Das Konzept des Beamforming ist schon seit den 1940er Jahren bekannt. Eine breite praktische Bedeutung erlangte die Technologie mit modernen, funkbasierten Kommunikationsstandards wie Wi-Fi und 5G. In Kombination mit MU-MIMO-Technologien soll Beamforming dabei helfen, die Datengeschwindigkeit zu verbessern.

Was ist Beamforming?

Beamforming ist eine Technik, die ein drahtloses Signal auf ein bestimmtes Empfangsgerät fokussiert, anstatt das Signal wie bei einer Sendeantenne mit Rundstrahl-Charakteristik in alle Richtungen zu streuen. Die daraus resultierende Direktverbindung ist schneller und zuverlässiger als ohne Beamforming.

Es liegt in der Natur von elektromagnetischen 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.

Geschichte des Beamforming

Die Mathematik, die hinter dem Beamforming steckt, ist sehr komplex (eine Einführung hierzu finden Sie im Math Encounters Blog), 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. Erstmals wurde Beamforming im Zweiten Weltkrieg zur Verbesserung des Sonars genutzt. Auch heute ist Beamforming immer noch wichtig für die Audiotechnik. Wir beschränken uns hier jedoch auf die drahtlose Vernetzung und Kommunikation.

Vorteile und Grenzen des Beamforming

Durch die Fokussierung eines Signals in eine bestimmte Richtung kann eine höhere Signalqualität an den Empfänger geliefert werden. Dies führt zu einer schnellere Informationsübertragung und weniger Fehlern, ohne dass dabei 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 allerdings auch andere Szenarien, in denen die Zeit- und Energieressourcen, die für Beamforming-Berechnungen benötigt werden, die Vorteile zunichtemachen. Verbesserungen bei der Prozessorleistung und -effizienz haben jedoch dazu geführt, dass Beamforming-Techniken erschwinglich genug sind, um sie sowohl in aktuellen Wireless Devices für Verbraucher als auch in Enterprise-Equipment zu verbauen. Eine weitere Einschränkung ist, dass die Vorteile des Beamforming abnehmen, je weiter ein Empfänger vom Sender entfernt ist.

Wi-Fi-Beamforming in Wi-Fi 6

Die aktuelle Generation von Wi-Fi ist Wi-Fi 6 - ursprünglich als 802.11ax bezeichnet. Das 802.11ax-Protokoll selbst ist die nächste Generation nach dem 802.11ac-Standard, aber jetzt nach dem neuen Namensschema der Wi-Fi Alliance benannt. Nach diesem Schema ist 802.11ac auch als Wi-Fi 5 bekannt und 802.11n ist einfach Wi-Fi 4.

Beamforming gibt es zwar schon seit Wi-Fi 4, aber in Wi-Fi 5 und jetzt in Wi-Fi 6 wurden Verbesserungen daran vorgenommen. Beamforming erfordert die Verwendung der MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output), um mehrere überlappende Signale zu senden. Seit der Entwicklung von Wi-Fi 5 im Jahr 2016 gibt es eine Reihe spezifizierter Beamforming-Techniken für Wi-Fi-Geräte, die eine herstellerneutrale Interoperabilität ermöglichen (verschiedene Empfänger können mit verschiedenen Routern zusammenarbeiten).

Beamforming unterstützt auch Multi-User-MIMO, auch bekannt als MU-MIMO. Es ermöglicht mehreren Benutzern, 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 Wi-Fi 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 Wi-Fi 7 sein, der nächsten Wi-Fi-Generation (auch bekannt als 802.11be). Beim koordinierten Beamforming wird die Fähigkeit moderner Access Points mit mehreren Antennen genutzt, die eigenen Signale räumlich zu multiplexen und gleichzeitig benachbarte, nicht assoziierte Stationen gemeinsam auszuschalten.

Dieses Verhalten lässt sich auch mit einem gemeinsamen Sondierungsverfahren für mehrere Access Points erreichen, doch das koordinierte Beamforming kann die Vorteile eines einfacheren sequentiellen Sondierungsverfahrens nutzen. Dies wird auch ein Teil von Wi-Fi 7 sein. Darüber hinaus erfordert das koordinierte Beamforming keine gemeinsame Datenverarbeitung, da jede Station Daten an einen einzigen Access Point sendet und von diesem empfängt, was weniger Kommunikation im Backhaul erfordert. Dadurch werden Durchsatz und Latenzzeit erheblich verbessert und gleichzeitig wird die Komplexität verringert (weitere Details hierzu finden Sie hier).

Zusammen mit anderen Verbesserungen in Wi-Fi 7 zielt das koordinierte Beamforming darauf ab, den Zugang zu Gigabit-Geschwindigkeiten und Kommunikation mit geringer Latenzzeit für noch mehr Anwendungen zu ermöglichen.

5G und Beamforming

Mit der Einführung von 5G-Netzen für Smartphones und andere Wide-Area-Networking-Zwecke ist Beamforming auch im Mobilfunk zu einer wichtige Kerntechnologie geworden. Da einige 5G-Frequenzen im Millimeterwellenbereich (mmWave) arbeiten, sind sie anfälliger für Störungen durch Objekte wie Wände und andere Barrieren. Beamforming trägt hier zu einer zuverlässigeren Connectivity 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.