Beamforming ist eine Technik in Systemen mit mehreren Antennen, die gesendete Signale bündelt (Transmit Beamforming) oder selektiv Signale aus einer bestimmten Richtung abhört (Receive Beamforming). Dies wird erreicht, indem die Phase und Amplitude der Signale einzelner Antennenelemente angepasst werden, wodurch ein konzentrierter „Strahl“ aus HF-Energie entsteht.
Beamforming erhöht die Reichweite der drahtlosen Kommunikation, reduziert Interferenzen und erhöht die Kapazität, was Anwendungen wie 4G, 5G, Radar, Sonar und Satellitenkommunikation zugute kommt.
Was ist Beamforming bei Mehrantennentechniken?
Beamforming ist eine grundlegende Technik in Systemen mit mehreren Antennen, die die Leistung der drahtlosen Kommunikation verbessert, indem sie gesendete Signale in eine bestimmte Richtung fokussiert oder den Empfang von Signalen aus einer gewünschten Richtung steuert. Hier finden Sie eine detaillierte Erklärung der Strahlformung bei Mehrantennentechniken:
1. Einführung in Beamforming:
- Beamforming wird in Szenarien verwendet, in denen mehrere Antennen entweder am Sender oder am Empfänger (oder an beiden) eingesetzt werden.
- Ziel ist es, die Hochfrequenzenergie (RF) in eine bestimmte Richtung zu konzentrieren und so effektiv einen „Energiestrahl“ zu bilden.
Arten der Strahlformung:
Es gibt zwei Haupttypen der Strahlformung:
A. Beamforming übertragen (TB):
- Bei TB fokussiert der Sender (der mehrere Antennen haben kann) das gesendete Signal in eine bestimmte Richtung.
- Dies wird erreicht, indem die Phase und Amplitude der von jedem Antennenelement gesendeten Signale angepasst werden, um konstruktive Interferenz in der gewünschten Richtung zu erzeugen.
- TB kann die Signalqualität und -reichweite verbessern und ist daher besonders nützlich für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation.
B. Beamforming (RB) empfangen:
- Bei RB lauscht der Empfänger (der über mehrere Antennen verfügen kann) selektiv auf Signale, die aus einer bestimmten Richtung ankommen.
- Dies geschieht durch Anpassen der Phase und Amplitude der empfangenen Signale von jedem Antennenelement, um das Signal aus der gewünschten Richtung zu verstärken.
- RB trägt dazu bei, Störungen zu mindern und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in lauten Umgebungen zu verbessern.
Phased-Array-Antennen:
- Beamforming wird üblicherweise mithilfe von Phased-Array-Antennen implementiert, die aus mehreren voneinander beabstandeten Antennenelementen bestehen.
- Jedes Element kann einzeln gesteuert werden, um die Phase und Amplitude des gesendeten oder empfangenen Signals anzupassen.
- Durch die sorgfältige Steuerung dieser Parameter kann das Array den Strahl in verschiedene Richtungen lenken.
Anwendungen:
Beamforming wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter:
- Drahtlose Kommunikation: Beamforming verbessert die Signalstärke und Abdeckung in drahtlosen Netzwerken wie 4G LTE und 5G, indem es Signale an bestimmte Benutzer oder Basisstationen richtet.
- Radarsysteme: Radarsysteme nutzen Beamforming, um Radarstrahlen auf bestimmte Ziele zu fokussieren und so die Erkennungs- und Verfolgungsgenauigkeit zu verbessern.
- Sonarsysteme: In Unterwasserumgebungen nutzen Sonarsysteme Beamforming, um Objekte wie U-Boote oder Meereslebewesen zu lokalisieren und zu verfolgen.
- Satellitenkommunikation: Beamforming wird in der Satellitenkommunikation eingesetzt, um Signale auf bestimmte geografische Regionen zu konzentrieren.
Vorteile von Beamforming:
Beamforming bietet mehrere Vorteile, darunter:
- Verbesserte Reichweite: Durch die Fokussierung der Energie in eine bestimmte Richtung erweitert Beamforming die effektive Reichweite der Kommunikation.
- Störungsreduzierung: Es kann Störungen durch unerwünschte Quellen abschwächen und so die Signalqualität verbessern.
- Erhöhte Kapazität: Beamforming kann mehrere Benutzer oder Geräte gleichzeitig bedienen, indem für jeden separate Strahlen erstellt werden, wodurch die Netzwerkkapazität erhöht wird.
Herausforderungen:
Beamforming erfordert eine präzise Synchronisierung und Koordination zwischen Antennen und kann in komplexen Umgebungen fehleranfällig sein.
Zusammenfassend ist Beamforming eine Schlüsseltechnik in Mehrantennensystemen, die die Richtung gesendeter oder empfangener Signale optimiert. Es findet Anwendung in der drahtlosen Kommunikation, Radar, Sonar und Satellitenkommunikation und bietet in diesen Systemen eine verbesserte Reichweite, Interferenzreduzierung und erhöhte Kapazität.