Beamforming

Beamforming bündelt die Sendeenergie einer Antennenanlage in eine bestimmte Richtung, statt sie gleichmäßig in die Fläche abzustrahlen. Erreicht wird das nicht durch die Form der Antenne, sondern durch das Zusammenspiel vieler kleiner Antennenelemente, die dasselbe Signal mit geringfügig unterschiedlicher zeitlicher Verzögerung abstrahlen.

In der Zielrichtung treffen die Wellen aller Elemente gleichphasig ein und verstärken sich. In anderen Richtungen überlagern sie sich gegenphasig und löschen sich teilweise aus. Es entsteht eine Keule mit deutlich höherer Feldstärke als bei einer einzelnen Antenne, flankiert von Richtungen mit abgeschwächtem Signal.

Der entscheidende Unterschied zu einer klassischen Richtantenne wie der Yagi-Uda-Antenne liegt darin, dass die Richtung nicht in der Mechanik festgelegt ist. Sie ergibt sich aus den Phasenverschiebungen und lässt sich in Sekundenbruchteilen ändern, ohne dass sich etwas bewegt.

Antennenarray

Grundlage ist ein Array gleichartiger Elemente, typischerweise im Abstand einer halben Wellenlänge. Dieser Abstand ist ein Kompromiss: Enger stehende Elemente koppeln zu stark miteinander, weiter auseinanderstehende erzeugen zusätzliche Nebenkeulen in unerwünschte Richtungen.

Die halbe Wellenlänge erklärt zugleich, warum Beamforming erst mit höheren Frequenzen praktisch wurde. Bei 800 MHz entspricht sie rund 19 cm, bei 3,6 GHz nur noch gut 4 cm. Ein Array aus 64 Elementen passt im oberen Band in ein Gehäuse von der Größe eines Aktenkoffers, im unteren Band wäre es mehrere Meter breit.

Je mehr Elemente, desto schmaler die Keule und desto höher der Antennengewinn. Verbreitet sind 32, 64 oder 128 Elemente; in Verbindung mit entsprechend vielen Sende- und Empfangspfaden spricht man von Massive MIMO.

Analog, digital, hybrid

• Analoges Beamforming verschiebt die Phase im Hochfrequenzteil hinter einer gemeinsamen Signalverarbeitung. Es ist günstig, erzeugt aber nur eine Keule zur selben Zeit.
• Digitales Beamforming verarbeitet jedes Element einzeln im Basisband. Damit lassen sich mehrere Keulen gleichzeitig in verschiedene Richtungen formen, was Rechenaufwand und Stromverbrauch deutlich erhöht.
• Hybrides Beamforming kombiniert beides und ist in 5G-Anlagen der Normalfall.

Mehrere gleichzeitige Keulen sind der eigentliche Kapazitätsgewinn: Zwei Geräte in verschiedenen Richtungen können dieselbe Frequenz zur selben Zeit nutzen, ohne sich zu stören. Dieses Verfahren heißt Multi-User-MIMO und ist der Grund, warum Massive MIMO die Kapazität einer Zelle vervielfacht und nicht nur ihre Reichweite erhöht.

Woher das Netz die Richtung kennt

Damit die Keule zum Gerät zeigt, muss die Anlage den Funkkanal kennen. Dafür gibt es zwei Wege:

Im Zeitduplexverfahren senden Basisstation und Gerät abwechselnd auf derselben Frequenz. Der Kanal verhält sich in beide Richtungen gleich, deshalb genügt die Auswertung des empfangenen Signals, um die Senderichtung zu bestimmen. Das ist der Grund, warum die für 5G vorgesehenen Bänder um 3,6 GHz im Zeitduplex betrieben werden.

Im Frequenzduplexverfahren liegen Hin- und Rückrichtung auf verschiedenen Frequenzen und verhalten sich unterschiedlich. Hier meldet das Gerät aus einem festgelegten Vorrat von Richtungsmustern zurück, welches am besten passt.

Bei der Zellsuche kennt das Netz die Position eines Geräts noch gar nicht. Es strahlt die Signalisierung deshalb nacheinander in alle Richtungen ab und tastet den Sektor dabei ab. Dieses Verfahren heißt Beam Sweeping; das Gerät meldet anschließend, welche Richtung es am besten empfangen hat.

Grenzen

Beamforming setzt voraus, dass es eine bevorzugte Richtung gibt. In stark reflektierenden Umgebungen, in denen das Signal über viele Pfade gleichzeitig eintrifft, verliert die Bündelung an Wirkung. Bewegt sich das Gerät schnell, muss die Richtung laufend nachgeführt werden, was bei schmalen Keulen zu Abbrüchen führen kann.

Außerdem gilt der Gewinn nur in der Keule. Geräte außerhalb empfangen schwächer als bei gleichmäßiger Abstrahlung — die Energie wird umverteilt, nicht vermehrt.

Bedeutung für die Beurteilung von Standorten

Bei herkömmlichen Sektorantennen ist die Hauptstrahlrichtung eine feste Größe, aus der sich der Sicherheitsabstand vor der Anlage berechnen lässt. Bei Anlagen mit Beamforming ändert sich die Richtung laufend und hängt davon ab, wo sich gerade Geräte befinden.

Die Beurteilung arbeitet deshalb nicht mit dem Momentanwert, sondern mit einer über die Zeit gemittelten Leistung und einem statistisch begründeten Maximalwert. Eine Anlage, die nominell hohe Sendeleistung in eine schmale Keule legt, erzeugt an einem festen Punkt im Umfeld im Mittel weniger Immission als eine gleichmäßig abstrahlende Antenne derselben Leistung — die Keule zeigt eben nur selten genau dorthin.

Mobilfunkantennen in der EMF-Karte

Alle Mobilfunkbasisstationen finden Sie in der EMF-Karte. Wir erklären die Grundlagen zum Verständniss der standortbescheinigung.html">Standortbescheinigungen.