Beamforming und 3D-MIMO

Was bringen diese 5G-Schlüsseltechniken und wie funktionieren sie?

1. Beamforming

Das sogenannte „Beamforming“ gehört mit zu den elementaren Schlüsseltechniken des 5G-Mobilfunkstandards. Dabei ist Beamforming als Verfahren gar nicht neu und bereits seit Jahren Bestandteil in WIFI 5 oder höher. Aber was verbirgt sich dem vermeintlich aus der Science-Fiction-Literatur stammenden Begriff und wie funktioniert das?

1.1 Was ist Beamforming?

Stellen wir uns zunächst ganz vereinfacht eine flache Antenne vor. Diese sendet das Signal in Form von elektromagnetischen Wellen gleichförmig in Senderichtung aus. Bildlich vorstellen kann man sich das sehr einfach mit einer Lampe mit Schirm. Die folgende Illustration versucht dies links anzudeuten.



Beim Beamforming wird nun die sogenannte Abstrahlcharakteristik geändert. Statt Licht gleichsam in alle Richtungen zu schicken, wird der Strahl gebündelt (Abstrahlkeule), wie mit einer Taschenlampe, wo sich der Kegel bündel lässt. Man erhält dann mehr Licht an einem bestimmten Punkt, statt überall im Raum mit geringerer Intensität.

Übertragen auf den Mobilfunk bedeutet das vereinfacht gesagt, ein stärkeres, stabileres Signal beim Nutzer. In der Folge kann eine Mobilfunkstation mehr Kunden gleichzeitig und dennoch mit höheren Geschwindigkeiten versorgen.

Dieses Video von Vodafone illustriert die Funktionsweise ab dem Zeitstempel 0:25 sehr gut:

1.2 Was bringt Beamforming?

Fassen wir noch einmal kurz die Vorteile zusammen. Durch Beamforming kann eine Mobilfunkstation individuell jeden Nutzer im Senderadius gezielt „anfunken“. Funktechnisch bedingt sich dadurch ein deutlich besseres „Signal-Rauschverhältnis“, wodurch die Stabilität und potenziell auch die maximal erreichbare Datenrate zunimmt.

Darüber hinaus kann die Station nun mehr Nutzer gleichzeitig versorgen – Kapazität und Reichweite verbessert sich ebenfalls.  Doch wie bekommt man so einen gerichteten Stahlkegel und wie zielt man damit direkt auf das Smartphone des Mobilfunknutzers?

1.3 Wie funktioniert die "Strahlenformung"?

Um das zu erklären, bemühen wir kurz wieder unser Antennenbeispiel. Speisen wir zwei Sendeelemente in einer Antenne nebeneinander mit demselben Signal, so erhalten wir nicht etwa zwei leicht versetzte Kegel, sondern weiterhin einen, nur deutlich gerichteter. Genauer gesagt, wird die doppelte Energie vorwärtsgerichtet abgestrahlt, statt in andere Richtungen, was einem Gewinn von 3 dBm ausmacht (~ Verdopplung). Bei vier Sendeelementen in der Antenne vervierfacht sich die Sendeleistung (6 dBm) und der Kegel wird nochmals schmaler. Im Zuge der Erhöhung der Sendeelementanzahl (Antennenfeld/Array), wird die Abstrahlkeule also immer schmaler.



Dabei ergibt sich allerdings ein neues Problem. Denn der Nutzer profitiert von dem gebündelten, stärkeren Signal nur, wenn er sich genau in der gedachten Strahlungskeule befindet bzw. der Funkmast es schafft, ihn genau „anzupeilen“. Übertragen auf das Taschenlampenbeispiel: Der stark gebündelte Lichtstrahl muss ganz genau auf das Ziel ausgerichtet werden.

Um das zu erreichen, muss das Antennenfeld in der Lage sein, den Kegel sowohl vertikal (Höhe) als auch horizontal (Azimut Beamforming) auszurichten. Zur horizontalen Ausrichtung wird das gleiche Signal vom Antennenarray mit unterschiedlichen Phasen und Amplituden ausgesendet. Dadurch lässt sich die Richtung der Sendekeule steuern. Durch die unterschiedlichen Signallaufzeiten bis zum Endnutzer, kann die Station zudem den genauen Standort bestimmen. Für die Abdeckung in der Höhe (z.B. Büro im 3. Stock), bedarf es aber auch der vertikalen Ausrichtung. Hier kommen die sogenannten 3D-MIMO-Techniken ins Spiel.

2. Aktive Antennensysteme (AAS) & 3D Beamforming

Moderne Basisstation beherrschen das sogenannte „active antenna system“, kurz AAS. 3D-Beamforming (3D-BF) ist dabei eine Schlüsselkomponente (AAS 3D-MIMO Technologie). 3D-BF hilft abermals, die Kapazität sowie Reichweite einer Funkzelle zu erhöhen. Denn wenn die Station nur horizontales Beamforming (2D) unterstützt, sinkt die Signalqualität für Mobilfunknutzer außerhalb des Hauptkegels in der 3. Dimension (Höhe) erheblich.



Unterstützt die Basisstation hingegen 3D-BF, kann jeder Nutzer mit einem gerichteten Signalkegel (Beam) versorgt werden, sowohl in vertikaler, wie auch horizontaler Richtung. Gerade im städtischen Bereich mit hohen Häusern, kann so die Abdeckung enorm gesteigert werden. Dank Multi-User MIMO können zudem Interferenzen minimiert werden, welche durch die Nutzung mehrerer User mit derselben Frequenz entstehen.

3. Beamforming bei LTE & 5G in der Praxis

Die Technik kommt bereits seit längerem bei modernen LTE-Funknetzen auf Basis von LTE-Advanced zum Einsatz. Vodafone startete beispielsweise schon Mitte 2018 die eigens genannte „5G Beam“ Technik. Der Name sollte wahrscheinlich andeuten, dass das gleiche Verfahren auch für 5G-Netze zum Einsatz kommt.

In unseren Beispielen oben haben wir maximal 4 Antennenelemente betrachtet. In der Praxis kommen aber 128 zum Einsatz, genauer gesagt 2 x 64, da jedes Element sowohl vertikal als auch horizontal polarisiert funkt (Kreuzpolarisation).

Weiterführendes

» Wie schnell ist 5G eigentlich?
» Was sind Campusnetze?
» 5G Daten-Tarife im Vergleich