Funkbündel

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Edholm's Law of Data Rates – eine Analogie zu Moore's Law, das eine Verdoppelung der Prozessorgeschwindigkeit alle 18 Monate vorhersagt – prognostiziert in den kommenden Jahren für Mobilfunk eine Datenrate von bis zu 20 MBit/s und für WLANs bis zu 500 MBit/s innerhalb von Gebäuden. Während man in zellularen Mobilfunksystemen den Durchsatz derzeit noch ohne Mehrfachantennen durch adaptive Modulationsverfahren (beispielsweise High Speed Downlink/Uplink Packet Access, HSDPA/HSUPA) beschleunigen kann, stoßen Ein-Antennen-Systeme für WLAN mittlerweile an die Grenze des technisch Machbaren und ökonomisch Vertretbaren.

Prinzipiell ließe sich die Funkdatenrate im WLAN durch ein höherstufiges Modulationsverfahren (256-QAM anstelle von 64-QAM, Quadratur-Amplituden-Modulation) von 54 MBit/s (bei 20 MHz Bandbreite) auf gut 70 MBit/s steigern. Allerdings würde das ebenso die Kosten für die Funkbauteile deutlich hochtreiben, denn die höherstufige Modulation würde der analogen Hochfrequenzelektronik höhere Genauigkeit abfordern. Ein Kosten/Nutzen-Vergleich fällt für diesen Weg ungünstig aus.

Die häufig zu WLAN parallel diskutierte Ultra-Breitband-Technik (Ultra Wideband, UWB) erlaubt zwar physikalisch noch größere Datenraten, aber die geringe spektrale Sendeleistungsdichte beschränkt diese Raten auf Nahverbindungen mit sehr kleinen Abständen (unter 10 m). Eine typische Zielapplikation für UWB ist daher Wireless USB, nicht aber die Versorgung einer lokalen Funkzelle. WLAN und UWB konkurrieren nicht direkt miteinander.

Der nächste IEEE-WLAN-Standard 802.11n setzt auf den Einsatz mehrerer Antennen als eine Kernkomponente. Erste nicht standardkonforme Produkte sind bereits erhältlich, spätestens mit Ratifizierung des Standards voraussichtlich zum Jahresende darf man dann unbesorgt zugreifen. Doch die MIMO-Technik wird nicht nur bei WLAN, sondern auch in anderen Standardisierungsgremien als aussichtsreich betrachtet (IEEE 802.16 für Wimax, 3GPP, 3GPP2).

Mit dem Beginn einer Breitenversorgung durch den Mobilfunk in den frühen 90er-Jahren begann die Forschungswelt zukunftsträchtige Ansätze zur Kapazitätssteigerung zu untersuchen und im Hinblick auf die technische Machbarkeit zu analysieren. Der Oberbegriff intelligente Antennen (Smart Antennas) verdankt seinen Namen einer nachgeschalteten, "intelligenten" Signalverarbeitung. Die zugrunde liegende Idee wird schon seit vielen Jahrzehnten in militärischen Radaranwendungen praktiziert: Statt einer setzt man mehrere, in der Regel baugleiche Antennen ein, die mindestens eine halbe Wellenlänge (λ/2) der Trägerschwingung Abstand haben. Die Distanz darf auch ein Mehrfaches der halben Wellenlänge betragen (siehe Kästchen Höhere Frequenz, kürzere Wellen).

Damit erhält der Empfänger eine zusätzliche, räumliche Information über die einfallenden Wellenfronten, die er zur Leistungssteigerung nutzen kann. Unterscheidet sich der räumliche "Fingerabdruck" (Spatial Signature) zweier Wellenfronten deutlich, kann der Mehrantennen-Empfänger sie allein damit schon trennen. Bisher setzte das die Zuweisung von unterschiedlichen Trägerfrequenzen, Zeitschlitzen (bei GSM-Mobilfunk) oder Codes (bei UMTS) an die verschiedenen Nutzer voraus. Intelligente Antennen stellen eine zusätzliche Möglichkeit zur Teilnehmertrennung dar und steigern somit die Kapazität eines Funksystems. Dabei ist die Art des Funksystems irrelevant. Man kann intelligente Antennen gleichermaßen für drahtlose lokale Funknetze (WLAN) wie für zellulare Mobilfunksysteme (GSM, UMTS) einsetzen. Neben der möglichen Teilnehmertrennung weisen Mehrantennensysteme weitere Vorteile auf:

• größere Empfangsleistung (Gruppengewinn)
• zusätzliche Störerunterdrückung (Interferenzunterdrückungsgewinn)
• bessere Verbindungsqualität (Diversitätsgewinn)
• höhere Datenraten (Multiplexgewinn)

Wie der Gruppengewinn zu Stande kommt, leuchtet unmittelbar ein: Mehrere Wellenfänger bilden eine SIMO-Antennengruppe, die aus der Funkwellenfront schlicht mehr Leistung herausfischt. Die Bezeichnung SIMO (Single Input, Multiple Output) ist dabei auf die Sicht des Funkkanals bezogen: Ein Sender speist sein Signal in den Kanal, mehrere Empfänger holen Teile heraus. Jedes Verdoppeln der Antennenanzahl führt zu einem Gruppengewinn von maximal 3 dB (Leistungsfaktor 2). So bringen beispielsweise vier statt einer Antenne bis zu 6 dB Gewinn. Dazu müssen die Antennenausgangssignale jedoch passend, eben "intelligent", miteinander verknüpft werden, was üblicherweise etwas Elektronik erledigt. Sie führt die Signalverarbeitung als lineare Überlagerung mittels Addierern, Multiplizierern und Verzögerern durch (Spatial Combining).

Die Verzögerungsstufe – im Bild das T-Element – spielt eine besondere Rolle: Die nötige Zeit hängt vom Einfallswinkel der Wellenfront ab, einem von mehreren Charakteristika des Übertragungskanals. Ein Empfänger kann die Zeit beim Beginn einer Übertragung ermitteln, wenn der Sender ihr eine stets gleiche Trainingsfolge voranstellt. Bei WLAN-Datenpaketen wäre das die Präambel. Bewegt sich der Sender, dann ändert sich der Einfallswinkel und der Empfänger muss die Rechenparameter ständig nachführen. Solch ein System heißt deshalb auch adaptive Antennengruppe (Adaptive Antenna Array).

Zwar arbeitet ein solches Array nur in einem prozentual auf die Trägerschwingung bezogen recht schmalen Frequenzband, aber man kann das zugrunde liegende Prinzip auch für ultrabreitbandige Signale (UWB) anwenden. Durch die Frequenzabhängigkeit des Richtdiagramms mitteln sich unerwünschte Effekte bei UWB heraus. So verschwinden unter anderem störende Mehrdeutigkeiten im Antennenrichtdiagramm.

Wat den een sin Uhl

Wat den een sin Uhl, ...

Die Wellenüberlagerung kann man dank der Antennen-Reziprozität – Antennen zeigen beim Senden das gleiche Verhalten wie beim Empfangen – nicht nur empfangsseitig, sondern auch beim Senden zur Strahlformung (Beamforming) nutzen: Die Antenne strahlt die eingespeiste Sendeleistung dann in Richtung des gewünschten Teilnehmers.

Solche senderseitige Strahlformung findet man bei MISO-Systemen (Multiple Input, Single Output). Sie erfordert Kenntnis zumindest über die Winkelrichtung des Nutzers, in allgemeinerer Form Kenntnisse des Übertragungskanal (Channel State Information, CSI). Das kann eine Station jedoch nur herausbekommen, indem sie vorherige Aussendungen ihrer Gegenstellen auswertet. Bei WLAN-Funknetzen steckt in Bestätigungspaketen (Acknowledge) die RSSI (Received Signal Strength Indication). Da beispielsweise bei WLANs jedes Datenpaket bestätigt wird, weiß der Absender nach einem positiven Acknowledge, wie stark seine Gegenstelle ihn empfangen hat.

Beim MISO/MIMO-Betrieb muss man die erlaubte Sendeleistung unter den Antennen aufteilen, um die einschlägigen Frequenzregulierungsvorschriften einzuhalten. Denn auch MIMO-Geräte müssen die maximal zulässige äquivalente isotrope Sendeleistung respektieren (EIRP). Das dürften um Elektrosmog Besorgte begrüßen, die angesichts eines Antennenwaldes auf der WLAN-Basisstation stärkere Belastung argwöhnen.

... is den annern sin Nachtigall

... is den annern sin Nachtigall

Neben dem Gruppengewinn bringen intelligente Antennen einen weiteren Vorteil: SIMO-Systeme können ausgewählte Einfallsrichtungen auslöschen, also einfallende Signale anderer Nutzer – Interferenzen – ausblenden. Umgekehrt reduziert Strahlformung in den oben beschriebenen MISO-Anlagen Beeinträchtigungen anderer Teilnehmer. Der Interferenzunterdrückungsgewinn ergibt sich in beiden Fällen ausschließlich durch die unterschiedlichen räumlichen Positionen der Nutzer.

Das Prinzip hat jedoch Grenzen: Stehen die Nutzer zu nahe beieinander, so gelingt keine räumliche Trennung. Nahe beieinander heißt hier in der Größenordnung der Hauptkeulenbreite. Diese ergibt sich grob, indem man die Wellenlänge durch die gesamte Breite der Antennengruppe teilt. Für ein Vier-Antennen-MISO-System mit 120-Grad-Sektorantennen, wie sie beispielsweise im GSM-Mobilfunk gebräuchlich sind, ist die Hauptkeule etwa 30 Grad breit, wenn die Antennen eine halbe Wellenlänge Abstand zueinander haben. Zwei Nutzer in 1000 Meter Entfernung zur Basisstation müssen dann für vollständige Interferenzunterdrückung etwa 350 Meter voneinander entfernt sein. Stehen die Nutzer näher beieinander, muss man auf alternative Techniken wie verschiedene Trägerfrequenzen, Zeitschlitze oder Codes zurückgreifen.

Der Abstand zwischen den Antennen beeinflusst den Interferenzunterdrückungsgewinn ebenso wie den Gruppengewinn. Um auch bei einem kleinen Nutzerabstand noch genügend Gewinn zu erzielen, will man den Abstand auf den ersten Blick so groß wie möglich wählen. Überschreitet der Abstand jedoch die halbe Wellenlänge, so entstehen unerwünschte Mehrdeutigkeiten in der Richtcharakteristik. Beispielsweise kann ein Empfänger bei einem Antennenabstand von einer Wellenlänge nicht zwischen von +90 Grad, 0 Grad und -90 Grad einfallenden Wellenfronten unterscheiden. Dann kann es passieren, dass Interferenzen nicht mehr unterdrückt werden, sondern sich sogar addieren. Liegt überwiegend eine Sichtverbindung zwischen den Stationen vor, entspricht der optimale Antennenabstand einer halben Wellenlänge, damit Strahlformung die Reichweite erhöhen und Störer unterdrücken kann.

Ein Störer kann dabei auch Nachbars WLAN sein, das auf dem gleichen Kanal wie das eigene arbeitet. Andere Beispiele für unerwünschte Frequenznachbarn sind etwa analoge Videoübertragungsstrecken, Mikrowellenherde oder Bluetooth-Basisstationen.

Ohne Sicht, mit Echo

Ohne Sicht, mit Echo

Beim zellularen Mobilfunk in Innenstädten oder WLAN-Funknetzen innerhalb von Gebäuden kann man aufgrund von Abschattungen und Reflexionen an Wänden kaum von einer ständigen Sichtverbindung ausgehen. Durch die Reflexionen entsteht ausgeprägte Mehrwegeausbreitung (Multipath Propagation): Das Sendesignal trifft auf mehreren Wegen mit unterschiedlichen Laufzeiten beim Empfänger ein. Letzterer hat dann das Problem, das an seiner Antenne entstehende Signalgemisch auseinander zu dröseln.

Mehrwegeausbreitung ist auch Ursache für destruktive Auslöschung sinusförmiger Trägersignale. Was kompliziert klingt, hat jeder Radio hörende Auto- oder Fahrradfahrer schon als Funkloch erlebt: Wird der Empfang beim Anhalten vor einer roten Ampel schlagartig schlechter, verbessert geringes Vor- oder Zurücksetzen den Musikgenuss merklich. Dabei kann die nötige Strecke so kurz wie eine halbe Wellenlänge sein: bei UKW-Rundfunk etwa anderthalb Meter, bei WLAN rund sechs Zentimeter.

Solche Funklöcher, deren Lage sich aufgrund der zeitlich veränderlichen Umgebung ständig ändert, bedeuten erhebliche Schwankungen der Signalstärke (Fading). Beim WLAN im Büro kann Veränderung der Umgebung schon bedeuten, dass ein Kollege die Strecke zwischen den Stationen durchquert oder eine metallene Schranktür geöffnet wird. WLAN-Access-Points und Laptops kontern den Effekt mit zwei Empfangsantennen: Befindet sich die eine in einem Funkloch, dann empfängt die andere bei einem hinreichend großen Antennenabstand wahrscheinlich deutlich besser. Der Abstand liegt typischerweise in der Größenordnung einer oder mehrerer Wellenlängen. Die WLAN-Station kann dann während der Paket-Präambel die aktuell bessere Antenne auswählen.

Ein effizienterer Ansatz liegt jedoch in der Maximierung des Empfangssignals durch Gewichtung und Addition der einzelnen Antennensignale (Diversitätsgewinn). Für WLANs ist ein Diversitätsgewinn von mehreren dB schon bei nur zwei Antennen realistisch. Selbst ein geringer Antennenabstand von nur einer Viertelwellenlänge kann durch zahlreiche Reflexionen in der unmittelbaren Umgebung eines Mobilgerätes (Handy, Laptop) noch einen merklichen Gewinn bringen.

Geometrien

Der praktische Unterschied beim Nutzen von Strahlformung und Diversität liegt in der Anordnung: Haben die Antennen einen Abstand einer halben Wellenlänge oder ganzzahligen Vielfachen (k[λ]/2), dann eignet sich die Gruppe für Strahlformung, bei größeren Abständen dagegen für Diversität. Eine lineare nichtäquidistante Konstellation aus zwei Teilgruppen kombiniert Strahlformungsgewinn (wegen des λ/2-Abstandes) und Diversitätsgewinn (wegen des k[λ]-Abstandes). Sie eignet sich deshalb sowohl für Situationen mit überwiegender Sichtverbindung als auch für eine reiche Streuumgebung innerhalb von Gebäuden.

Analog zur SIMO-Empfangsdiversität gibt es MISO-Sendediversitätsverfahren, die sogar ohne Kanalkenntnisse – dann jedoch bei reduzierter Datenrate – auskommen. Besitzt eine Basisstation mehrere Antennen, kann man nicht nur die Übertragungsqualität vom Mobilgerät zur Basisstation (SIMO), sondern umgekehrt (MISO) auch verbessern. Beide Verfahren sind daher in UMTS- und kommenden WLAN-Standards (802.11n) berücksichtigt.

Eins drauf

Eins drauf

Die Kombination von SIMO und MISO zu MIMO mit Antennengruppen auf beiden Seiten ermöglicht nicht nur einen noch höheren Diversitätsgewinn, sondern obendrein eine erhöhte Datenrate (Multiplexgewinn). Räumliches Multiplex (Spatial Multiplexing) verteilt den Datenstrom gleichmäßig auf N Sendeantennen, sodass jede nur die 1/N-fache Datenrate abstrahlen muss. Unterscheiden sich die räumlichen Fingerabdrücke der N Signale empfängerseitig deutlich genug, dann kann die Datenrate mit einem MIMO-System im Vergleich zu einem SISO-System ver-N-facht werden.

Allerdings hängt der tatsächliche Multiplexgewinn in der Praxis von der Verschiedenheit der räumlichen Fingerabdrücke ab. Liegt beispielsweise eine Sichtverbindung auf freiem Feld vor, so werden sich die räumlichen Fingerabdrücke nur geringfügig unterscheiden, und der Multiplexgewinn ist gering. In einer ausgeprägten Streuumgebung – typisch innerhalb von Gebäuden – kommt man dem theoretischen Maximum deutlich näher. Im statistischen Mittel liegt der Multiplexgewinn bei etwa 0,7 N.

Bezogen auf WLAN bedeutet das: Überträgt ein aktuelles WLAN-SISO-System nach IEEE 802.11g bei guter Verbindung auf Anwendungsebene 3 MByte/s, dann müsste eine sonst identische MIMO-Variante mit zwei Sender-/Empfängerzügen 4,2 MByte/s schaffen. So war es auch: Ein herkömmliches System schaffte im Test über kurze Distanz innerhalb eines Raumes gut 3 MByte/s, das mit zwei Multiplexkanälen arbeitende MIMO-Pendant kam auf rund 4 MByte/s. Eine Verdreifachung der Antennenzahl sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite wird in guter Näherung zu einer Verdoppelung der Datenrate führen.

Wie bei Strahlformung und Diversität braucht auch ein MIMO-System Informationen über die Kanalqualität, um dann zu entscheiden, ob es räumlichen Multiplex einsetzt oder Diversität nutzt. Für diese Entscheidung kann eine Station wiederum die Paket-Präambel respektive den RSSI auswerten. Zwischen dem Multiplexgewinn und dem Diversitätsgewinn besteht ein Zusammenhang: Liegt kein Multiplexgewinn vor, so ist der Diversitätsgewinn maximal und umgekehrt. Die obigen fehlenden 0,3 N sind daher keineswegs verschenkt, sondern können den Diversitätsgewinn steigern, wenn die Hardware darauf eingerichtet ist.

Das bedeutet allerdings auch, dass man die vier Gewinntypen nie gleichzeitig maximieren kann: je nach Kanalzustand entweder die Datenrate (in einer reichen Streuumgebung), die Verbindungsqualität (bei starkem Fading) oder die Reichweite (bei überwiegender Sichtverbindung). Die Suche nach dem besten Kompromiss zwischen den vier Gewinntypen, verbunden mit einer Kanalzustandsrückmeldung zwischen Stationen, unter Berücksichtigung der verschiedenen Mobilfunkstandards ist ein derzeit weltweit heißes Forschungsfeld. Allein in Europa setzen sich derzeit mehr als 100 Einrichtungen (Universitäten, Institute, Industrie) mit MIMO in Theorie und Praxis auseinander, so auch die Forschungsgruppe SmART der Uni Duisburg-Essen.

Fazit und Literatur

Fazit

Smarte Antennensysteme wird man daheim zunächst bei MIMO-beschleunigten WLAN-Geräten finden, die von der Mehrwegeausbreitung im Gebäudeinneren profitieren können. Beamforming erscheint für die Anwendung innerhalb von Büros oder Wohnungen weniger sinnvoll, wird aber in Zukunft zum Beispiel in Wimax-Basisstationen zur Anwendung kommen, um die Verbindungsqualität oder Reichweite zu steigern. In UMTS-Basisstationen und Handgeräten dürfte MIMO ab 2008 in Prototypen erscheinen. (rek)

Literatur

1. Edholm's law of bandwidth, IEEE Spectrum, July 2004
2. Arogyaswami Paulraj, Rohit Nabar and Dhananjay Gore, Introduction to Space-Time Wireless Communications, Cambridge University Press 2003
3. Andreas Molisch, Martin Steinbauer, Martin Toeltscht, Ernst Bonek, Reiner S. Thomä, Capacity of MIMO Systems Based on Measured Wireless Channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 20, No. 3, April 2002
4. Thomas Kaiser, Andreas Wilzeck, Martin Berentsen and Markus Rupp, Prototyping for MIMO-Systems: An Overview, EUSIPCO 2004, September 7-10, Vienna, Austria
5. IEEE Signal Processing Magazine, Forum on Smart Antennas: When will Smart Antennas be ready for the market?, Part I – Opinions, Guest Editor: Thomas Kaiser, Panelists: Andre Bourdoux, Seungwon Choi, Andy Fuertes, Qinghua Li et al., March 2005
6. Prof. Dr. U. Gysel, Vorlesungsbeilage Antennen, Zürcher Hochschule Winterthur
7. Oliver Bartels, Wellenfänger, So funktionieren Antennen, c't 9/03, S. 176