Wenn die Rechenleistung an die physikalischen Grenzen der Taktfrequenz stößt, greifen wir auf Multi-Core-Architekturen zurück. Wenn die Kommunikation an die physikalischen Grenzen der Übertragungsgeschwindigkeit stößt, greifen wir auf Mehrantennensysteme zurück. Welche Vorteile haben Wissenschaftler und Ingenieure dazu bewogen, sich für Mehrfachantennen als Basis für 5G und andere drahtlose Kommunikationssysteme zu entscheiden? Während räumliche Diversität die ursprüngliche Motivation für den Einbau von Antennen an Basisstationen war, entdeckte man Mitte der 1990er Jahre, dass die Installation mehrerer Antennen auf der Sende- und/oder Empfangsseite weitere Möglichkeiten eröffnete, die mit Einzelantennensystemen nicht vorhersehbar waren. Wir beschreiben nun drei wichtige Techniken in diesem Zusammenhang.
**Strahlformung**
Beamforming ist die primäre Technologie, auf der die physikalische Schicht von 5G-Mobilfunknetzen basiert. Es gibt zwei verschiedene Arten von Beamforming:
Klassisches Beamforming, auch bekannt als Line-of-Sight (LoS) oder physikalisches Beamforming
Generalisiertes Beamforming, auch bekannt als Non-Line-of-Sight (NLoS) oder virtuelles Beamforming
Die Idee hinter beiden Arten des Beamformings besteht darin, mehrere Antennen zu verwenden, um die Signalstärke für einen bestimmten Benutzer zu erhöhen und gleichzeitig Signale von Störquellen zu unterdrücken. Analog dazu verändern digitale Filter den Signalinhalt im Frequenzbereich durch Spektralfilterung. Ähnlich verändert Beamforming den Signalinhalt im Raumbereich. Daher wird es auch als räumliche Filterung bezeichnet.
Physikalisches Beamforming hat eine lange Tradition in Signalverarbeitungsalgorithmen für Sonar- und Radarsysteme. Es erzeugt tatsächliche Strahlen im Raum zum Senden oder Empfangen und ist daher eng mit dem Einfallswinkel (AoA) oder Abgangswinkel (AoD) des Signals verknüpft. Ähnlich wie OFDM parallele Ströme im Frequenzbereich erzeugt, erzeugt klassisches oder physikalisches Beamforming parallele Strahlen im Winkelbereich.
Generalisiertes oder virtuelles Beamforming hingegen bedeutet in seiner einfachsten Form, dass von jeder Sende- (oder Empfangs-)Antenne die gleichen Signale mit entsprechender Phasenlage und Verstärkungsgewichtung gesendet (oder empfangen) werden, sodass die Signalleistung für einen bestimmten Benutzer maximiert wird. Anders als bei der physischen Strahlausrichtung erfolgt das Senden oder Empfangen in alle Richtungen. Der Schlüssel liegt jedoch darin, auf der Empfangsseite mehrere Kopien des Signals hinzuzufügen, um Mehrwege-Fading-Effekte zu minimieren.
**Räumliches Multiplexing**
Im Spatial-Multiplex-Modus wird der Eingangsdatenstrom räumlich in mehrere parallele Ströme aufgeteilt, die dann über verschiedene Sendeketten übertragen werden. Solange die Kanalpfade die Empfangsantennen aus ausreichend unterschiedlichen Winkeln erreichen und nahezu keine Korrelation besteht, können digitale Signalverarbeitungstechniken (DSP) ein drahtloses Medium in unabhängige parallele Kanäle umwandeln. Dieser MIMO-Modus hat maßgeblich zu den deutlichen Steigerungen der Datenrate moderner drahtloser Systeme beigetragen, da unabhängige Informationen gleichzeitig von mehreren Antennen über dieselbe Bandbreite übertragen werden. Erkennungsalgorithmen wie Zero Forcing (ZF) trennen die Modulationssymbole von Störungen anderer Antennen.
Wie in der Abbildung gezeigt, werden bei WiFi MU-MIMO mehrere Datenströme gleichzeitig von mehreren Sendeantennen an mehrere Benutzer übertragen.
**Raum-Zeit-Kodierung**
In diesem Modus werden im Vergleich zu Einzelantennensystemen spezielle Codierungsschemata über Zeit und Antennen hinweg eingesetzt, um die Empfangssignaldiversität ohne Datenratenverlust am Empfänger zu verbessern. Raum-Zeit-Codes verbessern die räumliche Diversität, ohne dass eine Kanalschätzung am Sender mit mehreren Antennen erforderlich ist.
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Veröffentlichungszeit: 29. Februar 2024