MIMO – Mehrantennentechnologien in LTE. MIMO-Antenne – was ist das und welche Vorteile bietet sie? Was bedeutet WLAN?

27.08.2015

Sicherlich haben viele bereits von der Technologie gehört MIMO In den letzten Jahren war es vor allem in Computergeschäften und Zeitschriften oft voller Werbebroschüren und Plakate. Doch was ist MIMO (MIMO) und womit wird es gegessen? Lass uns genauer hinschauen.

MIMO-Technologie

MIMO (Multiple Input Multiple Output; mehrere Eingänge, mehrere Ausgänge) ist eine Methode der räumlichen Signalkodierung, mit der Sie die Kanalbandbreite erhöhen können, bei der zwei oder mehr Antennen für die Datenübertragung und die gleiche Anzahl von Antennen für den Empfang verwendet werden. Die Sende- und Empfangsantennen sind so weit voneinander entfernt, dass eine minimale gegenseitige Beeinflussung zwischen benachbarten Antennen erreicht wird. Die MIMO-Technologie wird in der drahtlosen Wi-Fi-, WiMAX- und LTE-Kommunikation eingesetzt, um die Kapazität zu erhöhen und die Frequenzbandbreite effizienter zu nutzen. Tatsächlich ermöglicht MIMO die Übertragung von mehr Daten in einem Frequenzbereich und einem bestimmten Frequenzkorridor, d. h. eine Geschwindigkeit erhöhen. Dies wird durch den Einsatz mehrerer Sende- und Empfangsantennen erreicht.

Geschichte von MIMO

Die MIMO-Technologie kann als relativ neue Entwicklung angesehen werden. Seine Geschichte beginnt im Jahr 1984, als das erste Patent für den Einsatz dieser Technologie angemeldet wurde. Die ersten Entwicklungs- und Forschungsarbeiten fanden im Unternehmen statt Bell Laboratories und 1996 das Unternehmen Airgo-Netzwerke Der erste MIMO-Chipsatz wurde mit dem Namen veröffentlicht Echtes MIMO. Die MIMO-Technologie erlebte ihre größte Entwicklung zu Beginn des 21. Jahrhunderts, als sich Wi-Fi-Funknetze und 3G-Mobilfunknetze rasant zu entwickeln begannen. Und jetzt wird die MIMO-Technologie häufig in 4G LTE- und Wi-Fi 802.11b/g/ac-Netzwerken eingesetzt.

Was bietet die MIMO-Technologie?

Für den Endbenutzer bietet MIMO eine deutliche Steigerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit. Abhängig von der Konfiguration der Ausrüstung und der Anzahl der verwendeten Antennen können Sie die Geschwindigkeit um das Zweifache, Dreifache oder bis zum Achtfache steigern. Normalerweise verwenden drahtlose Netzwerke die gleiche Anzahl von Sende- und Empfangsantennen, und dies wird beispielsweise als 2x2 oder 3x3 angegeben. Diese. Wenn wir eine MIMO 2x2-Aufzeichnung sehen, bedeutet das, dass zwei Antennen das Signal senden und zwei empfangen. Zum Beispiel im Wi-Fi-Standard Ein 20 MHz breiter Kanal ergibt einen Durchsatz von 866 Mbit/s, während eine 8x8-MIMO-Konfiguration 8 Kanäle kombiniert, was eine maximale Geschwindigkeit von etwa 7 Gbit/s ergibt. Gleiches gilt für LTE MIMO – eine potenzielle Geschwindigkeitssteigerung um ein Vielfaches. Um MIMO in LTE-Netzen vollständig nutzen zu können, benötigen Sie , Weil Eingebaute Antennen haben in der Regel keinen ausreichenden Abstand und erzielen nur eine geringe Wirkung. Und natürlich muss MIMO-Unterstützung von der Basisstation vorhanden sein.

Eine LTE-Antenne mit MIMO-Unterstützung sendet und empfängt Signale in horizontaler und vertikaler Ebene. Dies nennt man Polarisation. Eine Besonderheit von MIMO-Antennen ist das Vorhandensein von zwei Antennenanschlüssen und dementsprechend die Verwendung von zwei Drähten zur Verbindung mit dem Modem/Router.

Obwohl viele nicht ohne Grund sagen, dass eine MIMO-Antenne für 4G-LTE-Netzwerke tatsächlich zwei Antennen in einer sind, sollten Sie nicht glauben, dass die Verwendung einer solchen Antenne die Geschwindigkeit verdoppelt. Dies kann nur theoretisch der Fall sein, aber in der Praxis beträgt der Unterschied zwischen einer herkömmlichen und einer MIMO-Antenne in einem 4G-LTE-Netzwerk nicht mehr als 20-25 %. Wichtiger ist in diesem Fall jedoch das stabile Signal, das eine MIMO-Antenne liefern kann.

Um das Funktionsprinzip einer MIMO-Antenne besser zu verstehen, stellen wir uns folgende Situation vor: Die Basisstation (BS) eines Mobilfunknetzbetreibers und das Modem sind zu zwei geografischen Punkten A und B geworden, zwischen diesen ist ein bestimmter Weg verlegt Objekte, Personen, die sich auf diesem Weg bewegen, stellen Informationen dar, A – dies ist Ihre Empfangsantenne, B ist die BS des Mobilfunkbetreibers. Menschen bewegen sich mit einem Zug von einem Punkt zum anderen, der Platz für 100 Personen bietet. Aber es gibt noch viel mehr Menschen, die von Punkt B nach Punkt A gelangen wollen. Daher wird ein zweites Gleis gebaut und ein neuer Zug in Betrieb genommen, dessen Kapazität ebenfalls 100 Personen beträgt. Dadurch ist die Produktivität und Effizienz der beiden Züge doppelt so hoch.

Die neueste MIMO-Technologie funktioniert genauso. (Englisch: Multiple Input Multiple Output) ermöglicht es Ihnen, mehr Streams gleichzeitig zu akzeptieren. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Signalpolarisationen verwendet, beispielsweise horizontal und vertikal – 2x2. Um mehr Informationen, also mehr Streams, zu empfangen, war bisher die Anschaffung zweier einfacher Antennen erforderlich.

Heutzutage reicht es aus, nur eine MIMO-Antenne zu kaufen. Die verbesserte MIMO-Antenne enthält in einem Gehäuse zwei Sätze von Strahlungselementen, sogenannte Patches, die jeweils an eine separate Buchse angeschlossen sind. Die zweite Version des Geräts: Es gibt einen Satz Patches und ein Netzteil für zwei Ports, wodurch der Patch in zwei Richtungen funktionieren kann: horizontal und vertikal. In diesem Fall wird ein einzelner Satz Patches an den beiden Buchsen angebracht. Es handelt sich um die zweite Variante (mit zwei Kabeleinführungen), die Sie im Sortiment unseres Unternehmens finden.

Aber wie verbindet man zwei von der Antenne kommende Kabel mit einem Modem? Alles ist sehr einfach. Heutzutage unterstützen nicht nur Antennen diese Funktion, sondern auch Modems. Es gibt Modems mit 2 Eingängen zum Anschluss externer Antennen, zum Beispiel das weit verbreitete Huawei.

Vorteile der MIMO-Technologie

Zu den Hauptvorteilen gehört die Möglichkeit, den Durchsatz zu verbessern, ohne die Bandbreite zu erhöhen. Das Gerät verteilt also mehrere Informationsströme gleichzeitig über einen einzigen Kanal.

Die Qualität des übertragenen Signals und die Datenübertragungsgeschwindigkeit werden besser. Denn die Technologie verschlüsselt die Daten zunächst und stellt sie dann beim Empfänger wieder her.

Die Signalübertragungsgeschwindigkeit wird mehr als verdoppelt.

Auch viele andere Geschwindigkeitsparameter werden durch die Verwendung zweier unabhängiger Kabel erhöht, über die Informationen gleichzeitig verteilt und in Form eines digitalen Streams empfangen werden. Die Spektrumqualität der folgenden Systeme wird verbessert: 3G, 4G/LTE, WiMAX, WiFi, dank der Verwendung von zwei Eingängen und zwei Ausgängen.

Anwendungen von MIMO-Antennen

Am häufigsten wird die MIMO-Technologie verwendet, um Daten über ein Protokoll wie WLAN zu übertragen. Dies ist auf den erhöhten Durchsatz und die höhere Kapazität zurückzuführen. Nehmen wir zum Beispiel das 802.11n-Protokoll; mit der beschriebenen Technologie können Geschwindigkeiten von bis zu 350 Megabit/Sek. erreicht werden. Auch die Qualität der Datenübertragung hat sich verbessert, selbst in Gebieten mit schwachem Empfangssignal. Ein Beispiel für einen Outdoor Access Point mit MIMO-Antenne ist der bekannte.

Das WiMAX-Netzwerk kann jetzt mithilfe von MIMO Informationen mit Geschwindigkeiten von bis zu 40 Megabit/Sekunde übertragen.

Es kommt MIMO-Technologie bis 8x8 zum Einsatz. Dadurch wird eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit erreicht – mehr als 35 Megabit/Sekunde. Darüber hinaus sorgt es für eine zuverlässige und hochwertige Verbindung in hervorragender Qualität.

Es wird ständig daran gearbeitet, die Technologiekonfigurationen zu verbessern und zu verbessern. Dies wird bald die Spektrumsleistung verbessern, die Netzwerkkapazität verbessern und die Datenübertragungsgeschwindigkeit beschleunigen.

MIMO(Multiple Input Multiple Output – Multiple Input Multiple Output) ist eine Technologie, die in drahtlosen Kommunikationssystemen (WIFI, Mobilfunkkommunikationsnetze) verwendet wird und die spektrale Effizienz des Systems, die maximale Datenübertragungsrate und die Netzwerkkapazität erheblich verbessern kann. Der Hauptweg, die oben genannten Vorteile zu erreichen, besteht darin, Daten über mehrere Funkverbindungen von der Quelle zum Ziel zu übertragen, woher die Technologie ihren Namen hat. Betrachten wir den Hintergrund dieses Problems und ermitteln wir die Hauptgründe, die zur weit verbreiteten Verwendung der MIMO-Technologie geführt haben.

Der Bedarf an Hochgeschwindigkeitsverbindungen, die eine hohe Servicequalität (QoS) mit hoher Fehlertoleranz bieten, wächst von Jahr zu Jahr. Dies wird durch das Aufkommen von Diensten wie VoIP (), VoD () usw. erheblich erleichtert. Die meisten drahtlosen Technologien ermöglichen es jedoch nicht, Abonnenten am Rande des Versorgungsgebiets einen qualitativ hochwertigen Dienst bereitzustellen. In Mobilfunk- und anderen drahtlosen Kommunikationssystemen nimmt die Qualität der Verbindung sowie die verfügbare Datenübertragungsgeschwindigkeit schnell mit der Entfernung von der (BTS) ab. Gleichzeitig sinkt auch die Qualität der Dienste, was letztendlich dazu führt, dass im gesamten Funkabdeckungsbereich des Netzes keine Echtzeitdienste mit hoher Qualität mehr bereitgestellt werden können. Um dieses Problem zu lösen, können Sie versuchen, Basisstationen so dicht wie möglich zu installieren und eine interne Abdeckung an allen Orten mit niedrigem Signalpegel zu organisieren. Dies wird jedoch einen erheblichen finanziellen Aufwand erfordern, der letztendlich zu einer Erhöhung der Kosten des Dienstes und einer Verringerung der Wettbewerbsfähigkeit führen wird. Um dieses Problem zu lösen, ist daher eine originelle Innovation erforderlich, die möglichst den aktuellen Frequenzbereich nutzt und keinen Bau neuer Netzanlagen erfordert.

Merkmale der Ausbreitung von Funkwellen

Um die Funktionsprinzipien der MIMO-Technologie zu verstehen, ist es notwendig, die allgemeinen im Weltraum zu berücksichtigen. Die von verschiedenen drahtlosen Funksystemen im Bereich über 100 MHz ausgesendeten Wellen verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie Lichtstrahlen. Wenn Radiowellen während der Ausbreitung auf eine Oberfläche treffen, wird abhängig vom Material und der Größe des Hindernisses ein Teil der Energie absorbiert, ein Teil dringt durch und der Rest wird reflektiert. Das Verhältnis der Anteile absorbierter, reflektierter und übertragener Energie wird von vielen äußeren Faktoren beeinflusst, unter anderem von der Frequenz des Signals. Darüber hinaus kann die reflektierte und durchgelassene Signalenergie die Richtung ihrer weiteren Ausbreitung ändern und das Signal selbst wird in mehrere Wellen aufgeteilt.

Das Signal, das sich nach den oben genannten Gesetzen von der Quelle zum Empfänger ausbreitet, wird nach dem Auftreffen auf zahlreiche Hindernisse in viele Wellen aufgeteilt, von denen nur ein Teil den Empfänger erreicht. Jede der Wellen, die den Empfänger erreichen, bildet den sogenannten Signalausbreitungspfad. Aufgrund der Tatsache, dass unterschiedliche Wellen von unterschiedlich vielen Hindernissen reflektiert werden und unterschiedliche Entfernungen zurücklegen, haben außerdem unterschiedliche Wege unterschiedliche Wege.

In dichten städtischen Umgebungen kommt es aufgrund einer großen Anzahl von Hindernissen wie Gebäuden, Bäumen, Autos usw. sehr häufig zu einer Situation, in der zwischen der MS und den Basisstationsantennen (BTS) keine direkte Sicht besteht. In diesem Fall kann das Signal den Empfänger nur über reflektierte Wellen erreichen. Allerdings hat ein wiederholt reflektiertes Signal, wie oben erwähnt, nicht mehr die ursprüngliche Energie und kommt möglicherweise zu spät an. Eine besondere Schwierigkeit entsteht auch dadurch, dass Objekte nicht immer stationär bleiben und sich die Situation im Laufe der Zeit erheblich ändern kann. Dies wirft ein Problem auf – eines der größten Probleme in drahtlosen Kommunikationssystemen.

Mehrwegeausbreitung – ein Problem oder ein Vorteil?

Zur Bekämpfung der Mehrwegeausbreitung von Signalen werden verschiedene Lösungen eingesetzt. Eine der am weitesten verbreiteten Technologien ist „Receive Diversity“. Sein Wesen liegt darin, dass zum Empfang eines Signals nicht eine, sondern mehrere Antennen (normalerweise zwei, seltener vier) verwendet werden, die voneinander entfernt angeordnet sind. Somit verfügt der Empfänger nicht über eine, sondern über zwei Kopien des übertragenen Signals, die auf unterschiedliche Weise angekommen sind. Dadurch ist es möglich, mehr Energie aus dem Originalsignal zu gewinnen, denn Wellen, die von einer Antenne empfangen werden, werden möglicherweise nicht von einer anderen Antenne empfangen und umgekehrt. Außerdem können Signale, die bei einer Antenne phasenverschoben ankommen, bei einer anderen Antenne phasenverschoben ankommen. Dieses Funkschnittstellendesign kann im Gegensatz zum standardmäßigen Single Input Single Output (SISO)-Design als Single Input Multiple Output (SIMO) bezeichnet werden. Auch der umgekehrte Ansatz ist möglich: Wenn mehrere Antennen zum Senden und eine zum Empfangen verwendet werden. Dadurch erhöht sich auch die Gesamtenergie des vom Empfänger empfangenen Originalsignals. Diese Schaltung wird Multiple Input Single Output (MISO) genannt. In beiden Schemata (SIMO und MISO) werden mehrere Antennen auf der Basisstationsseite installiert, weil Es ist schwierig, Antennendiversität in einem mobilen Gerät über eine ausreichend große Entfernung zu implementieren, ohne das Endgerät selbst zu vergrößern.

Als Ergebnis weiterer Überlegungen kommen wir zum MIMO-Schema (Multiple Input Multiple Output). Dabei werden zum Senden und Empfangen mehrere Antennen installiert. Im Gegensatz zu den oben genannten Schemata ermöglicht dieses Diversitätsschema jedoch nicht nur die Bekämpfung der Mehrwegesignalausbreitung, sondern auch die Erzielung einiger zusätzlicher Vorteile. Durch den Einsatz mehrerer Antennen zum Senden und Empfangen kann jedem Sende-/Empfangsantennenpaar ein eigener Pfad zur Informationsübertragung zugewiesen werden. In diesem Fall wird der Diversity-Empfang von den verbleibenden Antennen übernommen, wobei diese Antenne auch als Zusatzantenne für andere Übertragungswege dient. Dadurch ist es theoretisch möglich, die Datenübertragungsrate durch den Einsatz zusätzlicher Antennen um ein Vielfaches zu steigern. Eine erhebliche Einschränkung ergibt sich jedoch durch die Qualität jedes einzelnen Funkpfads.

So funktioniert MIMO

Wie oben erwähnt, ist es zur Organisation der MIMO-Technologie erforderlich, mehrere Antennen auf der Sende- und Empfangsseite zu installieren. Typischerweise wird am Ein- und Ausgang des Systems die gleiche Anzahl von Antennen installiert, weil in diesem Fall wird die maximale Datenübertragungsrate erreicht. Um die Anzahl der Antennen beim Empfang und Senden anzuzeigen, wird neben dem Namen der MIMO-Technologie üblicherweise die Bezeichnung „AxB“ verwendet, wobei A die Anzahl der Antennen am Systemeingang und B die am Ausgang ist. In diesem Fall meint das System eine Funkverbindung.

Die MIMO-Technologie erfordert im Vergleich zu herkömmlichen Systemen einige Änderungen in der Senderstruktur. Betrachten wir nur eine der möglichen und einfachsten Möglichkeiten, die MIMO-Technologie zu organisieren. Auf der Sendeseite wird zunächst ein Stream-Teiler benötigt, der die zur Übertragung vorgesehenen Daten in mehrere langsame Teilströme aufteilt, deren Anzahl von der Anzahl der Antennen abhängt. Beispielsweise erzeugt der Teiler für MIMO 4x4 und eine Eingangsdatenrate von 200 Mbit/s 4 Streams mit jeweils 50 Mbit/s. Als nächstes muss jeder dieser Streams über eine eigene Antenne übertragen werden. Typischerweise werden Sendeantennen räumlich getrennt installiert, um möglichst viele Störsignale, die durch Reflexionen entstehen, bereitzustellen. Bei einer der möglichen Organisationsformen der MIMO-Technologie wird das Signal von jeder Antenne mit einer anderen Polarisation gesendet, wodurch es beim Empfang identifiziert werden kann. Im einfachsten Fall ist jedoch jedes der übertragenen Signale durch das Übertragungsmedium selbst gekennzeichnet (Zeitverzögerung und andere Verzerrungen).

Auf der Empfangsseite empfangen mehrere Antennen das Signal aus der Funkluft. Darüber hinaus sind auch die Antennen auf der Empfangsseite mit einer gewissen räumlichen Diversität installiert, wodurch der bereits erwähnte Diversity-Empfang gewährleistet wird. Die empfangenen Signale gelangen zu Empfängern, deren Anzahl der Anzahl der Antennen und Übertragungswege entspricht. Darüber hinaus empfängt jeder der Empfänger Signale von allen Antennen des Systems. Jeder dieser Addierer extrahiert aus dem Gesamtfluss nur die Signalenergie des Pfades, für den er verantwortlich ist. Er tut dies entweder gemäß einem vorgegebenen Attribut, das jedem der Signale zugeführt wurde, oder durch die Analyse von Verzögerung, Dämpfung, Phasenverschiebung, d. h. Reihe von Verzerrungen oder „Fingerabdruck“ des Ausbreitungsmediums. Abhängig vom Funktionsprinzip des Systems (Bell Laboratories Layered Space-Time – BLAST, Selective Per Antenna Rate Control (SPARC) usw.) kann das übertragene Signal nach einer bestimmten Zeit wiederholt oder mit einer leichten Verzögerung durch andere übertragen werden Antennen.

Ein ungewöhnliches Phänomen, das in einem MIMO-System auftreten kann, besteht darin, dass die Datenrate des MIMO-Systems reduziert werden kann, wenn zwischen Signalquelle und Empfänger eine Sichtlinie besteht. Dies ist in erster Linie auf eine Verringerung der Schwere der Verzerrungen im umgebenden Raum zurückzuführen, der jedes der Signale kennzeichnet. Dadurch wird es schwierig, die Signale auf der Empfangsseite zu trennen und sie beginnen, sich gegenseitig zu beeinflussen. Je höher also die Qualität der Funkverbindung ist, desto geringer ist der Nutzen von MIMO.

Mehrbenutzer-MIMO (MU-MIMO)

Das oben diskutierte Prinzip der Organisation der Funkkommunikation bezieht sich auf das sogenannte Single User MIMO (SU-MIMO), bei dem es nur einen Sender und Empfänger von Informationen gibt. In diesem Fall können sowohl Sender als auch Empfänger ihre Aktionen klar koordinieren und gleichzeitig gibt es keinen Überraschungsfaktor, wenn neue Benutzer auf Sendung gehen. Dieses Schema eignet sich durchaus für kleine Systeme, beispielsweise um die Kommunikation zwischen zwei Geräten im Homeoffice zu organisieren. Die meisten Systeme wie WI-FI, WIMAX und Mobilfunkkommunikationssysteme sind wiederum Mehrbenutzersysteme, d. h. In ihnen gibt es ein einziges Zentrum und mehrere entfernte Objekte, mit denen jeweils eine Funkverbindung aufgebaut werden muss. Dadurch entstehen zwei Probleme: Einerseits muss die Basisstation ein Signal über dasselbe Antennensystem an viele Teilnehmer senden (MIMO-Broadcast) und gleichzeitig ein Signal über dieselben Antennen von mehreren Teilnehmern empfangen (MIMO MAC - Mehrere Zugriffskanäle).

In der Uplink-Richtung – von MS zu BTS – übertragen Benutzer ihre Informationen gleichzeitig auf derselben Frequenz. In diesem Fall ergibt sich für die Basisstation eine Schwierigkeit: Es ist notwendig, Signale verschiedener Teilnehmer zu trennen. Eine Möglichkeit, diesem Problem entgegenzuwirken, ist auch die lineare Verarbeitungsmethode, bei der das übertragene Signal vorab übertragen wird. Das Originalsignal wird bei dieser Methode mit einer Matrix multipliziert, die aus Koeffizienten besteht, die den Störeinfluss anderer Teilnehmer widerspiegeln. Die Matrix wird basierend auf der aktuellen Situation im Radio erstellt: Anzahl der Teilnehmer, Übertragungsgeschwindigkeiten usw. Daher unterliegt das Signal vor der Übertragung einer Verzerrung, die umgekehrt zu der Verzerrung ist, die es bei der Funkübertragung erfährt.

Im Downlink – der Richtung von BTS zu MS – überträgt die Basisstation Signale gleichzeitig auf demselben Kanal an mehrere Teilnehmer gleichzeitig. Dies führt dazu, dass das für einen Teilnehmer gesendete Signal den Empfang aller anderen Signale beeinflusst, d.h. Es kommt zu Störungen. Mögliche Optionen, um diesem Problem entgegenzuwirken, sind der Einsatz bzw. die Verwendung von Dirty-Paper-Coding-Technologie. Werfen wir einen genaueren Blick auf die Dirty-Paper-Technologie. Das Funktionsprinzip basiert auf einer Analyse des aktuellen Zustands der Funkwellen und der Anzahl der aktiven Teilnehmer. Der einzige (erste) Teilnehmer übermittelt seine Daten an die Basisstation, ohne seine Daten zu verschlüsseln oder zu verändern, denn Es gibt keine Störungen durch andere Teilnehmer. Der zweite Teilnehmer wird kodieren, d.h. Ändern Sie die Energie Ihres Signals, um das erste Signal nicht zu stören und Ihr Signal nicht dem Einfluss des ersten Signals auszusetzen. Nachfolgende Teilnehmer, die dem System hinzugefügt werden, folgen ebenfalls diesem Prinzip und basieren auf der Anzahl der aktiven Teilnehmer und der Wirkung der von ihnen gesendeten Signale.

Anwendung von MIMO

Im letzten Jahrzehnt war die MIMO-Technologie eine der wichtigsten Möglichkeiten, den Durchsatz und die Kapazität drahtloser Kommunikationssysteme zu steigern. Schauen wir uns einige Beispiele für die Verwendung von MIMO in verschiedenen Kommunikationssystemen an.

Der WLAN-Standard 802.11n ist eines der markantesten Beispiele für den Einsatz der MIMO-Technologie. Demnach können Geschwindigkeiten von bis zu 300 Mbit/s beibehalten werden. Zudem erlaubte der bisherige Standard 802.11g nur 50 Mbit/s. Neben der Erhöhung der Datenübertragungsraten ermöglicht der neue Standard dank MIMO auch eine bessere Servicequalität in Gebieten mit geringer Signalstärke. 802.11n wird nicht nur in Punkt-/Mehrpunktsystemen (Point/Multipoint) verwendet – der häufigsten Nische für die Verwendung von WiFi-Technologie zur Organisation eines LAN (Local Area Network), sondern auch für die Organisation von Punkt-/Punkt-Verbindungen, die zur Organisation der Backbone-Kommunikation verwendet werden Kanäle mit Geschwindigkeiten von mehreren Hundert Mbit/s und ermöglichen die Datenübertragung über mehrere zehn Kilometer (bis zu 50 km).

Der WiMAX-Standard verfügt außerdem über zwei Versionen, die Benutzern, die die MIMO-Technologie verwenden, neue Funktionen bieten. Der erste, 802.16e, bietet mobile Breitbanddienste. Es ermöglicht die Übertragung von Informationen mit Geschwindigkeiten von bis zu 40 Mbit/s in Richtung von der Basisstation zum Teilnehmergerät. MIMO in 802.16e gilt jedoch als Option und wird in der einfachsten Konfiguration – 2x2 – verwendet. In der nächsten Version gilt 802,16 m MIMO als obligatorische Technologie, wobei eine 4x4-Konfiguration möglich ist. In diesem Fall kann WiMAX bereits den Mobilfunksystemen zugerechnet werden, und zwar der vierten Generation (aufgrund der hohen Datenübertragungsgeschwindigkeit), denn verfügt über eine Reihe von Merkmalen, die Mobilfunknetzen innewohnen: Sprachverbindungen. Im mobilen Einsatz können theoretisch Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s erreicht werden. In einer festen Version kann die Geschwindigkeit 1 Gbit/s erreichen.

Von größtem Interesse ist der Einsatz der MIMO-Technologie in zellularen Kommunikationssystemen. Diese Technologie wird seit der dritten Generation zellularer Kommunikationssysteme eingesetzt. Zum Beispiel im Standard, in Rel. 6 wird es in Verbindung mit der HSPA-Technologie verwendet, die Geschwindigkeiten bis zu 20 Mbit/s unterstützt, und in Rel. 7 – mit HSPA+, wo die Datenübertragungsraten 40 Mbit/s erreichen. Allerdings hat MIMO in 3G-Systemen noch keine breite Anwendung gefunden.

Systeme, nämlich LTE, sehen auch den Einsatz von MIMO in bis zu 8x8-Konfigurationen vor. Damit ist es theoretisch möglich, Daten mit über 300 Mbit/s von der Basisstation zum Teilnehmer zu übertragen. Ein weiterer wichtiger positiver Punkt ist die stabile Verbindungsqualität auch am Rand. In diesem Fall ist selbst in großer Entfernung von der Basisstation oder bei Standort in einem abgelegenen Raum nur ein geringfügiger Rückgang der Datenübertragungsrate zu beobachten.

Somit findet die MIMO-Technologie in nahezu allen drahtlosen Datenübertragungssystemen Anwendung. Darüber hinaus ist sein Potenzial noch nicht ausgeschöpft. Es werden bereits neue Optionen für die Antennenkonfiguration entwickelt, bis hin zu 64x64 MIMO. Dadurch können wir in Zukunft noch höhere Datenraten, Netzwerkkapazitäten und spektrale Effizienz erreichen.

Bestehende Mobilfunknetze werden nicht nur zum Telefonieren und Versenden von Nachrichten genutzt. Dank des digitalen Übertragungsverfahrens ist eine Datenübertragung auch über bestehende Netzwerke möglich. Diese Technologien werden je nach Entwicklungsstand als 3G und 4G bezeichnet. Die 4G-Technologie wird vom LTE-Standard unterstützt. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit hängt von einigen Netzwerkfunktionen ab (bestimmt vom Betreiber) und erreicht theoretisch bis zu 2 Mbit/s für ein 3G-Netzwerk und bis zu 1 Gbit/s für ein 4G-Netzwerk. Alle diese Technologien arbeiten effizienter, wenn ein starkes und stabiles Signal vorhanden ist. Zu diesem Zweck bieten die meisten Modems den Anschluss externer Antennen an.

Panel-Antenne

Im Angebot finden Sie verschiedene Antennenoptionen zur Verbesserung der Empfangsqualität. 3G-Panel-Antennen erfreuen sich großer Beliebtheit. Der Gewinn einer solchen Antenne beträgt etwa 12 dB im Frequenzbereich 1900-2200 MHz. Dieser Gerätetyp kann auch die Qualität des 2G-Signals verbessern – GPRS und EDGE.

Wie die allermeisten anderen passiven Geräte verfügt es über eine Einweg-Richtung, die zusammen mit einer Erhöhung des Empfangssignals den Grad der Störungen von den Seiten und von hinten reduziert. Somit ist es auch bei instabilem Empfang möglich, den Signalpegel auf akzeptable Werte anzuheben und dadurch die Geschwindigkeit des Empfangs und der Übertragung von Informationen zu erhöhen.

Einsatz von Panelantennen für den Betrieb in 4G-Netzen

Da die Reichweite von 4G-Netzen praktisch mit der Reichweite der Vorgängergeneration übereinstimmt, gibt es keine Schwierigkeiten beim Einsatz dieser Antennen in 3G-4G-LTE-Netzen. Bei allen Technologien ermöglicht der Einsatz von Antennen eine Annäherung der Datenübertragungsraten an Maximalwerte.

Neue Technologien mit separaten Empfängern und Sendern im gleichen Frequenzband haben es ermöglicht, die Geschwindigkeit beim Empfangen und Senden von Daten weiter zu erhöhen. Beim Design des bestehenden 4G-Modems kommt die MIMO-Technologie zum Einsatz.

Der unbestrittene Vorteil von Panelantennen sind ihre geringen Kosten und ihre außergewöhnliche Zuverlässigkeit. Es gibt praktisch nichts an der Konstruktion, das selbst bei einem Sturz aus großer Höhe kaputtgehen kann. Einziger Schwachpunkt ist das Hochfrequenzkabel, das an der Eintrittsstelle ins Gehäuse brechen kann. Um die Lebensdauer des Geräts zu verlängern, muss das Kabel sicher befestigt sein.

MIMO-Technologie

Um die Kapazität des Kommunikationskanals zwischen Empfänger und Datensender zu erhöhen, wurde ein Signalverarbeitungsverfahren entwickelt, bei dem Empfang und Senden auf verschiedenen Antennen erfolgen.

Beachten Sie! Durch den Einsatz von LTE-MIMO-Antennen können Sie den Durchsatz im Vergleich zur Arbeit mit einer einfachen Antenne um 20–30 % steigern.

Das Grundprinzip besteht darin, die Kopplung zwischen Antennen zu beseitigen.

Elektromagnetische Wellen können relativ zur Erdebene unterschiedliche Richtungen haben. Dies nennt man Polarisation. Hauptsächlich werden vertikal und horizontal polarisierte Antennen verwendet. Um gegenseitige Beeinflussung auszuschließen, unterscheiden sich die Antennen in der Polarisation um einen Winkel von 90 Grad. Damit der Einfluss der Erdoberfläche bei beiden Antennen gleich ist, sind die Polarisationsebenen beider Antennen um 45 Grad verschoben. relativ zum Boden. Wenn also eine der Antennen einen Polarisationswinkel von 45 Grad hat, dann hat die andere entsprechend 45 Grad. Relativ zueinander beträgt die Verschiebung die erforderlichen 90 Grad.

Die Abbildung zeigt deutlich, wie die Antennen relativ zueinander und relativ zum Boden ausgerichtet sind.

Wichtig! Die Polarisation der Antennen muss mit der an der Basisstation übereinstimmen.

Wenn für 4G-LTE-Technologien MIMO-Unterstützung standardmäßig an der Basisstation verfügbar ist, haben die Betreiber für 3G aufgrund der großen Anzahl von Geräten ohne MIMO keine Eile, neue Technologien einzuführen. Tatsache ist, dass Geräte in einem MIMO 3G-Netzwerk viel langsamer arbeiten.

Antennen für ein Modem selbst installieren

Die Regeln für die Installation von Antennen unterscheiden sich nicht von den üblichen. Die Hauptbedingung ist das Fehlen von Hindernissen zwischen dem Client und den Basisstationen. Ein wachsender Baum, das Dach eines nahegelegenen Gebäudes oder, schlimmer noch, eine Stromleitung dienen als zuverlässige Abschirmung für elektromagnetische Wellen. Und je höher die Frequenz des Signals, desto stärker wird die Dämpfung durch Hindernisse im Weg der Funkwellen verursacht.

Je nach Montageart können die Antennen an einer Gebäudewand montiert oder an einem Mast montiert werden. Es gibt zwei Arten von AntennenMIMO:

• Monoblock;
• beabstandet.

Monoblock-Modelle enthalten im Inneren bereits zwei Strukturen, die mit der erforderlichen Polarisation installiert sind, und beabstandete Modelle bestehen aus zwei Antennen, die separat montiert werden müssen und jeweils genau auf die Basisstation ausgerichtet sein müssen.

Alle Nuancen der Installation einer MIMO-Antenne mit eigenen Händen werden in der Begleitdokumentation klar und detailliert beschrieben. Es ist jedoch besser, sich zuerst mit dem Anbieter zu beraten oder einen Vertreter zur Installation einzuladen, wobei Sie einen nicht sehr hohen Betrag zahlen, aber einen erhalten eine gewisse Garantie für die ausgeführten Arbeiten.

So bauen Sie selbst eine Antenne

Es gibt keine grundsätzlichen Schwierigkeiten, es selbst zu machen. Sie benötigen Kenntnisse im Umgang mit Metall, die Fähigkeit, einen Lötkolben zu halten, Lust und Genauigkeit.

Eine unabdingbare Voraussetzung ist die strikte Einhaltung der geometrischen Abmessungen aller Einzelteile ausnahmslos. Die geometrischen Abmessungen von Hochfrequenzgeräten müssen auf den Millimeter genau oder genauer eingehalten werden. Jede Abweichung führt zu einer Verschlechterung der Leistung. Der Gewinn sinkt und die Kopplung zwischen MIMO-Antennen nimmt zu. Letztendlich wird das Signal nicht verstärkt, sondern abgeschwächt.

Leider sind genaue geometrische Abmessungen nicht allgemein verfügbar. Ausnahmsweise basieren die im Netzwerk verfügbaren Materialien auf der Wiederholung einiger Fabrikentwürfe, die nicht immer mit der erforderlichen Genauigkeit kopiert werden. Daher sollten Sie keine großen Hoffnungen auf im Internet veröffentlichte Diagramme, Beschreibungen und Methoden setzen.

Wenn andererseits keine extrem starke Verstärkung erforderlich ist, wird eine unabhängig hergestellte MIMO-Antenne unter Einhaltung der angegebenen Abmessungen immer noch einen, wenn auch nicht großen, positiven Effekt erzielen.

Der Materialaufwand ist gering und auch der Zeitaufwand ist bei entsprechendem Geschick nicht allzu hoch. Darüber hinaus stört Sie niemand, mehrere Optionen auszuprobieren und anhand der Testergebnisse die akzeptable Option auszuwählen.

Um eine 4G LTE MIMO-Antenne mit Ihren eigenen Händen herzustellen, benötigen Sie zwei absolut flache verzinkte Stahlbleche mit einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm oder noch besser ein einseitiges Folien-Glasfaserlaminat. Eine der Platten wird zur Herstellung eines Reflektors (Reflektor) und die andere zur Herstellung aktiver Elemente verwendet. Das Kabel zum Anschluss an das Modem muss einen Widerstand von 50 Ohm haben (dies ist der Standard für Modemgeräte).

TV-Kabel können aus zwei Gründen nicht verwendet werden:

• Ein Widerstand von 75 Ohm führt zu einer Nichtübereinstimmung mit den Modemeingängen;
• große Dicke.

Es ist außerdem notwendig, Anschlüsse auszuwählen, die genau mit den Anschlüssen am Modem übereinstimmen müssen.

Wichtig! Der angegebene Abstand zwischen den aktiven Elementen und dem Reflektor muss bei Verwendung von Folienmaterial ab der Folienlage gemessen werden.

Zusätzlich benötigen Sie ein kleines Stück Kupferdraht mit einer Dicke von 1-1,2 mm.

Die hergestellte Struktur muss in einen Kunststoffkoffer gelegt werden. Metall kann nicht verwendet werden, da die Antenne dadurch von einer elektromagnetischen Abschirmung umgeben wird und nicht funktioniert.

Beachten Sie! Die meisten Zeichnungen beziehen sich nicht auf MIMO-Antennen, sondern auf Panel-Antennen. Äußerlich unterscheiden sie sich dadurch, dass einer einfachen Panel-Antenne ein Kabel zugeführt wird und für MIMO zwei benötigt werden.

Durch die Herstellung von zwei Panel-Antennen erhalten Sie eine Diversity-Version einer DIY-MIMO-4G-Antenne.

Zusammenfassend können wir sagen, dass die Herstellung einer MIMO-Antenne mit eigenen Händen keine sehr schwierige Aufgabe ist. Bei richtiger Pflege ist es durchaus möglich, ein funktionsfähiges Gerät zu erhalten und dabei etwas Geld zu sparen. Etwas einfacher ist es, eine 3G-Antenne selbst zu bauen. In abgelegenen Gebieten, in denen es noch keine LTE-Abdeckung gibt, ist dies möglicherweise die einzige Möglichkeit, die Verbindungsgeschwindigkeit zu verbessern.

Video

Technologie basierend auf dem WLAN-Standard IEEE 802.11n.

Wi-Life bietet einen kurzen Überblick über die WLAN-Technologie IEEE 802.11n .
Erweiterte Informationen zu unserem Videopublikationen.

Erste Generation von Geräten, die den WiFi 802.11n-Standard unterstützen erschien vor einigen Jahren auf dem Markt. MIMO-Technologie ( MIMO – Mehrfacheingabe / Mehrfachausgabe -Multiple Input/Multiple Output) ist der Kern von 802.11n. Es handelt sich um ein Funksystem mit mehreren getrennten Sende- und Empfangspfaden. MIMO-Systeme werden anhand der Anzahl der Sender und Empfänger beschrieben. Der WiFi 802.11n-Standard definiert eine Reihe möglicher Kombinationen von 1x1 bis 4x4.

In einem typischen Fall der Bereitstellung eines Wi-Fi-Netzwerks in Innenräumen, beispielsweise in einem Büro, einer Werkstatt, einem Hangar oder einem Krankenhaus, bewegt sich das Funksignal aufgrund von Wänden, Türen und anderen Hindernissen selten auf dem kürzesten Weg zwischen Sender und Empfänger. Die meisten dieser Umgebungen verfügen über viele verschiedene Oberflächen, die das Funksignal (elektromagnetische Welle) reflektieren, so wie ein Spiegel Licht reflektiert. Nach der Reflexion entstehen mehrere Kopien des ursprünglichen WLAN-Signals. Wenn mehrere Kopien eines WLAN-Signals auf unterschiedlichen Wegen vom Sender zum Empfänger wandern, ist das Signal, das den kürzesten Weg nimmt, das erste, und die nächsten Kopien (oder das reflektierte Echo des Signals) treffen aufgrund der längeren Zeit etwas später ein Wege. Dies wird als Mehrwegesignalausbreitung (Multipath) bezeichnet. Die Bedingungen für die Mehrfachvermehrung ändern sich ständig, weil... Wi-Fi-Geräte bewegen sich oft (ein Smartphone mit Wi-Fi in den Händen des Benutzers), verschiedene Objekte bewegen sich und verursachen Störungen (Personen, Autos usw.). Wenn Signale zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Winkeln eintreffen, kann dies zu Verzerrungen und möglicherweise zu einer Signaldämpfung führen.

Es ist wichtig zu bedenken, dass WLAN 802.11 n mit MIMO-Unterstützung ausgestattet ist und eine große Anzahl von Empfängern können Mehrwegeeffekte und destruktive Interferenz reduzieren, aber in jedem Fall ist es besser, Mehrwegebedingungen zu reduzieren, wo und wann immer es möglich ist. Einer der wichtigsten Punkte besteht darin, die Antennen so weit wie möglich von Metallgegenständen entfernt zu halten (hauptsächlich WLAN-Omniantennen mit kreisförmiger oder omnidirektionaler Strahlungscharakteristik).

Notwendig Es ist klar, dass aus MIMO-Sicht nicht alle WLAN-Clients und WLAN-Zugangspunkte gleich sind.
Es gibt 1x1-, 2x1-, 3x3- usw. Clients. Beispielsweise unterstützen mobile Geräte wie Smartphones am häufigsten MIMO 1x 1, manchmal 1x 2. Dies ist auf zwei Hauptprobleme zurückzuführen:
1. die Notwendigkeit, einen niedrigen Energieverbrauch und eine lange Batterielebensdauer sicherzustellen,
2. Schwierigkeiten bei der Anordnung mehrerer Antennen mit ausreichendem Abstand in einem kleinen Paket.
Gleiches gilt für andere mobile Geräte: Tablet-Computer, PDAs usw.

High-End-Laptops unterstützen häufig bereits MIMO bis zu 3x3 (MacBook Pro usw.).

Lasst uns Schauen wir uns die Haupttypen an MIMO in WiFi-Netzwerken.
Auf die Angaben zur Anzahl der Sender und Empfänger verzichten wir vorerst. Es ist wichtig, das Prinzip zu verstehen.

Erster Typ: Vielfalt beim Empfang eines Signals auf einem WiFi-Gerät

Wenn am Empfangspunkt mindestens zwei gekoppelte Empfänger mit Antennen-Diversity vorhanden sind,
Dann ist es durchaus möglich, alle Kopien auf jedem Empfänger zu analysieren, um die besten Signale auszuwählen.
Darüber hinaus können mit diesen Signalen verschiedene Manipulationen durchgeführt werden, aber uns interessiert vor allem
die Möglichkeit, sie mithilfe der MRC-Technologie (Maximum Ratio Combined) zu kombinieren. Auf die MRC-Technologie wird weiter unten noch näher eingegangen.

Zweiter Typ: Vielfalt beim Senden eines Signals an ein WLAN-Gerät

Wenn am Sendepunkt mindestens zwei verbundene WLAN-Sender mit voneinander entfernten Antennen vorhanden sind, ist es möglich, eine Gruppe identischer Signale zu senden, um die Anzahl der Informationskopien zu erhöhen, die Zuverlässigkeit der Übertragung zu erhöhen und die Notwendigkeit des erneuten Sendens von Daten zu verringern Funkkanal im Falle eines Verlustes.

Dritter Typ: Räumliches Multiplexen von Signalen auf einem WiFi-Gerät
(Signalkombination)

Wenn am Sendepunkt und am Empfangspunkt mindestens zwei verbundene WLAN-Sender mit getrennten Antennen vorhanden sind, wird es möglich, eine Reihe unterschiedlicher Informationen über unterschiedliche Signale zu senden, um die Möglichkeit zu schaffen, solche Informationsströme virtuell zu einem einzigen zu kombinieren Datenübertragungskanal, dessen Gesamtdurchsatz tendenziell der Summe der einzelnen Streams entspricht, aus denen er besteht. Dies wird als räumliches Multiplexing bezeichnet. Hier ist es jedoch äußerst wichtig, die Möglichkeit einer qualitativ hochwertigen Trennung aller Quellsignale sicherzustellen, was einen großen Aufwand erfordert SNR - Signal-/Rauschverhältnis.

MRC-Technologie (maximales Verhältnis kombiniert ) wird in vielen modernen Access Points verwendet W-lan Unternehmensklasse.
M.R.C. zielt darauf ab, den Signalpegel in Richtung von zu erhöhen W-lan Client mit dem WiFi 802.11 Access Point verbinden.
Arbeitsalgorithmus M.R.C. beinhaltet die Sammlung aller direkten und reflektierten Signale während der Mehrwegeausbreitung auf mehreren Antennen und Empfängern. Als nächstes kommt ein spezieller Prozessor ( DSP ) wählt das beste Signal von jedem Empfänger aus und führt die Kombination durch. Tatsächlich implementiert die mathematische Verarbeitung eine virtuelle Phasenverschiebung, um eine positive Interferenz bei der Addition der Signale zu erzeugen. Somit weist das resultierende Gesamtsignal deutlich bessere Eigenschaften auf als alle Originalsignale.

M.R.C. ermöglicht es Ihnen, deutlich bessere Betriebsbedingungen für mobile Geräte mit geringem Stromverbrauch im Standardnetzwerk bereitzustellen W-lan .

Auf WiFi 802.11n-Systemen Die Vorteile der Mehrwegeausbreitung werden genutzt, um mehrere Funksignale gleichzeitig zu übertragen. Jedes dieser Signale, genannt „ räumliche Strömungen", wird von einer separaten Antenne über einen separaten Sender gesendet. Da zwischen den Antennen ein gewisser Abstand besteht, folgt jedes Signal einem etwas anderen Weg zum Empfänger. Dieser Effekt wird als „ räumliche Vielfalt" Der Empfänger ist außerdem mit mehreren Antennen mit eigenen separaten Funkmodulen ausgestattet, die eingehende Signale unabhängig voneinander dekodieren, und jedes Signal wird mit Signalen von anderen empfangenden Funkmodulen kombiniert. Dadurch werden mehrere Datenströme gleichzeitig empfangen. Dies bietet einen deutlich höheren Durchsatz als frühere 802.11-WLAN-Systeme, erfordert aber auch einen 802.11n-fähigen Client.

Lassen Sie uns nun etwas tiefer in dieses Thema eintauchen:
Bei WLAN-Geräten mit MIMO Es ist möglich, den gesamten eingehenden Informationsfluss durch räumliches Multiplexen für deren anschließende Übertragung in mehrere unterschiedliche Datenströme aufzuteilen. Mehrere Sender und Antennen werden verwendet, um unterschiedliche Streams auf demselben Frequenzkanal zu senden. Eine Möglichkeit, dies zu veranschaulichen, besteht darin, dass eine Textphrase so übertragen werden kann, dass das erste Wort über einen Sender gesendet wird, das zweite über einen anderen Sender usw.
Natürlich muss die Empfangsseite die gleiche Funktionalität (MIMO) unterstützen, um verschiedene Signale vollständig zu isolieren, sie wieder zusammenzusetzen und sie wiederum mithilfe von räumlichem Multiplexing zu kombinieren. Dadurch erhalten wir die Möglichkeit, den ursprünglichen Informationsfluss wiederherzustellen. Die vorgestellte Technologie ermöglicht es, einen großen Datenstrom in eine Reihe kleinerer Ströme aufzuteilen und diese getrennt voneinander zu übertragen. Dies ermöglicht im Allgemeinen eine effizientere Nutzung der Funkumgebung und insbesondere der für WLAN zugewiesenen Frequenzen.

WiFi 802.11n-Technologie Definiert auch, wie MIMO verwendet werden kann, um das SNR am Empfänger mithilfe von Sende-Beamforming zu verbessern. Mit dieser Technik ist es möglich, den Prozess des Sendens von Signalen von jeder Antenne so zu steuern, dass die Parameter des empfangenen Signals am Empfänger verbessert werden. Mit anderen Worten: Zusätzlich zum Senden mehrerer Datenströme können mehrere Sender verwendet werden, um ein höheres SNR am Empfangspunkt und damit eine höhere Datenrate beim Client zu erreichen.
Folgende Dinge müssen beachtet werden:
1. Das im Wi-Fi 802.11n-Standard definierte Sende-Beamforming-Verfahren erfordert die Zusammenarbeit mit dem Empfänger (eigentlich mit dem Client-Gerät), um Rückmeldung über den Signalzustand am Empfänger zu erhalten. Hier ist es notwendig, dass diese Funktionalität auf beiden Seiten des Kanals unterstützt wird – sowohl auf dem Sender als auch auf dem Empfänger.
2. Aufgrund der Komplexität dieses Verfahrens wurde Sende-Beamforming in der ersten Generation von 802.11n-Chips sowohl auf der Terminalseite als auch auf der Access Point-Seite nicht unterstützt. Derzeit unterstützen die meisten vorhandenen Chips für Client-Geräte diese Funktionalität ebenfalls nicht.
3. Es gibt Lösungen zum Aufbau von Netzwerken W-lan , mit denen Sie das Strahlungsmuster an Access Points vollständig steuern können, ohne Feedback von Client-Geräten erhalten zu müssen.

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