In MIMO-systemen (Multiple Input Multiple Output) is beamforming een techniek die een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de communicatieprestaties door de directionaliteit van verzonden of ontvangen signalen te manipuleren. Beamforming kan grofweg worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: beamforming verzenden en beamforming ontvangen. Laten we ons verdiepen in de gedetailleerde uitleg van deze typen en hun variaties verkennen:
1. Verzend straalvorming:
- Beschrijving:
- Transmit beamforming omvat het aanpassen van de fase en amplitude van signalen bij de zender om constructieve interferentie in de gewenste richting te creëren.
- Soorten:
- 1.1 Expliciete zendbeamforming (ETBF):
- ETBF vereist expliciete kanaalstatusinformatie (CSI) feedback van de ontvanger (UE) naar de zender (eNodeB).
- De zender past het signaal aan op basis van de ontvangen CSI, waardoor de transmissie wordt geoptimaliseerd voor de huidige kanaalomstandigheden.
- 1.2 Op codeboek gebaseerde zendbundelvorming:
- Op codeboek gebaseerde technieken maken gebruik van vooraf gedefinieerde bundelvormende vectoren of matrices.
- De zender selecteert een bundelvormende vector uit het codeboek op basis van kanaalomstandigheden zonder expliciete feedback.
- 1.1 Expliciete zendbeamforming (ETBF):
2. Ontvang straalvorming:
- Beschrijving:
- Ontvangstbundelvorming omvat het aanpassen van de fase en amplitude van signalen bij de ontvanger om de ontvangst van signalen uit een specifieke richting te verbeteren.
- Soorten:
- 2.1 Maximale verhoudingscombinatie (MRC):
- MRC is een basistechniek voor ontvangstbundelvorming die signalen van meerdere antennes met verschillende gewichten combineert.
- De gewichten worden aangepast om het signaalvermogen te maximaliseren, waardoor de algehele kwaliteit van het ontvangen signaal wordt verbeterd.
- 2.2 Nulforcering (ZF):
- ZF-ontvangstbundelvorming heeft tot doel interferentie uit ongewenste richtingen teniet te doen.
- Het bereikt interferentie-onderdrukking door de gewichten aan te passen om nullen te creëren in de richting van interferentiebronnen.
- 2.3 Minimale gemiddelde kwadratische fout (MMSE):
- MMSE-ontvangstbundelvorming minimaliseert de gemiddelde kwadratische fout tussen het ontvangen signaal en het gewenste signaal.
- Er wordt rekening gehouden met zowel het gewenste signaal als de interferentie, waarbij de gewichten worden geoptimaliseerd om de signaalkwaliteit te verbeteren.
- 2.1 Maximale verhoudingscombinatie (MRC):
3. Hybride straalvorming:
- Beschrijving:
- Hybride beamforming combineert elementen van zowel zend- als ontvangstbundelforming.
- Soorten:
- 3.1 Analoge straalvorming:
- Analoge bundelvorming wordt toegepast in het RF-domein (radiofrequentie) met behulp van analoge componenten zoals faseverschuivers en verzwakkers.
- Het regelt de richting van de straal voordat het signaal de digitale basisbandverwerking bereikt.
- 3.2 Digitale straalvorming:
- Digitale beamforming wordt toegepast in het digitale domein na de analoog-naar-digitaal-conversie.
- Het verfijnt de bundelvorming op basis van de digitale representatie van het signaal.
- 3.1 Analoge straalvorming:
4. Gezamenlijke transmissie- en ontvangstbeamforming:
- Beschrijving:
- Gezamenlijke bundelvorming optimaliseert de zend- en ontvangstbundels tegelijkertijd om de algehele communicatieprestaties te verbeteren.
- Soorten:
- 4.1 MIMO met gesloten lus:
- Closed-loop MIMO omvat feedbackmechanismen waarbij de ontvanger informatie aan de zender verstrekt over kanaalomstandigheden.
- De zender past de bundelvorming aan op basis van de ontvangen feedback.
- 4.2 MIMO met open lus:
- Open-loop MIMO vertrouwt niet op expliciete feedback van de ontvanger.
- De zender bepaalt de bundelvormende gewichten zonder feedback, wat geschikt kan zijn voor scenario’s met beperkte feedbackmogelijkheden.
- 4.1 MIMO met gesloten lus:
Conclusie:
Beamforming in MIMO-systemen is een veelzijdige techniek die de prestaties en efficiëntie van draadloze communicatie aanzienlijk kan verbeteren. Zend- en ontvangstbeamforming, hybride beamforming en gezamenlijke zend- en ontvangstbeamforming bieden elk unieke voordelen en zijn toepasbaar in verschillende scenario’s. Door op intelligente wijze de directionaliteit van signalen te manipuleren, zorgt beamforming ervoor dat MIMO-systemen hogere datasnelheden, betere dekking en verbeterde betrouwbaarheid kunnen bereiken in verschillende draadloze communicatieomgevingen.