فناوری beamforming چیست؟

Beamforming نوعی مدیریت فرکانس رادیویی (RF) است که در آن یک سیگنال بی سیم به سمت یک دستگاه گیرنده خاص هدایت می شود. شکل دهی پرتو در بسیاری از فناوری ها از جمله ارتباطات بی سیم، آکوستیک، رادار و سونار استفاده می شود. تکنیک مدیریت RF امواج رادیویی و صوتی را برای انتقال یا دریافت سیگنال هدایت می کند.

به جای ارسال سیگنال از یک آنتن پخش برای پخش شدن در همه جهات (نحوه ارسال سیگنال به طور سنتی) شکل‌دهی پرتو از چندین آنتن برای ارسال و هدایت همان سیگنال به سمت یک دستگاه گیرنده مانند لپ‌تاپ، تلفن هوشمند یا تبلت استفاده می‌کند، این اتصال منجر به انتقال داده های بی سیم سریع تر و مطمئن تر می شود.

Beamforming از سال 1905 سرچشمه می گیرد، اما اخیراً این فناوری در شبکه های Wi-Fi و نسل پنجم (5G) اعمال شده است. به عنوان مثال، استاندارد 802.11 مشخصاتی را برای روترها برای پیاده سازی پرتوهای Wi-Fi ارائه می دهد.

شکل دهی پرتو Beamforming چگونه کار می کند؟

Beamforming بسته به نوع یا اجرای آن متفاوت عمل می کند. با این حال، با داشتن چندین آنتن در مجاورت نزدیک، سیگنال‌های متعددی را در زمان‌های مختلف ارسال می‌کنند، یک برج یا روتر شکل‌دهنده پرتو می‌تواند سیگنال‌هایی را که ارسال می‌کند تنظیم کند. این تنظیم بهترین مسیر را برای سیگنال برای رسیدن به دستگاه مشتری تعیین می کند. به یک معنا، شکل دهی پرتو، پرتو RF را هنگام عبور از فضای فیزیکی شکل می دهد.

عناصر تشعشع کننده ( یا بخش هایی از آنتن که برای پشتیبانی از جریان های RF طراحی شده اند ) در چندین آنتن نیاز به انتقال سیگنال در طول موج ها و فازهای یکسان دارند.

سایر تکنیک های شکل دهی پرتو شامل موارد زیر است:

شکل دهی پرتو آنالوگ از تغییر دهنده های فاز برای ارسال سیگنال یکسان از چندین آنتن استفاده می کند. سیگنال روی فازهای مختلفی تنظیم می شود که یک الگوی آنتن ایجاد می کند که جهت خاصی را نشان می دهد. فازهای سیگنال، سیگنال های آنتن در دامنه RF تنظیم می شوند که پوشش را بهبود می بخشد.

شکل دهی پرتو دیجیتال سیگنال های مختلفی برای هر آنتن در یک باند پایه دیجیتال دارد. گیرنده های دیجیتال در عناصر تابشی هر آنتن قرار می گیرند. فازهای متفاوتی برای باندهای فرکانسی مختلف اعمال می‌شود که باعث می‌شود شکل‌دهی پرتو دیجیتال انعطاف‌پذیرتر باشد. سپس یک پردازشگر شکل دهنده پرتو دیجیتال می تواند پرتوهای مستقل متعددی را در هر جهتی هدایت کند. این روش برای مالتی پلکس فضایی مفید است.

شکل دهی پرتو، ترکیبی از شکل دهی پرتو آنالوگ و دیجیتال است. رویکرد ترکیبی از شکل‌دهی پرتو آنالوگ همراه با پیش‌کدگذاری دیجیتال، که برای پشتیبانی از انتقال چند جریانی استفاده می‌شود، برای تشکیل الگوهای ارسال شده از آرایه آنتن استفاده می‌کند. این فرآیند تعداد پرتوهای آنالوگ را تعیین می کند و در عین حال امکان تغییرات فرکانس را فراهم می کند. ایستگاه های پایه 5G می توانند از شکل دهی پرتو هیبریدی استفاده کنند.

Massive MIMO یا چند ورودی و چند خروجی، یک فناوری آنتن برای شبکه های بی سیم است که در آن چندین آنتن در هر دو انتهای فرستنده و گیرنده استفاده می شود. MIMO عظیم از یک فرکانس مشترک استفاده می کند که سپس در چندین جهت هدایت می شود. این به پردازنده های سیگنال دیجیتال و منطقه ای با تداخل سیگنال زیادی نیاز دارد. زمان‌های مختلف رسیدن سیگنال، کانال‌های دوطرفه تقسیم زمانی متعددی را تشکیل می‌دهند که افزونگی مسیر را فراهم می‌کنند. MIMO عظیم در فناوری بی سیم، Wi-Fi و 5G استفاده می شود.

فرمان پرتو فاز سیگنال های ورودی را در هر عنصر آنتن تابشی تغییر می دهد. این روش اساساً دستگاه گیرنده را ردیابی می کند و یک سیگنال را به آن هدایت می کند. یک فرکانس رایج با یک پرتو سیگنال در جهت صحیح هدایت می شود. در همین حال، سیگنال های مختلفی را می توان به دستگاه های دیگر ارسال کرد.

شکل دهی پرتو 5G

شکل‌دهی پرتو را می‌توان با سیگنال‌های 5G برای غلبه بر موانعی که معمولاً با آن مواجه است، از جمله تداخل و محدودیت‌های برد، استفاده کرد. شکل دهی پرتو 5G امکان ارسال سیگنال های متمرکز بیشتری را به دستگاه گیرنده مانند تلفن هوشمند یا لپ تاپ فراهم می کند. این فرآیند تداخل بین پرتوهای فردی را به حداقل می رساند.

شکل دهی پرتو هیبریدی و MIMO عظیم نامزدهای رایج برای 5G هستند. به عنوان مثال، MIMO عظیم ممکن است از آرایه های چند آنتنی و مالتی پلکس فضایی برای انتقال چندین سیگنال مستقل استفاده کند.

مزایا و معایب beamforming

از مزایای شکل دهی پرتو می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• قدرت بیشتر در جهت مشخص شده پرتو هدایت می شود.
• کیفیت سیگنال بالاتر به دستگاه گیرنده می رسد که ظرفیت پوشش برج سلولی یا ایستگاه پایه را افزایش می دهد.
• انتقال اطلاعات سریعتر و خطاهای کمتری وجود دارد.
• از تداخل سیگنال بین دستگاه ها اجتناب می شود زیرا سیگنال ها فقط در صورت نیاز پخش می شوند.
• اجرای پرتوهای آنالوگ نسبتاً ساده است و نیاز به توان کمتری دارد.
• محدودیت های فعلی شکل دهی پرتو

با این حال، شکل دهی پرتو محدودیت هایی دارد:

• گاهی اوقات به منابع محاسباتی و توان بیشتری برای محاسبات شکل دهی پرتو نیاز دارد.
• سیستم‌های شکل‌دهی پرتوهای دیجیتال و عظیم MIMO ممکن است پیچیده‌تر باشند، به‌ویژه با توجه به آنتن‌های بیشتر و سایر سخت‌افزارهای مورد استفاده.
• هزینه آن بیشتر از سیستم های سنتی است.
• هزینه ها و ملاحظات شکل دهی پرتو

چندین عامل وجود دارد که باید هنگام اجرای beamforming در نظر گرفت:

• فرکانس های بالا و تعداد زیادی آنتن می تواند پرهزینه باشد.
• شکل‌دهی پرتو دیجیتال به فرستنده‌های گیرنده برای هر آنتن نیاز دارد، که با افزایش مصرف انرژی، هزینه آن افزایش پیدا میکند.
• سیستم های MIMO و الگوریتم های شکل دهی پرتو می توانند پیچیده باشند.
• عملکرد آنتن، ویژگی های پرتو و الگوریتم های مدیریت پرتو باید به دقت در نظر گرفته و انتخاب شوند، زیرا بر عملکرد تأثیر می گذارند.
• محصولاتی که با مصرف کننده روبرو هستند، مانند روترها، ممکن است گران باشند

آینده فناوری شکل دهی پرتو

Beamforming این پتانسیل را دارد که در شبکه‌های Wi-Fi و 5G رایج‌تر شود و ممکن است به یک فناوری ضروری برای کمک به شبکه‌های ارتباطی برای برآوردن نرخ داده‌ها و ظرفیت‌های شبکه در آینده تبدیل شود. علاوه بر این، با بهبود الگوریتم های شکل دهی پرتو، شکل دهی پرتو قادر خواهد بود بهترین مسیرهای داده را انتخاب کند.