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Vorteile, Funktion, Ausblick Trend der Mobilfunkindustrie: MIMO

Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Die Begriffe MIMO, MU-MIMO, SU-MIMO oder Massive MIMO tauchen immer häufiger auf. Eines steht fest: Wir befinden uns im Bereich drahtloser Technologien wie LTE, 5G oder Wi-Fi. Huawei erläutert, was sich hinter MIMO verbirgt, wie es funktioniert und welchen Nutzen es mit sich bringt.

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Die MIMO-Technologie ist im Wesentlichen eine Wi-Fi-Funktion, die die Netzwerkkapazität erhöht.
Die MIMO-Technologie ist im Wesentlichen eine Wi-Fi-Funktion, die die Netzwerkkapazität erhöht.
(Bild: © – Сake78 (3D & photo) – stock.adobe.com)

MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ist im Wesentlichen eine Funktion, welche die Übertragungskapazitäten drahtloser Anschlusstechnologien erhöht. Das tut sie, indem sie die „Straßen“ zwischen den Sende- und Empfangsgeräten oder -anlagen (Zugangspunkte bzw. Basisstationen) und den Endgeräten verbreitert.

Funktionsweise

Es wird unterschieden zwischen Single-User-MIMO (SU-MIMO) und Multi-User-MIMO (MU-MIMO). Während SU-MIMO jeweils nur einen Datenstrom an ein einzelnes Gerät übertragen kann, kann MU-MIMO mehrere Datenströme gleichzeitig an mehrere Geräte weiterleiten.

Dank der MU-MIMO-Technologie wird die verfügbare Bandbreite des Zugangspunktes durch separate räumliche Streams vergrößert. So lassen sich über dasselbe Frequenzband gleichzeitig mehrere Endgeräte versorgen und in der Summe mehr Daten übertragen. MU-MIMO gibt mit Bezeichnungen wie 1x1, 2x2, 3x3 Auskunft darüber, wie hoch die Anzahl der Antennen in einem Zugangspunkt/Router/Endgerät und somit die Anzahl der gleichzeitig unterstützten räumlichen Streams ist. Ein Zugangspunkt mit der Bezeichnung 4x4 verfügt also über vier Antennen – mit vier Sendern und vier Empfängern – und kann vier räumliche Streams gleichzeitig unterstützen. Ein Wi-Fi-6-Zugangspunkt ist beispielsweise mit bis zu acht Sende- und Empfangsantennen ausgestattet (8x8). Somit kann er acht 1x1-Clients, vier 2x2-Clients, zwei 4x4-Clients etc. gleichzeitig erreichen.

Beispiel: Smartphones nutzen in der Regel einen Stream, Tablets zwei und Notebooks drei (kann je nach Gerätetyp variieren). Durch die Verteilung der Streams dank MU-MIMO können so also z.B. zwei Smartphones und ein Tablet im Heimnetz gleichzeitig mit WLAN versorgt werden, ohne sich gegenseitig zu behindern. Denn: Ein AP oder Router kann seine separaten räumlichen Streams nutzen, um mit mehreren Endpunkten oder Nutzern gleichzeitig zu kommunizieren. Der Internetrouter teilt die zur Verfügung stehende Bandbreite unter einer Gruppe von Clients dynamisch auf. Dadurch kann eine effizientere Konnektivität erreicht werden, was zu einer größeren Übertragungskapazität führt.

Durch die Einbindung mehrerer Antennen sowohl in der Basisstation als auch bei den mobilen Benutzer*innen wird die Leistung des Übertragungsnetzes maximiert. Die Zeit, die die einzelnen Geräte z.B. auf ein WLAN-Signal warten müssen, wird reduziert und die Geschwindigkeit des Netzwerkes erheblich erhöht. Das ist vor allem für Haushalte mit vielen WLAN-Geräten spannend, aber auch für WLAN-intensive Aktivitäten, wie Streamen oder Gamen, wo ein Ruckeln bei der Videowiedergabe recht störend ist.

Das MIMO-Prinzip ist für den Mobilfunk mit dem Aufkommen von LTE weitverbreitet. Mittlerweile sind Mobilfunkbasisstationen mit 4x4-Charakteristik für viele Mobilfunkfrequenzen Standard, die mit LTE und seit Kurzem auch mit 5G genutzt werden. Ähnliches gilt für fortgeschrittene Smartphones.

Mit Massive MIMO, also der Weiterentwicklung von MIMO, wird die Zahl der Antennenelemente weiter erhöht: Eine größere Anzahl kleinerer Antennen wird verwendet, um durch dreidimensionale Multi-Beam-Antennencharakteristika eine noch bessere Frequenzausnutzung zu ermöglichen. Diese Technologie gilt als ein Bestandteil des Aufbaus von 5G-Netzen. Sie erlaubt, die 5G-Bandbreite für mehr Nutzer:innen pro Antenne bereitzustellen. Erste Installationen sind in Deutschland bei verschiedenen Betreibern und in vielen Städten bereits in Betrieb.

Indoor Massive MIMO

Im März 2021 gab Huawei bekannt, zusammen mit China Mobile 5G Indoor mit Distributed Massive MIMO umgesetzt zu haben. In dem Pilotversuch wurden besonders hohe Uplinkraten erreicht: Im 2,6-GHz-Frequenzbereich bei 80 MHz + 80 MHz schaffte der Uplinkdurchsatz der Zelle einen Spitzenwert von 1,2 GBit/s. Dabei kam das Huawei-Produkt Lampsite zum Einsatz.

Indoor Distributed Massive MIMO führt das von Makrobasisstationen bekannte Massive MIMO auch bei Indoornetzwerken ein, um die Kapazität zu erhöhen. Die Technologie unterstützt bis zu 64T64R-Kanäle und bringt Beamforming, MU-MIMO und andere Technologien zusammen.

Die Zukunftsfähigkeit von (MU)-MIMO: ein Ausblick

Während die Einführung von Wi-Fi 6 höhere MIMO-Zahlen im häuslichen und industriellen Umfeld einführt, ist die Nutzung von Massive MIMO und den verwandten Technologien im Mobilfunkbereich bereits in vollem Gange. Sie sind unersetzliche Voraussetzung, um z.B. die weitere Steigerung der Datennutzung im Mobilfunk bei geringeren spezifischen Netzkosten zu ermöglichen. Ein Augenmerk liegt dabei mit Sicherheit auf der Reduktion des Energieverbrauchs bezogen auf die übertragenen Datenmengen. Eine voll ausgelastete Massive-MIMO-Antenne reduziert den Energieverbrauch um den Faktor 35 bezogen auf eine klassische Mobilfunkstation.

Im industriellen Umfeld sind die MIMO-Technologien eine Voraussetzung, um eine robuste und zuverlässigere Vernetzung unter schwierigen Ausbreitungsbedingungen mit hohen kapazitiven Anforderungen zu ermöglichen. Durch die Anwendung des Massive-MIMO-Konzepts von 5G im TDD betriebenen C-Band auf bisher LTE bzw. UMTS vorbehaltenen FDD-Frequenzen, ergeben sich weitere Möglichkeiten für einen nachhaltigen Mobilfunk in naher Zukunft.

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