Digitale bundelvorming: signalen sturen zonder te bewegen
Stel je een groep mensen voor die allemaal tegelijk in hun handen klappen, maar dan net iets na elkaar: eerst de persoon links, een fractie van een seconde later de volgende, en zo verder naar rechts. Het geluid van al die klappen komt dan op één specifiek punt voor de groep precies gelijktijdig aan en versterkt elkaar daar tot een harde klap, terwijl het elders juist verzwakt doordat de geluidsgolven elkaar niet netjes optellen. Dit is in essentie wat digitale bundelvorming doet, maar dan met radiogolven, geluidsgolven onder water of lichtgolven in plaats van handgeklap.
Bundelvorming (in het Engels "beamforming") is een techniek waarmee je met een groep kleine, op zichzelf zwakke zenders of ontvangers toch een sterke, gerichte "straal" (bundel) kunt maken, zonder dat er iets mechanisch hoeft te draaien of kantelen. Het woord "digitaal" verwijst naar de manier waarop dit tegenwoordig gebeurt: niet met fysieke onderdelen die golven vertragen, maar met computerchips die signalen in real time berekenen en bijsturen. De techniek zit inmiddels in dingen die veel mensen dagelijks gebruiken, van 5G-zendmasten tot satellietinternet, en speelt een steeds grotere rol in radioastronomie, radar en toekomstige draadloze netwerken.
Wat is het precies?
De basis is een reeks antennes (een "antenne-array") die dicht bij elkaar staan, vaak tientallen tot duizenden stuks. Elke antenne stuurt of ontvangt hetzelfde signaal, maar met een klein tijdsverschil of faseverschuiving ten opzichte van de buren. Doordat die golven elkaar op sommige plekken in de ruimte precies versterken (constructieve interferentie) en op andere plekken juist uitdoven (destructieve interferentie), ontstaat er een denkbeeldige bundel die in een bepaalde richting wijst.
Bij analoge bundelvorming, de oudere aanpak uit de radartechniek van de Tweede Wereldoorlog, gebeurt die vertraging met fysieke onderdelen: faseverschuivers, kabels van verschillende lengte of mechanisch draaiende schotels. Bij digitale bundelvorming wordt het signaal van elke antenne apart omgezet naar digitale data door een analoog-naar-digitaal-omzetter, en berekent een chip (vaak een zogeheten DSP, digital signal processor, of FPGA) precies welke vertraging en versterking nodig zijn. Dat maakt het mogelijk om de richting van de bundel binnen milliseconden te veranderen, puur met software, en zelfs om meerdere bundels tegelijk te maken naar verschillende gebruikers of doelen.
Een tussenvorm die veel wordt gebruikt, vooral bij hoge frequenties zoals 5G-millimetergolven, heet hybride bundelvorming: een deel van het werk gebeurt nog analoog (om kosten en energieverbruik te beperken), en een deel digitaal. Volledig digitale bundelvorming, waarbij elke antenne zijn eigen digitale keten heeft, is krachtiger en flexibeler maar ook duurder en energie-intensiever, omdat je voor elke antenne apart een omzetter en rekenkracht nodig hebt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is efficiëntie: signaalsterkte en gegevenscapaciteit bundelen naar precies waar ze nodig zijn, in plaats van energie in alle richtingen te verspreiden. Voor een 5G-zendmast betekent dit dat de bundel naar jouw telefoon wordt gestuurd in plaats van naar de hele straat, wat sterkere verbindingen en minder storing tussen gebruikers oplevert. Voor satellietinternet zoals dat van lagebaansatellieten betekent het dat een plat schoteltje op je dak een bewegende satelliet kan volgen zonder motor of draaiend onderdeel.
Een tweede doel is ruimtelijke selectiviteit: het onderscheiden van signalen die uit verschillende richtingen komen. Radarsystemen gebruiken dit om meerdere doelen tegelijk te volgen, en radiotelescopen gebruiken het om zwakke signalen uit de ruimte te scheiden van storing op aarde. Omdat de bundel elektronisch en niet mechanisch wordt gestuurd, kan dit razendsnel, wat cruciaal is bij het volgen van snel bewegende doelen of bij het razendsnel wisselen tussen gebruikers in een mobiel netwerk.
Tot slot draait het om flexibiliteit en toekomstbestendigheid. Omdat de sturing in software zit, kan een systeem worden aangepast of verbeterd met een update, in plaats van dat er nieuwe hardware nodig is. Dat maakt digitale bundelvorming aantrekkelijk voor systemen die decennia meegaan, zoals radiotelescopen en defensieradars.
Voorbeelden uit de praktijk
LOFAR (Nederland, sinds 2010). Deze radiotelescoop, ontwikkeld door het Nederlandse instituut ASTRON, bestaat niet uit één grote schotel maar uit tienduizenden eenvoudige, onbeweeglijke antennes verspreid over Nederland en delen van Europa. In plaats van een schotel te kantelen, "kijkt" LOFAR in een bepaalde richting door de signalen van al die antennes digitaal bij elkaar op te tellen met de juiste vertragingen. Het is een van de meest aansprekende voorbeelden van grootschalige digitale bundelvorming ter wereld.
Starlink-gebruikersterminals (SpaceX, sinds 2020). De platte, ronde antennes waarmee klanten internet ontvangen van de Starlink-satellieten bevatten honderden kleine antenne-elementen. Digitale bundelvorming stuurt de ontvangstbundel elektronisch mee met de satelliet die over de hemel trekt, en schakelt binnen milliseconden over naar de volgende satelliet zodra die beter gepositioneerd is.
Massive MIMO in 5G-netwerken (Ericsson, Nokia, Huawei, uitrol vanaf ongeveer 2019). 5G-zendmasten gebruiken antennepanelen met tientallen elementen om per gebruiker een aparte, gerichte bundel te vormen. Dit heet "massive MIMO" (multiple-input multiple-output) en zorgt ervoor dat een zendmast tegelijk meerdere gebruikers kan bedienen zonder dat hun signalen elkaar storen.
AN/SPY-6-radar (Amerikaanse marine, Raytheon/RTX, operationeel sinds 2016). Deze actieve, elektronisch gestuurde radar (AESA) op oorlogsschepen gebruikt digitale bundelvorming om tegelijk meerdere doelen te volgen, van vliegtuigen tot raketten, zonder dat de radarschotel hoeft te draaien.
Square Kilometre Array (Zuid-Afrika en Australië, bouw gestart in 2021). Dit internationale project, geleid door de organisatie SKAO, bouwt aan wat de grootste radiotelescoop ter wereld moet worden. Digitale bundelvorming is hierbij onmisbaar om de signalen van duizenden losse antennes te combineren tot bruikbare astronomische data.
Hoe ver is de techniek?
De basisprincipes van bundelvorming zijn niet nieuw: radar uit de jaren veertig gebruikte al analoge varianten. Wat de afgelopen twintig jaar veranderde, is dat computerchips snel en goedkoop genoeg werden om dezelfde berekeningen digitaal en in real time te doen. Militaire radar en radioastronomie liepen hierin voorop, vanaf ongeveer de jaren negentig en tweeduizend.
De grote doorbraak naar consumententoepassingen kwam met 5G: sinds 2019 zetten netwerkbeheerders wereldwijd massive-MIMO-antennes in, en dat gebeurt inmiddels op grote schaal, ook in Nederland. Satellietinternet volgde snel daarna, met Starlink als bekendste voorbeeld sinds 2020, en concurrenten zoals Amazons Project Kuiper werken aan vergelijkbare techniek.
Toch is de techniek allesbehalve "af". Volledig digitale bundelvorming, waarbij elke antenne een eigen digitale keten heeft, blijft duur en energieverslindend bij hoge frequenties en grote aantallen antennes, wat is waarom hybride oplossingen nog de norm zijn in veel 5G-apparatuur. Onderzoekers werken aan energiezuinigere chips, aan het combineren van bundelvorming met kunstmatige intelligentie om bundels sneller en slimmer te richten, en aan optische varianten van de techniek voor gebruik in glasvezel en lasercommunicatie. Voor toekomstige 6G-netwerken, die pas na 2030 worden verwacht, wordt digitale bundelvorming gezien als een kerntechnologie, maar de precieze vorm daarvan ligt nog niet vast.
Wie werken eraan?
In de telecomsector zijn Ericsson, Nokia, Huawei en Qualcomm de belangrijkste ontwikkelaars van bundelvormingschips en -antennes voor mobiele netwerken. Op het gebied van satellietcommunicatie loopt SpaceX (Starlink) voorop, met Amazon als opkomende concurrent.
In defensie en radar zijn bedrijven als Raytheon/RTX (VS) en Thales (Frankrijk) grote spelers, met de Amerikaanse marine en het Amerikaanse defensieonderzoeksbureau DARPA als belangrijke opdrachtgevers. Chipfabrikanten zoals Analog Devices en NXP leveren de gespecialiseerde onderdelen die deze systemen mogelijk maken.
Nederland speelt internationaal een opvallende rol via ASTRON, het Nederlands Instituut voor Radioastronomie, dat met LOFAR jarenlange expertise in digitale bundelvorming heeft opgebouwd en nu meewerkt aan de Square Kilometre Array. Ook TNO en Nederlandse technische universiteiten zoals TU Delft en TU Eindhoven doen onderzoek naar antennetechniek en signaalverwerking. Internationaal wordt 5G- en 6G-bundelvorming mede gestandaardiseerd via het 3GPP-samenwerkingsverband, waarin fabrikanten, netwerkbeheerders en onderzoeksinstituten uit onder meer Europa, de VS, China en Zuid-Korea samenwerken.