Besserer Empfang

Mit der Übertragung paralleler Streams sind die Möglichkeiten mehrerer Antennen noch nicht ausgeschöpft. Darüber hinaus kann noch die Empfangsleistung optimiert werden. Auf MIMO kommen wir später noch einmal zurück, da gibt es nämlich eine weitere interessante Möglichkeit.

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Zuvor wurde erwähnt, dass die Anzahl der MIMO-Streams durch die Anzahl der Antennen des Empfängers begrenzt ist. Dass ein Empfangsgerät, beispielsweise ein Laptop oder Smartphone, weniger Antennen hat als ein Access Point, ist keine Seltenheit. Die Antennen müssen einen Mindestabstand haben, damit MIMO funktioniert. Außerdem benötigt jeder Empfangspfad Energie. Speziell bei Smartphones wird beides schnell zum Problem, so dass oft nur zwei Antennen verbaut sind.

Die überzähligen Antennen des Access Points müssen aber nicht ungenutzt bleiben. Sie können verwendet werden, um die Qualität des empfangenen Signals zu verbessern. Wer an Beamforming denkt, liegt da schon ganz richtig, allerdings muss der Empfänger dafür seine Kanalmatrix an den Sender schicken. Das bedeutet Latenz und kostet Datenrate. Es gibt eine weitere Methode, die fast umsonst eine bessere Signalqualität ermöglicht.

Geschickter Signalaufbau erhöht Empfangsleistung

Sogenannte Space-Time Block Codes (STBC) kommen zum Einsatz, wenn der Sender über mehr Antennen verfügt als der Empfänger. Der Datendurchsatz steigt dadurch nicht, dafür aber die empfangene Signalleistung. Hierdurch sinkt die Bitfehlerrate, Übertragungen werden zuverlässiger. Ein STBC fasst mehrere Symbole zusammen, gesendet wird mindestens so lange, als würden sie einzeln übertragen. Für jede Antenne wird eine Folge zu sendender Symbole berechnet.

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Besonders einfach und gleichzeitig effizient ist der Alamouti-Code, benannt nach seinem Entwickler. Er erreicht einen sogenannten Diversitätsgewinn von zwei - obwohl nur eine Antenne vorhanden ist, wirkt sie wie zwei. Beim Einsatz von zwei Antennen kann die von ihnen empfangene Energie kombiniert werden. Im Idealfall wäre sie doppelt so hoch, praktisch ist es weniger. So lassen sich Beeinträchtigungen des Signals an einer von beiden kompensieren.

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Effizient nur für zwei Antennen

Werden mehr als zwei Antennen genutzt, steigt der Diversitätsgewinn nicht linear an. Außerdem wird die Vorverarbeitung aufwendiger und - je nach Code - müssen wesentlich mehr Symbole zusammengefasst werden. Dadurch wird der Ansatz schnell unpraktikabel. Der 802.11-Standard umfasst daher nur Alamouti-Codes für zwei Sender- und eine Empfängerantenne. Sie können allerdings mit MIMO-Streams kombiniert werden, um einzelne Streams zu verbessern.

So kann ein Sender mit drei Antennen alle nutzen, um an einen Empfänger mit zwei Antennen zu senden. Er überträgt zwei MIMO-Streams, für einen davon wird zusätzlich der STBC genutzt. Unter anderem durch den Diversitätsgewinn kann es sinnvoll sein, den STBC-Stream anders zu modulieren als den uncodierten. Daher bietet der Standard vielfältige Kombinationen an Modulationen für MIMO. Dann kann für jeden Stream in Abhängigkeit seiner Signalqualität das optimale Modulationsverfahren gewählt werden. Das optimiert die Datenrate.

Beide bislang betrachteten Mechanismen, MIMO und STBC, erfordern keine zusätzliche Kommunikation zwischen Sender und Empfänger. Nur der Empfänger kennt die Kanalmatrix und nutzt sie zur Bearbeitung der eingehenden Signale. In Anlehnung an die Kontrolltheorie wird dies als Open-Loop-System bezeichnet, es gibt keine Rückmeldung an den Sender. Schließt man den Kreis und lässt dem Sender die Kanalmatrix zukommen, kann er das ausgehende Signal speziell für den Empfänger anpassen.

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 Warum die vielen Antennen?Endlich: Beamforming! 
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JensBerlin 11. Mai 2022 / Themenstart

Es kommt darauf an: Bspw. im Großraumbüro kann man mit 5GHz von oben selbst über...

Umdenker 10. Mai 2022 / Themenstart

Wir Enthusiasten der virtuellen Realität warten ja schon ne gute Weile auf die finalen...

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