5G-Beamforming und Massive MIMO: Wie Antennen mehrere Nutzer versorgen

Interaktives Modell: Zwei Nutzer auf derselben Funkressource

Interaktiv · Funktechnik verstehen

5G-Beamforming erkunden

3,6 GHz · 8 × 8 Modellarray

01Beam nachführen 02Zwei Nutzer 03Beam finden

Zwei Telefone teilen sich die Sendeleistung. Die beiden Schalter zeigen den Zusammenhang zwischen Nutzsignal und gegenseitiger Störung.

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3D Draufsicht AntennenarrayArray

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Aktive 5G-Antenne mit bewegter Person und nachgeführten Datenbeams.

Ziehen oder Pfeiltasten: Ansicht drehen.Mit Finger drehenNormierte Richtdiagramme · kein Entfernungsmaßstab

Beam A

Winkel und Außenpegel anzeigen

So funktioniert das Modell · Annahmen und Grenzen

Die Darstellung

64 Elementpositionen bilden ein schematisches 8 × 8 Array bei 3,6 GHz. Die Form zeigt, in welche Richtungen ein Datenstrom stärker oder schwächer abgestrahlt wird. Jeder Beam ist für die Darstellung einzeln normiert.

Was die Zahlen vergleichen

Bei zwei Nutzern erhält jeder Datenstrom die Hälfte einer festen Gesamtleistung. Das Nutzsignal wird mit derselben Geometrie und beiden ausgeschalteten Schaltern verglichen. Die Störung bezieht sich auf das aktuelle eigene Nutzsignal am jeweiligen Telefon.

Was bewusst vereinfacht ist

Das Modell verwendet ideale Sichtverbindungen und bekannte Funkrichtungen. Mehrwegeausbreitung, Messfehler, Rauschen, andere Funkzellen und die Polarisation werden nicht nachgebildet. Es berechnet weder Datenraten noch die Versorgung an einem realen Ort.

Die 21 Testrichtungen sind frei gewählte Beispiele nach dem CSI-RS-Prinzip, kein vorgeschriebenes SSB-Raster. Der Ablauf ist stark verlangsamt und zeigt keine echten Protokollzeiten. Im Beispiel wird die Messrichtung auch als Datenbeam verwendet.

Elementpositionen, Funkketten und Datenströme sind unterschiedliche Größen. Das 8 × 8 Modell legt keine bestimmte Hardwarekonfiguration einer realen Antenne fest.

Fachliche Grundlage

• Ericsson: Massive MIMO for superior network performance
• Ericsson: Broad beamforming technology in 5G Massive MIMO
• 3GPP TR 38.901 V19.5.0, Abschnitt 7.3.0, Tabelle 7.3-1, und Abschnitt 7.3.1
• MathWorks: Introduction to Null Steering
• MathWorks: lcmvweights
• 3GPP TS 38.211 V19.5.0
• 3GPP TS 38.213 V19.5.0
• 3GPP TS 38.214 V19.5.0

Massive-MIMO-Antennen unterscheiden sich von herkömmlichen Mobilfunkantennen durch ihre vielen steuerbaren Sende- und Empfangszweige und die zugehörige Signalverarbeitung. In 5G-Netzen werden sie vor allem im mittleren Frequenzbereich eingesetzt, etwa bei 3,6 GHz. Es gibt auch Systeme für niedrigere Frequenzen und für Millimeterwellen wie 26 GHz. Eine 5G-Basisstation kann mit Massive MIMO und Beamforming mehrere Endgeräte, z. B. Smartphones, zur selben Zeit auf denselben Frequenzen versorgen. Dadurch steigt ihre Spektraleffizienz. Dazu verändert sie, wie sich die Signale ihrer Antennenelemente im Raum überlagern, und formt so die Richtwirkung. Am jeweiligen Empfänger soll der eigene Datenstrom möglichst gut ankommen und andere Geräte möglichst wenig stören. Beamforming und Massive MIMO schaffen dafür die räumlichen Freiheitsgrade.^[1]

Der Zusammenhang lässt sich an zwei Telefonen besonders gut verfolgen: Solange die Antenne nur die gewünschten Richtungen verstärkt, erreicht ein Teil jedes Signals auch das andere Telefon. Mit passend berechneten Antennengewichten lässt sich dieser Anteil verringern. Das interaktive Modell zeigt, wie sich dabei die Strahlungsdiagramme und die relativen Empfangsleistungen verändern.

Die Ausgangsansicht zeigt zwei Telefone vor einem 8 × 8-Array bei 3,6 GHz. Der blaue und der orangefarbene Beam gehören zu zwei unabhängigen Datenströmen. Beide verwenden dieselbe Zeit- und Frequenzressource und erhalten jeweils die Hälfte der im Modell fest vorgegebenen Gesamtleistung. Damit wird Multi-User-MIMO, kurz MU-MIMO, anschaulich: Die räumliche Verarbeitung hilft, die gleichzeitigen Übertragungen voneinander zu trennen.

Im Versuch „Zwei Nutzer“ verändert der Positionsregler die Anordnung der Telefone. „Loslaufen“ beginnt den Durchlauf bei 0 Prozent. Nach einer Pause setzt „Weiterlaufen“ die Bewegung fort. „Zurücksetzen“ hält die Animation an und stellt die Position auf 0 Prozent. „Ansicht zurücksetzen“ stellt zusätzlich den ursprünglichen Blickwinkel wieder her. Der Schalter „Störung unterdrücken“ ergänzt für jeden Datenstrom eine Nullstelle am jeweils anderen Telefon. „Nebenkeulen begrenzen“ verändert die Gewichte zusätzlich, um die Abstrahlung außerhalb der gewünschten Richtung zu verringern. Die beiden Ergebnisfelder stellen die Auswirkungen für A und B getrennt dar.

Der Versuch „Beam nachführen“ reduziert die Szene auf ein Telefon. Die Senderichtung folgt seiner Bewegung; das macht die elektronische Lenkung des Richtdiagramms sichtbar. Unter „Beamwahl und Nutzer einstellen“ lässt sich zwischen einer ideal nachgeführten Richtung und der Auswahl aus 21 festen Beispielrichtungen wechseln. Die begrenzte Auswahl zeigt, wie ein gewählter Beam zwischen den Rasterrichtungen vom günstigsten Empfang abweichen kann.

Bei „Beam finden“ rückt der Messablauf an die Stelle der Bewegungseinstellungen. Nach der Auswahl von Telefon A oder B läuft die Folge aus Messsignalen, Vergleich, Rückmeldung und Datenbeam ab. „Weiter“ und „Zurück“ wechseln schrittweise durch den Vorgang; „Ablauf starten“ zeigt ihn als langsame Animation. Die Kamera lässt sich durch Ziehen oder mit den Pfeiltasten drehen. „Draufsicht“ erleichtert den Vergleich der Telefonrichtungen, „Antennenarray“ zeigt die Elementanordnung. Auf dem Smartphone schaltet „Mit Finger drehen“ zwischen Kamerabewegung und dem Scrollen über der Szene um.

Wie viele Antennenelemente einen Beam formen

Für einen elektronisch geformten Beam wirken mehrere Antennenelemente zusammen. Ein einfaches Array kann bereits aus zwei Elementen bestehen; bei Massive-MIMO-Antennen sind es viele gemeinsam angesteuerte Elemente. Die konkrete Zahl hängt vom Aufbau der Antenne und der verwendeten Elementgruppe ab. Eine größere wirksame Antennenfläche ermöglicht bei gleicher Wellenlänge eine schmalere Hauptkeule. In realen Antennen können mehrere Elemente zu gemeinsam angesteuerten Untergruppen zusammengefasst sein.^[1]

Im interaktiven Modell bilden 8 × 8, also 64 Elementpositionen, das Array. Für den blauen Beam zu Nutzer A und den orangefarbenen Beam zu Nutzer B wird jeweils das gesamte Array mit eigenen Gewichten für Phase und Amplitude verwendet. An jeder Elementposition werden die passend gewichteten Beiträge beider Datenströme addiert. So formt dasselbe Array zwei unterschiedliche Richtdiagramme zur selben Zeit.

Jedes Element eines Antennenarrays sendet eine elektromagnetische Welle aus. Am Empfangsort treffen die Beiträge der Elemente mit unterschiedlichen Laufwegen ein. Die Basisstation passt die Phase an, also die zeitliche Lage innerhalb der Schwingung. Dadurch können sich die Beiträge in einer gewünschten Richtung verstärken. In anderen Richtungen überlagern sie sich schwächer oder löschen sich teilweise aus. Die Amplituden der Elementsignale bestimmen zusätzlich, wie stark die einzelnen Beiträge in die Summe eingehen.

Die Gewichte aus Phase und Amplitude bilden zusammen den Precoder. Werden sie verändert, ändern sich Hauptkeule, Nebenkeulen und mögliche Nullstellen des Richtdiagramms. Die Hauptkeule beschreibt den Bereich der stärksten Abstrahlung; Nebenkeulen sind weitere, schwächere Maxima. Eine Nullstelle ist eine Richtung mit sehr geringer Leistung. Beim Empfang lässt sich das Prinzip umgekehrt einsetzen: Die Antennensignale werden so kombiniert, dass ein gewünschtes Empfangssignal verstärkt wird.

Was Nutzsignal und Störung im Modell bedeuten

Für jedes Telefon zeigt „Nutzsignal“ die Leistung seines eigenen Datenstroms im Verhältnis zu einer Referenz: derselbe Ort, dieselbe Beamwahl und beide Schalter ausgeschaltet ergeben 100 Prozent. Der Vergleich wird bei jeder Position neu gebildet. Er zeigt damit den Einfluss der Signalformung am jeweiligen Ort. Ein Vergleich der absoluten Empfangsstärke zwischen verschiedenen Positionen würde eine andere Bezugsgröße benötigen.

Die Anzeige „Störung“ setzt die am Telefon ankommende Leistung des fremden Datenstroms ins Verhältnis zum aktuellen eigenen Nutzsignal. 40 Prozent bedeuten beispielsweise: Die fremde Leistung erreicht 0,4-mal die eigene Nutzleistung. Rauschen und andere Funkzellen sind in dieser Zahl nicht enthalten. Für eine vollständige Signalqualität wäre zusätzlich das Verhältnis von Signal zu sämtlicher Störung und Rauschen, das SINR, zu betrachten.

Das Rechenbeispiel verwendet 78 Prozent Position, zwei Nutzer und nachgeführte Richtung. Ohne die beiden Schalter liegt die gegenseitige Störung für beide Telefone bei rund 41,5 Prozent des jeweiligen Nutzsignals. Mit „Störung unterdrücken“ sinkt sie im idealen Modell auf unter 0,01 Prozent. Gleichzeitig fällt das eigene Nutzsignal auf rund 58,5 Prozent seiner Referenz. Ein Teil der verfügbaren räumlichen Gestaltungsmöglichkeiten wird nun dafür verwendet, den anderen Empfänger auszusparen.

Mit zusätzlich eingeschalteter Nebenkeulenbegrenzung liegen die Nutzsignale in dieser Stellung bei etwa 38 bis 39 Prozent der Referenz. Die zusätzliche Formung verändert also auch den Gewinn am Ziel. Das Beispiel zeigt den Zielkonflikt zwischen Bündelung und Unterdrückung unerwünschter Abstrahlung. Die erreichbare Datenrate hängt anschließend unter anderem von SINR, Modulation, Codierung, Bandbreite und der Zahl gleichzeitig nutzbarer Datenströme ab.

Die sichtbaren Beamformen werden jeweils auf ihr eigenes Maximum normiert. Ihre Ausdehnung macht die Richtungsverteilung sichtbar. Für den Leistungsvergleich sind die Zahlen unter der Szene maßgeblich. Die Formlänge hat keinen Entfernungsmaßstab und bildet keine Versorgungsgrenze ab.

Beamforming, Massive MIMO und Datenströme

Massive MIMO verbindet eine große Zahl steuerbarer Antennenzweige mit der zugehörigen Signalverarbeitung. Damit stehen viele Freiheitsgrade zur Verfügung, um Signale zu bündeln, Störungen zu beeinflussen und mehrere Datenströme räumlich zu trennen. Beamforming beschreibt dabei das Formen der Abstrahlung beziehungsweise der Empfangscharakteristik. Räumliches Multiplexing beschreibt die parallele Übertragung unabhängiger Datenströme auf derselben Zeit- und Frequenzressource.^[1]

Bei Single-User-MIMO erhält ein einzelnes Gerät mehrere Datenströme, auch Layer genannt. Dafür müssen Funkkanal und Empfänger genügend unterscheidbare Übertragungswege bereitstellen. Unterschiedliche Polarisationen und Mehrwegeausbreitung können zur Trennung beitragen. Bei Multi-User-MIMO gehen die gleichzeitig gesendeten Layer an verschiedene Geräte. Das Modell zeigt diesen zweiten Fall mit genau einem Datenstrom je Telefon. In einem realen Netz können beide Verfahren zusammenwirken.^[1]

Die Basisstation braucht für jeden Datenstrom passende Gewichte. Im Zwei-Nutzer-Modell entstehen dadurch zwei unterschiedliche Richtdiagramme aus demselben Array. Für die erfolgreiche gemeinsame Übertragung müssen sich die Funkkanäle ausreichend unterscheiden. Bei sehr ähnlichen Kanälen wird die Trennung aufwendiger; dann kann es günstiger sein, die Geräte zu unterschiedlichen Zeiten oder auf unterschiedlichen Frequenzressourcen zu bedienen. Diese Auswahl übernimmt der Scheduler im Netz.

Für die Einordnung von Antennenangaben sind vier Größen zu unterscheiden:

Größe	Bedeutung
Antennenelement	Ein physischer Strahler im Array; mehrere Elemente können gemeinsam angesteuert werden.
Funkkette	Ein elektronischer Sende- oder Empfangszweig. Seine Zuordnung zu Elementen hängt vom Aufbau des Geräts ab.
Logischer Antennenport	Eine standardisierte Zuordnung von Signalen mit ableitbaren Kanaleigenschaften; Bezugspunkt für Referenzsignale und Kanalschätzung.
Layer / Datenstrom	Ein räumlich übertragener Anteil der Nutzdaten. Die nutzbare Zahl hängt unter anderem von Kanal, Gerät und Netzkonfiguration ab.

Die 3GPP-Spezifikation definiert einen Antennenport über die Kanaleigenschaften seiner Signale. Angaben wie „64T64R“ beziehen sich dagegen auf Sende- und Empfangszweige eines konkreten Antennensystems. Für die Bewertung eines Smartphones oder 5G-Routers sind zusätzlich seine unterstützten Bänder und MIMO-Konfigurationen relevant. Die Grundlagen räumlicher Mehrfachübertragung gelten bereits bei LTE Advanced.^[2]

Wie das Netz einen passenden Beam findet

Am Anfang steht die Suche nach einer Zelle. Dazu dienen bei 5G unter anderem Synchronisationssignale und der physische Rundfunkkanal im SS/PBCH-Block, häufig kurz SSB genannt. Eine Basisstation kann diese Blöcke mit unterschiedlichen Senderichtungen ausstrahlen. Das Endgerät gewinnt daraus die Synchronisation und Informationen für den weiteren Zugang. Die möglichen SS/PBCH-Blockpositionen beschreibt TS 38.213; sie sind von den später eingesetzten Datenbeams zu unterscheiden.^[3]

Für eine genauere Beurteilung des Funkkanals konfiguriert das Netz zusätzliche Referenzsignale. Im Downlink spielen CSI-RS, Channel State Information Reference Signals, eine wichtige Rolle. Das Telefon misst die dafür eingerichteten Ressourcen und liefert die angeforderten Berichte. Die Basisstation kann daraus zusammen mit weiteren Kanalinformationen eine geeignete Übertragung ableiten. Im Uplink stehen unter anderem SRS, Sounding Reference Signals, für Messungen durch die Basisstation zur Verfügung.^[2]

Der Berichtsinhalt hängt von der Konfiguration ab. Ein CRI bezeichnet eine ausgewählte CSI-RS-Ressource. Der RI beschreibt einen empfohlenen Übertragungsrang, also eine Zahl von Layern. Der PMI verweist auf eine Vorcodierung aus einem vereinbarten Codebuch; der CQI beschreibt die unter den vorgegebenen Annahmen eingeschätzte Kanalqualität für die Datenübertragung. Andere Konfigurationen verlangen beispielsweise einen Ressourcenindex und eine Empfangsleistungsmessung. Welche Größen gemeinsam berichtet werden, ist in TS 38.214 festgelegt.^[4]

Über TCI-Zustände kann das Netz außerdem Beziehungen zwischen Referenzsignalen und den für einen Empfang verwendeten Kanaleigenschaften signalisieren. Dazu gehören bei QCL-TypeD räumliche Empfangseigenschaften. Das Endgerät erhält dadurch einen Bezug für seine Empfangseinstellung. Die zugehörigen Konfigurationsbausteine wie CSI-ReportConfig und TCI-State enthält TS 38.331.^[4][5]

Der Versuch „Beam finden“ greift aus diesem Zusammenhang die Folge messen, vergleichen, rückmelden, übertragen heraus. Er prüft 21 frei gewählte Richtungen bei gleicher Testleistung und verwendet anschließend die Richtung mit der höchsten berechneten Empfangsleistung. Im Beispiel wird diese Richtung direkt für den Datenbeam übernommen. Reale Netze können Mess- und Datenbeams unterschiedlich formen und weitere Informationen für die Entscheidung verwenden. Der gezeigte Ablauf orientiert sich an der Idee beambezogener CSI-RS-Messungen; Raster, Rückmeldung und Zeitablauf sind für das Lernmodell gewählt.

Modellannahmen: Was genau berechnet wird

Das Array besitzt acht mal acht Elementpositionen mit einem Abstand von jeweils einer halben Wellenlänge. Bei den fest eingestellten 3,6 GHz entspricht das rechnerisch rund 4,2 Zentimetern. Die relative Elementcharakteristik verwendet die Winkelabhängigkeit aus TR 38.901, Tabelle 7.3-1, mit 65 Grad als Parameter der beiden Hauptschnitte und einer Begrenzung der Elementdämpfung auf 30 dB. Der dort angegebene konstante Maximalgewinn wird für die relativen Vergleiche herausgekürzt.^[6]

Für jede Richtung addiert das Modell die komplexen Beiträge der Elemente unter Berücksichtigung der jeweiligen Phase. Es rechnet mit idealen Sichtverbindungen und genau bekannten Kanalrichtungen. Die eingezeichneten Kreuzdipole veranschaulichen den Antennenaufbau; die Berechnung selbst bleibt skalar. Unterschiede zwischen Polarisationen, Mehrwegeausbreitung, Abschattung, Rauschen, benachbarte Zellen und Messfehler sind nicht Bestandteil der Rechnung.

Die Nullsteuerung berechnet Gewichte, mit denen sich der fremde Datenstrom an der tatsächlichen Richtung des anderen Telefons im Idealfall auslöscht. Die Nebenkeulenbegrenzung ergänzt eine eigene Optimierung zur Verringerung der Abstrahlung in einem ausgewählten äußeren Winkelbereich. Beide Verfahren dürfen Phase und Amplitude frei anpassen. Dadurch stehen ihnen mehr Möglichkeiten zur Verfügung als manchem realen Hardwareaufbau mit fest zusammengefassten Elementen oder begrenzten Stellgrößen.

Unter „Winkel und Außenpegel anzeigen“ bezieht sich der Außenpegel auf einen im Modell gewählten Bereich ab 14 Grad Abstand von der Ausgangsrichtung des jeweiligen Beams. Dort können auch Ausläufer der Hauptkeule liegen. Die Optimierung verringert die gewichtete Außenleistung ihres Rechenrasters; die Anzeige beschreibt das numerisch ermittelte Maximum dieses Bereichs. Die 14 Grad und das Rechenverfahren sind Modellentscheidungen.

Die Animation von Bewegung und Beamwahl ist zur Beobachtung stark verlangsamt. Sie bildet keine Protokollzeiten, Messintervalle oder Reaktionsgeschwindigkeiten eines Mobilfunknetzes ab. Auch Ressourcenplanung, Rangwahl, Codierung und Datenpakete werden nicht simuliert. TR 38.901 liefert hier einen Baustein für die Elementcharakteristik; sein vollständiges Funkkanalmodell wird nicht nachgebildet. Die technischen Spezifikationen beschreiben die realen Signale und Verfahren, während die konkrete Gewichtsoptimierung des Lernmodells eine eigene Implementierung ist.

Was die räumliche Verarbeitung im Netz bewirkt

Mit einer größeren wirksamen Antennenöffnung lässt sich die Abstrahlung bei gleicher Frequenz im Allgemeinen stärker bündeln. Frequenz, Elementabstände, Elementcharakteristik und Gewichte bestimmen gemeinsam das Richtdiagramm. Im realen Funkkanal kommen Reflexionen und Beugung hinzu. Mehrere Ausbreitungswege verändern die Gewichte, die am Empfänger eine günstige Überlagerung erzeugen; zugleich können unterscheidbare Wege mehrere MIMO-Layer ermöglichen.

Massive MIMO nutzt diese räumlichen Eigenschaften, um die verfügbaren Funkressourcen besser zu verwenden. Ob sich mehr Nutzleistung, eine günstigere Störsituation oder zusätzliche parallele Übertragungen ergeben, hängt vom jeweiligen Kanal und den gleichzeitig aktiven Geräten ab. Das Zwei-Nutzer-Beispiel macht einen Teil dieser Entscheidung sichtbar: Zusätzliche Unterdrückung der gegenseitigen Störung verändert auch das Nutzsignal. Im Netz werden diese Wirkungen gemeinsam mit der Ressourcen- und Übertragungsplanung bewertet.

Die Grundlagen zu 5G-Frequenzen und Frequenzbändern erklären den verfügbaren Spektralraum. Der Beitrag zu Sendereichweiten bei unterschiedlichen Frequenzen ergänzt die Ausbreitungsbedingungen. Die interaktive Antennenansicht behandelt die Form eines einzelnen Antennendiagramms. Wie Funknetz und Kernnetz zusammenarbeiten, beschreibt der Artikel zu 5G SA und NSA.

Quellen und technische Fundstellen

Die technischen Fundstellen wurden anhand der bereitgestellten 3GPP-Originaldateien geprüft. Die angegebenen Fassungen stammen aus September 2026. Die beiden Erklärgrafiken und das interaktive Modell sind eigene Darstellungen; die Standarddokumente werden als Quellen verlinkt.

1. Ericsson: Massive MIMO for superior network performance. Abschnitte „Multi-antenna techniques“, „Beamforming“, „Null-forming“, „MIMO techniques“, „Antenna array structure“ und „Evolution of Massive MIMO“; Einordnung von Beamforming, SU-MIMO, MU-MIMO, Arrayaufbau und Frequenzbereichen.
2. 3GPP TS 38.211 V19.5.0. Abschnitte 4.4.1 (Antennenports), 6.4.1.4 (SRS), 7.3.1.3 (Layer-Mapping) und 7.4.1.5 (CSI-RS).
3. 3GPP TS 38.213 V19.5.0. Abschnitt 4.1: Zellsuche und SS/PBCH-Blöcke.
4. 3GPP TS 38.214 V19.5.0. Abschnitt 5.1.5 (TCI/QCL), 5.2.1.4.2 (Berichtsgrößen), 5.2.1.4.3 (L1-RSRP-Berichte) und 5.2.2.2 (PMI/Codebücher).
5. 3GPP TS 38.331 V19.4.0. Abschnitt 6.3.2: unter anderem CSI-MeasConfig, CSI-ReportConfig und TCI-State.
6. 3GPP TR 38.901 V19.5.0. Abschnitt 7.3.0, Tabelle 7.3-1: Elementcharakteristik; Abschnitt 7.3.1: Antennenport-Abbildung und komplexe Gewichte.