Analoges Beamforming vs. digitales Beamforming

Ich lese einige Forschungsartikel über drahtlose Kommunikation, in denen sie über Beamforming-Techniken und ihre Unterschiede in Tx-Rx-Systemen mit mehreren Antennen (MIMO) sprechen. Es heißt, dass analoges Beamforming nur einen Stream (oder einen Benutzer) gleichzeitig unterstützen kann, während digitales Beamforming mehrere Streams und Benutzer unterstützen kann.

Kann jemand genau erklären, warum das so ist?

Um direkter zu fragen, warum kann ich keine Strahlen in mehrere Richtungen erzeugen, die unterschiedliche Informationsströme tragen, indem ich eine Anordnung von Antennen verwende, während ich analoges Beamforming verwende?

Nicht genau. Ich denke, die Frage ist jedoch auf jedes allgemeine Szenario anwendbar.
Könnten Sie etwas Kontext hinzufügen, wie die fraglichen Artikel?

Antworten (1)

Beamforming ist im Grunde nichts anderes als das Kombinieren der Signale aus verschiedenen Quellen, um das Signal zu maximieren und das Rauschen zu minimieren. Dies wird erreicht, indem die Antennen physikalisch getrennt werden, so dass es eine Verzögerung zwischen dem Empfang an allen Antennen gibt. Dann führen Sie elektrische Verzögerungen ein, um die empfangenen Signale wieder auszurichten. Auf diese Weise summiert sich das Signal und wird durch die Anzahl der Empfangsantennen verstärkt. Das Rauschen addiert sich nicht auf die gleiche Weise, sodass die Endsumme ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis aufweist als das empfangene Signal von einer einzelnen Antenne.

Der Begriff "Strahlformung" kommt von der Idee, dass dieser Summiereffekt ähnlich wirkt, als ob eine einzelne Richtantenne mit hoher Verstärkung auf die Quelle gerichtet wäre. Die Richtwirkung einer Antenne wird als "Strahl" bezeichnet. Da Sie eine Richtantenne aus ungerichteten Antennen herstellen, formen Sie einen Strahl: Strahlformung.

Die Richtung, in die der Strahl zeigt, wird durch die Verzögerungen zwischen den verschiedenen Antennen bestimmt.

In einem analogen System haben Sie eine Reihe von Antennen mit festen Verzögerungen – Ihr Strahl zeigt in eine bestimmte Richtung.

Sie könnten ein analoges System aufbauen, bei dem Sie das Signal von jeder Antenne in mehrere Verzögerungen aufteilen und sie zusammenfassen, um mehrere Strahlen zu erhalten. Ich denke, die Verluste und unerwünschten Verzögerungen der benötigten Splitter und Verstärker würden die Nützlichkeit eines solchen Systems so weit reduzieren, dass sich der Aufwand nicht mehr lohnt.

Ein digitales System unterscheidet sich darin, dass Sie die Verzögerungen in der Software variieren können. Es gibt keine Verluste, sodass Sie in Echtzeit so viele Strahlen erzeugen können, wie Ihr Prozessor verarbeiten kann.

Digitale Systeme beinhalten Algorithmen, bei denen die Basisstation versucht, die Kommunikation mit den Clients zu verbessern, indem sie Strahlen auf sie richtet. Die Zeitverzögerungen, mit denen das Signal von den Clients an der Basisstation ankommt, können verwendet werden, um die Verzögerungen zu berechnen, die zum Ausrichten des Strahls erforderlich sind. Grundsätzlich bestimmt die Basisstation die Richtung zum Client und richtet einen ihrer Strahlen in diese Richtung.

Danke! Könnten Sie Folgendes klarstellen: Sagen Sie, wenn ich ein 2x2-Array von Antennen habe und wenn ich insgesamt 4 Phasenschieber habe, von denen jeder ein Antennenelement im Array speist. Kann ich also sagen, dass diese Struktur einen Strahl mit einer bestimmten Richtung erzeugt, die durch die Phasenverschiebungswerte bestimmt wird?
Ja. Exakt. Sie können es jedoch wahrscheinlich mit nur drei Phasenverschiebungen tun. Eine Verzögerung von Null ist immer noch eine Verzögerung.
Danke noch einmal! Ich habe noch einige anstehende Verwirrungen. "Ein digitales System unterscheidet sich darin, dass Sie die Verzögerungen in der Software variieren können. Es gibt keine Verluste, sodass Sie in Echtzeit so viele Strahlen erzeugen können, wie Ihr Prozessor verarbeiten kann." Den letzten Teil kann ich nicht ganz nachvollziehen. Ich verstehe, dass ich die Phasenverzögerungen mit einem digitalen System leicht verschieben kann. Aber selbst im digitalen Bereich gibt es zu jedem Zeitpunkt nur 4 (oder 3) Phasenschieber, die meine Antennenarray-Elemente speisen. Wird es also nicht zu jedem Zeitpunkt ein einziger Richtstrahl sein? NB: Es mag dumm klingen, aber ich bin verwirrt :(
Überhaupt keine Phasenschieber in einem digitalen System. Die gesamte Phasenverschiebung erfolgt in Software. So kann so ziemlich jede Verzögerung erreicht werden, die Sie benötigen. Sie haben nur eine begrenzte Anzahl von Antennen, und das bestimmt die maximale Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Der Umfang der Verarbeitung, die Sie durchführen können, bestimmt, wie genau Sie den Strahl ausrichten können, und das bestimmt, wie viel Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses Sie wirklich erreichen können.
Okay. Jetzt verstehe ich, dass es in der digitalen Beamforming-Szene keine Phasenschieber gibt. Aber stimmt es nicht, dass in einem 4-Antennen-Array "zu jeder Zeit" nur 4 Verzögerungen die Antenne erreichen können? Ich kam also zu dem Schluss, dass nur 1 Strahl gleichzeitig möglich ist. Wo liege ich falsch? Könntest du helfen.
Sie digitalisieren die Signale im Digitalsystem. Sie haben 4 Datenströme. Sie können diesen Datensätzen beliebig viele verschiedene Sätze von 4 Verzögerungen zuweisen, um so viele Strahlen zu erstellen, wie Sie möchten.
Oh, in Ordnung. Mir war nicht klar, dass N parallele Datenströme digitalisiert und erstellt werden können, wobei N die Anzahl der Antennen ist. So können N Strahlen zu jedem gegebenen Zeitpunkt gebildet werden und ihre Richtungen können im Laufe der Zeit abgestimmt werden, indem verschiedene Sätze von Verzögerungen im Laufe der Zeit verwendet werden. Ich hoffe, ich liege endlich richtig. Danke vielmals :)
N ist nicht die Anzahl der Antennen. Sie haben 4 digitalisierte Signale und daraus können Sie N Strahlen machen.
Die Anzahl der Strahlen hat nichts mit der Anzahl der Antennen zu tun; es wird stattdessen durch die Leistung der Rechensysteme in der Baugruppe eingeschränkt, die angesichts der Tatsache, dass dies eine nahezu perfekt parallelisierte Aufgabe ist, ziemlich hoch sein könnte (nur das Auffächern des Addierens der Ergebnisse für die Übertragung hat eine Kostenskalierung mit der Breite und so). ist leicht zu handhaben)
Analoges Beamforming vs. digitales Beamforming
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