Časť textu použitá z môjho VŠ zadania a referátu na tému mmWaves z predmetu Mobilné komunikácie- TUKE... Celý referát dostupný na: 
https://martinius96.github.io/martinius96/pdf/mmWaves%2C%20typy%20ant%C3%A9n%2C%20typy%20komunik%C3%A1cie.pdf

Beamforming je technológia využívaná v 5G sieťach a v jednoduchšej variante aj v LTE (4G) sieťach. Cieľom technológie je potlačiť šum a okolitú interferenciu spôsobenú inými signálmi a prostredím, ktorým sa signál šíri. Beamforming využíva metódu meraní času príchodu signálu - ToA - (Time of Arrival) a uhla prijímaného signálu - AoA - (Angle of Arrival) od mobilného terminálu. Meranie sa realizuje sieťou - vysielacou stanicou, čo šetrí výpočtový výkon a batériu mobilného terminálu. Táto metóda je tak efektívna aj v prípade 5G IoT zariadení, ktoré sú spravidla prevádzkované na 2x AA batériu niekoľko rokov. Výsledkom meraní dokáže vysielacia stanica určiť približnú vzdialenosť a smer, v ktorom sa mobilný terminál nachádza.

Na základe týchto informácii je možné optimalizovať vysielaciu stanicu, (pri 5G sieťach aj v kooperácii s technológiou Massive MIMO) vybrať antény z anténových polí pre komunikáciu, ktoré sú natočené k mobilnému terminálu a môžu efektívne komunikovať. Vysielacia stanica je štandardne OMNI t.j. všesmerová. Vysielacia stanica dokáže upraviť vyžarovací diagram antén a optimalizovať tak prenos k mobilnému terminálu.

Vyžarovací diagram je možné upraviť horizontálne i vertikálne pre čo najlepšie pokrytie mobilného terminálu. Vzniká lalok - optimalizovaný lúč, nazývaný aj Beam. Beam je optimalizovaný aj s ohľadom na iné mobilné terminály v dosahu vysielacej stanice (úprava šírky lúča, ktorá predchádza interferencii). Na obrázku nižšie anténové pole 8x8.

Dnes si ukážeme jednoduchú vizualizáciu Beamformingu v prostredí MATLAB, ktorá ukazuje rôzne charakteristiky vysielacích lúčov na základe vzdialenosti mobilného terminálu od vysielacej stanice. Implementácia využíva generátor náhodných čísel pre generovanie jedinečných súradníc mobilných terminálov v pravouhlom súradnicovom systéme, ktorý predstavuje plochu 1000x1000 metrov v ktorej sú náhodné rozmiestnené mobilné terminály, ktoré môžu i nemusia byť v dosahu OMNI (360°) vysielacej stanice.

Používateľ môže pred spustením programu modifikovať údaje v premenných pre  pozíciu vysielacej stanice a jej rádius, ktorá predstavuje jej dosah. Pre anténu sa používa model OMNI antény s 360° pokrytím pre rovnomerné pokrytie mobilných terminálov vo všetkých smeroch s jej umiestnením na stred pravouhlého súradnicového systému t.j. bod 500x500 v súradnicovom systéme 1000x1000 metrov. Vzorový dosah vysielacej stanice predstavuje 250 metrov vo všetkých smeroch, ako je patrné na vizualizácii v prostredí MATLAB v grafe nižšie.

Používateľ môže tiež modifikovať počet náhodne vygenerovaných mobilných terminálov v pravouhlom súradnicovom systéme. V rádiuse vysielacej stanice sa vždy objaví náhodný počet generovaných bodov pri každej iterácii (spustení) MATLAB scriptu.

Vysielacia stanica obsluhuje všetky body, ktoré sa nachádzajú v rádiuse jej pokrytia. Na základe vzdialenosti mobilných terminálov v rádiuse dokáže vysielacia stanica vytvoriť ukážkovo 3 rôzne úrovne lúčov - Beamov. Beam smeruje ku každému mobilnému terminálu, ktorý je v rádiuse vysielacej stanice. Lúč reprezentuje čiara medzi vysielacou stanicou a mobilným terminálom.

Úroveň lúča reprezentuje hrúbka čiary - so vzdialenosťou je tenšia - lúč sa optimalizuje a prispôsobuje sa väčšej vzdialenosti medzi mobilným terminálom a mobilnou stanicou, znižuje sa interferencia vplyvmi prekážok v ceste, ale aj voči iným komunikačným signálom.  Z pohľadu programu bolo jednoduché zistiť pokrytie jednotlivých bodov v pravohulom súradnicovom systéme, nakoľko stačilo vytvoriť iba absolútny rozdiel X a Y súradníc s následným pravidelom pre druhú odmocninu (Pytagorova veta), ktorá vracia vzdialenosť v metroch. Metóda Beamforming je efektívna pri veľkom počte mobilných terminálov.

V prípade LTE (4G) sietí sa využíva jednoduchší variant, kde sa vyberá sektor, ktorý je technológiou na spôsob Beamformingu pokrytý. Vyžarovaný lúč je širší, pokrýva celý sektor mobilných terminálov. Pri 5G sieťach nachádza využitie Beamforming aj s Massive MIMO, čo je technológia umožňujúca násobiť komunikačné zdroje pre všetky mobilné terminály. Vďaka tomu môže dosahovať vysoké prenosové rýchlosti - rádovo v Gbps.

Massive MIMO sa snaží o zlepšenie v týchto oblastiach:

• Zvýšenie dátových rýchlostí - viac antén, viac nezávislých tokov dát
• Konektivita používateľa - viac antén umožňuje väčšiu schopnosť redundancie spojenia
• Energetická efektivita - vysielacia stanica môže smerovo obsluhovať mobilné terminály so znalosťou ich polohy
• Zníženie interferencie - tvorba laloku k jednotlivým terminálom, bez vzájomného ovplyvňovania, rušenia

Mobilná stanica dokáže s použitím viacerých anténnych prvkov sústrediť Beam k danému užívateľovi - mobilnému terminálu. S využitím Massive MIMO technológie je možné zvýšiť prenosovú rýchlosť 3 až 5-násobne. Navýšená je aj kapacita 5G siete, nakoľko jedna MIMO anténa dokáže komunikovať s viacerými mobilnými terminálmi súčasne.

Mobilný terminál musí byť taktiež vybavený MIMO anténami, ktoré mu umožňujú zvýšiť prenosovú rýchlosť a komunikovať s viacerými anténami vysielacej stanice súčasne. Z toho dôvodu sa vyžaduje kompatibilný hardvér pre 5G siete. Súčasné mobilné telefóny s podporou LTE, 3G sú pre 5G nedostačujúce už len z pohľadu použitého hardvéru, ktorý je stavaný frekvencie 800 / 1800 MHz. Riešením je kúpa nového zariadenia podporujúceho 5G siete. Mobilné terminály pre 5G siete sú vybavené väčšinou 2x2, prípadne 4x4 MIMO anténami.

Alternatívne IDE
Projekt je možné spustiť aj v cloudovom IDE Octave-Online. Pri testovaní sa však pôvodný MATLAB script nevykonal celý, nakoľko funkcia round() v Octave-Online nepodporuje dva parametre vstupu. Jednoduchou úpravou a odstránením druhého parametra sa script vykonal a vizualizácia je porovnateľná s výsledkami dostiahnutými v prostredí MATLAB.


Programová implementácia v prostredí MATLAB dostupná na Githube: 
https://github.com/martinius96/MATLAB-scripty/blob/main/Mobilne_komunikacie/Beamforming.m

Prístupov 7051

Kvalita článku