Die Ritter der Roombas

Der Trick von Mega MIMO liegt darin, dass sich die Accesspoints die Verbindungsdaten nicht gegenseitig zuschicken. In dem Mega-MIMO-Netzwerk übernimmt ein Accesspoint die Rolle des Masters, die anderen Accesspoints agieren als Slave. Statt sich gegenseitig Informationen über die Phasenlage der empfangenen Radiosignale zu schicken, werten sie Radiosignale aus, um die Phasenlage selbst zu ermitteln und ihre Sender zu kalibrieren. Dabei nutzt Mega MIMO aus, dass der Signalweg umkehrbar ist. Die Eigenschaften des Signalwegs von Master zu Slave sind die gleichen Eigenschaften wie umgekehrt. Dafür ist zwar ein zusätzlicher Header im Übertragungsprotokoll nötig, aber die Verluste dadurch sind vergleichsweise gering.

Trotzdem klingt das Unterfangen leichter, als es tatsächlich ist. Denn obwohl der Signalweg in beiden Richtungen gleich ist, unterscheiden sich Sende- und Empfängerelektronik voneinander. Noch dazu verändern sie ihre Phasenlage je nach der notwendigen Verstärkung des empfangenen oder gesendeten Signals. Je nachdem, welche Verstärker zwischen der Antenne und dem Analog-Digital-Wandler eingekoppelt werden müssen, verändert sich die Impedanz des gesamten Schaltkreises, was wiederum zu kleinen Veränderungen in der Frequenz des Oszillators führt, mit dem die Frequenz des Signals erzeugt wird.

Statistik hilft den Routern, sich selbst zu verstehen

Die Zusammenhänge sind kompliziert, nicht linear und abhängig von Umweltbedingungen wie der Temperatur. Die Accesspoints müssen immer wieder die Eigenschaften ihrer eigenen Elektronik bestimmen, um tatsächlich koordinierte Funksignale senden zu können. Der zusätzliche Aufwand bewirkt, dass alle vier Accesspoints zusammen wie eine einziger MIMO-Router mit vier Antennen agieren können. Die vier Accesspoints (ein Master und drei Slaves) konnten erfolgreich mit vier unmodifizierten Clients in einem WLAN-Kanal kommunizieren und erreichten dabei zusammen den 3,6-fachen Durchsatz einer einfachen Verbindung über diesen Kanal.

Das entspricht in etwa dem gleichen zusätzlichen Durchsatz, den auch herkömmliches MIMO zwischen zwei Geräten mit je vier Antennen mit sich bringt. Das besondere an Mega MIMO ist, dass es nicht nur zwischen einem Accesspoint und einem Client funktioniert. Der zusätzliche Durchsatz in dem Kanal kann also auf mehrere Clients aufgeteilt werden.

Clients auf Roombas simulieren den Alltag

In ihrer Veröffentlichung konzentrierten sich die Forscher auf diese Konfiguration. Dabei wurden die Clients nicht nur statisch unter Laborbedingungen getestet, sondern auch von Forschern im Raum herumgetragen und über mehrere Stunden auf Roomba-Staubsaugerrobotern durch den Raum gefahren, um realistischere Daten zu erhalten.

In ihrer Veröffentlichung schrieben die Forscher nichts über mögliche Probleme bei der Ausdehnung des Prinzips auf mehr als vier Clients oder Accesspoints, womit sich der Durchsatz des Kanals noch weiter erhöhen lassen dürfte. Das heißt nicht, dass es keine Probleme damit gibt. Interessant ist aber, dass sich Master und Slave Access Points nur in ihrer Funktion, aber nicht in der Hardware voneinander unterscheiden. Ein passendes Protokoll vorausgesetzt könnten sich Netzwerke aus passenden Accesspoints ad-hoc als Master und Slaves zusammenfinden und koordiniert ein bestimmtes Gebiet mit WLAN in diesem Modus versorgen.

Der größte Nachteil der Technik ist, dass sich der höhere Durchsatz nur in der Richtung vom Accesspoint zum Client realisieren lässt. In ihren Tests verwendeten die Forscher eine Verteilung von 90 Prozent Downlink und 10 Prozent Uplink. Dafür benötigt sie aber auch keine Veränderungen am Client. Jeder kann sein altes Smartphone in dem neuen Netzwerk benutzen.