilnehmergeräte in einer Zelle zu messen.

Vorcodierungstechniken

Ein Vorcodierer (Pre-Coder) wird verwendet, um das übertragene Signal zu optimieren.  BDMA setzt verschiedene Vorcodierungstechniken ein, unter anderem Zero Forcing und Orthogonal Beamforming, um Interferenzen zu reduzieren und die Effizienz von BDMA-kompatiblen Netzwerken zu verbessern.

Strahlplanung und Übertragung

Die Basisstation plant die Strahlen und weist sie den ausgewählten Teilnehmern zu, je nach deren Position und verfügbarem Durchsatz. Die Strahlen werden weiter in Untergruppen unterteilt, von denen sich jede auf einen einzelnen Teilnehmer in der Zelle konzentriert. Mit diesem Ansatz kann der Strahl mehrere Teilnehmer in der Zelle bedienen, die alle nach Beginn der Planung Informationen hoch- und herunterladen können.

Vorteile von BDMA

Hier sind einige der Vorteile von BDMA:

• Bessere Signalqualität und höherer Signal-Rausch-Abstand in Gebieten mit starken Störungen oder geringer Signalstärke.
• Geringere Kosten in Bezug auf den Stromverbrauch.
• Sicher, gefahrlos und schwer zu stören von Störsendern.
• Fähigkeit, Antennenstrahlen dort zu bündeln, wo die Nachfrage am größten ist, und weg von Bereichen mit geringerer Nachfrage.
• Fähigkeit, Anrufe für Geräte mit starken Interferenzen in Situationen zu unterbrechen, in denen eine große Anzahl von Teilnehmern in einer Zelle vorhanden ist.

Beschränkungen von BDMA

Hier sind einige Einschränkungen im Zusammenhang mit BDMA:

• Da BDMA relativ neu ist, kann die Implementierung komplex sein. Es gibt nur wenige kompatible Geräte und Basisstationen, die BDMA unterstützen.
• Die Teilnehmer müssen sich für eine effektive Kommunikation in direkter Sichtlinie befinden.
• BDMA benötigt eine Antenne pro Teilnehmer für die gleichzeitige Datenübertragung, was die Fähigkeit zur Unterstützung einer großen Anzahl von Teilnehmern einschränkt.

Fazit

BDMA bietet hohe Datenraten für Mobilfunkteilnehmer und noch höhere Raten für stationäre Teilnehmer in einer Zelle – mit vernachlässigbaren Störungen. Auch wenn die überwiegende Mehrheit der 5G-Netzwerke derzeit auf OFDM und OFDMA basiert, ist es wahrscheinlich, dass mehr in Zukunft auch BDMA unterstützen.