Beamforming technology

Introduction

The wireless broadband access systems wide spread has caused a number of problems that impede the existing systems efficient operation and the scaling of wireless networks. Within this article two main problems will be reviewed:

• High interference - the influence of third-party wireless data transmission systems that use same frequency channels.
• Inefficient use of the input power - often the input power is used inefficiently due to the antennas weak directional properties. This factor also leads to interference.

Communication systems without beamforming technology

The antenna's radiation pattern without beamforming technology support is fixed and cannot be changed during data transfer. An example of the base station sector with three subscriber devices is shown in the video 1.

The base station sector consistently exchange data with the subscriber devices bidirectionally: the sector transmits data to the subscriber device 1, waiting for a response from it, then performs data exchange with the third and second subscribers. Downlink messages transmitted from the base station to the subscriber are received by all subscriber devices, regardless of the recipient, i.e. message sended to subscriber device 1, will be received by subscriber devices 2 and 3, but will not be processed.

This approach has several disadvantages:

• Inefficient use of radiation power (the sector performs data transmission to all subscriber devices that are within the coverage area, regardless of the recipient device), i.e. the link power with a specific subscriber unit can be higher.
• Low security level (by gaining access to one of the subscriber devices, the attacker can intercept whole outgoing traffic of the sector for all subscribers).
• The appearance of local interference on the sector affects all subscriber devices operation connected to this sector.

Video 2 shows the operation of the base station sector with three subscribers, under the local interference conditions. At time intervals allocated for uplink data transmission, the sector receives the sum of the subscriber signal and interference. In case of high interference level, the sector cannot separate the useful subscriber component from the sum of received signals and the data transmission must be repeated. It will take extra time, i.e. system resources will be used inefficiently. Note that the interference signal in the sector coverage area affects the operation of all subscribers, since the wide radiation pattern main lobe does not allow selective spatial suppression. In other words, any signal into the main lobe of the sector radiation pattern will influence the entire system operation.

Beamforming technology

Description

The outlined problems can be solved by using the antennas with the beamforming technology support.

The beamforming technology is the ability to control the antenna's radiation pattern, i.e. depending on the situation, an antenna narrows  radiation pattern main lobe and orients it in the required direction. Thus for each subscriber devices its own radiation pattern can be formed and an individual configuration will be used for data transmission to this subscriber. Note that the selected radiation pattern will be used for bidirectional exchange, i.e. both for reception and transmission.

An example with three subscribers connected to the same sector with beamforming technology is shown in video 3. In comparison to a conventional antenna, the antenna's radiation pattern has become narrow, and the main lobe is orienting towards the subscriber unit.

The beamforming technology advantages

Advantages of devices with the beamforming technology support:

• The link energy increasement. Figure 1 shows a comparison of the antenna's radiation pattern with and without beamforming support. Note that the radiation power of the device has not changed, and due to the fact that the energy supplied to the antenna is radiated only in the direction of a particular subscriber, the subscriber received signal level increases significantly. A similar effect is appeared in the uplink. This advantage leads to the following scenarios implementation:

1. 1. Performance increasement (subscribers performing data transmission not on the maximum bitrate can use higher modulation-code schemes determining the link bandwidth, due to an increase in the signal-to-noise ratio).
   2. Higher devices lifetime (due to link energy increasement, the radiation power can be reduced without loses in performance, it will lead to device’s radio transmitter lifetime increasement).
   3. Sector coverage range increasement (higher link energy allows connection of new subscriber devices at a greater distance from the sector).
      

• Improved antenna sector directional properties. Allows to increase security by reducing the risks of all sector's subscribers data interception. If case of beamforming technology support, the data transmission is performed only in the subscriber direction, if an attacker performs similar actions, he will be able to access only one subscriber data.
• The ability to select the radiation direction automatically, reduces the requirements for the alignment and allows to determine the azimuth of the subscriber location, which can be used in some scenarios (ex. with mobile objects).
• Using the BS sector with beamforming antenna reduces the local interference influence. Video 4 shows the interference effect in case of  beamforming antenna using. The noise falls into the side lobe of the radiation pattern, when the second and third subscribers are servicing, and does not have a significant effect on the useful signal. Since the data transmission direction to the first subscriber and the interference source coincide, then the use of beamforming technology does not allow to reduce the local interference influence for this device. Although the beamforming technology support does not allow to completely neutralize the influence of interference, its use can significantly improve the performance and reliability of communication in some scenarios.

Implementation

Modern devices have several emitters. One of the structures used in modern radio communications is the phased antenna array (see Figure 2), which is a matrix of conducting elements. Their shape and relative position determine the frequency selectivity and directional properties of the antenna.

A copy of the modulated signal from the radio module is supplied to each antenna element. In addition to the antenna array design, the radiation pattern is determined by the signals characteristics from each of the radiating elements: by default, the signals are in-phase, but by consciously introducing a phase delay, the shape and direction of the main lobe can be changed.

The effect described above is used in devices with beamforming technology. The approach to the radiation pattern control divides such devices into two large groups:

• Devices with a set of radiation pattern templates (devices have several radiation pattern templates in the memory that usually differ azimuth of the main lobe. Interaction with a specific subscriber device implies one of the templates using, which is best suited for a given location. The disadvantage of this approach is that the final set of patterns does not always allow to choose the most efficient radiation pattern for the subscriber device).
• Devices without radiation pattern templates (in accordance with the signal received from the subscriber, the device forms an individual radiation pattern, using one of the embedded algorithms. The disadvantage of this approach is the high computing resources requirements).

Реализация в устройствах Инфинет

В продуктовом портфеле компании Инфинет технология формирования луча реализована в моделях секторов базовых станций R5000-Qmxb, входящих в семейство систем "точка-многоточка" InfiMAN 2x2.

Интегрированная антенна устройства R5000-Qmxb включают в себя 15 встроенных шаблонов диаграмм направленности с шириной главного лепестка 20º (коэффициент усиления 21 dBi), расположенных со смещением 5º друг от друга и один шаблон с шириной лепестка 90º (коэффициент усиления 15 dBi). В зависимости от выбранного шаблона диаграммы направленности устройство может работать в двух режимах:

• Широковещательный режим - использование диаграммы направленности с шириной главного лепестка 90º. Данный режим используется при обмене служебной информацией, когда за абонентским устройством ещё не закреплён один из узконаправленных шаблонов или необходимо актуализировать данные о выбранном шаблоне.
  
• Направленный режим - использование одного из 15 шаблонов диаграммы направленности с шириной главного лепестка 20º. Данный режим используется при непосредственной передаче данных.
  

Видеоролик 5 демонстрирует работу механизма, установления соответствия между абонентской станцией и шаблоном диаграммы направленности. Сектор базовой станции выполняет рассылку запросов, адресованных всем абонентским станциям, последовательно используя каждый из узконаправленных шаблонов диаграммы направленности. В запросе содержится информация о номере шаблона. Абонентская станция оценивает уровень каждого из полученных сигналов рассылки и, выбрав максимальный, отправляет номер шаблона сектору. Получив информацию от абонентской станции, сектор заполняет таблицу соответствия и, при взаимодействии с конкретным клиентским устройством, использует шаблон из сформированной таблицы. Периодически, в ходе работы, сектор инициирует обновление таблицы соответствия, адаптируясь к возможным изменениям внешней среды.

Переход на систему с поддержкой технологии формирования луча не является трудозатратным - достаточно выполнить замену сектора базовой станции, причём может быть использована конфигурация прежнего устройства, т.к. они совместимы между собой, а технология формирования луча не требует настройки и выполняется прозрачно для пользователей и администраторов сети. Замену абонентских устройств производить не нужно - устройства совместимы между собой. Однако, есть два ограничения, которые требуется учитывать:

• Потребляемая мощность устройств с поддержкой технологии формирования луча выше, чем у устройств без поддержки, поэтому для организации питания устройств R5000-Qmxb используются блоки питания IDU-BS-G(60W) (входят в комплект поставки).
• Устройства R5000-Qmxb могут быть использованы только с версией программного обеспечения с поддержкой технологии TDMA (характеристики двух типов ПО представлены в статье TDMA и Polling: особенности применения в беспроводных сетях). Замена программного обеспечения с поддержкой технологии Polling на программное обеспечение с поддержкой TDMA может быть выполнена в соответствии с инструкцией. При близком расположении нескольких секторов, например реализация схемы ABAB, рекомендуется использовать устройство синхронизации AUX-ODU-SYNC.

Дополнительные сценарии применения технологии формирования луча

Рассмотренные достоинства технологии формирования луча могут быть использованы в мобильных беспроводных системах связи. Подвижный характер абонентской или базовой станции оказывает сильное влияние на параметры канала связи, которые могут быть нивелированы с помощью использования устройств с технологией формирования луча. При использовании подобных устройств диаграмма направленности будет адаптироваться к изменениям внешней среды, пытаясь сохранить радиопараметры канала связи на максимальном уровне.

Следует иметь в виду, что реализация подобных проектов является нетривиальной задачей, требующей нестандартного подхода и смекалки. Одним из вариантов решения может быть использование устройств с технологией формирования луча на клиентской стороне, либо как на стороне абонента, так и на стороне базовой станции.

Дополнительные материалы

1. Онлайн-курс "Основа беспроводных сетей"
2. Вебинар "Сектор базовой станции R5000-Qmxb с beamforming-антенной"
3. Вебинар "Точка-точка" с технологией формирования луча и другие трюки Qmxb"
4. Истории успеха: Оборудование Инфинет в сети Флекс
5. Секторная антенна с технологией формирования луча
6. Спецификация Qmxb/5.300.2x300.2x21
7. Документ "Электропитание беспроводных устройств «Инфинет»" в разделе "Документы" академии Инфинет