Mega MIMO 2.0: Mehr Flexibilität und Durchsatz in überfüllten Funknetzen
MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ist ein alter Hut. Fast jeder WLAN-Router ist mit mehreren Antennen ausgestattet, die mehrere Signale gleichzeitig über dieselbe Frequenz übertragen können. So können einzelne Clients mit deutlich größerer Bandbreite versorgt werden. Das von Forschern des Massachusetts Institute of Technology(öffnet im neuen Fenster) (MIT) entwickelt Mega MIMO 2.0 geht deutlich weiter.
Viele Funknetzwerke werden nicht nur von einem Nutzer verwendet. Aber je größer die Zahl der Nutzer wird, umso schneller ist die Bandbreite in den Funkbändern erschöpft, und die Datenraten brechen zusammen. Mega MIMO ist ein verteiltes Multiuser-Netzwerk, in dem mehrere Nutzer von mehreren Accesspoints auf derselben Frequenz mit Daten versorgt werden können.
In der Theorie(öffnet im neuen Fenster) waren ähnliche Ansätze schon länger als Distributed Multi-User MIMO bekannt. Für Mega MIMO 2.0 haben die Forscher ein eigens entwickeltes Testnetzwerk aus vier Accesspoints mit je einer Antenne und vier unmodifizierten Clients realisiert, die damit gleichzeitig auf einem einzigen Kanal angesprochen werden. Das Netzwerk erreichte den 3,6-fachen Durchsatz einer einzelnen 802.11-Verbindung.
Mega MIMO bringt mehr Durchsatz auf derselben Welle
WLAN-Verbindungen auf derselben Frequenz mit getrennten Accesspoints herzustellen, ist ein großes Problem. Um die Funksignale koordinieren zu können, betreiben MIMO-Router ihre Antennen mit einem einzigen Oszillator, der die Grundfrequenz liefert. Das verhindert, dass die Funksignale der unterschiedlichen Antenne ungewollt außer Phase laufen(öffnet im neuen Fenster).
Um mehrere Signale auf derselben Frequenz gezielt übertragen zu können, wird eine exakte Kontrolle über die ausgestrahlten Radiowellen benötigt. Verschieben sich die Radiowellen, die von den verschiedenen Antennen ausgestrahlt werden, nur leicht gegeneinander, schwächen sich die Signale ab oder verschwinden sogar ganz. Aber kein elektronisches Bauteil ist perfekt. Auch wenn zwei Accesspoints nominell mit exakt derselben Frequenz senden, werden ihre Signale in Sekundenbruchteilen auseinanderlaufen.
Theoretisch sind diese Probleme schon längst gelöst. In ihrem Mega-MIMO-Aufbau benutzten die Forscher nicht nur zwei, sondern vier getrennte Accesspoints, die ihre Signale koordinieren mussten. Damit solche Funkverbindungen funktionieren können, müssen die Eigenschaften aller Verbindungen – vor allem die Phase des Signals – genau vermessen und allen Sendern und Empfängern bekanntgegeben werden.
Berge und Täler müssen zueinander passen
Die Berge und Täler von phasengleichen Funksignalen erscheinen immer zur gleichen Zeit, durch Überlagerung können sie verstärkt werden. Signale, die um 180 Grad in der Phase verschoben sind, löschen sich gegenseitig aus. Durch eine geschickte Koordination der Phasenlage mehrerer Antennen können also Signale an bestimmten Stellen im Raum verstärkt oder ausgelöscht werden. Das erlaubt es erst, mit mehreren Geräten im gleichen Frequenzbereich zu kommunizieren.
Die Übertragung der Informationen zum Phasenabgleich und anderer Informationen der Verbindung ist aber äußerst zeitintensiv. Typischerweise behalten die Funkstrecken ihre Eigenschaften nur für einige Millisekunden bei. Statt nützliche Daten zu übertragen, wird ein großer Teil des Datendurchsatzes für den ständigen Abgleich der Funkverbindung verwendet. Findet der Abgleich seltener statt, verliert die Verbindung an Qualität, und der Datendurchsatz sinkt genauso.
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(öffnet im neuen Fenster), 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.
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