MIMO

Was ist MIMO?

MIMO ist eine Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie, die in der drahtlosen Kommunikation eingesetzt wird. Sie verwendet mehrere Antennen sowohl am Sender als auch am Empfänger, um Signale zu senden und zu empfangen, wodurch Signale über verschiedene Pfade übertragen werden können. Wenn die Empfangsantenne verschiedene Versionen desselben Signals sendet, können die Daten die Empfangsantenne stabil erreichen, ohne durch Dämpfung beeinträchtigt zu werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern, Fehler reduzieren, die Geschwindigkeit erheblich optimieren und die Funkübertragungskapazität erhöhen kann. MIMO ist die zentrale Drahtlostechnologie von Produkten auf dem Markt, die den Standard IEEE 802.11n (Wi-FI 4) unterstützen, wodurch standardisierte IEEE 802.11n-Produkte höhere Verbindungsgeschwindigkeiten erreichen können.

Wie funktioniert MIMO?

Die MIMO-Technologie verwendet mehrere intelligente Sende- und Empfangsantennen. Informationen erreichen den Empfänger mehrfach in unterschiedlichen Formen und über unterschiedliche Pfade. Die Empfangsantenne kann Datenströme aus verschiedenen Pfaden und Zeitpunkten kombinieren. Räumliche Diversität und räumliches Multiplexing sind zwei Raum-Zeit-Codierungstechniken, die von MIMO implementiert werden.

Räumliche Diversität

Raumdiversität ist eine Methode zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Datenübertragung, bei der verschiedene Versionen desselben Datenstroms über mehrere Antennen gesendet werden. Diese Versionen können der ursprüngliche Datenstrom oder neue Datenströme sein, die nach einer mathematischen Verarbeitung erzeugt wurden. Am Empfangsende wird das Signal über einen räumlichen Entzerrer empfangen, anschließend demoduliert und decodiert, und schließlich werden die verschiedenen Signalversionen desselben Datenstroms kombiniert, um die ursprünglichen Daten wiederherzustellen. Diese Methode kann die Datenübertragung stabiler und zuverlässiger machen und eignet sich für Langstreckenübertragungsszenarien, bei denen die Übertragungsrate nicht hoch ist.

Räumliches Multiplexing

Spatial Multiplexing erhöht die Datenübertragungsrate, indem mehrere Datenströme derselben Daten über mehrere Antennen gesendet werden. Auf der Sendeseite verfügt jede Sendeantenne über einen unabhängigen Übertragungskanal und stört die anderen nicht; auf der Empfangsseite empfängt die Empfangsantenne diese Datenströme separat über einen Spatial Equalizer, demoduliert und dekodiert sie anschließend und führt schließlich jeden Datenstrom zusammen, um ihn zum ursprünglichen Signal wiederherzustellen. Diese Methode kann die Übertragungsrate verbessern und eignet sich für Übertragungsszenarien mit hohen Anforderungen an die Übertragungsrate, aber kurzen Übertragungsdistanzen.

Vor MIMO: SISO vs. SIMO vs. MISO

Vor der Einführung von MIMO verwendeten die traditionellsten drahtlosen Geräte die Single-Input-Single-Output-Technologie (SISO). Sowohl der Sender als auch der Empfänger hatten nur eine Antenne, sodass sie Signale nur über einen räumlichen Stream senden und empfangen konnten. Diese Technologie begrenzte die drahtlose Übertragungsrate und wies eine äußerst geringe Zuverlässigkeit auf.

Anschließend wurde die Single-Input-Multiple-Output-Technologie (SIMO) eingeführt, um eine zuverlässigere Verbindung zu erreichen. Bei dieser Technologie werden mehrere Signale, die dieselben Daten enthalten, von einer einzigen Sendeantenne gesendet, und die Empfangsantenne kann die vollständigen Daten erfassen, selbst wenn einige der Signale verloren gehen, wodurch die Übertragungszuverlässigkeit verbessert wird.

Was ist mit Multiple-Input Single-Output (MISO)? Mehrere Signale, die dieselben Daten enthalten, werden von verschiedenen Sendeantennen gesendet. Wenn einige Sendeantennen ausfallen oder das Signal verloren geht, kann die Empfangsantenne die vollständigen Daten dennoch erfassen, ähnlich wie beim oben erwähnten SIMO.

SU-MIMO vs. MU-MIMO

Die Implementierung der MIMO-Technologie wurde erstmals für die Datenübertragung mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (SU-MIMO) für einen einzelnen Benutzer eingesetzt. Bei dieser Technologie kann der AP nur ein Datenpaket gleichzeitig an den Client übertragen. 

Mit der Entwicklung der Anforderungen an Szenarien mit hoher Dichte hat MIMO im Wi-Fi 5 (IEEE 802.11ac Wave 2)-Standard die Multi-User-Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie (MU-MIMO) hervorgebracht, die es einem einzelnen AP ermöglicht, mehrere Datenpakete gleichzeitig an mehrere Clients zu übertragen, wodurch Übertragungseffizienz und Leistung erheblich verbessert werden. 

Es gibt zwei Unterarten von MU-MIMO: kooperatives MIMO und Massive MIMO. Das Merkmal von kooperativem MIMO ist, dass mehrere Access Points zu einem Mehrantennensystem virtualisiert werden, sodass benachbarte Sender gleichzeitig Daten an mehrere Benutzer übertragen können. Massive MIMO ist eine der Schlüsseltechnologien für die 5G-Mobilkommunikation. Seine Antennenkapazität wurde von herkömmlichem MIMO auf 64, 128 oder sogar 256 Antennen erweitert.