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Kritikpunkt Beamforming

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  1. Kritikpunkt Beamforming

    Autor: bombinho 05.12.19 - 02:02

    Beamforming ist nicht ansatzweise mit Richtfunk zu vergleichen.

    Weder bei der Effizienz, noch bei der Abstrahlung. Beamforming ist schlichte Anhebung des Signal ueber Interferenz. das bringt tatsaechlich durchaus etwas, aber es existieren mehr Probleme als absehbare Loesungen, so zum Beispiel die notwendige Bewegungsvorhersage. Je hoeher die Frequenz, desto hoeher die Aufloesung und umso praeziser muesste man den Aufenthaltsort voraussagen koennen.

    Bei Beamforming wird trotzdem ueber das gesamte Segment gesendet, es ist lediglich an einigen Stellen deutlicher zu empfangen. Damit koennte man zwar die Sendeleistung etwas nach unten regulieren, allerdings ist die Freiraumdaempfung erbarmungslos, was Abstrahlwinkel angeht.
    Und es gibt auch nicht nur ein Maximum sondern mehrere Maxima.

    Wenn ich das richtig ueberdacht habe, dann sollten Antennenelemente mit hoeherer Richtwirkung, in einer gewoelbten Anordnung, einige der Nachteile zumindestens teilweise kompensieren koennen, besonders mit der verbesserten Uebergabe zwischen den Segmenten.

  2. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: Wuestenschiff 05.12.19 - 17:59

    Natürlich ist Beamforming Richtfunk. Mehrere Antennen bilden zusammen eine "Virtuelle Antenne" die eine richtwirkung hat. Und nein in gewisse Richtungen hat man kein Signal weil sich das Signal auslöscht.

    Selbstverständlich gibt es auch Nebenkeulen aber die gibt es bei klassischen Richtstahlschüsseln auch.

  3. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: bombinho 09.12.19 - 19:54

    Wuestenschiff schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Natürlich ist Beamforming Richtfunk.

    Nope, nicht ansatzweise. Um sich gegenseitig auszuloeschen, muss die Energie erst einmal abgestrahlt werden. Bei einem Richtstrahler ist das nicht der Fall. Und die Ausloeschung ist auch nur punktuell, ebenso wie die Anhebung.

    Mit einem Richtstrahler kann ich mit vergleichsweise geringer Sendeenegie direkt der Freiraumdaempfung ein Schnippchen schlagen. Beim Beamforming schlaegt die Freiraumdaempfung der Sendeeinheit ein Schnippchen.

    > Mehrere Antennen bilden zusammen eine
    > "Virtuelle Antenne" die eine richtwirkung hat. Und nein in gewisse
    > Richtungen hat man kein Signal weil sich das Signal auslöscht.

    Himmelschreiender Unfug. Es gibt da keine Richtwirkung sondern nur Verstaerkung in bestimmten Zonen und diese Verstaerkung ist zwar durchaus spuerbar aber in einer komplett anderen Liga als Richtfunkt. Das ist so ungefaehr als ob du einen Wasserstrahl aus einer Duese mit den Wellenbergen in Ufernaehe vergleichen wolltest. Wenn dort tatsaechlich erhebliche Spruenge moeglich waeren, dann haetten wir laengst Interferenzkraftwerke und koennten damit dann auch gleich Perpetuum Mobiles fuer das Volk bauen.

    > Selbstverständlich gibt es auch Nebenkeulen aber die gibt es bei
    > klassischen Richtstahlschüsseln auch.

    Erzeugen Laser bei einer Laserkuehlung Energie oder verbrauchen sie erhebliche Mengen davon? Rate mal, warum. Ausloeschung durch Ueberlagerung ist etwas ganz anderes als Abschirmung.

  4. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: TimoHH 09.12.19 - 20:20

    Und dann sollte man noch beachten, dass Richtfunk nur in die entsprechende Richtung senden UND empfängt. Minimiert auch wieder den Einfallwinkel für Störquellen

  5. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: bombinho 09.12.19 - 20:34

    Wuestenschiff schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Natürlich ist Beamforming Richtfunk.

    Ich versuche das mal bildhaft: Du willst von Frankfurt nach Muenchen ein Paket mit Bananen senden und dazu steckst du in jeden abfahrenden Gueterzug ein Paket mit Bananen und stellst sicher, dass auf jeder Strecke ausser der nach Muenchen ein entgegenkommender Gueterzug, ebenfalls mit einem Bananenpaket beladen, mit dem ausgesandten Zug kollidiert, ausser auf der Strecke nach Muenchen, da schickst du noch einen zweiten Gueterzug mit einem Paket Bananen hinterher. Ein paar der Zuege auf Kollisionskurs werden sich verfehlen und kommen trotzdem an.

    Die andere Alternative ist es, nur den Zug nach Muenchen abfahren zu lassen.

    Was waere deine Wahl? Und obwohl ein (in einem sehr weiten Rahmen) vergleichbares Ergebnis erzielt wird, ist da nur sehr wenig Aehnlichkeit.



    1 mal bearbeitet, zuletzt am 09.12.19 20:36 durch bombinho.

  6. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: bombinho 09.12.19 - 20:47

    TimoHH schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Und dann sollte man noch beachten, dass Richtfunk nur in die entsprechende
    > Richtung senden UND empfängt. Minimiert auch wieder den Einfallwinkel für
    > Störquellen

    Korrekt, deswegen kommt auch (noch) niemand auf die verwegene Idee, in Zukunft die Mobilfunkmasten mit Beamforming untereinander zu vernetzen. Dabei waere das noch eine der vertretbarsten Anwendungen, da die Bewegungsvorhersage bei Mobilfunkmasten in der Regel bereits mit heutigen Mitteln beherrschbar ist ;)

    Aber leider ist die erreichbare Ausbeute bzw. der Gewinn nicht ansatzweise geeignet um Spruenge im Signal/Rauschabstand zu erzielen (fuer eine hohe Datenrate). Dann vermutlich doch eher Richtfunk.

  7. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: hubby 09.12.19 - 22:08

    Beamforming und Richtfunk (directional radio) ist nicht unbedingt dasselbe, da gebe ich dir Recht. Das Argument mit der Interferenz kann ich so aber nicht stehen lassen.

    Ein typisches Missverständnis ist, dass bei destruktiver Inferenz Energie verloren geht, weil sich beide Wellen auslöschen. Das stimmt so aber nicht, weil die reflektierte Welle der Quelle die Inputimpedanz der Antenne verändert. Das ist zum Nachlesen hier sehr gut erklärt (google "uni kiel interference_paradox_article").
    Hat man also zwei Antennen nah nebeneinander die mit Strom der 180 Grad phasenverschoben ist gespeist wird so errechnet sich die Antennenimpedanz zu null, dass bedeutet für die Leistung P = R * I^2 = 0. Die ganze Welt der Wellen ist nicht immer leicht zu verstehen aber für Antennen würde ich mal sagen: Die Energie wird einfach anders verteilt, sie geht aber nicht verloren zum Beispiel um Moleküle in der Luft zu erwärmen (dafür sind die zu Träge, die brauchen ca 500W in der Mikrowelle).

    Jetzt mal zum Unterschied, zwischen Beamforming und directional radio. Beamforming heißt, dass verschiedene Antennenelemente mit unterschiedlichen phasenverschobenen Strömen angesprochen werden (das kann auch digital geregelt werden) und sich damit das Maximum oder die Maxima (Nebenkeulendämpfung abhängig von Anzahl der Elemente) vom Winkel her verschieben. Es kann also Beamforming verwendet werden um directional radio zu betreiben. Auch hier sind vergleichbare Gewinne erreichbar (wird oft nur bei hohen Frequenzen gemacht, weil patch antennen leicht in hohen Stückzahlen auf ein Substrat geäzt werden können). Man kann aber natürlich auch directional antennas bauen ohne beamforming wie es normalerweise verstanden wird zu verwenden (viele davon arbeiten mit Reflexion, manche aber auch mit Interferenz wie die Yagi Uda Antenna).

  8. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: bombinho 12.12.19 - 16:12

    hubby schrieb:
    --------------------------------------------------------------------------------
    > Ein typisches Missverständnis ist, dass bei destruktiver Inferenz Energie
    > verloren geht, weil sich beide Wellen auslöschen. Das stimmt so aber nicht,
    > weil die reflektierte Welle der Quelle die Inputimpedanz der Antenne
    > verändert. Das ist zum Nachlesen hier sehr gut erklärt (google "uni kiel
    > interference_paradox_article").

    Autsch, sehr viel Science Fiction und sehr wenig anwendbare Information.

    > Hat man also zwei Antennen nah nebeneinander die mit Strom der 180 Grad
    > phasenverschoben ist gespeist wird so errechnet sich die Antennenimpedanz
    > zu null, dass bedeutet für die Leistung P = R * I^2 = 0. Die ganze Welt der
    > Wellen ist nicht immer leicht zu verstehen aber für Antennen würde ich mal
    > sagen: Die Energie wird einfach anders verteilt, sie geht aber nicht
    > verloren zum Beispiel um Moleküle in der Luft zu erwärmen (dafür sind die
    > zu Träge, die brauchen ca 500W in der Mikrowelle).

    Zum einen findet die Erwaermung durch Strahlung immer statt, nur die Menge variiert. Nennt sich Absorbtion und ist ein bekanntes Phaenomen, welches lediglich in reinem Vakuum nicht stattfindet, da da nichts ist, was absorbieren kann. Aber derartige Effekte hatte ich hier gnaedigerweise vernachlaessigt, bzw. bei der Freiraumdaempfung obendraufgeschlagen.
    Lediglich bei Betrachtung eines einzelnen Quantums wird die Absorbtion ignoriert, da sie das Ende des Quantums bedeutet und damit irrelevant fuer die Betrachtung ist.

    Apropos Freiraumdaempfung, das in dem nicht mehr ganz neuen Artikel (70er Jahre) erwaehnte Experiment geht von idealen Rundstrahlern im Nahfeld bzw. zur Visualisierung sogar gekoppelten Dipolen aus. Dabei findet die Ausloeschung bereits elektrisch statt und es kommt zu keiner nennenswerten Abstrahlung. Das waere absolut fatal fuer einen Mobilfunkanbieter, die ausgesendete Welle komplett auszuloeschen. So ganz nebenbei wird dort auch gleich noch das Problem verschoben, nach dem Motto, aus den Augen, aus dem Sinn.

    Nehmen wir mal an, du hast einen elektrischen Schaltkreis, bei dem der Dipol der Verbraucher ist, jetzt nimmst du einen zweiten gegenlaeufig gepolten Schaltkreis und koppelst beide zusammen. Die abgestrahlte Energie ist in der Tat vernachlaessigbar, aber was ist mit dem Strom im Stromkreis, dort hat sich ploetzlich das Energiepotential verdoppelt und der Innenwiderstand der Dipole geht gegen Null. Nun verrate mir mal, was in einem Stromkreis passiert, wenn ich die Spannung verdoppele und den Innenwiderstand der Verbraucher gegen Null laufen lasse? Sinkt der Strom im Sendekreislauf tatsaechlich? Wo ist die Spannung denn wirklich gegen Null? Am Einspeisepunkt oder am Verbraucher? Wo findet der Spannungsabfall statt und welche Bedingungen herrschen dabei?

    Ich helfe mal aus, der gesamte Spannungsabfall findet nun in der Zuleitung (bzw. teils in der Energiequelle) statt, damit kann das Dipol tatsaechlich nahezu null Energie abstrahlen, da nun die Leitung zum Verbraucher wird, da ihr Widerstand deutlich groesser ist. Die Leistung faellt auf der Leitung ab (und in der Energiequelle) und erwaermt diese entsprechend.

    > Es kann also Beamforming verwendet werden um directional radio
    > zu betreiben. Auch hier sind vergleichbare Gewinne erreichbar (wird oft nur
    > bei hohen Frequenzen gemacht, weil patch antennen leicht in hohen
    > Stückzahlen auf ein Substrat geäzt werden können).

    Gewinne sicherlich, aber keineswegs Antennengewinne. Wie stellst du dir vor, soll solch ein Antennengewinn aussehen? Doch nicht etwa, durch die verteilte Abstrahlung von mehreren Elementen? Das ist kein Antennengewinn. Noch mal zur Erinnerung: Antennengewinn ist die Zunahme der gesendeten/empfangenen Leistung bei gleichbleibender Einspeiseleistung.
    Wenn du jetzt z.B. einfach 64x die Einspeiseleistung aufbringst, um eine Verbesserung der Empfangsleistung von unter 2 zu erreichen, dann ist das keineswegs ein Antennengewinn.

    Hier empfehle ich, mal das Interferenzmuster aufzuzeichnen und die Stelle zu finden, an der sich 64 Wellen ueberlagern. Oder 8 von mir aus.

    Versuch den Spass nochmal, wenn die Dipole in einem Parabol angeordnet sind.

    Nachtrag: Ich wuerde auch empfehlen, die Annahme von R = 0 auf Betrachtungen zu Supraleitern beschraenken.



    3 mal bearbeitet, zuletzt am 12.12.19 16:24 durch bombinho.

  9. Re: Kritikpunkt Beamforming

    Autor: hubby 16.12.19 - 22:29

    "Gewinne sicherlich, aber keineswegs Antennengewinne. Wie stellst du dir vor, soll solch ein Antennengewinn aussehen? Doch nicht etwa, durch die verteilte Abstrahlung von mehreren Elementen? Das ist kein Antennengewinn. Noch mal zur Erinnerung: Antennengewinn ist die Zunahme der gesendeten/empfangenen Leistung bei gleichbleibender Einspeiseleistung.
    Wenn du jetzt z.B. einfach 64x die Einspeiseleistung aufbringst, um eine Verbesserung der Empfangsleistung von unter 2 zu erreichen, dann ist das keineswegs ein Antennengewinn."

    Ich gehe mal nur darauf ein, weil hier glaube ich das Grundproblem im Verständnis liegt. Genau so wie du es beschreibst funktioniert Beamforming. Durch konstruktive und destruktive Interferenz erhöhe ich den Antennengewinn in eine bestimmte Richtung. Es gibt dafür unzählige Beispiele im Internet, z.B. mal antenna array pattern bei google Bilder eingeben und eine Abbildung mit der Einheit "dBi" suchen. Eine normale patch Antenne hat ca. 6-8 dBi Gain, ein Array auf einmal 25 dBi. dBi sagt aus, dass alles auf die gleiche Referenzantenne bezogen wurde, Eingangsleitung normiert auf 1 Watt, zumindest in den meisten Simulationstools. Dabei vernachlässige ich natürlich das coupling zwischen den verschiedenen Elementen, das ist ein anderes komplexes Thema und kann nicht immer damit beantwortet werden, dass durch mutual coupling der Gain der Antenne kleiner wird.

    Produktbeispiele: BGT24MTR12 von Infineon, Antennengewinn 26 dBi, verbaut sind patch antennen arrays.
    Noch mit Bild der Antennen: CDM324 24GHz (auf ebay suchen) 13 dBi Antennengewinn aus einem Array von 4 Patchantennen. Kleine Rechnung: GesamterGewinn = Einzelstrahler + Arrayfaktor = 6 dBi (normale Patchantenne) + 6 dBi (verdoppeling Gain (3 dBi) bei jeweils verdoppelung elemente also 2,4,8,16...) = 12 dBi. Komm ich ja fast auf die angegebenen 13.

    Das Ganze findet man auch in Produktbeschreibungen wieder. Hier zum Beispiel eine Tabelle für FCC, max. 4 watt EIRP:

    30dBm transmit - 6dBi antenna
    29dBm transmit - 9dBi antenna
    28dBm transmit - 12dBi antenna
    27dBm transmit - 15dBi antenna
    26dBm transmit - 18dBi antenna
    25dBm transmit - 21dBi antenna
    24dBm transmit - 24dBi antenna

    => Ich glaube ich habe jetzt genügend gezeigt, dass Antennengewinn (antenna gain) durch arrays vergrößert werden kann und damit die Eingangsleistung für gleiche aber gerichtete Sendeleistung geringer wird.

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