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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 Antennen verbessern. Mehrere Antennen liefern ein besseres Empfangssignal, vergrößern die mögliche Distanz oder erhöhen den Datendurchsatz.

Warum MIMO?

Bei der Entwicklung neuer Funktechniken stößt man bei Ein-Antennen-Systemen immer öfter an das technisch machbare. Die Strategie, ein immer höherstufiges Modulationsverfahren einzusetzen, lässt das Kosten-Nutzen-Verhältnis aus dem Ruder laufen. Denn die Hochfrequenzelektronik müsste eine deutlich höhere Genauigkeit aufweisen, um aus einem schlechten Funksignal noch ein brauchbares Datensignal erkennen zu können.
Mehrwegeausbreitung
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. WLANs mit MIMO-Technik profitieren durch die Mehrwegeausbreitung.

MIMO in Mobilfunknetzen

Seit dem Ausbau der Mobilfunknetze zu Breitbandnetzen sind die Entwickler auf der Suche nach Ansätzen zur Kapazitätssteigerung. Wegen der Bandbreitenbeschränkung aufgrund kleine Frequenzbereiche, verschiedener Funktechniken innerhalb des Frequenzspektrums und der unterschiedlichen Qualität der Funkschnittstelle, wird immer wieder an Verfahren gearbeitet, durch die Funktechnik grundlegend verbessert wird. Als zukunftsweisend wird die Verwendung mehrere Antennen gesehen. Diese Technik, die MIMO genannt wird, kommt bereits in WLANs nach IEEE 802.11n zum Einsatz. Und auch die Arbeitsgruppen rund um die Standardisierung von WiMAX, HSPA und LTE sind an dieser Technik interessiert.
Ohne MIMO wird in Zukunft keine Funktechnik mehr auskommen. Egal ob WLAN, WiMAX, UMTS oder LTE.

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. 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. Dadurch verbessert sich die Leistung des ganzen Funksystems erheblich.

MIMO in der Praxis

MIMO-Systeme müssen die Übertragung ständig an die wechselnden Eigenschaften des Funkkanals anpassen. Die komplexen Sende- und Empfangssysteme von Mehrantennensystemen in Hardware zu implementieren ist eine große Herausforderung. Insbesondere deshalb, weil eine hohe Rechenleistung benötigt wird und in mobilen Geräten der Energiebedarf ansteigt.
Mehrere Sendeantennen und Empfangsantennen
Die einfachste MIMO-Hardware besteht aus zwei Sendeantennen und einer Empfangsantenne. Um die Leistungsfähigkeit optimal auszunutzen, werden Antennen immer paarweise eingesetzt. Dadurch vereinfachen sich die MIMO-Signalverarbeitungsalgorithmen und führen zu einem optimalen Signal-Rausch-Abstand.
Die Bandbreite 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 ließe sich theoretisch die Übertragungskapazität ins unendliche steigern.
Jeweils 8 Sende- und Empfangsantennen gelten als das Maximum. Je mehr Sende- und Empfangsantennen, desto größer ist die Leistungsaufnahme durch die Hardware, desto größer die Wärmeentwicklung. Mal abgesehen vom enormen Platzbedarf. So spielt bei kleinen tragbaren Geräten der Kompromiss zwischen Preis und Leistung eine große Rolle.
Mit jeweils 3 Sende- und Empfangsantennen erreicht man bereits optimale Systemvoraussetzungen für den Praxiseinsatz.

MIMO mit IEEE 802.11n

MIMO mit IEEE 802.11ac

MIMO mit IEEE 802.11ac

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. Aus diesem Grund ist die MIMO-Technik noch ein großes Feld für Forschung und Entwicklung. Letztlich geht es darum, unter Berücksichtigung von Umgebung und den verschiedenen Mobilfunkstandards, 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

Funklöcher entstehen dadurch, dass sich die elektromagnetischen Wellen des ursprünglichen Signals und die des reflektierten Signals 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 (Diversität) wird die Ausfallsicherheit erhöht.
Schon allein mit 2 Antennen kann man einen Diversitätsgewinn von mehreren dB erreichen. Sind die Antennen in einem Abstand von einer halben Wellenlänge angeordnet, dann eignet sich die Antennengruppe für Strahlformung (Beamforming). Ist der Abstand zwischen den Antennen größer, dann eignet sich die Gruppe für Diversität.
Nutzt man zwei Gruppen, eine für Strahlformung 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.

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.
Während bei einem herkömmlichen SISO-System, wie ein WLAN nach IEEE 802.11g bei guter Verbindung auf Anwendungsebene 3 MByte/s übertragen werden, erreicht man bei einem MIMO-System mit zwei Antennen rund 4 MByte/s. Verdreifacht man die Antennen auf Empfänger- und Senderseite, dann kann das zur Verdoppelung der Datenrate führen.

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