Warum die vielen Antennen?

Eine besonders auffällige Veränderung zeigen die Access Points und Router: Sie bekamen mit der Zeit immer mehr Antennen. Router mit einer einzigen Antenne sind selten geworden, Spitzenmodelle bestehen aus einem regelrechten Antennenwald. Die kurze Antwort auf die Frage nach ihrem Sinn: Sie verbessern die Übertragungsleistung, indem die räumliche Dimension zusätzlich zu Frequenz, Modulation und Zeit genutzt wird. Häufig hat jedes Frequenzband eigene Antennen.

Um die räumliche Dimension zu nutzen, gibt es mehrere Ansätze. Bei allen bekommt der Übertragungskanal, den wir bislang nicht genauer betrachtet haben, eine zentrale Bedeutung. Denn beim Empfänger kommt nicht exakt das an, was gesendet wurde, sondern eine verzerrte Version davon. Jeder Einzelträger wird grundsätzlich unterschiedlich verzerrt - das ignorieren wir erst einmal.

Ein wichtiger Grund für die Verzerrungen ist die Mehrwegeausbreitung. Sie entsteht dadurch, dass die Senderantenne nicht zielgenau auf den Empfänger strahlt. Signalanteile, die nicht auf den Empfänger gerichtet sind, können ihn durch Reflexion indirekt erreichen, wie auf dem Bild unten dargestellt. Dabei legen sie eine längere Strecke zurück als die Komponente, die den Empfänger auf direktem Weg erreicht. So wird dort das Signal mit einer zeitverzögerten und eventuell phasenverschobenen Kopie überlagert.

Jede Antenne ist anders

Verfügt der Empfänger über mehrere, räumlich getrennte Antennen, (N_Rx), überlagern sich die einzelnen Signalpfade an jeder unterschiedlich. Nehmen wir vereinfacht an, die Auswirkung der Überlagerung der Signalpfade ließe sich mit einem komplexen Koeffizienten beschreiben. Dann existiert für jede Antenne ein solcher Koeffizient, der das eingehende Signal in Abhängigkeit vom gesendeten beschreibt.

Der Sender soll nun ebenfalls über mehrere Antennen (N_Tx) verfügen. Sie senden unterschiedliche Signale aus, welche die Empfangsantennen auf unterschiedlichen Wegen - mit jeweils einem eigenen Koeffizienten - erreichen. Jede Empfangsantenne erreicht also eine Mischung aus N_Tx verschiedenen Signalen, dies zeigt das Bild ganz unten. Die Koeffizienten können übersichtlich zur sogenannten Kanalmatrix H zusammengefasst werden. Da der Kanal mehrere Ein- und Ausgänge hat (Sender- und Empfängerantennen) wird das System als Multiple Input, Multiple Output (MIMO) bezeichnet.

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Ein Funksignal erreicht den Empfänger auf mehreren Wegen - hier ein direkter Pfad und zwei Reflexionen. Die Einzelsignale überlagern sich. (Bild: Golem.de)

Aber Signalüberlagerungen sind doch schlecht!

Auf den ersten Blick klingt es nicht besonders sinnvoll, mit mehreren Antennen verschiedene Signale auf denselben Frequenzen zu senden. Ist die Kanalmatrix bekannt, kann die Überlagerung allerdings wieder zerlegt werden. Einzige Voraussetzung ist, dass die Anzahl der gesendeten Signale - meist als Streams bezeichnet - nicht größer ist als N_Rx, die Anzahl der Empfängerantennen.

Um die Kanalmatrix zu bestimmen, muss der Sender eine bekannte Datensequenz schicken. Außerdem muss er das regelmäßig tun, da die Kanalmatrix nicht konstant ist. Sie ändert sich, falls Sender, Empfänger oder ein Gegenstand, der durch Reflexion einen indirekten Pfad bildet, sich bewegen. Der Präambel, mit der jede Übertragung beginnt, wurden hierfür neue Trainingssymbole hinzugefügt. Sie dienen ausschließlich der sogenannten Kanalabschätzung (channel sounding), welche die Kanalmatrix näherungsweise bestimmt.

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Bei Mehrantennensystemen überlagern sich an jeder Empfängerantenne die Signale aller Senderantennen. (Bild: Golem.de)