Nei sistemi MIMO (Multiple Input Multiple Output), il beamforming è una tecnica che svolge un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni della comunicazione manipolando la direzionalità dei segnali trasmessi o ricevuti. Il beamforming può essere sostanzialmente classificato in due tipologie principali: beamforming di trasmissione e beamforming di ricezione. Approfondiamo la spiegazione dettagliata di questi tipi ed esploriamo le loro varianti:
1. Trasmissione del beamforming:
- Descrizione:
- Il beamforming di trasmissione prevede la regolazione della fase e dell’ampiezza dei segnali sul trasmettitore per creare interferenze costruttive nella direzione desiderata.
- Tipi:
- 1.1 Beamforming a trasmissione esplicita (ETBF):
- ETBF richiede un feedback esplicito delle informazioni sullo stato del canale (CSI) dal ricevitore (UE) al trasmettitore (eNodeB).
- Il trasmettitore regola il segnale in base al CSI ricevuto, ottimizzando la trasmissione per le condizioni attuali del canale.
- 1.2 Beamforming di trasmissione basato su codebook:
- Le tecniche basate sui codici utilizzano vettori o matrici di beamforming predefiniti.
- Il trasmettitore seleziona un vettore di beamforming dal codice in base alle condizioni del canale senza feedback esplicito.
- 1.1 Beamforming a trasmissione esplicita (ETBF):
2. Ricevi il beamforming:
- Descrizione:
- La ricezione del beamforming comporta la regolazione della fase e dell’ampiezza dei segnali sul ricevitore per migliorare la ricezione dei segnali da una direzione specifica.
- Tipi:
- 2.1 Combinazione del rapporto massimo (MRC):
- MRC è una tecnica di beamforming di ricezione di base che combina segnali provenienti da più antenne con pesi diversi.
- I pesi sono regolati per massimizzare la potenza del segnale, migliorando la qualità complessiva del segnale ricevuto.
- 2.2 Forzatura Zero (ZF):
- Il beamforming di ricezione ZF mira ad annullare le interferenze provenienti da direzioni indesiderate.
- Ottiene la cancellazione delle interferenze regolando i pesi per creare valori nulli nella direzione delle fonti di interferenza.
- 2.3 Errore quadratico medio minimo (MMSE):
- Il beamforming di ricezione MMSE riduce al minimo l’errore quadratico medio tra il segnale ricevuto e il segnale desiderato.
- Considera sia il segnale desiderato che le interferenze, ottimizzando i pesi per migliorare la qualità del segnale.
- 2.1 Combinazione del rapporto massimo (MRC):
3. Beamforming ibrido:
- Descrizione:
- Il beamforming ibrido combina elementi del beamforming sia in trasmissione che in ricezione.
- Tipi:
- 3.1 Beamforming analogico:
- Il beamforming analogico viene applicato nel dominio RF (radiofrequenza) utilizzando componenti analogici come sfasatori e attenuatori.
- Controlla la direzione del raggio prima che il segnale raggiunga l’elaborazione digitale in banda base.
- 3.2 Beamforming digitale:
- Il beamforming digitale viene applicato nel dominio digitale dopo la conversione da analogico a digitale.
- Perfeziona il beamforming in base alla rappresentazione digitale del segnale.
- 3.1 Beamforming analogico:
4. Beamforming congiunto di trasmissione e ricezione:
- Descrizione:
- Il beamforming congiunto ottimizza simultaneamente i raggi di trasmissione e di ricezione per migliorare le prestazioni complessive della comunicazione.
- Tipi:
- 4.1 MIMO a circuito chiuso:
- Il MIMO a circuito chiuso prevede meccanismi di feedback in cui il ricevitore fornisce informazioni al trasmettitore sulle condizioni del canale.
- Il trasmettitore regola il beamforming in base al feedback ricevuto.
- 4.2 MIMO ad anello aperto:
- MIMO a circuito aperto non si basa sul feedback esplicito del ricevitore.
- Il trasmettitore determina i pesi del beamforming senza feedback, il che può essere adatto a scenari con capacità di feedback limitata.
- 4.1 MIMO a circuito chiuso:
Conclusione:
Il beamforming nei sistemi MIMO è una tecnica versatile che può migliorare significativamente le prestazioni e l’efficienza della comunicazione wireless. Il beamforming di trasmissione e ricezione, il beamforming ibrido e il beamforming congiunto di trasmissione e ricezione offrono ciascuno vantaggi unici e sono applicabili in diversi scenari. Manipolando in modo intelligente la direzionalità dei segnali, il beamforming consente ai sistemi MIMO di ottenere velocità dati più elevate, migliore copertura e maggiore affidabilità in vari ambienti di comunicazione wireless.