Eins drauf

Funkverbindungen durch Antennengruppen verbessern

Praxis & Tipps | Praxis

Seite 5: Eins drauf

Die Kombination von SIMO und MISO zu MIMO mit Antennengruppen auf beiden Seiten ermöglicht nicht nur einen noch höheren Diversitätsgewinn, sondern obendrein eine erhöhte Datenrate (Multiplexgewinn). Räumliches Multiplex (Spatial Multiplexing) verteilt den Datenstrom gleichmäßig auf N Sendeantennen, sodass jede nur die 1/N-fache Datenrate abstrahlen muss. Unterscheiden sich die räumlichen Fingerabdrücke der N Signale empfängerseitig deutlich genug, dann kann die Datenrate mit einem MIMO-System im Vergleich zu einem SISO-System ver-N-facht werden.

Bild 5 [400 x 135 Pixel @ 48,3 KB]
Spatial Multiplexing funktioniert nicht nur per Funk (links), sondern auch akustisch: Das an der Uni Duisburg-Essen entwickelte MIMO-Testbed nutzt digitale Signalprozessoren, die Parallelübertragung im hörbaren Spektrum demontrieren.

Allerdings hängt der tatsächliche Multiplexgewinn in der Praxis von der Verschiedenheit der räumlichen Fingerabdrücke ab. Liegt beispielsweise eine Sichtverbindung auf freiem Feld vor, so werden sich die räumlichen Fingerabdrücke nur geringfügig unterscheiden, und der Multiplexgewinn ist gering. In einer ausgeprägten Streuumgebung – typisch innerhalb von Gebäuden – kommt man dem theoretischen Maximum deutlich näher. Im statistischen Mittel liegt der Multiplexgewinn bei etwa 0,7 N.

Bild 6 [400 x 267 Pixel @ 44,9 KB]
SIMO- und MISO-Systeme verbessern eine herkömmliche Funkverbindung (SISO) durch Gruppengewinn und Diversität. Erst ein MIMO-System kann die Kanalkapazität durch Parallelübertragung (Spatial Multiplexing) steigern.

Bezogen auf WLAN bedeutet das: Überträgt ein aktuelles WLAN-SISO-System nach IEEE 802.11g bei guter Verbindung auf Anwendungsebene 3 MByte/s, dann müsste eine sonst identische MIMO-Variante mit zwei Sender-/Empfängerzügen 4,2 MByte/s schaffen. So war es auch: Ein herkömmliches System schaffte im Test über kurze Distanz innerhalb eines Raumes gut 3 MByte/s, das mit zwei Multiplexkanälen arbeitende MIMO-Pendant kam auf rund 4 MByte/s. Eine Verdreifachung der Antennenzahl sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite wird in guter Näherung zu einer Verdoppelung der Datenrate führen.

Bild 7 [250 x 64 Pixel @ 12,3 KB]
MIMO verteilt den zu übertragenden Datenstrom auf zwei oder mehr Kanäle. Diese unterscheiden sich nur durch ihre räumliche Signatur, nicht in der Frequenz.

Wie bei Strahlformung und Diversität braucht auch ein MIMO-System Informationen über die Kanalqualität, um dann zu entscheiden, ob es räumlichen Multiplex einsetzt oder Diversität nutzt. Für diese Entscheidung kann eine Station wiederum die Paket-Präambel respektive den RSSI auswerten. Zwischen dem Multiplexgewinn und dem Diversitätsgewinn besteht ein Zusammenhang: Liegt kein Multiplexgewinn vor, so ist der Diversitätsgewinn maximal und umgekehrt. Die obigen fehlenden 0,3 N sind daher keineswegs verschenkt, sondern können den Diversitätsgewinn steigern, wenn die Hardware darauf eingerichtet ist.

Das bedeutet allerdings auch, dass man die vier Gewinntypen nie gleichzeitig maximieren kann: je nach Kanalzustand entweder die Datenrate (in einer reichen Streuumgebung), die Verbindungsqualität (bei starkem Fading) oder die Reichweite (bei überwiegender Sichtverbindung). Die Suche nach dem besten Kompromiss zwischen den vier Gewinntypen, verbunden mit einer Kanalzustandsrückmeldung zwischen Stationen, unter Berücksichtigung der verschiedenen Mobilfunkstandards ist ein derzeit weltweit heißes Forschungsfeld. Allein in Europa setzen sich derzeit mehr als 100 Einrichtungen (Universitäten, Institute, Industrie) mit MIMO in Theorie und Praxis auseinander, so auch die Forschungsgruppe SmART der Uni Duisburg-Essen.

Anzeige