Wenn Rechenprozesse an die physikalischen Grenzen der Taktfrequenz stoßen, setzen wir auf Mehrkernarchitekturen. Wenn Kommunikationsprozesse an die physikalischen Grenzen der Übertragungsgeschwindigkeit stoßen, verwenden wir Mehrantennensysteme. Welche Vorteile haben Wissenschaftler und Ingenieure dazu bewogen, mehrere Antennen als Grundlage für 5G und andere drahtlose Kommunikationssysteme zu wählen? Während die räumliche Diversität der ursprüngliche Grund für die Installation von Antennen an Basisstationen war, wurde Mitte der 1990er-Jahre entdeckt, dass die Installation mehrerer Antennen auf der Sende- und/oder Empfangsseite weitere Möglichkeiten eröffnete, die mit Einzelantennensystemen undenkbar waren. Im Folgenden werden drei wichtige Techniken in diesem Zusammenhang beschrieben.
**Beamforming**
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 beider Beamforming-Verfahren besteht darin, mithilfe mehrerer Antennen die Signalstärke für einen bestimmten Nutzer zu erhöhen und gleichzeitig Störsignale zu unterdrücken. Analog dazu verändern digitale Filter den Signalinhalt im Frequenzbereich (Spektralfilterung). Beamforming verändert den Signalinhalt im Ortsbereich und wird daher auch als räumliche Filterung bezeichnet.
Physikalisches Beamforming hat eine lange Tradition in Signalverarbeitungsalgorithmen für Sonar- und Radarsysteme. Es erzeugt im Raum gebündelte Strahlen zur Übertragung oder zum Empfang und ist daher eng mit dem Einfallswinkel (AoA) bzw. dem Abgangswinkel (AoD) des Signals verknüpft. Ähnlich wie OFDM parallele Datenströme im Frequenzbereich erzeugt, erzeugt das klassische oder physikalische Beamforming parallele Strahlen im Winkelbereich.
Andererseits bedeutet verallgemeinertes oder virtuelles Beamforming in seiner einfachsten Form, dass dieselben Signale von jeder Sende- (oder Empfangs-)Antenne mit geeigneter Phasenlage und Verstärkungsgewichtung gesendet (oder empfangen) werden, sodass die Signalleistung für einen bestimmten Nutzer maximiert wird. Anders als bei der physikalischen Ausrichtung eines Strahls in eine bestimmte Richtung erfolgt die Übertragung oder der Empfang in alle Richtungen. Entscheidend ist jedoch, dass auf der Empfangsseite mehrere Kopien des Signals hinzugefügt werden, um Mehrwegeausbreitung zu minimieren.
**Räumliches Multiplexing**
Im räumlichen Multiplexing-Modus wird der Eingangsdatenstrom räumlich in mehrere parallele Ströme aufgeteilt, die jeweils über unterschiedliche Sendeketten übertragen werden. Solange die Kanalpfade an den Empfangsantennen aus ausreichend unterschiedlichen Winkeln eintreffen und nahezu keine Korrelation aufweisen, können digitale Signalverarbeitungsverfahren (DSP) ein drahtloses Medium in unabhängige parallele Kanäle umwandeln. Dieser MIMO-Modus hat maßgeblich zur Steigerung der Datenrate moderner drahtloser Systeme um Größenordnungen beigetragen, da unabhängige Informationen gleichzeitig von mehreren Antennen über dieselbe Bandbreite übertragen werden. Detektionsalgorithmen wie Zero Forcing (ZF) trennen die Modulationssymbole von Störungen durch andere Antennen.
Wie in der Abbildung dargestellt, werden bei WiFi MU-MIMO mehrere Datenströme gleichzeitig von mehreren Sendeantennen an mehrere Benutzer übertragen.
**Raum-Zeit-Codierung**
In diesem Modus werden im Vergleich zu Systemen mit nur einer Antenne spezielle Codierungsverfahren über die Zeit und die Antennen hinweg eingesetzt, um die Empfangssignaldiversität ohne Datenverlust am Empfänger zu verbessern. Raum-Zeit-Codes erhöhen die räumliche Diversität, ohne dass bei Sendern mit mehreren Antennen eine Kanalschätzung erforderlich ist.
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Veröffentlichungsdatum: 29. Februar 2024