Endlich: Beamforming!

Kennt der Sender die Kanalmatrix eines Empfängers, kann er das gesendete Signal für ihn anpassen. Damit kommt beim Empfänger bereits ein optimales Signal an. Dazu werden die Signale der einzelnen Antennen gezielt verzögert, so dass beim Empfänger eine konstruktive oder destruktive Überlagerung entsteht. Die Phase der einzelnen gesendeten Signale ist dann an der Empfangsantenne gleich (konstruktiv) oder um 2π/N_Tx gedreht (destruktiv).

Bei konstruktiver Überlagerung ist die empfangene Leistung um den Faktor N_Tx höher als bei einer einzelnen Antenne. Bei destruktiver Überlagerung löschen sich die Wellen gegenseitig aus, die empfangene Leistung geht gegen null. Das klingt erst mal schlecht, kann aber gezielt unerwünschte Signalkomponenten entfernen. Die Anpassung der gesendeten Signale erreicht eine gezielte Ausrichtung der Sendeenergie. Sie strahlt auf einen bestimmten Punkt, weshalb das Verfahren als Beamforming bezeichnet wird.

Um die Strahlungsleistung zu lenken, benötigt der Sender eine sogenannte Steering-Matrix. Die berechnet er aus der Kanalmatrix - und zwar für jeden Unterträger. Die Rückmeldung kann implizit erfolgen, also ohne dass der Empfänger seine Kanalmatrix überträgt. Dies beruht auf der Annahme, dass der Kanal symmetrisch ist, zumindest näherungsweise. Der Sender kann also die Kanalmatrix aus den Antworten des Empfängers bestimmen. Sie kommen regelmäßig, da der Erhalt von Nachrichten bestätigt wird.

Wenn es genau sein muss, hilft nur explizites Feedback

Implizites Feedback hat den Vorteil, dass hierdurch kein zusätzlicher Kommunikationsaufwand entsteht. Der Ansatz hat allerdings zwei Nachteile: Erstens ist die so erzeugte Matrix weniger exakt, als wenn die Kanalschätzung des Empfängers genutzt würde. Zweitens muss der Sender mindestens eine Nachricht vom Empfänger erhalten haben. Für explizites Feedback definiert der WLAN-Standard ein Protokoll zur Kanalabschätzung.

Dabei schickt der Sender ein sogenanntes Null Data Packet (NDP), das nur aus einer Präambel besteht. Diese nutzt der Empfänger, um die Kanalmatrix abzuschätzen, die er danach mit einer speziellen Nachricht an den Sender schickt. Da die Matrix alle Einzelträger umfasst, wird sie sehr groß, wenn Kanalbündelung genutzt wird. Um nicht alle Koeffizienten - immerhin das Quadrat der Anzahl genutzter Träger - übertragen zu müssen, kann ein komprimiertes Format genutzt werden.

Multi-User-MIMO geht nur mit explizitem Feedback

Während MIMO mit nur einem Empfänger auch ohne Beamforming funktioniert, kommt sogenanntes Multi-User-MIMO (MU-MIMO) nicht ohne aus. Dabei werden verschiedene Antennen genutzt, um gleichzeitig Streams zu verschiedenen Empfängern zu übertragen. Der 802.11-Standard unterstützt es seit der ac-Erweiterung. Da jeder Empfänger über weniger Antennen verfügt, als Streams gesendet werden, können diese nicht mehr getrennt werden.

Daher muss der Sender die Antennensignale so vorverarbeiten, dass bei jedem Empfänger nur die für ihn bestimmten Signalkomponenten ankommen. Hier kommt die destruktive Überlagerung ins Spiel. Die einzelnen Signale werden so gemischt, dass die unerwünschten Signalanteile durch die Überlagerung verschwinden. Damit wird die Energie einzelner Antennen auf unterschiedliche Empfänger gerichtet. Dazu muss zuerst jeder Empfänger seine Kanalmatrix bestimmen und sie dem Sender schicken.

Das bedeutet Kommunikationsaufwand, der durch die Möglichkeit, mehrere Empfänger gleichzeitig zu bedienen, relativiert werden soll. Der ältere ac-Standard hat allerdings eine Einschränkung: Hier ist MU-MIMO nur vom Sender mit vielen Antennen (üblicherweise der Access Point oder Router) zu Empfängern mit weniger Antennen vorgesehen. Das wird als Downlink-MU-MIMO bezeichnet. Der ax-Standard erlaubt auch die Gegenrichtung.