Beamforming — Sinyali Yönlendirmenin Fiziği ve Mühendisliği

Fiziksel temel: dalgaların toplanması

Radyo dalgaları, aynı frekansta ve aynı fazda üst üste bindiğinde genlikleri toplanır; buna yapıcı girişim denir. Zıt fazda karşılaştıklarında ise birbirlerini sönümlerler; bu da yıkıcı girişimdir. Birden fazla antenli bir verici, her antenden çıkan sinyalin fazını çok küçük miktarlarda kaydırarak bu toplanmanın uzayın hangi noktasında gerçekleşeceğini kontrol edebilir. Sonuç, belirli bir yönde daha güçlü, diğer yönlerde daha zayıf bir yayılım desenidir.

Teorik olarak N antenli bir dizi, tek antene göre istenen noktada 10 × log10(N) dB'ye kadar kazanç sağlayabilir. Dört antenli bir AP için bu yaklaşık 6 dB, sekiz antenli bir AP için yaklaşık 9 dB demektir. 6 dB'lik iyileşme, aynı mesafede iki MCS kademesi yükselmek ya da aynı veri hızını yaklaşık iki kat mesafede korumak anlamına gelebilir. Ancak bu teorik değer, ideal kanal bilgisi ve ideal anten dizisi varsayımına dayanır; gerçek dünyada kazanç genellikle 2-5 dB arasındadır.

Implicit ve explicit beamforming

Beamforming'in işe yaraması için vericinin, sinyalin istemciye hangi yollardan ulaştığını bilmesi gerekir. Implicit beamforming'de AP, istemciden gelen çerçeveleri dinleyerek kanalı tahmin eder ve kanalın simetrik olduğunu varsayar. Bu yöntem istemcinin işbirliğini gerektirmez; ancak AP ve istemcinin RF zincirleri farklı olduğundan tahmin hassas değildir ve kalibrasyon gerektirir. 802.11n bu yöntemi tanımlamıştı fakat pazarda tutarlı bir şekilde benimsenmedi.

Explicit beamforming'de ise istemci, AP'nin gönderdiği bir test sinyalini ölçer ve sonucu geri raporlar. 802.11ac bu yöntemi tek standart yöntem olarak benimsedi ve 802.11ax ile 802.11be de aynı temeli kullanır. AP önce bir Null Data Packet Announcement (NDPA), ardından Null Data Packet (NDP) gönderir; istemci kanal matrisini hesaplayıp sıkıştırılmış beamforming raporu olarak döner. AP bu rapordan bir steering matrisi oluşturur ve sonraki veri çerçevelerini bu matrisle şekillendirir.

Üretici yaklaşımları: dijital ve anten tabanlı

Standart explicit beamforming, dijital sinyal işleme katmanında, yani yonga seviyesinde yapılır. Bunun yanında bazı üreticiler anten seviyesinde fiziksel çözümler geliştirmiştir. RUCKUS'un BeamFlex teknolojisi bunun en bilinen örneğidir: AP içinde çok sayıda yönlü anten elemanı bulunur ve AP, her istemci için her paket bazında en iyi anten kombinasyonunu seçer. Bu, istemci desteği gerektirmeden çalışır ve eski istemcilerde de kazanç sağlar. Ayrıca istenmeyen yönlere daha az enerji yayıldığı için girişim azalır.

Diğer üreticiler ise farklı anten tasarımları, dahili anten diziliş optimizasyonları ve yazılım tabanlı kanal tahmin algoritmalarıyla kazancı artırmaya çalışır. Bir veri sayfasında 'beamforming destekli' yazması, bu yaklaşımlardan hangisinin kullanıldığını söylemez. Mühendislik açısından önemli olan, gerçek istemcilerle ve gerçek ortamda elde edilen SNR iyileşmesidir.

Beamforming nerede işe yarar, nerede yaramaz?

Beamforming en çok orta mesafedeki, sabit veya yavaş hareket eden istemcilerde fayda sağlar. Çok yakın mesafede SNR zaten yüksektir ve en yüksek MCS kullanılır; ekstra birkaç dB fark yaratmaz. Çok uzak mesafede ise istemcinin kendi vericisi sınırlayıcıdır: AP istemciye daha güçlü ulaşsa da istemcinin uplink yönü değişmez. Bağlantı asimetrik kalır ve beamforming kapsama alanını gerçek anlamda genişletmez.

Hızlı hareket eden istemcilerde kanal bilgisi çabuk eskir ve sondalama sıklığı artmazsa kazanç kaybolur. Ayrıca beamforming yalnızca unicast veri çerçevelerine uygulanır. Beacon, probe yanıtı, broadcast ve multicast çerçeveler hala yönsüz gönderilir; dolayısıyla hücrenin 'görünen' sınırı değişmez. Bu nedenle tasarımda beamforming kazancı bir güvenlik marjı olarak düşünülmeli, kapsama hesabına dahil edilmemelidir.

• Predictive tasarımda beamforming kazancını kapsama hesabına eklemeyin; marj olarak değerlendirin.
• İstemci beamformee desteğini envanterde doğrulayın; eski ve IoT cihazlarda çoğu zaman yoktur.
• Dış alan noktadan noktaya bağlantılarda sabit yönlü antenler beamforming'den daha öngörülebilir sonuç verir.
• Controller istatistiklerinde istemci başına SNR ve MCS'i beamforming açık/kapalı karşılaştırarak etkisini ölçün.

MU-MIMO ve beamforming ilişkisi

MU-MIMO aslında beamforming'in çok kullanıcılı bir uzantısıdır. Tek kullanıcılı beamforming'de amaç, enerjiyi tek bir istemcide yoğunlaştırmaktır. MU-MIMO'da ise amaç, her istemciye giden sinyali kendi konumunda güçlendirirken diğer istemcilerin konumunda sönümlemektir. Bu, çok daha hassas kanal bilgisi ve hesaplama gerektirir. Sondalama raporlarındaki küçük hatalar bile kullanıcılar arası girişime ve düşük MCS'e yol açar.

F2 olarak AP seçiminde beamforming yaklaşımını, istemci profilini ve ortamın yapısını birlikte değerlendiriyoruz. Yüksek tavanlı depolar, kalabalık konferans salonları, uzun koridorlu hastaneler ve dış alanlar için Cisco, HPE Aruba ve RUCKUS'un farklı anten mimarilerini sahada ölçerek konumlandırıyoruz. Sertifikalı mühendislerimiz, veri sayfası iddialarını değil, ölçülen SNR ve throughput iyileşmesini esas alır.