Das Konzept des Beamforming spielt derzeit eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung moderner drahtloser Kommunikationsstandards wie WLAN und 5G. In Kombination mit MU-MIMO-Technologien verhilft Beamforming den Nutzern zu höheren Datengeschwindigkeiten.
Beamforming ist eine Technik, die ein Funksignal auf ein bestimmtes Empfangsgerät fokussiert, anstatt das Signal wie bei einer Sendeantenne in alle Richtungen zu streuen. Eine daraus resultierende Direktverbindung ist schneller und zuverlässiger als ohne Beamforming.
Es liegt in der Natur elektromagnetischer Wellen, dass Signale von einer einzelnen Antenne in alle Richtungen abgestrahlt werden, sofern sie nicht durch ein physisches Objekt blockiert werden. Um das Signal in eine bestimmte Richtung zu fokussieren, um einen gezielten Strahl elektromagnetischer Energie zu bilden, senden mehrere Antennen in unmittelbarer Nähe das gleiche Signal zu leicht unterschiedlichen Zeiten aus. Die sich überlagernden Wellen erzeugen Interferenzen, die in einigen Bereichen konstruktiv sind (das Signal wird stärker) und in anderen Bereichen destruktiv (das Signal wird schwächer oder ist nicht mehr zu erkennen). Bei korrekter Ausführung fokussiert dieses Beamforming-Verfahren ein Signal in eine bestimmte Richtung.
Die Mathematik, die hinter dem Beamforming steckt, ist sehr komplex, aber die Anwendung von Beamforming-Techniken ist nicht neu. Jede Form von Energie, die sich in Wellen ausbreitet, einschließlich Schall, kann von Beamforming-Techniken profitieren. Diese Technik wurde erstmals zur Verbesserung des Sonars im Zweiten Weltkrieg entwickelt.
Durch die Fokussierung eines Signals in eine bestimmte Richtung kann eine höhere Signalqualität an den Empfänger geliefert werden, was wiederum eine schnellere Informationsübertragung und weniger Fehler bedeutet, ohne dass die Sendeleistung erhöht werden muss. Da Beamforming auch dazu verwendet werden kann, die Ausstrahlung in andere Richtungen zu reduzieren oder zu eliminieren, kann es dazu beitragen, Interferenzen für Nutzer zu reduzieren, die versuchen, andere Signale zu empfangen.
Es gibt andere Szenarien, in denen die Zeit- und Energieressourcen, die für Beamforming-Berechnungen benötigt werden, die Vorteile zunichte machen. Verbesserungen bei der Prozessorleistung und -effizienz haben jedoch dazu geführt, dass Beamforming-Techniken preiswert genug werden, um in die neuesten WLAN-Geräte eingebaut zu werden.
Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Vorteile des Beamforming abnehmen, je weiter ein Empfänger von einem Sender entfernt ist.
WLAN-Beamforming in WiFi-6
Beamforming gibt es zwar schon seit WiFi-4, aber in WiFi-5 und in WiFi-6 wurden Verbesserungen vorgenommen. Beamforming erfordert die Verwendung der MIMO-Technologie (Multiple-Input-Multiple-Output), um mehrere überlappende Signale zu senden. Mit der Entwicklung von WiFi-5 im Jahr 2016 gibt es nun eine Reihe spezifizierter Beamforming-Techniken für WiFi-Geräte, die eine herstellerneutrale Interoperabilität ermöglichen (verschiedene Empfänger können mit verschiedenen Routern zusammenarbeiten).
Beamforming unterstützt auch Multi-User-MIMO, auch bekannt als MU-MIMO, das es mehreren Benutzern ermöglicht, gleichzeitig mit mehreren Antennen am Router zu kommunizieren. MU-MIMO nutzt Beamforming, um sicherzustellen, dass die Kommunikation vom Router effizient auf jeden angeschlossenen Client ausgerichtet ist. Mit WiFi-6 wurde auch die Anzahl der unterstützten Antennen von vier auf acht erhöht, was die Datenraten verbessert und die Reichweite der Signale für bestimmte Clients vergrößert.
Beamforming wird auch eine Schlüsselkomponente von WiFi-7 sein, der nächsten Generation von WiFi (auch bekannt als 802.11be). Bei der koordinierten Strahlformung wird die Fähigkeit moderner Zugangspunkte mit mehreren Antennen genutzt, ihre Stationen räumlich zu multiplexen und gleichzeitig benachbarte, nicht assoziierte Stationen gemeinsam auszuschalten.
Während diese Technik auch mit einem gemeinsamen Sondierungsverfahren für mehrere Zugangspunkte erreicht werden kann, nutzt das koordinierte Beamforming die Vorteile eines einfacheren sequentiellen Sondierungsverfahrens, das Teil von WiFi-7 sein wird. Darüber hinaus erfordert die koordinierte Strahlformung keine gemeinsame Datenverarbeitung, da jede Station Daten an einen einzigen Zugangspunkt sendet und von diesem empfängt, was den Bedarf an Backhaul verringert. Dadurch werden der Durchsatz und die Latenzzeit erheblich verbessert und gleichzeitig die Komplexität reduziert.
Zusammen mit anderen Verbesserungen in WiFi-7 zielt das koordinierte Beamforming darauf ab, den Zugang zu Gigabit-Geschwindigkeiten und Kommunikation mit geringer Latenz für noch mehr Anwendungen für Unternehmen und Verbraucher zu ermöglichen.
5G und Beamforming
Mit der Einführung von 5G-Netzwerken für Smartphones und andere Wide-Area-Networking-Zwecke auf der ganzen Welt ist Beamforming auch hier eine wichtige Kerntechnologie. Da 5G-Frequenzen im Millimeterwellenbereich arbeiten, sind sie anfälliger für Störungen durch störende Objekte wie Wände und andere Barrieren.
Beamforming trägt zu einer zuverlässigeren Konnektivität bei, indem es einem Sender ermöglicht, die Übertragung in eine bestimmte Richtung auf ein mobiles Gerät, ein Fahrzeug oder ein IoT-Gerät zu lenken.
Beamforming wird auch mit Massive-MIMO funktionieren, bei dem eine große Anzahl von Antennen an einer 5G-Basisstation die Strahlen sowohl horizontal als auch vertikal zu den Nutzergeräten lenken, um den Durchsatz und die Effizienz zu verbessern.
