MIMO (Nachrichtentechnik)

Unterscheidung zwischen SISO, SIMO, MISO und MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) bezeichnet in der Nachrichtentechnik die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Kommunikation. Dies ist die Grundlage für spezielle Codierungsverfahren, die nicht nur die zeitliche, sondern auch die räumliche Dimension zur Informationsübertragung nutzen (Space-Time Coding). Dadurch lassen sich Qualität (Bitfehlerhäufigkeit) und Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich erhöhen. MIMO-Systeme können wesentlich mehr bit/s pro genutztem Hz Bandbreite übertragen und haben somit eine höhere spektrale Effizienz als konventionelle SISO- oder SIMO-Systeme. Auf Grund dieser Eigenschaften sind sie derzeit (2006 ~ 07) ein zentrales Thema der internationalen Forschung.

Funktionsprinzip

Smart Antennas / SIMO

Die Verwendung von mehreren Antennen bzw. Empfangskomponenten an einem Ende der Kommunikationsverbindung hat in den letzten Jahrzehnten große Verbreitung gefunden. Intelligent (engl. smart) ist an diesen Antennen die nachgeschaltete Signalverarbeitung, die die empfangenen Signale zusammensetzt. Insbesondere in Mobilfunksystemen wie GSM ist die Verwendung mehrerer Empfangsantennen auf der Seite der Basisstation (BTS) häufig anzutreffen, weil dies deutliche Vorteile bietet: Mehrere Antennen können mehr Energie aus dem elektromagnetischen Feld entnehmen als eine einzelne (Gruppengewinn). Reflexionen auf dem Ausbreitungsweg verursachen Mehrwegeausbreitung, die durch destruktive Interferenz beim Empfänger zu Signalauslöschung (engl. fading) führen kann. Wenn mehrere räumlich getrennte Empfangsantennen in einer Umgebung mit starker Mehrwegeausbreitung verwendet werden, ist das Fading an den einzelnen Antennen statistisch unabhängig und die Wahrscheinlichkeit, dass alle Antennen gleichzeitig von Fading betroffen sind, ist sehr gering. Dieser Effekt heißt räumliche Diversität (engl. spatial diversity) und führt zu einem Diversitätsgewinn, der jedoch nicht linear mit der Anzahl der Antennen wächst, sondern recht schnell zur Sättigung kommt. Ein weiterer Ansatz ist die Strahllenkung (engl. beamforming), bei der die Hauptkeule der Antenne gezielt auf die Gegenstelle gerichtet wird. Alle diese Verfahren können die Zuverlässigkeit einer Verbindung deutlich erhöhen, nicht aber die mittlere Kanalkapazität.

Kanalmatrix

Veranschaulichung der Kanalmatrix

Die Vorteile von MIMO gehen über die der Smart Antennas hinaus. Betrachtet man ein System mit n_T Sendeantennen und n_R Empfangsantennen, so ergeben sich $n_R \times n_T$ einzelne Kanäle. Der resultierende Gesamtkanal lässt sich als eine Kanalmatrix $\underline{H}$ mit komplexen Einträgen h_ij darstellen:

$\underline{H} = \begin{bmatrix} h_{11} & \cdots & h_{1n_T} \\ h_{21} & \cdots & h_{2n_T} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ h_{n_R1} & \cdots & h_{n_Rn_T}\end{bmatrix} \ {\mathrm{mit}} \; h_{ij} = \alpha + {\mathrm j} \beta$

Diese unterschiedlichen Kanäle können zur selben Zeit mit derselben Frequenz genutzt werden, die Sendeleistung wird auf die Antennen aufgeteilt. In einem System mit zwei Teilnehmern können die verschiedenen Modi zur Steigerung der Datenrate genutzt werden, in einem System mit vielen Nutzern kann dies aber auch als Vielfachzugriffsverfahren einsetzen, um z.B. in einem Mobilfunknetz die Signale der einzelnen Nutzer zu trennen (alternativ zum heute genutzten FDMA/TDMA in GSM bzw. CDMA in UMTS).

Vereinfachendes Beispiel: In einem System mit vier Sende- und vier Empfangsantennen kann ein Bitstrom in vier separate Bitströme aufgeteilt werden, die parallel übertragen werden. Auf der Empfängerseite empfängt jede Antenne ein Summensignal der Sendeantennen. Um den Bitstrom zu decodieren und wieder zusammenzusetzen, muss ein Gleichungssystem mit vier Gleichungen für vier Unbekannte gelöst werden, was nur möglich ist, wenn die vier Gleichungen linear unabhängig sind, also die Kanalmatrix vollen Rang hat. Physikalisch bedeutet das, dass die einzelnen Kanäle sehr unterschiedlich sein müssen, was zum Beispiel in Umgebungen mit starker Mehrwegeausbreitung der Fall ist. Ist diese Bedingung erfüllt, kann das System innerhalb der gleichen Zeit die vierfache Menge Daten übertragen, ohne zusätzliche Bandbreite zu benötigen, was die spektrale Effizienz um den Faktor vier erhöht. Man erzielt somit einen Gewinn durch Raummultiplex (engl. spatial multiplexing).

Kanalkapazität

Die Kanalkapazität gibt an, wie viel bit/s/Hz maximal über einen gestörten Kanal mit beliebig kleiner Fehlerwahrscheinlichkeit übertragen werden können. Für MIMO-Systeme ist sie definiert als

$C = \log_2 \ \lbrack{\det (\underline{I}_{n_R} + \frac{\rho}{n_T}\,\underline{H}\underline{H}^H)\rbrack}$,

wobei ρ das mittlere SNR am Empfänger, $(\cdot)^H$ die Adjungierte und $\underline{I}$ die Einheitsmatrix bezeichnet. In einem System mit einer großen Anzahl von Antennen ergibt sich eine mittlere Kanalkapazität von

$C_{a} \approx \min{\lbrace n_T,n_R \rbrace} \log_2 (1 + \rho)$

Theoretisch besteht hier die Möglichkeit, die Kanalkapazität über n_T und n_R beliebig zu erhöhen. Preis dafür ist jedoch der wachsende Aufwand durch die Zahl der Antennen und die Komplexität des HF-Empfängers und der Signalverarbeitung. Außerdem ist diese informationstheoretische Größe lediglich eine obere Schranke, die in der Praxis schwer zu erreichen ist. Zusätzlich gilt die Näherungsformel nur für unkorrelierte, also unabhängige Signalausbreitungspfade (Kanäle). In der Praxis sind die Ausbreitungspfade des Signals jedoch immer korreliert und zwar umso stärker, je mehr Antennen verwendet werden.

Anwendungen

WLAN

Die volle MIMO-Unterstützung wird nur nutzbar, wenn sowohl Sender als auch Empfänger das MIMO-Verfahren beherrschen. Nutzt nur eine Seite MIMO-Technologie, so steigert sich die Leistung von normalen 802.11g-Komponenten um ca. 50 Prozent.

MIMO-Hardware der ersten Generation

Für die ersten MIMO-Geräte vom Frühjahr 2005 versprechen deren Anbieter wesentlich höhere Funkabdeckungen im Vergleich zum normalen 802.11g-Standard, z. T. bis zu 1000 %. Dass die Technik noch im Entstehen ist, zeigen die unterschiedlichen Produktnamen (z. B. bei Netgear „RangeMax“ oder „SRX“ bei Linksys).

Die MIMO-Technik wurde im Frühjahr 2005 von verschiedenen Herstellern eingeführt. Ob diese wirklich untereinander kompatibel sind, ist fraglich, da gleichzeitig das Standardisierungsverfahren für den künftigen WLAN-Standard 802.11n läuft und der MIMO-Standard voraussichtlich erst nach offizieller Einführung von 802.11n durch die Normierungsorganisation IEEE verabschiedet werden wird.

MIMO-Hardware der zweiten Generation

Im Dezember 2005 kam eine neue Router-Generation (zunächst nur von der Firma Netgear) mit dem neuen „Airgo“-Chipsatz auf den Markt. Dieser neue Chipsatz, welcher die MIMO-Technik nutzt, ermöglicht erstmals schnellere bzw. gleiche Geschwindigkeiten wie im LAN via Kupferkabel. Dabei erreichen die neuen Netzwerkkomponenten eine Geschwindigkeit von bis zu 240 Mbit/s durch Nutzung von zwei Funkkanälen. Dabei hat auch das WLAN eine Full-Duplex-Verbindung durch Nutzung von zwei Funkkanälen gleichzeitig.

MIMO-Technik im IEEE-802.11n-WLAN-Standard

Im Frühjahr 2006 wurden zum ersten Mal WLAN-Komponenten auf der CeBit 2006 vorgestellt, welche mit dem WLAN-Standard 802.11n betrieben werden können. Diese neuen Produkte sollen dank der neuen Chipsätze und technischen Spezifikationen Datendurchsatzraten von bis zu 300 Mbit/s haben. Dies wird wiederum durch die erweiterte MIMO-Technik ermöglicht. Die technischen Spezifikationen dieser Router und WLAN-Adapter beruhen allerdings vorerst nur auf dem 802.11n-Draft. Laut den Herstellern (Netgear oder Linksys) werden diese neuen Hardware-Komponenten aber mit Hilfe von Firmware- oder Software-Updates bei Verabschiedung des neuen 802.11n-Standards voll kompatibel zu diesem sein. Mit Hilfe der MIMO-Technik sollen beim 802.11n-WLAN-Standard Datendurchsatzraten bis zu 600 Mbit/s möglich werden.

Weitere

MIMO-Techniken werden im zukünftigen WiMax-Standard IEEE 802.16 enthalten sein und auch in zukünftigen Mobilfunkstandards wie z.B. LTE eine Rolle spielen.

Siehe auch

• Antenna-Diversity
• Kanalkapazität
• Korrelation
• Multiple Input Multiple Output

Literatur

• G. J. Foschini und M. J. Gans: On Limits of Wireless Communications in a Fading Environment When Using Multiple Antennas. In: Wireless Personal Communications. Vol. 6, No. 3, März 1998, S. 311 - 335
• D. Gesbert und J. Akhtar: Breaking the barriers of Shannon's capacity: An overview of MIMO wireless systems. In: Telenor's Journal: Telektronikk. 1/2002, S. 53 - 64
• D. Gesbert, M. Shafi, D. Shiu, P. Smith und A. Naguib: From Theory to Practice: An Overview of MIMO Space-Time Coded Wireless Systems. In: IEEE Journal on Selected Areas in Communications. Vol. 21, No. 3, 2003.
• M. Jankiraman: Space-Time Codes and MIMO Systems. Artech House Publishers, Boston 2004, ISBN 1-58053-865-7
• J. Lindner: Informationsübertragung. Grundlagen der Kommunikationstechnik. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21400-3
• T. Kaiser: Rudelfunk. In: c't. Magazin für Computertechnik. 8/2005. Heise Zeitschriften Verlag, S. 132 - 135, ISSN 0724-8679
• http://www.irt.de/de/themengebiete/digitale-netze/mimo-ofdm.html
• N. Razavi-Ghods and Sana Salous, Wideband MIMO channel characterisation in TV studios and inside buildings in the 2.2-2.5 GHz frequency band, Radio Science, 2009, vol. 44, pp 1-13
• Sana Salous, The provision of an initial study of multiple in multiple out technology, Part I, final report on DTI contract, pp 1-33, July 2003, siehe http://www.ofcom.org.uk/static/archive/ra/topics/research/topics/propagation/mimo.pdf

Weblinks

• BLAST-Projekt auf den Seiten der Bell Labs