Beamforming ist eine Signalverarbeitungstechnik, die zur Verbesserung der Richtung gesendeter oder empfangener Wellen, wie z. B. Radiowellen, akustische Wellen oder Schallwellen, verwendet wird. Dabei werden Signale von mehreren Quellen (Antennen, Wandler oder Mikrofone) so kombiniert, dass sich ihre Phase und Amplitude ändert. Durch die Anpassung dieser Parameter kann die Strahlformung einen fokussierten Energiestrahl in eine bestimmte Richtung erzeugen und gleichzeitig Störungen aus anderen Richtungen reduzieren. Dies verbessert die Effizienz und Effektivität von Kommunikations-, Sensor- oder Bildgebungssystemen.
Die Beamforming-Theorie basiert auf Wellenphysik und Signalverarbeitungsprinzipien. Es nutzt das Konzept der konstruktiven und destruktiven Interferenz, um Wellenenergie in eine gewünschte Richtung zu lenken oder zu fokussieren. Durch die Steuerung der relativen Phase und Amplitude von Signalen aus mehreren Quellen stellt die Strahlformung sicher, dass sich die Wellen in der beabsichtigten Richtung gegenseitig verstärken, wodurch die Signalstärke maximiert und Signalverschlechterung oder Interferenzen aus unerwünschten Richtungen minimiert werden.
Zu den Grundprinzipien der Strahlformung gehört die räumliche Filterung, bei der Signale aus mehreren Quellen kombiniert werden, um die gewünschten Richtungen hervorzuheben und gleichzeitig Signale aus anderen Richtungen zu unterdrücken. Die Strahlform hängt auch von der Phasenkohärenz ab, die sicherstellt, dass Signale aus verschiedenen Quellen gleichzeitig und konstruktiv am Ziel ankommen und interferieren. Ein weiteres Prinzip ist die adaptive Strahlformung, bei der in Echtzeit Anpassungen der Phase und Amplitude von Signalen basierend auf sich ändernden Umgebungsbedingungen oder dem Zielort vorgenommen werden.
In der 5G-Technologie ist Beamforming eine entscheidende Technik zur Steigerung der Effizienz und Kapazität drahtloser Kommunikationssysteme. Dabei geht es darum, Funkwellen von Basisstationen oder Zugangspunkten elektronisch an bestimmte Benutzer oder Geräte zu richten, anstatt Signale gleichmäßig in alle Richtungen zu senden. Dies ermöglicht es 5G-Netzwerken, höhere Datengeschwindigkeiten, geringere Latenzzeiten und eine bessere Abdeckung zu liefern, indem die Signalenergie dort konzentriert wird, wo sie am meisten benötigt wird, wodurch die Netzwerkleistung und das Benutzererlebnis verbessert werden.
Zu den Vorteilen der Strahlformung gehören eine bessere Signalqualität und -zuverlässigkeit, eine verbesserte Abdeckung und Reichweite, eine erhöhte spektrale Effizienz und weniger Interferenzen. Durch die Fokussierung der Energie in bestimmte Richtungen ermöglicht Beamforming bessere Kommunikationsverbindungen in schwierigen Umgebungen mit Hindernissen oder Lärm. In drahtlosen Kommunikationssystemen wie 5G unterstützt Beamforming einen höheren Datendurchsatz und eine höhere Kapazität, sodass sich mehr Geräte gleichzeitig verbinden können, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Insgesamt verbessert die Beamforming-Technologie die Fähigkeiten und Effizienz verschiedener Anwendungen, von der drahtlosen Kommunikation bis hin zu Radar und medizinischer Bildgebung.