Die kontinuierlich steigenden Datenmengen in den Funknetzen und immer höhere Anforderungen an Latenz und Stabilität der Verbindungen erfordern neue technische Lösungen. Ein wichtiger Baustein hierfür ist MIMO oder Beamforming. Doch was ist MIMO und Beamforming überhaupt?
Jeder Internetnutzer kennt das Problem: Je mehr Geräte sich mit dem WiFi verbinden, desto langsamer ist die Datenübertragung. Das liegt daran, dass die Router nur mit einem Gerät gleichzeitig kommunizieren können.
Nutzen mehrere Geräte parallel das WLAN, so muss jeder Teilnehmer erst warten, bis er mit der Datenübertragung an der Reihe ist. Steigt zudem das Volumen der übertragenen Daten, zum Beispiel durch Multimediainhalte wie 3D-Videos oder Augmented-Reality-Anwendungen, so können Funksysteme nur mit Hilfe smarter Antennen den Anforderungen anspruchsvoller Nutzer gerecht werden.
Diese intelligenten Antennen bestehen aus mehreren Sende- und Empfangsantennen sowie der zugehörigen Signalverarbeitung. Sie ermöglichen die Übertragung immer höherer Datenraten und stellen damit eine der Schlüsseltechnologien aktueller und zukünftiger Wireless-Kommunikationssysteme dar.
Was ist MIMO?
Eine der wichtigsten Entwicklungen dabei ist die MIMO-Technik:
Sobald Hindernisse zwischen dieser Verbindung stehen, werden die Signale gestreut und abgeleitet. Dadurch wird die Verbindung beeinträchtigt oder reißt sogar ab. Eine Sichtverbindung ist aber bei den meisten Wireless-Anwendungen nur sehr schwer zu realisieren. MIMO nutzt dagegen die Streuung der Signale und erreicht durch die verschiedenen Wege der Signale und deren zeitversetztes Eintreffen am Endgerät eine bessere Systemkapazität sowie einen besseren Datendurchsatz.
MIMO ist schon länger aus WLAN-Netzwerken bekannt und im High-Speed-WLAN-Standard IEEE802.11ac explizit definiert. Das mit IEEE802.11ac Wave 2 eingeführte Multiuser-(MU-)MIMO ermöglicht es einem WiFi-Router, mit mehreren Geräten gleichzeitig zu kommunizieren. Mit MU-MIMO können ganze Abteilungen in Unternehmen gleichzeitig Videokonferenzen veranstalten, große E-Mail-Anhänge und Medieninhalte herunterladen, den Abgleich mit großen Dateien von lokalen Fileservern oder Cloud-Speicherdiensten durchführen oder Präsentationen streamen – ganz ohne Verzögerungen oder Zwischenspeicherung.
Auch in Mobilfunknetzen wird die MIMO-Technologie genutzt, hier hielt sie mit LTE Einzug. Während LTE üblicherweise maximal acht Antennenelemente kombiniert, erfordert der zukünftige 5G-Standard aber deutlich mehr Leistung: Bei den hier genutzten Millimeterwellen kommen häufig mehrere hundert Antennen an einer Sende- bzw. Empfangsstation zum Einsatz.
Diese optimierte Mehrantennentechnik, Massive MIMO genannt, steigert die Kapazität des Mobilfunknetzes um ein Vielfaches. Allerdings erfordert Massive MIMO eine weitere Technologie, um die Vorteile der großen Bandbreite der Millimeterwellen zu nutzen:
Weniger Störungen dank Funkstrahlen
Von herkömmlichen Antennen werden die Signale gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt. Überschneiden sich die Signale mit denen anderer Sender, kann es zu Interferenzen kommen, die Signalübertragung wird ernsthaft gestört.
Die Mehrantennentechnik des Massive MIMO löst in Kombination mit dem Beamforming dieses Problem: Durch das zeitlich versetzte Senden desselben Signals mit mehreren Antennen peilt der Sender den ungefähren Standort des Clients an und richtet seine Übertragungsleistung entsprechend aus – so wird ein Signalstrahl geformt, auf Englisch Beamforming.
Ein Beamforming-Sender kann so in verschiedene Richtungen individuelle Signale an einzelne Empfänger versenden. Das erhöht die Reichweite, sorgt für eine stabilere Verbindung sowie höhere Übertragungsraten und reduziert unerwünschte Funkstörungen.
Stromverbrauch senken dank MIMO
Die MIMO-Antennenelemente benötigen D/A-Schaltungen, die digitale Signale in analoge umwandeln, um Signale von der Antenne zu senden. Wird jedoch im Millimeterwellenbereich ein digitales Beamforming verwendet, bei der jedes Antennenelement über eine D/A-Schaltung verfügt, sind mehrere Hochgeschwindigkeits-D/A-Schaltungen erforderlich. Das führt zu einem erhöhten Stromverbrauch.
Eine Lösung ist das sogenannte hybride Beamforming, bei dem ein Teil der Signalverarbeitung im analogen Antennenelement durchgeführt wird. So können mehrere Antennenelemente an einen einzigen D/A-Kreis angeschlossen werden. Das reduziert den Stromverbrauch, da weniger D/A-Schaltungen nötig sind. Ein solches hybrides Beamforming-System ermöglicht eine Einsparung an Hardware, eine Verbesserung der Energiebilanz sowie eine Reduzierung des Rechenaufwands.
In Zukunft wird mit 400 Gigabit pro Sekunde gefunkt
Der künftige Mobilfunkstandard 5G verspricht mit diesen Technologien eine enorme Leistungssteigerung in der drahtlosen Kommunikation – mit bis zu zehn Gigabit pro Sekunde. Doch schon jetzt zeichnet sich ab, dass die vorhandenen Frequenzbänder in Zukunft nicht ausreichen werden, um die steigende Nachfrage nach stabiler drahtloser Kommunikation zu bedienen.
Aus diesem Grund arbeiten Forscher bereits heute am übernächsten Mobilfunkstandard. Ziel ist es, eine Netzverbindung im Terahertz-Frequenzbereich zu ermöglichen, die so stabil ist, dass Daten auch drahtlos mit einer Geschwindigkeit von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde transportiert werden können.