Aufgabe 4.2Z: MIMO–Anwendungen bei LTE
Eine der vielen Neuerungen von LTE ist die Verwendung von Mehrantennenkonzepten. Bei der unter dem Namen Multiple Input Multiple Output $\rm (MIMO)$ bekannten Technologie handelt es sich allerdings nicht um eine LTE–spezifische Entwicklung. Beispielweise nutzt auch WLAN diese Methode.
Das prinzipielle Konzept von MIMO wird in der Grafik im Theorieteil (Beispiel 2) verdeutlicht. Sowohl der Sender als auch der Empfänger sind hier mit mehreren Antennen ausgestattet. Damit lassen sich gleichzeitig auch mehrere Datenströme übertragen. LTE unterstützt neben Single Input Single Output $\rm (SISO)$ auch 2x2–MIMO im Uplink und bis zu 4x4–MIMO im Downlink.
Vorteile der MIMO–Technik sind:
- ein Diversitätsgewinn und ein Datenratengewinn bei mehreren Verbindungen,
- ein höheres Signal–to–Noise Ratio (SNR) und ein höheres Peak–SNR bei gleicher Sendeleistung,
- eine geringere erforderliche Sendeleistung bei gleichen Qualitätsanforderungen, und
- mehr Redundanz bei der Systemrealisierung und damit ein robusteres System.
Meist können nicht alle Vorteile gleichzeitig ausgenutzt werden. Abhängig von der Kanalbeschaffenheit kann es auch passieren, dass man nicht einmal die Wahl hat, welchen dieser Vorteile man nutzen will.
Unter dem Namen „MIMO” werden vier verschiedene Mehrantennenverfahren mit verschiedenen Eigenschaften zusammengefasst, die in gewissen Situationen nützlich sein können:
- Werden die weitgehend unabhängigen Kanäle eines MIMO-Systems von einem einzigen Nutzer belegt, so spricht man von Single–User MIMO. Dadurch erhöht sich für diesen Teilnehmer die Datenrate bei 2x2–MIMO fast um den Faktor $2$ und bei 4x4–MIMO knapp um den Faktor $4$.
- Bei Multi–User MIMO überträgt man verschiedene Datenströme zu unterschiedlichen Nutzern. Dies ist besonders an Orten mit einer hohen Nachfrage nützlich, wie zum Beispiel an Flughäfen oder auch in Fußballstadien. Im Mittelpunkt steht also nicht die maximale Datenrate für einen Empfänger, sondern die Anzahl der Endgeräte, die gleichzeitig das Netz nutzen können.
- Von Beamforming spricht man dann, wenn im Falle von schlechten Übertragungsbedingungen die Sendeleistung mehrerer Antennen gebündelt und so gezielt Daten zu einem (besonders wichtigen) Teilnehmer übertragen werden, um dessen Empfangsqualität zu verbessern.
- Mit Hilfe von Antennendiversität erhöht man die Redundanz und gestaltet so die Übertragung robuster gegenüber Störungen. Gibt es zum Beispiel vier Kanäle, so übertragen diese bei dieser Anwendung alle die gleiche Nachricht. Fällt irgendwann ein Kanal aus, so sind immer noch drei Kanäle vorhanden, die die Nachricht transportieren können.
Hinweise:
Die Aufgabe gehört zum Kapitel Technische Neuerungen von LTE.
- In der nebenstehenden Grafik sind die oben aufgeführten MIMO–Anwendungen durch stark vereinfachende Schaubilder verdeutlicht.
- In der Teilaufgabe (1) sollen Sie die einzelnen Anwendungen den Skizzen zuordnen.
Fragebogen
Musterlösung
- Skizze $\rm A$: Multi–User MIMO,
- Skizze $\rm B$: Antennendiversität,
- Skizze $\rm C$: Single–User MIMO,
- Skizze $\rm D$: Beamforming.
(2) Richtig sind die Antworten 2, 3 und 5. Diversität kann immer dann ausgenutzt werden, wenn die Übertragungsbedingungen nutzbare Unterschiede aufweisen:
- an unterschiedlichen Orten ⇒ Raumdiversität,
- zu unterschiedlichen Zeiten ⇒ Zeitdiversität,
- für unterschiedliche Frequenzen ⇒ Frequenzdiversität
Die beiden anderen hier verwendeten Begriffe sind frei erfunden.
(3) Richtig sind die Antworten 1, 4 und 5:
- Wie im Theorieteil ausführlich beschrieben, erzielt man durch MIMO–Technik einen Diversitätsgewinn.
- Aus diesem ergeben sich dann indirekt auch ein besseres SNR sowie verbesserte Übertragungsqualität durch robustere Systeme.
- Interferenzen, egal ob zwischen Zellen oder Symbolen, können durch MIMO dagegen nicht vermindert werden.
(4) Richtig sind die Antworten 1, 2 und 6:
- Durch Single–User MIMO werden höhere Datenraten für den einzelnen Nutzer erreicht.
- Durch Multi–User MIMO können mehr gleichzeitige Nutzer versorgt werden.
- Beamforming erhöht die Reichweite der Basisstationen.
Der Energieverbrauch wird durch MIMO–Technologie in keinem Fall niedriger, er steigt sogar an den Basisstationen wie auch am Endgerät an:
- Je mehr Antennen versorgt werden müssen, um so höher ist der Stromverbrauch.
- Aus diesem Grund gibt es momentan für Mobiltelefone noch das Limit von maximal zwei Antennen – die Batterielaufzeit wäre sonst zu kurz.
- An den Basisstationen fällt der höhere Stromverbrauch natürlich weniger ins Gewicht als bei der Vielzahl von Endgeräten.
- Es kann durchaus sein, dasss es durch MIMO und entsprechendes Controlling auch zu Verbesserungen hinsichtlich der Vorschläge 3, 4 und 5 kommt. Diese Verbesserungen sind dann allerdings indirekt.
