Beamforming is een techniek die een draadloos signaal focust op een specifiek apparaat. Normaal gesproken wordt een Wifi-signaal alle richtingen opgestuurd via een broadcast-antenne. Hoewel de principes van beamforming al bekend zijn sinds de jaren veertig van de vorige eeuw, hebben de laatste jaren de beamforming-technologieën voor een stapsgewijze verbetering van het Wi-Fi-netwerk gezorgd. Tegenwoordig is beamforming van cruciaal belang voor 5G-netwerken.

Hoe werkt het?

Een enkele antenne die een draadloos signaal uitzendt, straalt dat signaal in alle richtingen uit (tenzij het wordt geblokkeerd door een fysiek voorwerp). Dat is de aard van hoe elektromagnetische golven werken. Maar wat als je dat signaal in een bepaalde richting wilt sturen om een gerichte straal elektromagnetische energie te vormen? Een techniek waarmee je dat kan bereiken is het hebben van meerdere antennes in de buurt die allemaal hetzelfde signaal op iets andere tijden uitzenden. De overlappende golven zullen interferentie veroorzaken die in sommige gebieden constructief is (het maakt het signaal sterker) en in andere gebieden destructief (het maakt het signaal zwakker, of niet detecteerbaar). Als dit beamforming proces correct wordt uitgevoerd, kan het signaal worden gefocust op de plaats waar je het wilt hebben.

 

De wiskunde achter beamforming is zeer complex (de Math Encounters blog heeft een handige introductie, als je een voorproefje wilt), maar de toepassing van bundelvormingstechnieken is niet nieuw. Elke vorm van energie die zich in golven voortbeweegt, inclusief geluid, kan profiteren van beamforming technieken; deze zijn voor het eerst ontwikkeld om sonar te verbeteren tijdens de Tweede Wereldoorlog en zijn nog steeds belangrijk voor de geluidstechniek. Maar we gaan ons hier beperken tot draadloze netwerken en communicatie. 

Voordelen en beperkingen van beamforming

Door een signaal in een specifieke richting te focussen, stelt beamforming je in staat een hogere signaalkwaliteit te leveren aan de ontvanger - wat in de praktijk betekent dat de informatieoverdracht sneller verloopt en er minder fouten optreden - zonder dat je het zendvermogen hoeft te verhogen. Dat is in feite de heilige graal van draadloze netwerken en het doel van de meeste technieken om draadloze communicatie te verbeteren. Als bijkomend voordeel, omdat je je signaal niet uitzendt in richtingen waar het niet nodig is, kan beamforming de interferentie verminderen die wordt ervaren door mensen die andere signalen proberen op te pikken.

De beperkingen van beamforming hebben vooral te maken met de computerhulpmiddelen die het nodig heeft; er zijn veel scenario's waarin de tijd en energie die nodig zijn voor beamforming-berekeningen de voordelen van beamforming tenietdoen. Maar de voortdurende verbeteringen in processorkracht en -efficiëntie hebben ervoor gezorgd dat de technieken voor beamforming betaalbaar genoeg zijn om in de netwerkapparatuur voor consumenten te worden ingebouwd.

Wi-Fi-routers voor beamforming: 802.11n vs. 802.11ac

Beamforming begon in 2008 in routers te verschijnen, met de komst van de 802.11n Wi-Fi-standaard. 802.11n was de eerste versie van Wi-Fi die ondersteuning biedt voor multiple-input multiple-output, of MIMO-technologie, die beamforming nodig heeft om meerdere overlappende signalen uit te zenden. Beamforming met 802.11n-apparatuur is echter nooit echt van de grond gekomen, omdat de specificatie niet aangeeft hoe beamforming moet worden geïmplementeerd. Een paar leveranciers hebben eigen implementaties uitgebracht waarbij de aanschaf van passende routers en draadloze kaarten nodig was om te werken, en deze waren niet populair.

Met de opkomst van de 802.11ac-standaard in 2016 veranderde dat allemaal. Er is nu een set van gespecificeerde beamforming-technieken voor Wi-Fi apparatuur, en hoewel 802.11ac routers niet vereist zijn om beamforming te implementeren, doen ze dat wel (en bijna alle 802.11ac-routers op de markt doen dat nu) op een leveranciersneutrale en interoperabele manier. Hoewel sommige apparaten misschien wel merknamen hebben, zoals D-Link's AC Smart Beam, zijn dit allemaal implementaties van dezelfde standaard. (De nog nieuwere 802.11ax-standaard blijft de ondersteuning van ac-stijl beamforming ondersteunen.)

Beamforming en MU-MIMO

Beamforming is de sleutel voor de ondersteuning van multi-user MIMO, of MU-MIMO, die steeds populairder wordt naarmate 802.11ax-routers worden uitgerold. Zoals de naam al aangeeft, zijn er bij MU-MIMO meerdere gebruikers betrokken die elk met meerdere antennes op de router kunnen communiceren. MU-MIMO maakt gebruik van beamforming om ervoor te zorgen dat de communicatie van de router efficiënt wordt gericht op elke aangesloten client.

Expliciete bundelvorming versus impliciete bundelvorming

Er zijn een paar manieren waarop Wi-Fi beamforming kan werken. Als zowel de router als het eindpunt 802.11ac-conforme beamforming ondersteunen, beginnen ze hun communicatiesessie met een kleine "handshake" die beide partijen helpt om hun respectievelijke locaties en het kanaal waarop ze zullen communiceren te bepalen; dit verbetert de kwaliteit van de verbinding en staat bekend als expliciete bundelvorming. Maar er zijn nog steeds genoeg netwerkkaarten in gebruik die alleen 802.11n of zelfs oudere versies van Wi-Fi ondersteunen. Een beamforming router kan nog steeds proberen om deze apparaten te targeten, maar zonder hulp van het eindpunt, zal het niet in staat zijn om het nulpunt zo nauwkeurig te bepalen. Dit staat bekend als impliciete bundelvorming, of soms als universele bundelvorming, omdat het in theorie werkt met elk Wi-Fi-apparaat.

In veel routers is impliciete bundelvorming een functie die je kunt in- en uitschakelen. Is het mogelijk maken van impliciete bundelvorming de moeite waard? De Router Guide stelt voor dat je test hoe je netwerk ermee omgaat om te zien of je prestatieverbeteringen krijgt. Het is mogelijk dat apparaten zoals telefoons die je in huis bij je draagt, niet even goed zullen werken en last krijgen van een wegvallende verbinding als deze optie is ingeschakeld.

5G beamforming

Tot op heden is het lokale Wi-Fi-netwerk de plaats waar de gemiddelde persoon in het wild het waarschijnlijkst in aanraking komt met beamforming. Maar nu de uitrol van 5G-netwerken over een groot gebied aan de gang is, staat dat op het punt te veranderen. 5G maakt gebruik van radiofrequenties tussen 30 en 300 GHz, die veel sneller gegevens kunnen verzenden, maar ook veel gevoeliger zijn voor interferentie en met meer moeite door fysieke objecten heenkomen. Om deze problemen op te lossen is een groot aantal technologieën nodig, waaronder kleinere cellen, massieve MIMO - het proppen van grote hoeveelheden antennes op 5G-basisstations - en, ja, beamforming. Als 5G op de manier van start gaat waarop leveranciers hopen, komt het moment dat we allemaal elke dag beamforming (achter de schermen) zullen gebruiken.