Die Deutsche Telekom hat einen leicht verständlichen und gut illustrierten technischen Beitrag über Beamforming auf ihrer Website. Ich habe mir erlaubt, den Beitrag komprimiert und geringfügig umformuliert hier ins Forum zu übernehmen. Wer lieber das Original lesen möchte, <hier> geht's lang. Allerdings habe ich Zweifel, ob alle Aussagen des Beitrags technisch zutreffend sind. So sind mit 64 Sendeelementen (Dipole) einer 5G-Antenne bestimmt nicht 64 stark gebündelte Beams zu erzeugen, wie diese in der Grafik zu sehen sind, sondern erheblich weniger. Unzutreffend (und ungewollt sogar angstschürend) ist mMn auch die Aussage, im Randbereich einer 5G-Funkzelle sei das Funksignal ähnlich stark wie im Zentrum. Ich will versuchen, diese Fragen mit der Telekom zu klären.

Was ist Beamforming?

Beamforming ist der nächste Schritt nach Mimo. Zur Erinnerung: Bei 4x4-Mimo, einer Art Quattro-Antrieb fürs Mobilfunknetz, sorgen vier Sendeantennen am Mast und vier Empfangsantennen im Endgerät für rund 60 Prozent schnelleres Surfen. Aus der bisherigen maximalen LTE-Geschwindigkeit von 300 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) werden so an die 480 Mbit/s.

Beamforming greift dieses Prinzip auf, steigert dieses aber nochmals um den Faktor 16! Denn hier strahlt eine aktive Antenne z.B. 64 Signale parallel aus, die sich alle einzeln steuern und auf Kunden ausrichten lassen. Das sind 64 Empfangs- und Sendeelemente, um damit 64 verschiedene Beams, auf deutsch Keulen, zu formen.

Statt wie bisher ein Mobilfunksignal kreisförmig auszustrahlen, das dann im Randbereich immer schwächer wird, können die Signale beim Beamforming, also beim Formen von Strahlen, in Form von länglichen Keulen gezielt ausgerichtet werden. Durch diesen Beam ist das Signal dann auch im Randbereich der Zelle ähnlich stark wie im Zentrum.

Dabei bewegen sich die Antennen nicht. Der Beam formt sich über eine Phasenverschiebung des Signals und über die Mehrwegeausbreitung. Die Antenne an und für sich bleibt statisch. Die Strahlen richten sich vollautomatisch aus, damit die Sendeleistung je nach Bedarf angepasst werden kann und für jeden Nutzer eine optimale Abdeckung gewährleistet.

Was bringt Beamforming?

Die Sendeleistung wird je nach Bedarf angepasst und bringt eine optimale Abdeckung für jeden einzelnen Nutzer. Wer telefoniert und nur geringen Ressourcenbedarf hat, wird ebenso vom passenden Beam erfasst wie ein Kunde, der gerade ein Video mit hoher Datenrate streamt. Die horizontale und vertikale Ausrichtung der neuen aktiven Antennen steigert zudem die Abdeckung - gerade im städtischen Bereich mit hohen Häusern. Beamforming wird übrigens auch im WLAN eingesetzt.

Wie schnell ist Beamforming?

Bisher läuft die neue Technik noch nicht draußen in freier Wildbahn, sondern im Labor. Dort sind mehrere Gigabit pro Sekunde möglich. In der Realität des Alltags sorgen Beams dafür, dass die Laborwerte zumindest annähernd erreicht werden können. Und es wird auch immer einen Punkt geben, an dem ähnliche Datenraten erreichen werden.

Was passiert, wenn mehr als 64 Nutzer in einer Zelle sind?

Die 64 Keulen oder Beams zielen nicht auf einen einzelnen Nutzer ab, sondern formen letztendlich örtlich eine Keule. Das heißt, es können durchaus innerhalb eines Beams mehrere Kunden bedient werden - und zwar unterschiedlich, je nachdem, was sie an Netzressourcen anfordern. Ein gutes Beispiel ist eine Touristengruppe, die gerade vor einer großen Kirche steht und Selfies aufnimmt. Ihre Mitglieder werden alle vom gleichen Beam erfasst und versorgt. Aber wer seine Fotos gerade per 5G auf Instagram hochlädt, benötigt und erhält eine höhere Leistung und Datenrate als der Tourist daneben, der nur mit Zuhause telefoniert. Das ist der entscheidende Unterschied zwischen einer passiven Mobilfunkantenne und dem neuen Beamforming. Die Leistung der Antenne bleibt beim Beamforming mehr oder minder gleich, im Vergleich zu einer konventionellen Antenne. Aber die bisherige Antenne sendet immer mit der gleichen Leistung, 24 Stunden lang. Mit Beamforming gelingt es hingegen, diese Leistung nur dann abzurufen, wenn wirklich auch Bedarf in dieser Zelle da ist.

Ist Gigabit-Tempo der Hauptvorteil von Beamforming?

Geschwindigkeit ist das eine. Wichtiger ist höhere Netzabdeckung durch die neue Technik Bei einer statischen Antenne gibt es ein gewisses Ausbreitungsfeld. Wenn sich ein Teilnehmer dann am Netzrand befindet, kann es sein, dass dieser gar keine hohen Datenraten mehr bekomme oder dass der Dienst per se nicht funktioniert.

Die aktive Antenne "sieht" dagegen quasi, wenn sich ein Nutzer am Netzrand befindet - und richtet gezielt einen Beam auf ihn aus. Dadurch befindet sich kein Teilnehmer mehr plötzlich am Netzrand, sondern innerhalb eines Beams. So bekommen Kunden der Netzbetreiber höhere Datenraten und die Dienste funktionieren.

Hintergrund
Wie funktioniert eigentlich eine 5G-Antenne? (Deutsche Telekom)

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Jedes komplexe Problem hat eine Lösung, die einfach, naheliegend, plausibel – und falsch ist.
– Frei nach Henry Louis Mencken (1880–1956) –

Tags:
Telekom, 5G, Beamforming

Adaptive Antennen für 5G

Einsatz, Herausforderungen und Exposition

Antennen, die ihre Senderichtung anpassen, sind nichts Neues. Doch bei der fünften Mobilfunkgeneration (5G) werden adaptive Antennen nun erstmals breit im Mobilfunk eingesetzt. Wie funktionieren diese Antennen und warum braucht 5G sie? Welche Herausforderungen bringen sie mit sich und wie steht es um die Immissionen?

Autor dieses auch für Laien gut verständlichen Fachartikels vom 28. Mai 2020 ist Dr. Hugo Lehmann, Leiter des Kompetenz­centers Elektro­magnetische Felder der Swisscom AG, Schweiz.

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Auszug aus dem Inhalt:

[...] Eine Simulation für die Stadt Gent in Belgien zeigt auf, dass ein Massive-MIMO-fähiges Netz bei gleichen Nutzungsszenarien fünfmal weniger Exposition erzeugt als ein 4G-Netz ohne adaptive Antennen.[4] Die Analyse zeigt auch auf, dass die Exposition sinkt, je mehr Elementarantennen eingesetzt werden. Messtechnisch ist dies aufgrund der heute erst entstehenden 5G-Netze noch nicht nachgewiesen, zeigt aber das Potenzial der Technologie auch im Bereich der Expositionsreduktion auf. [...]

Hintergrund
Beamforming mit "Codebook": revolutionäre Antennentechnik

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Jedes komplexe Problem hat eine Lösung, die einfach, naheliegend, plausibel – und falsch ist.
– Frei nach Henry Louis Mencken (1880–1956) –