Wenn die Berechnung die physikalischen Grenzen der Taktgeschwindigkeit erreicht, greifen wir auf Multicore-Architekturen zurück. Wenn die Kommunikation an die physikalischen Grenzen der Übertragungsgeschwindigkeit stößt, greifen wir auf Mehrantennensysteme zurück. Welche Vorteile haben Wissenschaftler und Ingenieure dazu veranlasst, mehrere Antennen als Grundlage für 5G und andere drahtlose Kommunikation zu wählen? Während die räumliche Diversität die ursprüngliche Motivation für das Hinzufügen von Antennen an Basisstationen war, wurde Mitte der 1990er Jahre entdeckt, dass die Installation mehrerer Antennen auf der Tx- und/oder Rx-Seite andere Möglichkeiten eröffnete, die bei Einzelantennensystemen unvorhersehbar waren. Lassen Sie uns nun drei Haupttechniken in diesem Zusammenhang beschreiben.
**Beamforming**
Beamforming ist die Haupttechnologie, 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 der Strahlformung besteht darin, mehrere Antennen zu verwenden, um die Signalstärke für einen bestimmten Benutzer zu erhöhen und gleichzeitig Signale von Störquellen zu unterdrücken. Als Analogie verändern digitale Filter den Signalinhalt im Frequenzbereich in einem Prozess, der Spektralfilterung genannt wird. Auf ähnliche Weise verändert Beamforming den Signalinhalt im räumlichen Bereich. Aus diesem Grund wird es auch als räumliche Filterung bezeichnet.
Die physikalische Strahlformung hat eine lange Geschichte bei Signalverarbeitungsalgorithmen für Sonar- und Radarsysteme. Es erzeugt tatsächliche Strahlen im Raum zum Senden oder Empfangen und steht daher in engem Zusammenhang mit dem Ankunftswinkel (AoA) oder Abgangswinkel (AoD) des Signals. Ähnlich wie OFDM parallele Strahlen im Frequenzbereich erzeugt, erzeugt klassisches oder physikalisches Beamforming parallele Strahlen im Winkelbereich.
Andererseits bedeutet verallgemeinertes oder virtuelles Beamforming in seiner einfachsten Form das Senden (oder Empfangen) derselben Signale von jeder Tx- (oder Rx-)Antenne mit geeigneten Phasen- und Verstärkungsgewichtungen, sodass die Signalleistung für einen bestimmten Benutzer maximiert wird. Im Gegensatz zum physischen Lenken eines Strahls in eine bestimmte Richtung erfolgt die Übertragung oder der Empfang in alle Richtungen. Der Schlüssel liegt jedoch im konstruktiven Hinzufügen mehrerer Kopien des Signals auf der Empfangsseite, um Mehrwege-Fading-Effekte abzuschwächen.
**Räumliches Multiplexing**
Im räumlichen Multiplexmodus wird der Eingabedatenstrom im räumlichen Bereich in mehrere parallele Ströme aufgeteilt, wobei jeder Strom dann über verschiedene Tx-Ketten übertragen wird. Solange die Kanalpfade aus ausreichend unterschiedlichen Winkeln nahezu ohne Korrelation an den Rx-Antennen ankommen, können Techniken der digitalen Signalverarbeitung (DSP) ein drahtloses Medium in unabhängige parallele Kanäle umwandeln. Dieser MIMO-Modus war der Hauptfaktor für die Steigerung der Datenrate moderner drahtloser Systeme um Größenordnungen, 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 dargestellt, 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 Antenne hinweg eingesetzt, um die Empfangssignalvielfalt ohne Datenratenverlust beim 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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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. Februar 2024