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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 67 High Speed WLANs nach IEEE 802.11n – so funktioniert MIMO-OFDM

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Es ist vollkommen klar, dass die bestehenden WLANs nach IEEE 802.11 a, b, g und h einfach zu langsam sind. Maximal 54 Mbit/s. in einer Funkzelle, die durch ein wirklich schreckliches Medienzugangsverfahren günstigstenfalls zur Hälfte erreicht werden und dann auch noch unter einer Anzahl von Benutzern aufgeteilt werden müssen, sind schlicht und ergreifend und ohne jede Diskussion einfach viel zu wenig. Der Standard IEEE 802.11n wird die Gestaltung von WLANs in den nächsten Jahren daher maßgeblich beeinflussen.

Die MIMO-Technik macht eine Datenübertragung mehrerer paralleler Funksignale auf dem gleichen Kanal möglich; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
Die MIMO-Technik macht eine Datenübertragung mehrerer paralleler Funksignale auf dem gleichen Kanal möglich; Bild: Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei der Planung von benachbarten Funkzellen für eine professionelle Flächendeckung mit vielen Teilnehmern wird man feststellen, dass es erhebliche Unterschiede zwischen dem 2,4- und 5-GHz-Band gibt, die einfach in der physikalischen Wellenausbreitung begründet sind. Ein Zellendesign, welches bei IEEE 802.11b gut funktioniert, kann man deshalb nicht ohne weiteres für die schnellere Version IEEE 802.11a bzw. die „EU-Variante“ IEEE 802.11h verwenden, weshalb viele zunächst auf IEEE 802.11g ausgewichen sind, was aber kurzsichtig ist, weil IEEE 802.11g mehr Porbleme schafft als löst.

Die Frage, die sich natürlich brennend stellt, ist, ob eine Erhöhung der Übertragungsleistung in einer Zelle zwangsläufig wiederum mit einem neuen Zellendesign einhergeht. Die Antwort von IEEE 802.11n ist eindeutig: NEIN. Das Zellendesign nach IEEE 802.11a kann hier weiter benutzt werden.

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Die HTSG von IEEE 802.11 (Higher Througput Study Group) untersuchte Möglichkeiten für WLANs mit mehr als 100 Mbps in der Funkzelle. Die HTSG hat dann den Gruppennamen IEEE 802.11n erhalten und sich schon sehr früh auf Konformität zu IEEE 802.11a und auf den 5-GHz-Bereich festgelegt.

Diese Festlegungen bedeuten aber vor allem:

  • 802.11n-Systeme sind nach außen hin völlig konform zu allen Bestimmungen nach IEEE 802.11a und IEEE 802.11h
  • 802.11n-Funkzellen können genauso designt werden wie IEEE 802.11a Funkzellen
  • 802.11n-Funkzellen arbeiten im Rahmen der IEEE 802.11a Spektralmaske

Das kann für die Planung gar nicht hoch genug bewertet werden, denn

  • IEEE 802.11a-Funkzellen können zu jedem späteren Zeitpunkt zu 802.11n-Funkzellen aufgerüstet werden
  • Funktionen wie die automatische Kanalwahl und die automatische Leistungsanpassung werden in beiden Sorten Zellen arbeiten
  • IEEE 802.11a-Funkzellen und 802.11n-Funkzellen können in einem Umfeld, z.B. Bürohaus, zusammen betrieben werden und stören sich nicht
  • Wie man IEEE 802.11 einschätzen kann, wird es noch ein System zur automatischen Ratenanpassung geben. Dann können IEEE 802.11a Endgeräte in 802.11n-Zellen betrieben werden, allerdings mit max. 54 Mbps
  • IEEE 802.11a und 802.11n bilden dann ein harmonisches zweistufiges Werk, wie wir es schon von 100 Mbps Ethernet und Gigabit Ethernet kennen

IEEE 802.11b Systeme haben in diesem Umfeld allerdings nicht direkt etwas verloren. Aber: IEEE 802.11b-Systeme arbeiten im 2,4-GHz-Band, IEEE 802.11a und 802.11n-Systeme arbeiten im 5-GHz-Band.Die Systeme stören sich technisch also nicht. Durch ein entsprechendes Distribution System könnten sie sogar miteinander verbunden werden, wenn man das möchte. Dadurch entsteht eine dreistufige Hierarchie:

  • IEEE 802.11b mit 11 Mbps pro Zelle
  • IEEE 802.11a/h mit 54 Mbps pro Zelle
  • IEEE 802.11n mit bis zu 320 Mbps pro Zelle und mehr

Intelligent installiert, kann man alle drei Systemarten gleichzeitig nutzen.

weiter mit: Abstimmungsfeinheiten

Abstimmungsfeinheiten

Neben dem allgemeinen Druck gab es vor allem einen weiteren wesentlichen Einflussfaktor, der die innerhalb des Gremiums 802.11 zerstrittenen Gruppen letztlich zusammengeschweißt hat: die Beteiligung von Herstellern und Providern aus dem professionellen Mobilfunk-Umfeld.

Man geht davon aus, dass derzeit rund ein Drittel der Handsets Wi-Fi unterstützt. Das sind immerhin ca. 200 Millionen Geräte pro Jahr – und damit deutlich mehr als die geschätzten 70 Millionen Wi-Fi-PCs pro Jahr.

Wi-Fi steht mittlerweile im Markt einfach als „Ergänzungsgremium“ zu 802.11 da, welches dafür sorgt, dass die IEEE 802.11-Standards auch tatsächlich zu funktionierenden Produkten führen. Die Wi-Fi-Testprozeduren im Vorfeld der Produktion sind für die Hersteller absolut wertvoll und stellen etwas dar, was sie alleine nicht zustande brächten.

Wi-Fi ist rückwirkend betrachtet das Gremium, welches die WLANs wirklich nach vorne gebracht hat, auch wenn man aus der Perspektive der Campus- und Corporate-Netze nicht mit allem glücklich ist, was dort manchmal definiert wird. Da aber letztere einen so verschwindend kleinen Anteil am Gesamtmarkt haben, dass sie bald bei der UN Minderheitenschutz beantragen können, haben sie natürlich bei der Entwicklung überhaupt nichts mehr zu melden. Wi-Fi ist ein überall bekanntes und akzeptiertes Markenzeichen für WLANs und wird diese Position auch bei schnelleren Varianten behalten.

Für die Berücksichtigung mobiler Handhelds kommen jetzt folgende Aspekte hinzu:

  • Unterstützung asymmetrischer Sende/Empfangsantennen-Kombinationen, um Endgeräte unterschiedlicher Größe richtig und skalierbar implementieren zu können.
  • Unterstützung heterogenen Verkehrs zur Steigerung der Spitzen-Datenrate ohne Behinderung von Arbeitsmodi mit geringeren Datenraten
  • Gesteuerte Ausdehnung des Wirkungsbereiches für die räumlich begrenzte Outdoor-Anwendung (Hotspots)
  • Fokussierung auf bewährte, stabile und einfache Lösungen: OFDM

Dazu muss man natürlich eine Menge tun, weiter unten werden wir dazu kommen. Zuvor betrachten wir jedoch die MIMO-Antennentechnologie als solche und dann den wesentlichen Durchbruch hinsichtlich der Übertragungstechnologie: MIMO-OFDM.

weiter mit: Die MIMO-Antennentechnologie

Die MIMO-Antennentechnologie

Im Zusammenhang mit Funktechnologie wird der Begriff MIMO (Multiple Input Multiple Output) eigentlich erst im Millimeterwellenbereich, also ab ca. 50 GHz, verwendet. Hier gibt es so genannten Beam Shaped MIMO-Antennen. Im Millimeterwellenbereich besteht wegen der kürzeren Wellenlängen das Problem des Multipath Fadings in völlig anderer Größenordnung als bei den heute bekannten WLANs. Um überhaupt eine sinnvolle Übertragung aufsetzen zu können, benötigt man daher Antennen mit einer recht starken Richtwirkung.

Antennen Diversity funktioniert gut und problemlos, generell ist es bei WLANs aber völlig ausreichend, wenn ein Access Point mehrere Antennen hat. Man kann auch einem Empfänger mehrere Antennen und einen entsprechenden nachgelagerten Schaltkreis geben. Die Leistungssteigerung ist aber in diesem Fall so gering, dass sich der Aufwand nicht lohnt und auch dem allgemein gewünschten mobilen Umgang mit den Endgeräten widerspricht.

Bei WLANs kann die Antennen-Diversity über das Management des Funkteils beeinflusst werden. Davon macht man allerdings so gut wie keinen Gebrauch, sondern lässt es automatisch laufen.

Zurück zu den Millimeterwellen. Hier muss man die MIMO-Richtantennen und dynamisches Antennen-Diversity kombinieren, vor allem wenn man eine flächige Ausleuchtung erreichen möchte. Das scheint zunächst ein Widerspruch zu sein, aber tatsächlich muss man mehrere Richtantennen mit nicht allzu hoher Richtwirkung so kombinieren, dass sie eine zusammenhängende Fläche ausleuchten. Durch die Richtantennen wird wie zuvor beschrieben das Multipath Fading eingedämmt und durch die Antennen-Diversity letztlich mittelbar die Fläche abgedeckt.

Sinnvollerweise beschickt man alle Antennen mit dem gleichen Sendesignal. Auf der Empfängerseite kann man dann auch mehrere Antennen anbringen, muss dies aber nicht. Im Gegensatz zu normalen WLANs steigert man aber damit die mögliche Leistung deutlich. Die Ansammlung aus mehreren Sende- und Empfangsantennen hat dem Ganzen den Namen MIMO eingebracht.

„Was für 50 GHz gilt, kann ja für 5 GHz nicht völlig falsch sein“, haben sich offensichtlich die IEEE 802.11n MIMO-Frühprotagonisten gedacht und eine zunächst einmal ähnliche Grundstruktur vorgeschlagen.

Zweifellos hat eine solche Anordnung bei ansonsten nicht geänderten Radiochips genau einen Vorteil und genau einen Nachteil. Der Nachteil ist, dass man mehr Antennen und ein ganz kleines bisschen zusätzliche Elektronik benötigt. Der Vorteil ist eine gegenüber einer einfachen Lösung gesteigerte Reichweite.

weiter mit: Kleine Zellen

Kleine Zellen

Das kann man sofort einfach bewerten. Alle heutigen seriösen Planungen für flächendeckende Campus-WLANs gehen von kleinen WLAN-Zellen aus, weil die Zelle ein Shared Medium ist und niemand etwas davon hat, wenn im Rahmen einer großen Reichweite möglichst viele Stationen in Wettbewerb um das gemeinsam wechselseitig ausgeschlossen nutzbare Medium streiten. Eine größere Reichweite ist allenfalls in Sonderfällen und im Heimbereich nutzbar, allerdings auch nur für diejenigen, die ein hinreichend ausgedehntes Heim haben.

Aber damit nicht genug, man möchte ja eine Steigerung der nominalen Zellen-Datenrate erreichen. Und da beginnt das Problem.

Das MIMO-Verfahren im Umfeld der WLANs ermöglicht dank mehrerer Antennen einen parallelen mehrfachen Datenstrom zwischen WLAN-Access Point und Client. Ohne weitere Verfahren im Rahmen der Codierung/Modulation klappt das aber nicht so einfach, wie wir gleich sehen werden.

Welche Möglichkeiten stehen uns zur Verfügung, um innerhalb eines einzigen Kanals unterschiedliche Informationen zu übertragen? Generell ist dazu ein Multiplexverfahren nötig, und es gibt Raum-, Zeit-, Code- und Frequenzmultiplex sowie Mischungen davon.

Verwendet man aber ein Multiplexverfahren, kann man damit die Gesamtbandbreite nicht steigern, sondern man organisiert sie nur. So organisieren die OFDM-Unterkanäle die Bandbreite bei IEEE 802.11a/h und z.B. das Codemultiplexverfahren CDMA die Bandbreite bei GSM-Handys.

Alle diese Multiplexverfahren haben jedoch gemein, dass man zwischen einem Sender und einem individuellen Empfänger lediglich einen einzigen Weg benötigt, der durch je eine Antenne bei Sender und Empfänger gebildet wird.

Die MIMO-WLANs setzen darauf, dass sie es schaffen, zwischen einem Access Point und einem Empfänger mindestens zwei unterschiedliche Wege aufbauen können, die sich trotz der Lage im gleichen Kanal gegenseitig nicht stören.

Also liegt der Grundsatz der Konstruktion tatsächlich in der Annahme, dass man im gleichen Kanal zwei unterschiedliche Signale mehr oder minder störungsfrei nebeneinander übertragen kann. Natürlich wissen wir, dass das eigentlich nicht geht, jedenfalls dann nicht, wenn man an bisherigen Vorstellungen klebt.

Die Lösung liegt, wie schon angedeutet, in einem „Trick“, der sich dann ergibt, wenn man die Betrachtungsweise ändert und sozusagen eine zusätzliche Dimension hinzufügt, mit der man arbeiten kann

weiter mit: Das Geheimnis von MIMO-OFDM

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.

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

Die Grenzen des Prinzips

Das Prinzip ist natürlich nicht nur für zwei Antennen nutzbar, sondern auch für mehrere Die theoretische Grenze ist die Anzahl der orthogonalen Unterträger in einem OFDM-Signal. Die mögliche Leistung entspricht der Leistung eines einzelnen OFDM-Transceivers multipliziert mit der Anzahl der Wege abzüglich des Overheads durch den Zeitversatz.

Dieser Zeitversatz kann sehr klein gehalten werden. Der Verlust durch den Zeitversatz kann außerdem durch verschiedene Maßnahmen vor der OFDM-Stufe kompensiert werden. Eine gute Möglichkeit wäre: nur der erste OFDM-Frame führt Funktionen für die Kanalsteuerung aus, die anderen jedes Zyklus laufen einfach hinterher. Die tatsächliche Leistung ist dann sehr vielfältig und abhängig von vielen Parametern.

Derzeit definiert: sind Möglichkeiten für 20- und 40-MHz-Kanäle. Ein 40-MHz-Kanal besteht aus zwei benachbarten 20-MHz-Kanälen, wobei nur einer Steuerungsfunktionen durchführt. Wir brauchen die 40-MHz-Kanäle aber nicht genau zu betrachten, denn erstens würden sie sämtliche Planungen, die wir bislang mit 20-MHz-Kanälen gemacht haben, völlig über den Haufen werfen und zweitens ist die Verwendung von 40-MHz-Kanälen in Europa und Japan durch die Regulierung zurzeit schlichtweg untersagt.

Wir kommen darauf später noch mal zurück, aber erst einmal ging es um die Erklärung des generellen zugrunde liegenden Funktionsprinzips.

Mit dem bisher Dargestellten sollte auch völlig klar geworden sein, wieso man nur eine Empfangsantenne benötigt: die via Übertragungsmedium Luft gemischten OFDM-Signale kommen zusammen an und können dann (wie die Akkorde auf dem Klavier) nach der eigentlichen Empfangsstufe zerlegt und einzeln decodiert werden. Dann muss man die decodierten Bitströme wieder zusammenführen, descambeln, vom FEC-Overhead befreien und erhält schließlich die gewünschte Nutzinformation. Wenn man an einem Empfangsgerät mehr Antennen zur Verfügung hat, kann man die wie gewohnt für die Antennen-Diversity nutzen.

Natürlich könnte man die orthogonalen OFDM-Signale auch direkt von einer einzigen gemeinsamen Antenne abstrahlen. Hier hat man sich aber in den Gremien anders entschieden. Für mehrere Antennen spricht, dass sie sehr billig sind. Außerdem kann man die bereits für 11a, g und h bewährten OFDM-Transceiver-Chips einfach weiterbenutzen, man braucht jetzt nur mehr von ihnen. Wie wir aber wissen, kosten die nichts.