Cos'è il Beamforming e che Ruolo ha nelle Reti 5G?

Il beamforming è una tecnica di trasmissione della rete molto diffusa per le connessioni wireless, che aiuta ad evitare gli sprechi energetici, diffondendo il segnale internet in punti specifici e limitandone la dispersione.

Cos'è il Beamforming?

Al giorno d'oggi, per navigare in modo ottimale è necessario superare le barriere architettoniche (come i muri spessi degli edifici), le interferenze e i cosiddetti black spot, letteralmente "punti neri" che non vengono raggiunti dalla rete.

Anche se ci sono molti sistemi per estendere il segnale, come l'utilizzo di un ripetitore Wi-Fi, i produttori degli apparecchi per la trasmissione della connessione e il team della Wi-Fi Alliance hanno scelto di avvalersi del beamforming: cos'è?

Il beamforming è una tecnica che consente al router di orientare la fase e l'ampiezza delle onde radio, modulando il segnale e indirizzandolo nel punto in cui sono collocati i device. Con questo metodo, infatti, è stato possibile ampliare la ricezione del segnale all'interno di un'area, permettendo ai dispositivi collegati di navigare sul web in modo ottimale.

Cos'è la Wi-Fi Alliance? Wi-Fi Alliance è un'organizzazione fondata da alcune imprese leader del settore informatico con lo scopo di adottare uno standard unico per la banda larga wireless.

In breve, il beamforming è un'architettura di trasmissione che permette di far assumere una particolare direzione al segnale, concentrandolo in una specifica traiettoria. Di conseguenza, con questa tecnologia si è in grado di "lavorare" l'onda che trasmette e riceve il segnale: questo avviene grazie a particolari apparati che formano interferenze positive o negative.

Come può essere trasmesso il segnale?

1. Trasmissione omnidirezionale: fino ad ora, il segnale Wi-Fi è stato sempre trasmesso in modo omnidirezionale, così da coprire una zona più ampia, nonostante questo implicasse una minore intensità di diffusione. Le antenne omnidirezionali vengono impiegate quando la copertura è necessaria in tutte le direzioni, seguendo una propagazione orizzontale.
2. Trasmissione direzionata: a differenza delle antenne omnidirezionali, le antenne direzionali muovono l'energia RF (radiofrequenza) lungo una determinata traiettoria. Questo tipo di trasmissione rappresenta l'obiettivo del beamforming: concentrare il segnale in una direzione specifica per aumentare la potenza del segnale nel punto desiderato.

Come Funziona il Beamforming?

Per comprendere il funzionamento del beamforming è opportuno capire come funziona un router. Per prima cosa, quando si desidera creare una rete wireless, bisogna ricordare che questi apparati sfruttano le onde radio, che si diffondono in modo uniforme in tutte le direzioni senza l'utilizzo di cavi.

Di conseguenza, eliminando le possibili interferenze, le onde si propagano assumendo la forma di circonferenze concentriche: il centro è rappresentato dall'antenna del router che emette il segnale. Un esempio esplicativo è un sasso in un lago: una volta lanciato l'oggetto in acqua, si formano delle onde che si espandono in maniera concentrica sulla superficie che circonda la pietra.

Questo tipo di trasmissione garantisce che il segnale sia esteso e uniforme, ma la propagazione risulta comunque poco ottimizzata. Le onde, infatti, arriveranno anche laddove non sono presenti device utilizzati con conseguente dispersione del segnale.

Per ovviare a questo problema, viene utilizzato il beamforming, che - tramite specifici algoritmi - riesce a individuare i device connessi al Wi-Fi, modulando la fase e l'ampiezza dell'onda verso i dispositivi. Questo aspetto è fondamentale perché, riducendo il dispendio energetico, si ottiene una banda ottimizzata che viene sfruttata solo dai device che ne hanno realmente bisogno.

I Tipi di Beamforming: Analogico e Digitale

A questo punto, possiamo fare un'ulteriore distinzione tra i tipi principali di beamforming:

• Beamforming analogico: il beamforming analogico - con acronimo ABF, Analog Beamforming - è un tipo di tecnologia che sfrutta i segnali ricevuti dagli elementi di un’antenna phased array. Questi segnali vengono sommati in fase e ampiezza all'interno dell’antenna, utilizzando la frequenza principale del segnale trasportato, così da elaborare un segnale comune per un massimo di quattro dispositivi centralizzati.
  Questi ripetitori sono in grado di amplificare il segnale, convertendolo in una frequenza intermedia oppure in una banda base.
• Beamforming digitale: il beamforming digitale - conosciuto anche come DBF, Digital Beamforming - è una tecnologia attraverso cui un ricevitore individuale viene connesso a ogni elemento dell’antenna oppure viene collegato a piccoli gruppi di antenne della phased array aerial. A livello informatico, la conversione in formato digitale è realizzata in modo singolo per ogni elemento dell'antenna; in più, la somma viene eseguita digitalmente in un processore apposito. Il rumore intrinseco e la distorsione del segnale nei singoli ricevitori vengono esclusi dalla somma. Inoltre, con questa architettura vi è una maggiore performance per il ricevitore, ma anche un controllo superiore del segnale (ampiezza e posizione di fase).

Vantaggi e Applicazioni del Beamforming

Se si possiede una connessione internet a casa o in azienda abbinata a un modem - router che supporta il beamforming i vantaggi sono numerosi.

Il primo vantaggio consiste nel miglioramento della copertura e nell'ottimizzazione della portata del segnale: con questa architettura, i tempi di trasmissione risultano migliori rispetto al tradizionale router. Visto che il rapporto tra il segnale e il rumore risulta più elevato, il beamforming è in grado di aumentare un altro parametro, definito SNR (Signal to Noise Radio, ovvero l'efficienza spettrale). Il beamforming è una tecnica che, in unione ad altre innovazioni, come le antenne intelligenti e la tecnologia MIMO, può incrementare la potenza e la qualità delle reti.

Un secondo vantaggio sta nella riduzione delle interferenze e del rumore nelle trasmissioni wireless: la ricezione di un segnale ottimizzato attraverso il beamforming è originata dal posizionamento del segnale in una direzione specifica. Questo, di conseguenza, permette di trasmettere in modo più rapido le informazioni, riducendo il margine di errore.

Cos'è la tecnologia MIMO? MIMO, sigla di Multiple In - Multiple Out, viene anch'essa spesso utilizzata nei modem - router di ultima generazione. Rappresenta una tecnologia che si avvale del multipath, una proprietà tipica delle onde radio che consente di velocizzare la trasmissione senza aumentare la larghezza della banda di trasmissione. Di conseguenza, il segnale viene diffuso da differenti sorgenti (dette antenne di trasmissione). Esso arriva all'antenna ricevente attraverso differenti percorsi in momenti diversi, formando dei flussi di dati simultanei che consentono il trasporto di maggiori informazioni.

Il Beamforming nel Contesto delle Reti 5G

Come abbiamo specificato in precedenza, il beamforming è un'architettura di trasmissione del segnale in grado di dirigere l'onda in un determinato punto, sfruttando delle antenne. Attualmente il beamforming viene impiegato nel funzionamento dei radar e dei sonar, ma anche nell'ambito della telefonia, per cui può essere applicato alla rete 5G. Questa tipologia di connessione, infatti, necessita di una velocità di trasmissione dati più elevata delle tecnologie di vecchia generazione: un modo per incrementare i parametri è utilizzare proprio il beamforming.

In questo caso, infatti, le micro-antenne che si trovano nell'antenna array vengono alimentate in modo separato, mentre la fase e l'ampiezza di ogni segnale vengono sommate, così da concentrare l'energia in un "lobo", ovvero un fascio stretto che porta il segnale in un device specifico.

1. Il beamforming nel 5G permette di gestire la direzione che assume la trasmissione o la ricezione di un segnale su un array di antenne.
2. Questa architettura aumenta l'efficienza spettrale, perché è in grado di fornire un rapporto segnale-rumore (SNR) superiore.
3. Visto che il beamforming lavora anche con altri tipi di antenne (intelligenti e MIMO), è possibile ottenere dei vantaggi relativi alla portata e alla capacità delle celle. Quest'ultimo elemento risulta fondamentale per gli utenti con device mobile: infatti, in questo caso i segnali trasmessi con la rete 5G risultano più potenti e puliti.
4. A differenza della rete 4G, che sfrutta le antenne passive, nella connessione 5G il beamforming si avvale delle antenne alimentate e - di conseguenza - attive.

In futuro, si prevede che la banda a onde millimetriche (conosciute anche come mm-Wave) in combinazione al beamforming permetterà di aumentare la larghezza della banda per gli smartphone, ottimizzando la velocità di trasmissione dei dati e le latenze basse tipiche del 5G.

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Limitazioni e Sviluppi Futuri del Beamforming

Il beamforming ha la caratteristica di migliorare le prestazioni della rete sul medio-lungo raggio, per cui ti consigliamo di abilitare questa funzione sul tuo router se possiedi un'abitazione con dimensioni elevate. Infatti, in un ambiente piccolo come un monolocale, non noteresti un miglioramento significativo delle performance.

Ricorda che il beamforming non è supportato da tutti i dispositivi: di solito, puoi utilizzarlo al meglio solo quando sia il router sia il dispositivo da connettere dispongono di questa opzione. Sicuramente, l'acquisto di dispositivi di ultima generazione è un buon modo per assicurarsi che anche queste architetture di trasmissione del segnale siano supportate dai device.