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Che cos'è esattamente il beamforming?

3.6.2020

Traduzione: Leandra Amato

Senza beamforming non ci sarebbe il 5G. Inoltre, i «raggi radio modellati» consentono ai router WiFi una migliore potenza o portata del segnale.

Il beamforming non è possibile solo per la radio. La tecnica può teoricamente essere applicata ovunque esistano campi di onde. In acustica, gli algoritmi di beamforming possono essere utilizzati con microfoni direzionali per localizzare le sorgenti sonore. Oppure la tecnologia assicura che il suono trovi la sua strada migliore dai diffusori surround alla posizione di seduta. Tradotto letteralmente, il «modellamento dei raggi» consiste nel determinare una sorgente in campi d'onda per irradiarla in modo mirato.

Un router WiFi senza tecnologia beamforming trasmetterebbe, con un po' di fortuna, in tutte le direzioni, purché non vi siano oggetti di disturbo. Uno con beamforming invece trasmetterebbe al dispositivo terminale. Tuttavia, questo richiede che il dispositivo terminale dica prima al router dove si trova, cioè che sia in grado di utilizzare la stessa tecnologia.

Il beamforming, tra l'altro, ha le sue origini nella seconda guerra mondiale. Negli anni '40 è stato utilizzato per migliorare i sonar sottomarini. A questo scopo, la scienza ha utilizzato non solo la matematica complessa, ma anche una sofisticata tecnologia composta da convertitori, preamplificatori, digitalizzatori e hardware per i calcoli di beamforming.

Requisito per il beamforming: una sola antenna non è sufficiente

Nel WLAN, il beamforming assicura che il router concentri il suo segnale sul dispositivo ricevente, inviando diversi segnali sovrapposti – ne parlerò dopo. Il presupposto è un router con diverse antenne o una tecnologia come «Multiple-input and multiple-output» (MIMO). I router WiFi con la tecnologia MIMO sono in grado di utilizzare diverse antenne. Possono anche trasmettere quattro flussi di dati in downlink in parallelo. I primi router MIMO sono arrivati sul mercato alla fine del 2009 insieme allo standard WiFi 4 802.11n. Ma 802.11n non specifica come deve essere implementato il beamforming nei router. Di conseguenza, esistevano pochi prodotti proprietari 802.11n con tecnologia beamforming.

Solo con WiFi 5 o 802.11ac il beamforming raggiunge le masse. A partire dal 2014, i nuovi router non solo trasmettono fino a otto diversi flussi di dati in downlink contemporaneamente con antenne diverse; grazie alla tecnologia «Multi-user Multiple-Input, Multiple-Output» (MU-MIMO) è anche possibile alimentare diversi terminali. Tuttavia, il nuovo standard non solo porta la tecnologia MU-MIMO, un maggior volume di dati e molti altri miglioramenti, ma include anche alcune tecniche specifiche di beamforming. E anche se non è richiesto un router 802.11ac per avere il beamforming, praticamente tutti i produttori lo implementano nei loro prodotti da quel momento in poi.

Scotty mi porta in alto: MU-MIMO uplink e OFDMA

Affinché la nuova tecnologia funzioni, deve essere supportata non solo dal router WiFi, ma anche dal rispettivo dispositivo finale. Quindi, se la vecchia console PS3 non si aggiorna dopo l'aggiornamento del router, non significa che una funzione del router è difettosa, bensì che il chip 802.11g nella console è obsoleto.

A partire dal WiFi 6, certificato dal settembre 2019, la tecnologia MU-MIMO riceve un aggiornamento: un uplink MU-MIMO che però si lascia attendere. Gli attuali router WiFi 6 non dispongono ancora di questo uplink. Infatti, l'integrazione della tecnologia seguirà in futuro nei prodotti Wave-2-802.11ax. L'uplink non è completamente nuovo, ma finora non è stato utilizzato da molti prodotti Wave-2-802.11ac.

Inoltre, MU-MIMO ottiene un partner forte per WiFi 6, lo stesso che si trova nella scatola con MU-MIMO per la tecnologia 5G: «Orthogonal Frequency-Division Multiple Access» (OFDMA).

MU-MIMO così come OFDMA sono tecnologie multi-utente. In futuro entrambi i sistemi saranno in grado di scambiare dati diversi con dispositivi diversi allo stesso tempo in downlink e uplink. Entrambi garantiscono la riduzione dei tempi di latenza e il miglioramento dell'efficienza del WiFi. Ma la tecnologia OFDMA adotta un approccio diverso dividendo inoltre un canale radio in sottocanali più piccoli. Ad esempio, un canale da 20 MHz può essere suddiviso in un massimo di nove canali più piccoli. Successivamente viene assegnato un intervallo di tempo al rispettivo sottocanale. Il router alimenta quindi alternativamente i sottocanali o i diversi dispositivi finali con dati, per cui tutto ciò avviene a intervalli estremamente brevi. Minuscole finestre di tempo fanno sì che tutto funzioni in modo apparentemente senza soluzione di continuità.

A prima vista OFDMA sembra la concorrenza di MU-MIMO. Tuttavia, le apparenze ingannano, perché le due tecnologie si completano perfettamente a vicenda. Se un'applicazione richiede un'elevata larghezza di banda, MU-MIMO è a disposizione per aumentare l'efficienza del collegamento meglio di quanto potrebbe fare OFDMA. OFDMA funziona meglio con larghezza di banda ridotta o piccoli pacchetti di dati. Se le larghezze di banda basse e alte vengono mischiate, l'OFDMA è una buona scelta. Un router AX decide, sulla base di algoritmi predefiniti o adattati, se trasmettere i dati tramite multi-user MIMO, OFDMA o single-user MIMO.

Il risultato è che l'OFDMA aumenta l'efficienza, riduce la latenza in modo più efficace e può servire contemporaneamente un numero significativamente maggiore di dispositivi con piccoli pacchetti rispetto al MU-MIMO. D’altra parte, MU-MIMO aumenta la capacità, porta una maggiore velocità per ogni utente ed è più adatto se scarichi un film di grandi dimensioni.

E il beamforming?

Il prerequisito affinché un router WiFi sia in grado di gestire diverse antenne è una procedura come MU-MIMO o OFDMA. Ma questa è una piccola parte di ciò di cui è capace un router attuale. Con WiFi 6, sono previste oltre 50 funzioni, alcune delle quali sono già disponibili nei prodotti attuali o seguiranno. Inoltre, ci sono anche altre cose che possono influenzare significativamente le prestazioni. Occorre menzionare anche la modulazione numerica di ampiezza in quadratura utilizzata anche per il 5G.

Ma torniamo al beamforming, che attiva un turbo aggiuntivo: se un'antenna invia il suo segnale circolarmente in tutte le direzioni, il segnale diventa più debole al bordo dell'area di ricezione. Questo può essere compensato trasmettendo nella direzione del dispositivo terminale sotto forma di una mazza allungata invece che di un cerchio. Non è necessario che le antenne siano fisicamente allineate. Un raggio mirato è ottenuto mediante lo sfasamento e la propagazione multidirezionale del segnale. Antenne diverse, situate una vicino all'altra, trasmettono lo stesso segnale ad intervalli estremamente brevi. Le diverse onde di segnale sono stratificate e portano a un’interferenza. A seconda della posizione, la sovrapposizione delle onde può causare un’interferenza distruttiva o costruttiva. Le onde o si annullano a vicenda o si amplificano a vicenda e agiscono insieme.

Il beamforming deve quindi essere eseguito correttamente per ottenere un segnale forte e focalizzato. Una storia complicata, ma particolarmente importante per il 5G. Poiché il nuovo standard opera in bande di frequenza più alte e le frequenze più alte hanno una gamma più corta rispetto a quelle più basse, sono necessarie tecnologie per compensare questa situazione.

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Martin Jud

Senior Editor

martin.jud@digitecgalaxus.ch

La mia musa ispiratrice si trova ovunque. Quando non la trovo, mi lascio ispirare dai miei sogni. La vita può essere vissuta anche sognando a occhi aperti.

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