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Die Kommunikationstechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht. Endlich mal ein Buch, das kurz und bündig die moderne Informationstechnik beleuchtet.

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MIMO - Multiple Input Multiple Output

MIMO ist der Oberbegriff für Verfahren, die Funkverbindung mit mehreren parallel genutzten Antennen verbessern. Mehrere Antennen liefern ein besseres Empfangssignal, vergrößern die mögliche Distanz oder erhöhen insgesamt den Datendurchsatz.

Hinter MIMO steckt die Fähigkeit eines Funksystems oder einer Funktechnik durch gleichzeitige Nutzung von Frequenz, Zeit und Raum und einer intelligenten Signalverarbeitung einen Datenstrom gleichzeitig über mehrere Antennen zu senden und zu empfangen (Multiple Input Multiple Output).
Jede Empfangsantenne empfängt die Funksignale aller Sendeantennen der Gegenseite und errechnet unter Berücksichtigung wechselnder Eigenschaften des Funkkanals ein optimales Eingangssignal.

Mehrere Sendeantennen und Empfangsantennen

Die einfachste MIMO-Hardware besteht aus zwei Sendeantennen und einer Empfangsantenne. Um die Leistungsfähigkeit optimal auszunutzen, werden Antennen aber immer paarweise eingesetzt (2x2, 3x3, 4x4, usw.). Dadurch vereinfachen sich die MIMO-Signalverarbeitungsalgorithmen und führen zu einem optimalen Signal-Rausch-Abstand.

Die Bandbreite des Funkkanals lässt sich mit der Anzahl der Sendeantennen linear erhöhen. Das Trennen der einzelnen Signale ist eine einfache lineare Matrizenrechnung, die von leistungsfähigen Prozessoren berechnet wird. Geht man von dieser Rechnung aus, dann lässt sich die Übertragungskapazität theoretisch ins Unendliche steigern.

MIMO-Prinzip

Das Prinzip, das bei MIMO zur Anwendung kommt, stammt aus der militärischen Radartechnik, die schon seit vielen Jahren genutzt wird. Dort setzt man nicht nur eine, sondern gleich mehrere baugleiche Antennen ein. Die Antennen haben zueinander mindestens eine halbe Wellenlänge (lambda/2) der Trägerfrequenz Abstand.

MIMO - Multiple Input Multiple Output

Der bis dahin üblichen Frequenz-Zeit-Matrix wird eine 3. Dimension, der Raum, hinzugefügt. Dabei wird das Datensignal über mehrere Antennen gesendet. Gleichzeitig werden auch mehrere Empfangsantennen verwendet. Die signalverarbeitende Empfangseinheit bekommt durch mehrere Funksignale eine räumliche Information.

Mehrwegeausbreitung

Denn bei zwei Antennen trifft das selbe Funksignal aus zwei verschiedenen Richtungen beim Empfänger ein. Jedes eingehende Funksignal weist in der Regel einen eigenen "räumlichen Fingerabdruck" auf, der auch "Spatial Signature" genannt wird. Der Empfänger setzt die Signale wieder passend zusammen.
Mehrere Antennen verhelfen dem Empfänger zu räumlichen Informationen (Spatial Multiplexing), was zur Steigerung der Übertragungsrate genutzt werden kann. Das ist besonders in Situationen vorteilhaft, wo keine Sichtverbindung zwischen den Sende- und Empfangsstationen besteht. Zum Beispiel in Gebäuden, wo sich die Signale aufgrund von Decken und Wänden mehrfach ausbreiten.

MIMO in der Praxis

Die komplexen Sende- und Empfangssysteme von Mehrantennensystemen in Hardware zu implementieren ist eine große Herausforderung. Mit jedem MIMO-Datenstrom steigt der Hardware-Aufwand linear (Sende- und Empfangseinheiten, Antennen) an. Der Rechenaufwand zur Signaltrennung nimmt im Quadrat mit jedem Datenstrom zu. Das erfordert leistungsfähigere Rechenkerne und führt zu tendenziell mehr Energieverbrauch im Funk-Chip.
Zusammengefasst, je mehr Sende- und Empfangsantennen, desto höher ist die notwendige Rechenleistung und desto größer ist die Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung durch die Hardware. Mal abgesehen vom enormen Platzbedarf.

MIMO im WLAN

Mit jeweils 3 Sende- und Empfangsantennen erreicht man bereits optimale Systemvoraussetzungen für den MIMO-Praxiseinsatz. In Wohnungen und Büroräumen erreicht man das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis. Jeweils 8 Sende- und Empfangsantennen gelten als das wenig sinnvolle Maximum.
Bei kleinen tragbaren Geräten, wie Smartphones und Wearables, spielt der Kompromiss zwischen Preis und Leistung eine große Rolle. Mehr als zwei Datenströme (z. B. 300 MBit/s bei IEEE 802.11n) wird man selten erreichen können, weil die Endgeräte nicht mehr als für 2 Antennen Platz haben. Die Regel ist eine Antenne.

MIMO mit IEEE 802.11n

MIMO mit IEEE 802.11ac

MIMO mit IEEE 802.11ac

MIMO in Mobilfunknetzen

Der praktische Erfolg von MIMO im WLAN hat dazu geführt, dass MIMO auch für Mobilfunknetze spezifiziert wurde. Hier ist der Einsatz jedoch eingeschränkt, weil dazu die Antennen der Mobilfunknetze ausgetauscht werden müssen. Aufgrund des geringen Platzes in den kleinen mobilen Geräten werden nur eine oder zwei Antennen für Mobilfunk integriert.

Vorteile durch Mehrfach-Antennen-Systeme

Dabei muss man beachten, dass die 4 Gewinntypen nicht gleichzeitig maximiert werden können. Je nach Umgebung kann die Datenrate, die Verbindungsqualität oder die Reichweite verbessert werden. Letztlich geht es darum, die beste Kombination aus den vier Gewinntypen herauszubekommen.

Gruppengewinn

Der Gruppengewinn ergibt sich aus der Anzahl von Empfangsantennen. Mehr Antennen können aus den eintreffenden Funksignalen mehr Leistung herausholen und so die Funkverbindung verbessern. Mit einer Verdoppelung der Antennen erreicht man einen Gruppengewinn von maximal 3 dB.
Dazu müssen die empfangenen Funksignale durch lineare Überlagerungen (Spatial Combining) miteinander verknüpft werden. Dabei spielt ein Verzögerungselement bei der Signalverarbeitung ein wichtige Rolle.
Die räumliche Trennung funktioniert jedoch nicht, wenn die Funkstationen zu dicht beieinander stehen. Die Grenze liegt in der Breite der Hauptkeule im Richtdiagramm. Die Breite wird in Grad angegeben. Stehen die Stationen zu dicht beieinander, dann muss man die üblichen Techniken, wie unterschiedliche Trägerfrequenzen, Zeitmultiplex und Übertragungscodes verwenden.

Weil die Antennen beim Senden und Empfangen das gleiche Verhalten aufweisen, kann man das MIMO-Verfahren nicht nur beim Empfangen, sondern auch beim Senden einsetzen. Beim Senden führt die Verzögerung der Funkstrahlen zu einer Verformung (Beamforming). Die Antenne strahlt die Sendeleistung in die Richtung des Empfängers ab. Davor muss natürlich der Winkel bestimmt werden, in dem sich der Empfänger befindet. Um das herauszufinden, wird das Funksignal in verschiedene Richtungen gesendet. Da in WLANs nach IEEE 802.11 jedes Datenpaket vom Empfänger bestätigt werden muss, weiß der Sender, wie stark seine Gegenstelle ihn empfangen kann. Die entsprechende Information wird als RSSI (Received Signal Strength Indication) übertragen. Und so bekommt der Sender auch heraus, wo sich der Empfänger befindet. Nämlich dort, in welche Richtung das Signal gesendet wurde, das er am besten empfangen konnte.

Doch auch beim Beamforming gilt es, die Vorschriften für die maximal erlaubte Sendeleistung (äquivalente isotrope Sendeleistung, EIRP) einzuhalten. Deshalb muss die Sendeleistung auf alle Antennen aufgeteilt werden.

Interferenzunterdrückungsgewinn

Typisch für Funktechniken ist die Mehrwegeausbreitung (Multipath Propagation) der Funksignale durch Reflektionen und Abschattungen an Wänden und Gebäuden. Bei der Mehrwegeausbreitung trifft das Funksignal aus verschiedenen Richtungen mit unterschiedlichen Laufzeiten beim Empfänger ein. Der Empfänger muss dann versuchen das ursprüngliche Signal herauszufiltern. Im schlimmsten Fall wird das Trägersignal ausgelöscht. Der Empfänger befindet sich dann in einem Funkloch.

Autofahrer kennen das, wenn sich der Radioempfang beim Anhalten deutlich verschlechtert und beim Anfahren wieder deutlich verbessert. Die Strecke des Funklochs ist gerade so kurz, wie eine halbe Wellenlänge (lambda/2). Beim UKW-Radio beträgt es etwas 1,5 Meter. Beim WLAN ist die Strecke etwa 6 cm lang. Bei einem MIMO-Funksystem kann das bedeuten, dass während eine Antenne sich im Funkloch befindet, eine andere Antenne das Funksignal in bester Qualität bekommt.
Diese Funklöcher können durch eine veränderliche Umgebung entstehen. Schon in einem Raum mit umhergehende Personen oder geöffnete Schranktüren kann es erheblichen Schwankungen bei der Signalstärke (Fading) kommen. Diesen Effekt können WLAN-Empfänger bereits durch zwei Empfangsantennen ausgleichen, in dem sie das bessere Signal auswählen.

Intelligente Antennen können Funksignale aus bestimmten Richtungen, zum Beispiel von anderen Nutzern oder Störungen, ausblenden. Und schon allein durch die Strahlformung (Beamforming) reduzieren sich die Interferenzen.

Diversitätsgewinn

Durch den Einsatz mehrerer Sende- und Empfangsantennen erreicht man einen Diversitätsgewinn, mit dem man Funklöcher vermeiden kann. Funklöcher entstehen dadurch, dass sich die elektromagnetischen Wellen des ursprünglichen Signals und die des reflektierten Signals überlagern und sich dabei gegenseitig auslöschen. Dass sich eine Antenne in einem Funkloch befinden könnte, lässt sich nicht vermeiden. Die Entstehung von Funklöchern ist nicht nur von der Umgebung, sondern auch von deren Veränderung abhängig. Um zu vermeiden, dass ein Funksystem durch Funklöcher Empfangsprobleme bekommt, arbeitet man mit mehreren Sende- und Empfangsantennen. Durch die Vielfalt bzw. Diversität der Antennen wird die Ausfallsicherheit erhöht und somit die Verfügbarkeit verbessert.

Ein Diversitätsgewinn von mehreren Dezibel (dB) erfordert mindestens zwei Antennen oder ein Antennenpaar, die in einem ungeradzahligen Vielfachen der Wellenlänge angeordnet sind. Beide Antennen empfangen die Signale unterschiedlich. Das jeweils beste Signal wird weiterverarbeitet.
Eine Gruppe von Antennen kann eine Richtwirkung entwickeln, um die Funksignale besser zu empfangen oder störende Signale auszublenden (Spatial Diversity).
Sind die Antennen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge angeordnet, dann eignet sich die Antennengruppe für Beamforming (Strahlformung). Ist der Abstand zwischen den Antennen größer, dann eignet sich die Gruppe für Diversität.

Nutzt man zwei Gruppen, eine für Beamforming und eine für Diversität, dann kann man beides miteinander kombinieren. Dann profitiert man von Situationen, in denen Sichtverbindung zwischen den Stationen besteht und gleichzeitig Mehrwegeausbreitung durch ungünstig platzierte Stationen entstehen.
Beamforming eignet sich eher im freien Gelände um die Verbindungsqualität und Reichweite zu steigern. Also für Mobilfunk, weniger für WLAN.

Multiplexgewinn

Der Multiplexgewinn steigert die Effizienz des MIMO-Verfahren vor allem in einer Umgebung mit erhöhter Mehrwegeausbreitung. Ein Vorteil dann, wenn Sender- und Empfänger keine direkte Sichtverbindung haben und die Übertragung über Reflektionen erfolgt. Dann kommt auch die Teilnehmertrennung voll zum Tragen.

MU-MIMO - Multi-User Multiple Input Multiple Output

Multi-User-MIMO (MU-MIMO) ist eine Erweiterung, um auf mehreren Antennen unterschiedliche Datenströme an einzelne WLAN-Clients gleichzeitig zu senden. Das macht aber erst ab drei oder mehr Antennen in den Basisstationen Sinn. Weil die Datenströme dann gleichzeitig an mehrere Clients geschicken werden können. Ein Access Point kann mit drei Antennen dann jeweils 433 MBit/s parallel an drei Clients, also gleichzeitig, schicken (mit IEEE 802.11ac). Oder in Summe 1.300 MBit/s an einen Client. Wobei der zu empfangende Client auch drei Antennen benötigt, was aber nicht oft der Fall sein dürfte. Trotzdem steigt mit MU-MIMO der Summendurchsatz eines WLANs an, sofern wenigstens ein paar MU-MIMO-fähige WLAN-Clients vorhanden sind.

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