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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 67

High Speed WLANs nach IEEE 802.11n – so funktioniert MIMO-OFDM

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Das Geheimnis von MIMO-OFDM

Den unvoreingenommenen Betrachter verwundert bei den neuen Vorschlägen ganz besonders, dass offensichtlich mit mehreren Sendeantennen (bis zu vier), aber (zumindest bei kleinen Geräten) mit nur einer Empfangsantenne gearbeitet werden soll.

Man hat sich, um es kurz zu fassen, eines genialen Tricks bedient, auf den man erst einmal kommen muss. Den werde ich gleich erläutern, es sei aber vorausgeschickt, dass dieser Trick nachrichtentechnisch absolut sauber ist und dennoch nichts mit den möglichen Weiterentwicklungen mit dichterer Codierung, die ich in dem früheren Artikel vorgestellt hatte, zu tun hat. Wenn man die technischen Dokumente durcharbeitet, erschließt sich das übrigens nicht sofort. Sie können es ja gerne einmal selbst versuchen.

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Normalerweise unterscheidet man drei verschiedene Möglichkeiten, Informationen auf einem Kanal zu multiplexen, nämlich Zeit, Raum und Codemultiplex.

OFDM ist ein Raum-Multiplexverfahren, weil sich eine Vielzahl orthogonaler Unterkanäle den Übertragungskanal teilen. „Orthogonal“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Unterkanäle senkrecht aufeinander stehen, sondern dass sie sich gegenseitig nicht stören.

Aus der GSM-Technik kommt aber der Gedanke, Multiplexverfahren einzusetzen, die gleichzeitig die Raum- und Zeitdimension aufteilen. Nur so kann man hinreichend viele Telefongespräche auf den engen Kanälen unterbringen.

Die Grundlage der neuen schnellen MIMO-OFDM-Technik ist es, dem OFDM-Raummultiplex eine Zeitkomponente hinzuzufügen und damit den Kanal besser zu nutzen. Die Zeitkomponente sorgt dafür, dass Unterkanäle in zwei Dimensionen zueinander orthogonal sein können, nämlich im Raum und in der Zeit.

Wir konkretisieren das jetzt weiter. In Abbildung 6 sehen wir die orthogonalen Kanäle für das „einfache“ OFDM. Die einzelnen Frequenzen stören sich nicht wenn man sie überlagert. Dies ist die Basis für das Raum-Multiplex-Verfahren OFDM

Der wesentliche Schritt bei der Erzeugung eines stabilen Funksignals ist die inverse Fourier-Transformation. Sie synthetisiert aus den Unterträgern ein Ausgangssignal, welches über die Antenne hinausgeschickt werden kann.

Kommen wir jetzt zum genialen Trick des MIMO-OFDM. Grundgedanke des MIMO-OFDM ist das Versetzen der orthogonalen Unterträger derart, dass auch bei zwei oder mehr sich überlagernden Signalströmen die Summe der zu einem Zeitpunkt auf dem Kanal befindlichen Unterträger zueinander orthogonal ist, sozusagen in „der anderen Dimension“. Dadurch können mehrere Sende/Empfangswege unmittelbar benachbart sein, aber die Signale stören sich untereinander dennoch nicht. Voraussetzung: sehr strenge Synchronisation, aber das ist ja ganz unproblematisch, weil ein MIMO-OFDM-Transceiver nur „ganz am Ende“ einzeln arbeitende Komponenten für die Ansteuerung der Antennen hat, der überwiegende Teil der Verarbeitung der unterschiedlichen Signalwege aber in gemeinsamen Komponenten vorgenommen wird.

Wir kennen so etwas schon lange: beim Gigabit Ethernet über Twisted Pair haben wir auch vier „Transceiver“, die aber auch aus gemeinsamen Quellen angesteuert und kompensiert werden.

Wir sehen uns dazu die Abb. an: wir haben jetzt zwei Gruppen identischer Unterkanäle. Wir versetzen jetzt aber die zweite Gruppe in der Zeitdimension genau um die Zeitdauer, die für den ersten Unterkanal vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich, dass alle Unterkanäle, die jetzt zu einem Zeitpunkt zusammentreffen, orthogonal zueinander sind, weil dies ja jetzt paarweise solche sind, die vorher auch orthogonal zueinander waren. Die gescrambelten und vorverarbeiteten Nutzdatenbits werden in zwei Gruppen aufgeteilt. Aus den Bits dieser Gruppen werden dann mit entsprechender Dichte die analogen QAM-Signale hergestellt.

Die analogen QAM-Signale werden sodann auf zwei Gruppen OFDM-Unterträger aufgeprägt. Die zweite Gruppe wird gegenüber der ersten Gruppe ein Stück in der Zeit versetzt, damit die zweidimensionale Orthogonalität erreicht wird. Über die Größe des „Stücks“ kann man streiten, aber es sollte nicht zu groß sein, weil sonst die ganze Mühe umsonst wäre. Normalerweise gibt es 54 Unterträger. Ein Versatz um die Zeitdauer für 2-4 Unterträger ist hinreichend, um die Orithogonalität zu erzielen.

Schließlich werden die orthogonalen Unterträger jeweils mittels iFFT in zwei verschiedene Ausgangssignale synthetisiert.

Diese dürfen sich dann ruhig überlagern, weil sie nach Konstruktion ebenfalls orthogonal zueinander sind. Es ist eine schöne Eigenschaft der iFFT, dass sie die Orthogonalität von den Eingangssignalen auf das synthetisierte Ausgangssignal „vererbt“.

weiter mit: Die Grenzen des Prinzips

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