Beamforming به عنوان یک تکنیک فرکانس رادیویی (RF) تعریف می شود که به سیگنال های بی سیم اجازه می دهد تا با استفاده از مجموعه ای از سنسورها و آنتن ها که تداخل را بهینه می کنند، دستگاه گیرنده خاصی را هدف قرار دهند. در این مقاله نحوه عملکرد، 8 تکنیک Beamforming و کاربردهای بیم فورمینگ را توضیح خواهیم داد.
Beamforming چیست؟
Beamforming روشی است که به جای برودکست کردن، سیگنال بیسیم را بر روی یک دستگاه گیرنده متمرکز میکند. در مقایسه با اتصال مستقیم بدون بیم فورمینگ، اتصالی که از این فناوری استفاده می کند نتایج سریع تر و قابل اعتمادتری را ایجاد می کند. به علاوه بیم فورمینگ از آنتن های زیادی برای ارسال و هدایت سیگنال به سمت یک دستگاه گیرنده (مانند لپ تاپ، گوشی هوشمند یا تبلت) استفاده می کند.
این ایده به سال 1905 بر می گردد اما شبکه های Wi-Fi و 5G به تازگی از این تکنیک استفاده می کنند. به عنوان مثال استاندارد 802.11 مشخصاتی را برای روترها ارائه می دهد تا بیم فورمینگ را پیاده سازی کنند. امواج الکترومغناطیسی به طور طبیعی از یک آنتن منفرد در همه جهات تابانده می شوند مگر اینکه یک جسم فیزیکی مانع از انتقال شود.
چندین آنتن به هم نزدیک می شوند تا سیگنال یکسان را به طور همزمان منتقل کنند تا آن را متمرکز کنند و یک پرتوی الکترومغناطیسی هدفمند ایجاد کنند. تداخل ناشی از امواج همپوشانی بسته به محل وقوع، هم اثرات سازنده خواهد داشت و هم مخرب.
این روش زمانی به درستی انجام می شود که سیگنال در یک جهت خاص هدایت شود. Beam steering ایده Beamforming را توسعه می دهد. تمام سیگنال های ورودی در فازهای متفاوتی برای هدایت پرتو استفاده می شوند. تغییر فاز، سیگنال را قادر می سازد تا به یک گیرنده خاص هدایت شود.
یک آنتن ممکن است از عناصر تشعشعی با فرکانس یکسان برای هدایت یک پرتو در یک جهت مشخص استفاده کند. شبکه ها ممکن است پرتوهای فرکانس متفاوتی را در جهات مختلف هدایت کنند تا چندین کاربر را پوشش دهند.
اگر پرتو نتواند کاربر را دنبال کند، نقطه پایانی ممکن است به پرتو دیگری تغییر کند. Beamforming توضیح می دهد که چگونه گروهی از آرایه های فازی در ابتدا یک پرتو انرژی تولید می کنند. شکل و جهت پرتو سیگنال بسیاری از آنتن ها را می توان با استفاده از آرایه های آنتن فازی با تنظیم فاصله بین آنتن ها و فاز سیگنال از هر عنصر آنتن تغییر داد.
نحوه کار Beamforming
در Beamforming پرتوهای سیگنال با پرتوهای نور قابل مقایسه هستند. پرتو نور چراغ قوه LED دارای فرمی تنظیم شده است. در پرتو نور روی هم قرار می گیرند، اگر چراغ قوه دیگری پرتوی نور را در همین جهات ساطع کند، روشنایی را افزایش می دهد و شکل پرتو را تغییر می دهد.
وقتی از چراغ قوه های بیشتری استفاده می شود، روشنایی و شکل پرتوهای روی هم افتاده تغییر می کند. وقتی که چراغ قوه ها را روشن و خاموش می کنیم نور خروجی تغییر می کند و شکل پرتور هم تحت تاثیر قرار می گیرد. یک آنتن مانند یک چراغ قوه برای ارتباطات بی سیم عمل می کند و پرتوهای رادیویی را ساطع می کند.
کابران می توانند با تعدیل سیگنال های رادیویی ارسال شده توسط هر آنتن، شکل پرتوهای رادیویی یک سیستم با آنتن های متعدد را تغییر دهند. اگر دو پرتو تضعیف مساوی داشته باشند اما فازهای متضادی را استفاده کنند ممکن است هنگام رسیدن سیگنال از آنتن های مختلف به یک مکان خاص یک حفره فضایی در یک سیستم چند آنتنی ایجاد شود.
با پیش بینی فازهای آنتن های فرستنده، فناوری Beamforming امکان قرار دادن دو پرتو با نتایج بهینه را فراهم می کند. Beamforming اطلاعات وضعیت کانال (CSI) را برای جمع آوری و محاسبه پارامترهایی که نیاز به اصلاح دارند را شناسایی می کند. با توجه به حالت های بدست آوردن CSI، بیم فورمینگ را می توان به صورت صریح یا ضمنی استفاده کرد.
با هدایت یک سیگنال در یک جهت خاص، می توانید کیفیت سیگنال بالاتری را بدون افزایش قدرت پخش به گیرنده ارائه دهید که منجر به انتقال سریعتر داده ها و خطاهای کمتر می شود. از آنجایی که می توان از بیم فورمینگ برای قطع یا توقف انتقال در جهات دیگر استفاده کرد، کاربرانی که سعی در دریافت سیگنال های دیگر دارند ممکن است تداخل کمتری داشته باشند.
برای شبکه های Wi-Fi ، بیم فورمینگ ایده جدیدی نیست، اما اخیراً پیشرفت زیادی کرده است. یکی از اجزای مهم شبکه های 5G، بیم فورمینگ است. یک سیگنال بی سیم را می توان در جهات متعدد تنها با یک آنتن منتقل کرد. با این حال، استفاده از چندین آنتن نزدیک به یکدیگر باعث ایجاد پرتو می شود.
پخش همزمان چندین امواج سیگنال به این ترتیب انجام می شود. بسته به نحوه انجام ، لایه بندی امواج سیگنال تداخلی ایجاد می کند که می تواند مفید یا مضر باشد. اگر بیم فورمینگ به درستی انجام شود، سیگنال شما به صورت قدرتمندی انتقال پیدا می کند و اگر به درستی انجام نشود تداخل و از دست رفتن سیگنال رخ خواهد داد.
با استفاده از Beamforming اکسس پوینت می تواند سیگنال خود را در جهتی خاص هدایت کند. اگر دستگاه دریافت کننده در این جهت باشد مزایای قابل توجهی مانند توان عملیاتی سریع تر، تداخل کمتر و سیگنال بهبود یافته را تجربه خواهید کرد. اگر دستگاه های شما از بیم فورمینگ پشتیبانی می کنند لازم نیست نگران از دست رفتن سیگنال و یا اطمینان از قرار گرفتن در مسیر آن باشید.
برای پیدا کردن کلاینت، روتر شما به طور مداوم با آن ارتباط برقرار می کند. بعد سیگنال به طور خودکار در جهت آن هدایت می شود. بسته به نحوه استفاده از آن، بیم فورمینگ متفاوت عمل می کند. پرتو فرکانس رادیویی (RF) با حرکت پرتو در فضای فیزیکی تا حدودی شکل می گیرد. اجزای تشعشی یا قطعات آنتی که برای حمل جریان های RF در آنتن های متعدد ساخته شده اند، باید سیگنالی با طول موج و فاز یکسان ارسال کنند.
قبل از تحویل داده ها، روترها کلاینت را تعیین می کنند و جزئیات مرتبط بیشتری از مسیرهای انتقال را جمع آوری می کنند. این پارامترها روترها را قادر می سازند تا سیگنال های خود را تغییر و متمرکز کنند تا به کلاینت ارسال کنند و در نتیجه اتصالات سریع تر و مطمئن تری ایجاد کنند. سیگنال های وای فای می توانند بیشتر حرکت کنند زیرا به برای ارسال اطلاعات در همه جهات، پرتوهای خود را متمرکز می کنند. علاوه بر این، تداخل داده کاهش پیدا می کند.
یکی از اجزای مهم LTE، فناوری MIMO است که در بیم فورمینگ استفاده می شود. حالا به لطف این فناوری امکان انتقال داده با سرعت بالا وجود دارد. اگر چراغ قوه متمرکز نشده باشد نور در همه جهات پخش می شود، که اگر بخواهید قسمت دوری از یک مکان تاریک را مشاهده کنید کارایی ندارد. بدون بیم فورمینگ هم همین مورد در باره روتر خانگی شما صدق می کند.
پس از فوکوس کردن، نور به مکان های اصلی می رود و بسیار متمرکز می شود. فناوری بیم فورمینگ عواملی مانند سطح نویز، سرعت و سطح کیفیت خدمات (QoS)، موقعیت ترمینال، سیگنال را برای اطمینان از انتقال کارآمد و افزایش قدرت سیگنال ارزیابی می کند.
8 تکنیک Beamforming
حالا که اطلاعاتی در مورد بیم فورمینگ بدست آورده اید موقع آن است که در مورد تکنیک ها و حالت های مختلف عملکرد آن صحبت کنیم.
Narrowband beamforming: ترکیب خطی آنی سیگنال های آرایه دریافتی منجر به Narrowband beamforming می شود. با این حال، سیگنال های پهن باند؛ استفاده از ابعاد پردازش بیشتر را برای عملکرد کارآمد ضروری می سازند. اکثریت قریب به اتفاق برنامه های ارتباطی بی سیم امروزه هنوز این تکنیک را در اولویت قرار می دهند. برای سیگنال های با باند باریک، جابجایی های مورد نیاز در ماتریس نگاشت، شکلی بسیار ساده تر خواهند داشت.
Wideband beamforming : فیلتر فضایی برای سیگنال های پهن باند در طول Wideband beamforming اعمال می شود. با توجه به الزامات 5G در مورد انتقال باند فرانس بالا برای دستیابی به سرعت انتقال فوق العاده بالا؛ بیم فورمینگ پهن باند به موضوع حیاتی برای برنامه های ارتباطی بی سیم آینده تبدیل شده است.
Mm-wave beamforming بهترین نمونه از این تکنیک است که ممکن است برای ایجاد سرعت ها و ظرفیت های فوق العاده بالا در 5G استفاده شود. با گسترش فناوری UWB و گسترش پهنای باند ارتباط بی سیم، بیم فورمینگ پهن باند تکامل یافت.
Zero Forcing (ZF) : دستگاه های بی سیم با آنتن های زیاد از Zero Forcing (ZF) به عنوان یک تکنیک پردارش سیگنال فضایی استفاده می کنند. الگوریتم ZF فرستنده را قادر می سازد تا داده ها را به کاربران مورد نظر تحویل دهد و در حین اتصال، مسیرهای که به سمت کاربران ناخواسته می روند را حذف کند. در طول آپ لینک، ZF از کاربران منتخب دریافت دارد.
Analog beamforming: تغییر دامنه / فاز به سیگنال آنالوگ در طول Analog beamforming اعمال می شود. قبل از تبدیل ADC، بیم فورمینگ آنالوگ در سمت دریافت کننده داده های چندین آنتن را جمع آوری می کند. ساده ترین روش، بیم فورمینگ آنالوگ است که از تنظیم تک فاز دامنه آنالوگ استفاده می کند.
خروجی یک فرسنده گیرنده RF منفرد به مسیرهای متعدد، بر اساس بیم فورمینگ آنالوگ و تعداد آنتن های آرایه تقسیم می شود. قبل از رسیدن به آنتن، هر سیگنال تقویت شده و تغییر فاز پیدا می کند. کمترین مقدار سربار سخت افزاری و نرم افزاری؛ این تکنیک را به ساده ترین و مقرون به صرفه ترین سیستم بیم فورمینگ تبدیل کرده است.
Switched beamforming: این تکنیک به یک شبکه بیم فورمینگ ثابت وابسته است. یک شبکه بیم فورمینگ با پرتوهای ورودی P خود را از سیگنال های آنتن N دریافت می کند به طوری که P>N. یک شبکه بیم فورمینگ که پرتوهای P=N را تولید می کند، ماتریس باتلر است.
بالاترین نسبت سیگنال به نویز (SNR) هر پرتو برای هر کاربر محاسبه می شود. پرتو مربوط به بالاتری SNR برای پردازش اضافی انتخاب می شود. همه کاربران به تمام کانال های اختصاص داده شده به سلول آرایه های که در حال سرویس دهی است؛ دسترسی دارند. بنابراین یک پرتو ممکن است توسط افراد زیادی استفاده شود.
Adaptive beamforming: از آرایه ای از فرستنده ها یا گیرنده ها استفاده می کند تا سیگنال فضایی تطبیقی را پردازش کند. این تکنیک فرض می کند که یک بیس استیشن (BS) موقعیت ایستگاه متحرک را به روزرسانی می کند. بسیاری از استیشن های موبایل می توانند الگوریتم را تحت تاثیر قرار دهند و محلی سازی مناسب را به یک کار چالش برانگیز تبدیل کنند.
برای سیستم های ارتباطی بی سیم، تعیین جهت ورود (DOA) سیگنال های دریافتی که به آرایه آنتن برخورد می کنند، چالش برانگیز است. اجرای یک سیستم بیم فورمینگ تطبیقی بسیار چالش برانگیز تر از سیستم بیم فورمینگ سوئیچ شده است. سیستم بیم فورمینگ تطبیقی کامل سعی در کاهش تداخل کاربر و افزایش توان منابع دارند.
Digital beamforming (DBF) : در سمت فرستنده، سیگنال دیجیتال را در معرض تغییرات دامنه / فاز قرار می دهد. فرایند معکوس عملیات ADC از DAC پیروی می کند. مبدل های دیجیتال و ADC سیگنال های دریافتی از آنتن ها را ارسال می کنند.
مزایای مهم DF در حالت دریافت عبارتند از پرتوهای چندگانه با فاصله نزدیک، اصلاح الگوی عناصر آرایه، لوب های جانبی بسیار کم، وضوح فوق العاده و توان رادار و مدریت زمان تطبیق.
Hybrid beamforming: این روش از مزایای بیم فورمینگ آنالوگ و دیجیتال استفاده می کند و به همین خاطر بیم فورمینگ هیبریدی یا ترکیبی نامیده می شود. از پیش کدگذاری برای دامنه های آنالوگ و دیجیتال استفاده می کند. به عنوان مثال پیش گدگذاری باند و RF و بیم فورمینگ. همین رویه در سمت دریافت کننده هم اعمال می شود تا الگوی گیرنده مورد نیاز ساخته شود.
در نتیجه شبکه های تلفن همراه نسل پنجم مبتنی بر امواج میلی متری رادیویی آن را در خود جای داده اند. این تکنیک یک روش مقرون به صرفه است که می تواند هزینه های سخت افزاری و مصرف برق را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
کاربردهای بیم فورمینگ
Beamforming یک فناوری شبکه چند منظوره و پرکاربرد است که در چندین بخش استفاده می شود. در ادامه ما 6 کاربرد برتر را به شما معرفی می کنیم.
Beamforming 5G : فایو جی از بیم فورمینگ می تواند برای دور زدن مشکلاتی مانند تداخل و محدودیت برد استفاده کند. به لطف Beamforming 5G می توان سیگنال های هدفمند بیشتری را به دستگاه گیرنده (مانند گوشی هوشمند) عرضه کرد. این روش تداخل بین دکل های چندگانه را کاهش می دهد.
Beamforming Wi-Fi : به جای اینکه سیگنال وای فای در همه جهات پخش شود؛ بیم فورمینگ سیگنال را به سمت یک دستگاه گیرنده خاص هدایت می کند. به همین دلیل به لطف این فناوری می توانید سیگنال قوی تری را برای مناطقی که دسترسی به آنها دشوار بود را داشته باشید.
بیم فورمینگ در نجوم: فرآیند بیم فورمینگ سیگنال های چندین آنتن را برای سنتز موثر یک دیافراگم و یک پرتو ترکیب می کند. از زمان کشف اولین امواج رادیویی از فضا، بیم فورمینگ (ترکیب خطی سیگنال های حسگرهای مختلف) برای نجوم رادیویی مورد استفاده قرار گرفته است. در عوض، دهها هزار آنتن ثابت و همه جهته توسط بزرگترین تلسکوپ رادیویی جهان LOFAR استفاده میشود که نویدبخش پیشرفت تحقیقات نجومی است.
بیم فورمینگ در مراقبت های سلامتی : یک فناوری ضروری که وضوح سیستم اولتراسونیک را ایجاد می کند، بیم فورمینگ است. Beamforming تکنیکی برای تولید تصویر اولتراسوند با کیفیت بالا از میدان مورد علاقه با فعال کردن دقیق عناصر آرایه مبدل در حین ارسال پرتوهای اولتراسوند و دریافت پژواک بازتابی است.
بیم فورمینگ در پردازش داده های لرزه ای : به عنوان بخشی از فرآیند استخراج، بیم فورمینگ تطبیقی خواص سیگنال و نویز را تخمین می زند. هدف پردازش لرزهای بهبود نسبت سیگنال به نویز بخش لرزهای و ایجاد نتایج قابل درک تر می باشد.
بیم فورمینگ صوتی : یک روش مهم برای تعیین و اندازه گیری منابع صوتی، بیم فورمینگ صوتی است که منابع رقابتی و نویز پس زمینه را حذف می کند.
منبع: spiceworks
