Definition Was ist Beamforming?

Beamforming ist eine Technik, die für moderne, funkbasierte Übertragungsverfahren, zum Beispiel im Wi-Fi- oder Mobilfunkbereich, zum Einsatz kommt. Die Funksignale werden über mehrere Antennen so angepasst und geformt, dass sie auf bestimmte Raumbereiche oder Endgeräte ausgerichtet sind. Das verbessert die Reichweite, erhöht die maximal möglichen Datenraten und reduziert Störungen.

Die deutsche Übersetzung für den englischen Fachbegriff Beamforming lautet Strahlformung. Beim Beamforming handelt es sich um ein Verfahren, mit dem sich Signalwellen bündeln und gezielt in bestimmte räumliche Richtungen und auf einzelne Empfangsgeräte fokussieren lassen, anstatt sie in alle Richtungen gleichmäßig auszustrahlen. Die grundsätzliche Funktionsweise der Strahlformung ist seit über hundert Jahren bekannt und lässt sich zum Beispiel auf Schallwellen oder elektromagnetische Funksignale anwenden.

Beamforming ist heute vor allem für moderne, drahtlose Übertragungsverfahren wie aktuelle WLAN- oder Mobilfunkstandards von Bedeutung. Das Verfahren verbessert die Reichweite, erhöht die Datenraten, reduziert Störungen und macht die Funkübertragung zuverlässiger, leistungsfähiger und effizienter. Beamforming ist aus der modernen Wi-Fi- und Mobilfunkübertragung nicht mehr wegzudenken und hat sich als Technik fest etabliert.

Wie funktioniert Beamforming?

Die Strahlformung elektromagnetischer Signale benötigt mehrere Antennen. Um ein Funksignal gezielt in eine bestimmte Richtung zu bündeln, senden mehrere benachbarte Antennen das gleiche Signal phasenversetzt und mit veränderter Amplitude aus. Die Signale überlagern sich konstruktiv oder destruktiv und werden dadurch in bestimmten Richtungen stärker oder schwächer. Durch die gezielte Steuerung der Phasen und Amplituden entsteht ein Funkstrahl (Beam) in eine bestimmte Raumrichtung, der sich zum Beispiel auf ein Empfangsgerät ausrichten lässt.

Grundsätzlich ist eine Unterscheidung zwischen analogem und digitalem Beamforming möglich. Beim analogen Beamforming kommen analoge Phasenschieber und Dämpfungsglieder zum Einsatz, um das gleiche Signal von verschiedenen Antennen mit veränderter Phase und Amplitude zu senden. Die Phasen und Amplituden der Funksignale werden im Hochfrequenzbereich angepasst.

Digitales Beamforming verändert die Strahlungscharakteristik einer Antennengruppe mithilfe von softwaredefinierten Phasenverschiebungen und Amplitudenänderungen, die für jedes Antennenelement mathematisch von einem digitalen Signalprozessor berechnet werden. Die digitale Strahlformung erlaubt es, die Strahlungscharakteristik der Antennengruppe so zu formen, dass mehrere voneinander unabhängige Sendekeulen für verschiedene Raumrichtungen entstehen. Digitales Beamforming bietet eine hohe Flexibilität und Präzision und erlaubt Multi-User-Beamforming. Die Technik ist aber aufwendiger und teurer, da jedes Antennenelement seine eigene RF-Kette mit eigenem A/D-Wandler benötigt.

Die Mischung aus analogem und digitalem Beamforming wird als hybrides Beamforming bezeichnet. Für das hybride Beamforming kommt analoges Beamforming zusammen mit digitaler Vorkodierung zum Einsatz.

Die nachfolgende Tabelle stellt die Unterschiede von analogem und digitalem Beamforming kurz gegenüber:

Beamforming im WLAN- und Mobilfunkbereich

Beamforming kommt vor allem im WLAN- und Mobilfunkbereich zusammen mit weiteren Verfahren zur Steigerung der Effizienz und Leistung der Funkübertragung zum Einsatz. Die Technik gehört zu den Schlüsseltechnologien moderner WLAN- und Mobilfunkstandards. Im WLAN-Bereich ist Beamforming seit Wi-Fi 5 (oder 802.11ac) fester Bestandteil des Standards. Proprietäre Ansätze waren bereits mit 802.11n (Wi-Fi 4) verfügbar. Mit Wi-Fi 6 (802.11ax) und Wi-Fi 7 (802.11be) wurden weitere Optimierungen und Funktionserweiterungen der Beamforming-Technik vorgenommen und in die Standards übernommen. Unter anderem konnte dadurch auch die Interoperabilität zwischen Sendern und Empfängern verschiedener Hersteller verbessert werden.

Im Mobilfunk hat das Beamforming ebenfalls längst Einzug gehalten. Grundsätzlich kommt die Technik bereits seit LTE-Advanced zum Einsatz. Für 5G-Netze zählt Beamforming zu einer der Kerntechnologien. Mit Beamforming lassen sich Reichweitenbeschränkungen der Funkübertragung überwinden und Störungen minimieren, indem fokussierte Signale an Empfangsgeräte gesendet werden. Besonders wichtig wird diese Technik beim Einsatz von Frequenzen im Millimeterwellenbereich von über 24 GHz, da diese geringere Reichweiten haben und noch anfälliger für Störungen durch Objekte sind.

Zusammenspiel von Beamforming und Verfahren wie MU-MIMO und Massive MIMO

Beamforming ist eine Grundlage für den Einsatz weiterer fortgeschrittener digitaler Funkübertragungstechniken zur Steigerung der Effizienz und Leistung in modernen drahtlosen Netzwerken wie MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) und Massive MIMO. Mit MU-MIMO können Zugangspunkte wie WLAN-Router gleichzeitig über individuelle Datenströme mit mehreren Nutzern kommunizieren. Ähnliche Möglichkeiten bietet Massive MIMO in modernen 5G-Mobilfunknetzen.

Mit Beamforming lassen sich die Funksignale zu den einzelnen Nutzern und Empfangsgeräten präzise ausrichten. Für jeden Empfänger wird ein individueller, gerichteter Signalstrahl erzeugt. Diese Synergie zwischen Beamforming und MU-MIMO beziehungsweise zwischen Beamforming und Massive MIMO ist für moderne Wi-Fi- und Mobilfunknetze wichtig, da viele Geräte gleichzeitig mit hoher Bandbreite kommunizieren möchten.

Vorteile durch Beamforming

Die Vorteile durch Beamforming in Wi-Fi- und Mobilfunknetzen sind:

• größere Reichweiten der gebündelten Funksignale

• höhere Übertragungsraten

• weniger Störungen durch besseres Signal-Rausch-Verhältnis

• Reduzierung von Interferenzen

• zuverlässigere Übertragung und stabilere Verbindungen dank verbesserter Signalqualität in definierten Raumrichtungen

• höhere Energieeffizienz der Funkübertragung durch gezielte Ausrichtung der Sendeleistung

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