Funkbündel

Funkverbindungen durch Antennengruppen verbessern

Praxis & Tipps | Praxis

Schnell ist auch bei Funknetzen nie schnell genug. Um dem Anwender endlich Durchsatz auf Fast-Ethernet-Niveau zu bescheren, setzen Hersteller mittlerweile mehrere Antennen parallel ein.

Edholm's Law of Data Rates – eine Analogie zu Moore's Law, das eine Verdoppelung der Prozessorgeschwindigkeit alle 18 Monate vorhersagt – prognostiziert in den kommenden Jahren für Mobilfunk eine Datenrate von bis zu 20 MBit/s und für WLANs bis zu 500 MBit/s innerhalb von Gebäuden. Während man in zellularen Mobilfunksystemen den Durchsatz derzeit noch ohne Mehrfachantennen durch adaptive Modulationsverfahren (beispielsweise High Speed Downlink/Uplink Packet Access, HSDPA/HSUPA) beschleunigen kann, stoßen Ein-Antennen-Systeme für WLAN mittlerweile an die Grenze des technisch Machbaren und ökonomisch Vertretbaren.

Prinzipiell ließe sich die Funkdatenrate im WLAN durch ein höherstufiges Modulationsverfahren (256-QAM anstelle von 64-QAM, Quadratur-Amplituden-Modulation) von 54 MBit/s (bei 20 MHz Bandbreite) auf gut 70 MBit/s steigern. Allerdings würde das ebenso die Kosten für die Funkbauteile deutlich hochtreiben, denn die höherstufige Modulation würde der analogen Hochfrequenzelektronik höhere Genauigkeit abfordern. Ein Kosten/Nutzen-Vergleich fällt für diesen Weg ungünstig aus.

Die häufig zu WLAN parallel diskutierte Ultra-Breitband-Technik (Ultra Wideband, UWB) erlaubt zwar physikalisch noch größere Datenraten, aber die geringe spektrale Sendeleistungsdichte beschränkt diese Raten auf Nahverbindungen mit sehr kleinen Abständen (unter 10 m). Eine typische Zielapplikation für UWB ist daher Wireless USB, nicht aber die Versorgung einer lokalen Funkzelle. WLAN und UWB konkurrieren nicht direkt miteinander.

Der nächste IEEE-WLAN-Standard 802.11n setzt auf den Einsatz mehrerer Antennen als eine Kernkomponente. Erste nicht standardkonforme Produkte sind bereits erhältlich, spätestens mit Ratifizierung des Standards voraussichtlich zum Jahresende darf man dann unbesorgt zugreifen. Doch die MIMO-Technik wird nicht nur bei WLAN, sondern auch in anderen Standardisierungsgremien als aussichtsreich betrachtet (IEEE 802.16 für Wimax, 3GPP, 3GPP2).

Mit dem Beginn einer Breitenversorgung durch den Mobilfunk in den frühen 90er-Jahren begann die Forschungswelt zukunftsträchtige Ansätze zur Kapazitätssteigerung zu untersuchen und im Hinblick auf die technische Machbarkeit zu analysieren. Der Oberbegriff intelligente Antennen (Smart Antennas) verdankt seinen Namen einer nachgeschalteten, "intelligenten" Signalverarbeitung. Die zugrunde liegende Idee wird schon seit vielen Jahrzehnten in militärischen Radaranwendungen praktiziert: Statt einer setzt man mehrere, in der Regel baugleiche Antennen ein, die mindestens eine halbe Wellenlänge (λ/2) der Trägerschwingung Abstand haben. Die Distanz darf auch ein Mehrfaches der halben Wellenlänge betragen (siehe Kästchen Höhere Frequenz, kürzere Wellen).

Treffen zwei Wellenfronten gleichzeitig aus unterschiedlichen Richtungen ein, kann analoge Elektronik mit einer einstellbaren Verzögerung T die Signale trennen (Phased Array).

Damit erhält der Empfänger eine zusätzliche, räumliche Information über die einfallenden Wellenfronten, die er zur Leistungssteigerung nutzen kann. Unterscheidet sich der räumliche "Fingerabdruck" (Spatial Signature) zweier Wellenfronten deutlich, kann der Mehrantennen-Empfänger sie allein damit schon trennen. Bisher setzte das die Zuweisung von unterschiedlichen Trägerfrequenzen, Zeitschlitzen (bei GSM-Mobilfunk) oder Codes (bei UMTS) an die verschiedenen Nutzer voraus. Intelligente Antennen stellen eine zusätzliche Möglichkeit zur Teilnehmertrennung dar und steigern somit die Kapazität eines Funksystems. Dabei ist die Art des Funksystems irrelevant. Man kann intelligente Antennen gleichermaßen für drahtlose lokale Funknetze (WLAN) wie für zellulare Mobilfunksysteme (GSM, UMTS) einsetzen. Neben der möglichen Teilnehmertrennung weisen Mehrantennensysteme weitere Vorteile auf:

  • größere Empfangsleistung (Gruppengewinn)
  • zusätzliche Störerunterdrückung (Interferenzunterdrückungsgewinn)
  • bessere Verbindungsqualität (Diversitätsgewinn)
  • höhere Datenraten (Multiplexgewinn)

Wie der Gruppengewinn zu Stande kommt, leuchtet unmittelbar ein: Mehrere Wellenfänger bilden eine SIMO-Antennengruppe, die aus der Funkwellenfront schlicht mehr Leistung herausfischt. Die Bezeichnung SIMO (Single Input, Multiple Output) ist dabei auf die Sicht des Funkkanals bezogen: Ein Sender speist sein Signal in den Kanal, mehrere Empfänger holen Teile heraus. Jedes Verdoppeln der Antennenanzahl führt zu einem Gruppengewinn von maximal 3 dB (Leistungsfaktor 2). So bringen beispielsweise vier statt einer Antenne bis zu 6 dB Gewinn. Dazu müssen die Antennenausgangssignale jedoch passend, eben "intelligent", miteinander verknüpft werden, was üblicherweise etwas Elektronik erledigt. Sie führt die Signalverarbeitung als lineare Überlagerung mittels Addierern, Multiplizierern und Verzögerern durch (Spatial Combining).

Die Verzögerungsstufe – im Bild das T-Element – spielt eine besondere Rolle: Die nötige Zeit hängt vom Einfallswinkel der Wellenfront ab, einem von mehreren Charakteristika des Übertragungskanals. Ein Empfänger kann die Zeit beim Beginn einer Übertragung ermitteln, wenn der Sender ihr eine stets gleiche Trainingsfolge voranstellt. Bei WLAN-Datenpaketen wäre das die Präambel. Bewegt sich der Sender, dann ändert sich der Einfallswinkel und der Empfänger muss die Rechenparameter ständig nachführen. Solch ein System heißt deshalb auch adaptive Antennengruppe (Adaptive Antenna Array).

Zwar arbeitet ein solches Array nur in einem prozentual auf die Trägerschwingung bezogen recht schmalen Frequenzband, aber man kann das zugrunde liegende Prinzip auch für ultrabreitbandige Signale (UWB) anwenden. Durch die Frequenzabhängigkeit des Richtdiagramms mitteln sich unerwünschte Effekte bei UWB heraus. So verschwinden unter anderem störende Mehrdeutigkeiten im Antennenrichtdiagramm.

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