Welche Arten von Beamforming gibt es in MIMO?

In MIMO-Systemen (Multiple Input Multiple Output) ist Beamforming eine Technik, die eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Kommunikationsleistung durch Manipulation der Richtung gesendeter oder empfangener Signale spielt. Beamforming kann grob in zwei Haupttypen eingeteilt werden: Sende-Beamforming und Empfangs-Beamforming. Lassen Sie uns in die detaillierte Erklärung dieser Typen eintauchen und ihre Variationen erkunden:

1. Beamforming übertragen:

• Beschreibung:
  • Transmit Beamforming beinhaltet die Anpassung der Phase und Amplitude von Signalen am Sender, um konstruktive Interferenz in der gewünschten Richtung zu erzeugen.
• Typen:
  • 1.1 Explizites Transmit Beamforming (ETBF):
    • ETBF erfordert eine explizite Rückmeldung der Kanalstatusinformationen (CSI) vom Empfänger (UE) an den Sender (eNodeB).
    • Der Sender passt das Signal basierend auf dem empfangenen CSI an und optimiert so die Übertragung für die aktuellen Kanalbedingungen.
  • 1.2 Codebuchbasiertes Sende-Beamforming:
    • Codebuchbasierte Techniken nutzen vordefinierte Beamforming-Vektoren oder -Matrizen.
    • Der Sender wählt einen Strahlformungsvektor aus dem Codebuch basierend auf den Kanalbedingungen ohne explizite Rückmeldung aus.

2. Beamforming empfangen:

• Beschreibung:
  • Empfangsstrahlformung beinhaltet die Anpassung der Phase und Amplitude von Signalen am Empfänger, um den Empfang von Signalen aus einer bestimmten Richtung zu verbessern.
• Typen:
  • 2.1 Maximum Ratio Combining (MRC):
    • MRC ist eine grundlegende Empfangs-Beamforming-Technik, die Signale von mehreren Antennen mit unterschiedlichen Gewichten kombiniert.
    • Die Gewichte werden angepasst, um die Signalleistung zu maximieren und so die Gesamtqualität des empfangenen Signals zu verbessern.
  • 2.2 Zero Forcing (ZF):
    • ZF-Empfangsstrahlformung zielt darauf ab, Störungen aus unerwünschten Richtungen zu beseitigen.
    • Die Interferenzunterdrückung wird erreicht, indem die Gewichte angepasst werden, um Nullen in Richtung der Interferenzquellen zu erzeugen.
  • 2.3 Minimaler mittlerer quadratischer Fehler (MMSE):
    • MMSE-Empfangsstrahlformung minimiert den mittleren quadratischen Fehler zwischen dem empfangenen Signal und dem gewünschten Signal.
    • Es berücksichtigt sowohl das gewünschte Signal als auch die Interferenz und optimiert die Gewichte, um die Signalqualität zu verbessern.

3. Hybrides Beamforming:

• Beschreibung:
  • Hybrid-Beamforming kombiniert Elemente des Sende- und Empfangs-Beamformings.
• Typen:
  • 3.1 Analoges Beamforming:
    • Analoge Strahlformung wird im HF-Bereich (Radiofrequenz) unter Verwendung analoger Komponenten wie Phasenschieber und Dämpfungsglieder angewendet.
    • Es steuert die Richtung des Strahls, bevor das Signal die digitale Basisbandverarbeitung erreicht.
  • 3.2 Digitales Beamforming:
    • Digitales Beamforming wird im digitalen Bereich nach der Analog-Digital-Wandlung angewendet.
    • Es optimiert die Strahlformung basierend auf der digitalen Darstellung des Signals.

4. Gemeinsames Senden und Empfangen von Beamforming:

• Beschreibung:
  • Joint Beamforming optimiert die Sende- und Empfangsstrahlen gleichzeitig, um die gesamte Kommunikationsleistung zu verbessern.
• Typen:
  • 4.1 Closed-Loop-MIMO:
    • Closed-Loop-MIMO umfasst Rückkopplungsmechanismen, bei denen der Empfänger dem Sender Informationen über die Kanalbedingungen liefert.
    • Der Sender passt die Strahlformung basierend auf dem empfangenen Feedback an.
  • 4.2 Open-Loop-MIMO:
    • Open-Loop-MIMO ist nicht auf explizites Feedback vom Empfänger angewiesen.
    • Der Sender bestimmt die Beamforming-Gewichte ohne Rückkopplung, was für Szenarien mit eingeschränkter Rückkopplungsfähigkeit geeignet sein kann.

Abschluss:

Beamforming in MIMO-Systemen ist eine vielseitige Technik, die die Leistung und Effizienz der drahtlosen Kommunikation erheblich verbessern kann. Sende- und Empfangs-Beamforming, Hybrid-Beamforming und gemeinsames Sende- und Empfangs-Beamforming bieten jeweils einzigartige Vorteile und sind in verschiedenen Szenarien anwendbar. Durch die intelligente Manipulation der Signalrichtung ermöglicht Beamforming MIMO-Systemen, höhere Datenraten, eine bessere Abdeckung und eine verbesserte Zuverlässigkeit in verschiedenen drahtlosen Kommunikationsumgebungen zu erreichen.

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