HI-Speed Wireless IEEE 802.11n – The Next Generation

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MIMO, der neue Stern am Technologiehimmel
MIMO steht für Multiple Input, Multiple Output und bezeichnet Übertragungssysteme mit mehreren Sendeeinheiten inklusive der zugehörigen Antennen auf der einen Seite („MI“) und mehreren Radioempfangseinheiten (ebenfalls inklusive zugehöriger Antennen) auf der anderen Seite („MO“). Die Betrachtungsweise, was Input und was Output ist, ist dabei die aus der Sicht des Übertragungsmediums oder – etwas nachrichtentechnischer ausgedrückt – des Übertragungskanals. Input betrifft also die Sendeseite und Output die Empfangsseite der Übertragung.

Wichtig für die Definition und das Verständnis dieser Technologie ist, dass ein MIMO-System nicht nur mehrere Antennen hat, sondern mehrere vollständige Sende- bzw. Empfangseinheiten, die mehrere Informationsströme parallel verarbeiten können.

WLAN-Systeme nach 802.11a, b oder g sind dieser Terminologie nach so genannte SISO-Systeme (Single Input, Single Output). Dies gilt auch für solche Access Points, die ja oft mit zwei Antennen ausgestattet sind! Der 802.11-Standard sieht nämlich ohne 802.11n zwar eine so genannte Antennen-Diversity vor, zu jedem Zeitpunkt ist aber immer maximal eine Antenne aktiv. Das Konzept „Antennen-Diversity“ sieht lediglich vor, dass von beiden Antennen diejenige ausgewählt wird, die die bessere Übertragungsqualität zur Gegenstelle hat. Hierdurch können störende Effekte durch die so genannte Mehrwegeausbreitung (Multipath Fading) ausgeglichen werden.

Mehrwegeausbreitung tritt insbesondere bei Funkübertragungen in Gebäuden auf. Durch Reflexionen und unterschiedliche Dämpfungswerte und Signalgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien erreicht ein einzelnes Signal den Empfänger auf verschiedenen Wegen. Beim Empfänger treffen also zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten mehrere unterschiedlich stark gedämpfte elektromagnetische Wellen des gleichen Ausgangssignals ein, wobei der Zeitversatz eine Phasenverschiebung der einzelnen Wellen bewirkt. Je nach Größe der Phasenverschiebung tritt dabei am Ort der Empfangsantenne eine Signalverstärkung oder eine gegenseitige Auslöschung (engl. Fading) des Signals auf.

Man beachte hierbei, dass für eine Phasenverschiebung um eine halbe Wellenlänge (= vollständige Auslöschung) bei Wireless LANs nur eine Wegedifferenz von wenigen Zentimetern notwendig ist! Daher kann man bei WLANs Unterschiede in der Signalstärke von über 20 dB feststellen, wenn man einen Empfänger nur wenige Zentimetern bewegt (siehe Bild 2).

Beim Antennen-Diversity geht man nun davon aus, dass dieser Effekt statistisch unabhängig vom Aufstellungsort der Empfangsantenne auftritt und daher an zwei verschiedenen Orten nicht gleichstark ausgeprägt ist. Man kann daher eine „bessere“ Antenne auswählen.

SIMO-Systeme sind intelligente Empfangssysteme
Die Weiterentwicklung von Antennen-Diversity führte zu SIMO-Systemen, oft auch als Smart Antennas („intelligente Antennen“) bezeichnet. Hierbei werden jetzt tatsächlich alle Empfangsantennen genutzt, um möglichst viel Energie aus dem elektromagnetischen Feld zu entnehmen (der so genannte Gruppengewinn) und damit die Signalqualität in geschalteten Signalprozessoren zu verbessern. Hierdurch kann man letztlich sowohl die Zuverlässigkeit der Übertragung als auch die Reichweite erhöhen. Der Preis ist allerdings eine höhere Komplexität der damit teueren Empfangsseite, ein Preis, den man beispielsweise im GSM-Netz für die Basisstationen bereit war zu zahlen, nicht jedoch für die Endgeräte. (siehe Bild 3)

Die konsequente Fortsetzung dieser Entwicklung ist es natürlich, diese mehrfach vorhandenen Antennen auch im Downstream zu benutzen, also die Entwicklung von MISO-Systemen. Wir beschäftigen uns ab hier direkt mit MIMO-Systemen, da sich diese konzeptionell nicht mehr groß von MISO-Systemen unterscheiden.

MIMO-Systeme sind also Übertragungssysteme, bei denen über mehrere Sendeantennen entsprechend viele Signale gleichzeitig und im selben Frequenzband an mehrere Empfangsantennen auf der Gegenseite gesendet werden. Die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen müssen dabei nicht übereinstimmen.

MIMO vereinigt eine ganze Reihe von mehr oder weniger ähnlichen Techniken; der grundsätzliche Ablauf einer Daten-übertragung ist in der Regel:

  1. Scrambling und FEC-Encoder
  2. Spatial Multiplexing
  3. Interleaving und Kodierung (z.B. OFDM, siehe oben)
  4. Space-Time Kodierung
  5. Spatial Mapping
  6. Beamforming

wobei lediglich die Schritte 2, 4, 5 und 6 durch MIMO-Techniken neu dazugekommen sind und im Folgenden vorgestellt werden.

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