Beamforming: технология будущего или уловка маркетологов?

ЗАПРОС! Привет всем! Пожалуйста, объясните мне, что такое Beamforming? Я видел такую надпись на своем роутере, но не понимаю, что это означает.

u{000D}

КРАТКИЙ ОТВЕТ! Технология Beamforming (от англ. яз. «Beam» – луч, «Forming» – формирование) – это создание узконаправленного луча радиосигнала в Wi-Fi. В общем, роутер определяет расположение вашего ноутбука, телефона, планшета или даже телевизора, и создает концентрированный сигнал в их направлении, что позволяет устройству получить лучший сигнал. И как известно, чем качественнее сигнал, тем выше скорость передачи данных. Эта технология впервые была введена в рабочем состоянии в стандарте Wi-Fi 802.11ac. А более подробную информацию о самой технологии можно найти ниже в статье.

Как работает технология?

Начнем с того, что технология появилась в стандарте 802.11n, но проблема заключалась в том, что каждый производитель оборудования реализовывал её по-разному с разными алгоритмами. В результате она работала только между устройствами одного производителя. Появление 802.11ac позволило данной технологии заработать как надо, так как появился общий стандарт. Несмотря на популярность стандарта 802.11n, TX Beamforming работает на нем только в редких случаях.

Beamforming стал возможным только после выхода другой технологии – MIMO, которая позволяет передавать данные на несколько устройств сразу благодаря нескольким антеннам. MIMO уже появился при стандарте 802.11n.

MIMO создает несколько потоков и передает данные по ним одновременно. Существуют два вида MIMO:

Технология SU-MIMO используется для передачи данных в несколько потоков на одно устройство.
Метод MU-MIMO предполагает одновременное общение с роутером несколькими клиентами.

Скоро вы поймете, почему я начал именно с этого. Технология MIMO возможна только при наличии нескольких антенн у роутера — данные с каждой антенны передаются на конкретное устройство. Это удобно, потому что теперь не нужно ждать доступа к сети и интернету. У MU-MIMO есть различные схемы:

Например, если у роутера 3 антенны и он поддерживает схему 3х3, то он может одновременно связываться с 3 устройствами.

Transmit Beamforming использует несколько антенн, чтобы определить расположение устройства в пространстве. Каждая антенна транслирует радиосигнал во все направления. И здесь возникает вопрос — как усилить и улучшить сигнал в конкретном месте, где находится телефон, планшет или ноутбук?

Физика и концепция интерференции приходят на помощь. Интерференция происходит, когда две волны накладываются, и в одном месте происходит усиление сигнала, а в другом месте — ослабление.

Рассмотрим пример с роутером, у которого две антенны, испускающие радиоволны, и двумя клиентами. Пассивный клиент не получает информацию в данный момент и ничего не передает.

Активным клиентом считается тот пользователь, который в данный момент получает данные от маршрутизатора. Технология Beamforming работает следующим образом:

Обе антенны устанавливают базовые колебания волны.
С помощью изменения фазы обе антенны начинают подстраивать амплитуду сигнала таким образом, чтобы она была максимальной в месте, где находится клиентское устройство.

На изображении выше активен первый клиент, а антенны настраивают радиоволны так, чтобы в месте нахождения устройства происходило максимальное наложение двух волн, излучаемых двумя антеннами.

Затем второе устройство становится активным (смотрим на изображение ниже). И антенны адаптируют фазы для усиления сигнала в месте нахождения этого устройства.

Важно помнить, что анализ расположения клиентских устройств зависит не только от одного роутера. Основную роль в этой задаче играет сам клиент. Таким образом, схема выглядит следующим образом:

Существует две антенны, которые отправляют звуковой сигнал, называемый нулевым пакетом данных (NDP).
NDP содержит заголовок, который помогает клиенту определить, от какой антенны был отправлен сигнал.
Устройство записывает параметры приема радиоволн в матрицу, включая силу сигнала и время получения сигнала.
Для каждого канала записываются отдельные данные, так как частоты каналов немного различаются. И как известно, волны с разной частотой распространяются по-разному в определенной среде.
Матрица со всеми этими данными (Channel State Information (CSI)) возвращается обратно к роутеру.
Роутер использует эти данные для вычисления приблизительного местоположения клиента и настраивает передачу радиоволн таким образом, чтобы интерференция в месте клиентского устройства была минимальной.

Однако мы рассмотрели ситуацию, в которой оба устройства поддерживают технологию Beamforming. В этом случае мы имеем дело с явным формированием луча (implicit Beamforming, iBF). В случае если клиентское устройство не поддерживает эту технологию и не может передать информацию о состоянии канала (CSI), то маршрутизатор пытается приблизительно определить расположение устройства на основе принятых данных и оценки канала связи.

Передатчик задает вопрос: какая скорость передачи информации тебе удобна?
Получатель отвечает: давай, попробуем так!
Маршрутизатор начинает постепенно изменять скорость и фазовый сдвиг на обеих антеннах. Таким образом, интерференция может усилиться или ослабеть, и в результате сигнал может ухудшиться или улучшиться.
Если получатель сообщает, что все в порядке и можно увеличить скорость, значит, маршрутизатор правильно настроил фазовый сдвиг. Если сигнал ухудшился и скорость снизилась, то маршрутизатор ищет другие настройки сдвига.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет найдена максимальная скорость передачи, что будет означать, что настройки антенн найдены.

Это называется неявное формирование луча (implicit Beamforming, iBF). В сети можно найти огромное количество отзывов о том, что данная технология является просто маркетинговым ходом. На деле же она значительно улучшает качество связи и скорость передачи данных.

В теории Beamforming может устранять помехи, отправляя сигнал в сторону источника помех, что также улучшает связь в многоквартирных домах, где помимо вас живет еще много соседних роутеров, мешающих вашей точке доступа.

Напоминаю, что данная технология активно используется в Wi-Fi 6-м поколении – о нем вы можете подробно прочитать здесь. Если вы хотите углубиться и понять тему более детально, то советую прочитать дополнительные материалы: