Beamforming nutzt die Wissenschaft der elektromagnetischen Interferenz, um Wi-Fi- und 5G-Verbindungen präziser zu gestalten. [...]
Beamforming ist eine Technik, die ein drahtloses Signal auf eine bestimmte Empfangsvorrichtung fokussiert, anstatt das Signal von einer Rundfunkantenne in alle Richtungen zu verteilen, wie es normalerweise der Fall wäre. Die daraus resultierende direktere Verbindung ist schneller und zuverlässiger als sie ohne Beamforming wäre.
Obwohl die Prinzipien des Beamforming seit den 1940er Jahren bekannt sind, haben die Beamforming-Technologien in den letzten Jahren nur schrittweise Verbesserungen in der Wi-Fi-Netzwerktechnik hervorgebracht. Heute ist das Beamforming entscheidend für die 5G-Netze, die gerade erst in Betrieb genommen werden.
So funktioniert Beamforming
Eine einzige Antenne, die ein drahtloses Signal sendet, strahlt dieses Signal in alle Richtungen aus (es sei denn, es wird durch ein physikalisches Objekt blockiert). Das ist die natürliche Art, wie elektromagnetische Wellen funktionieren. Aber was wäre, wenn Sie dieses Signal in eine bestimmte Richtung fokussieren wollten, um einen gezielten Strahl elektromagnetischer Energie zu erzeugen? Eine Technik dafür besteht darin, mehrere Antennen in unmittelbarer Nähe zu haben, die alle das gleiche Signal zu etwas unterschiedlichen Zeiten senden. Die sich überlappenden Wellen erzeugen Interferenzen, die in einigen Bereichen konstruktiv sind (es macht das Signal stärker) und in anderen Bereichen destruktiv sind (es macht das Signal schwächer oder unauffindbar). Bei richtiger Ausführung kann dieser Strahlformungsprozess Ihr Signal dort fokussieren, wo es hin soll.
Die Mathematik hinter dem Beamforming ist sehr komplex (der Math Encounters Blog hat eine Einführung, wenn man einen Eindruck gewinnen will), aber die Anwendung von Beamforming-Techniken ist nicht neu. Jede Form von Energie, die sich in Wellen bewegt, einschließlich Schall, kann von Strahlformungstechniken profitieren; sie wurden erstmals im Zweiten Weltkrieg zur Verbesserung des Sonars entwickelt und sind nach wie vor wichtig für die Tontechnik. Aber wir werden unsere Diskussion hier auf drahtlose Netzwerke und Kommunikation beschränken.
Vorteile und Grenzen der Strahlformung
Durch die Fokussierung eines Signals in eine bestimmte Richtung ermöglicht das Beamforming die Bereitstellung einer höheren Signalqualität an Ihren Empfänger – was in der Praxis einen schnelleren Informationsfluss und weniger Fehler bedeutet – ohne dass die Sendeleistung erhöht werden muss. Das ist im Grunde genommen der heilige Gral der drahtlosen Vernetzung und das Ziel der meisten Techniken zur Verbesserung der drahtlosen Kommunikation. Als zusätzlichen Vorteil, da Sie Ihr Signal nicht in Richtungen ausstrahlen, in denen es nicht benötigt wird, kann das Beamforming Störungen reduzieren, die von Personen wahrgenommen werden, die versuchen, andere Signale aufzunehmen.
Die Grenzen des Beamforming liegen meist in den benötigten Rechenressourcen; es gibt viele Szenarien, in denen die Zeit- und Leistungsressourcen, die durch Beamforming-Berechnungen benötigt werden, am Ende seine Vorteile aufheben. Aber die kontinuierliche Verbesserung der Prozessorleistung und Effizienz hat die Beamforming-Techniken so erschwinglich gemacht, dass sie in Verbrauchernetzwerke integriert werden können.
Wi-Fi Beamforming Router: 802.11n vs. 802.11ac
Beamforming begann bereits 2008 mit der Einführung des Wi-Fi-Standards 802.11n in Routern. 802.11n war die erste Version von Wi-Fi, die die MIMO-Technologie (Multiple-Input Multiple-Output) unterstützte, die Beamforming benötigt, um mehrere überlappende Signale zu senden. Das Beamforming mit 802.11n-Geräten ist jedoch nie wirklich in Gang gekommen, da die Spezifikation nicht festlegt, wie Beamforming implementiert werden soll. Einige Anbieter haben proprietäre Implementierungen herausgebracht, die den Kauf von passenden Routern und Wireless-Karten erforderten, um zu funktionieren, und sie waren nicht beliebt.
Mit dem Erscheinen des Standards 802.11ac im Jahr 2016 änderte sich das alles. Es gibt jetzt eine Reihe von spezifizierten Beamforming-Techniken für Wi-Fi-Geräte, und obwohl 802.11ac-Router von der Spezifikation nicht zur Implementierung von Beamforming benötigt werden, tun sie dies, wenn sie es tun (und fast alle auf dem Markt tun es), herstellerneutral und interoperabel. Einige Angebote könnten zwar Markennamen wie den AC Smart Beam von D-Link anbieten, aber dies sind alles Implementierungen des gleichen Standards. (Der noch neuere 802.11ax-Standard unterstützt weiterhin Ac-Style Beamforming.)
Beamforming und MU-MIMO
Beamforming ist der Schlüssel zur Unterstützung von Multiuser-MIMO oder MU-MIMO, das mit der Einführung von 802.11ax-Routern immer beliebter wird. Wie der Name schon sagt, umfasst MU-MIMO mehrere Benutzer, die jeweils mit mehreren Antennen auf dem Router kommunizieren können. MU-MIMO verwendet Beamforming, um sicherzustellen, dass die Kommunikation vom Router effizient auf jeden angeschlossenen Client ausgerichtet ist.
Explizite Strahlformung vs. implizite Strahlformung
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie Wi-Fi-Beamforming funktionieren kann. Wenn sowohl der Router als auch der Endpunkt 802.11ac-konformes Beamforming unterstützen, beginnen sie ihre Kommunikationssitzung mit einem kleinen „Handshake“, der beiden Parteien hilft, ihren jeweiligen Standort und den Kanal, auf dem sie kommunizieren werden, festzulegen; dies verbessert die Qualität der Verbindung und wird als explizites Beamforming bezeichnet. Aber es gibt immer noch viele Netzwerkkarten, die nur 802.11n oder sogar ältere Versionen von Wi-Fi unterstützen. Ein Beamforming-Router kann immer noch versuchen, diese Geräte anzugreifen, aber ohne Hilfe des Endpunktes kann er nicht so genau auf Null setzen. Dies wird als implizites Beamforming oder manchmal auch als universelles Beamforming bezeichnet, da es theoretisch mit jedem Wi-Fi-Gerät funktioniert.
In vielen Routern ist die implizite Strahlformung eine Funktion, die Sie ein- und ausschalten können. Lohnt sich die implizite Strahlformung? The Router Guide schlägt vor, dass Sie testen, wie Ihr Netzwerk mit ihm ein- und ausgeschaltet wird, um zu sehen, ob Sie dadurch einen Schub erhalten. Es ist möglich, dass Geräte wie Telefone, die Sie zu Hause mit sich herumtragen, abgelegene Verbindungen mit impliziter Strahlformung sehen können.
5G Beamforming
Bislang sind lokale Wi-Fi-Netzwerke der Ort, an dem der Durchschnittsbürger am ehesten auf Beamforming in freier Wildbahn treffen wird. Aber mit dem jetzt begonnenen Ausbau von großflächigen 5G-Netzen wird sich das ändern. 5G verwendet Funkfrequenzen zwischen 30 und 300 GHz, die Daten viel schneller übertragen können, aber auch viel störanfälliger sind und mehr Schwierigkeiten beim Durchlaufen physikalischer Objekte haben. Um diese Probleme zu überwinden, sind eine Vielzahl von Technologien erforderlich, darunter kleinere Zellen, massives MIMO – im Grunde genommen tonnenweise Antennen auf 5G-Basisstationen – und, ja, Beamforming. Wenn 5G so abhebt, wie es die Anbieter erwarten, wird die Zeit kommen, in der wir alle jeden Tag (hinter den Kulissen) Beamforming einsetzen werden.
*Josh Fruhlinger ist ein Schriftsteller und Redakteur, der in Los Angeles lebt.
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