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9-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

GrundlagenBild 4: Blick

GrundlagenBild 4: Blick in eine duale Antenneseparaten Modulatoren in separatenSendern geleitet. MehrereAntennen empfangen dann dieDatenströme, welche sich durchleicht verschiedene Phasenlagenauszeichnen, da sie verschiedeneWege genommen haben. ImEmpfänger erfolgt die Zusammenfassungzu einem optimalenSignal.Jeder dieser Teilübertragungswegekann physikalisch als separaterKanal aufgefasst werden, daer über eine eigene Sende- wieauch Empfangsantenne verfügt.Somit ist ein uneingeschränkterDatendurchsatz möglich. JedeEmpfangsantenne besitzt eineMesseinrichtung für jeden gesendetenDatenstrom.Die höchstmögliche Datenratepro Kanal ist proportional zurAnzahl der verschiedenen Datenströme.Das alles bedeutet einehohe Flexibilität und Skalierbarkeitdes Systems. Die Verbindunglässt sich sehr wirksam undrobust gestalten, wobei der Leistungsverbrauchgering bleibt.Das Aufmacherbild zeigt eineLTE-MIMO-Antenne vonB.A.Z. mit zwei Anschlüssen.Die internen beiden Antennenelementesind um 45° versetztund nutzen sowohl MIMO alsauch Antennen-Diversity. Bild4 und 5 zeigen das Innenlebeneiner ähnlichen Antenne vonFunkwerk.Beispiel WiFiBei WiFi nutzt man, je nachDatenrate, verschiedene Modulationsarten,wie das OrthogonalFrequency Division Multiplexing(OFDM), das BinaryPhase-Shift Keying (BPSK),das Quadrature Phase-ShiftKeying (QPSK) und die 16- oder64-Phase Quadrature AmplitudeModulation (16QAM oder64QAM). Es ist dabei möglich,verschiedene Datenströme imselben 20 MHz breiten Bereichetwa im 2,4-GHz-Band zu übertragen.Das bedeutet einen hohenmöglichen Datendurchsatz, derlinear mit der Anzahl der Senderzunimmt.Die verschiedenen Signale laufenan den Empfängern mit verschiedenenPhasenlagen zueinanderein, entsprechend derverschiedenen Signalpfade.Sowohl der direkte Weg als auchein Weg mit mehreren Reflexionenist vorstellbar. Jedes einzelneSignal ist also durch seinenAusbreitungsweg gekennzeichnet.Dies macht es möglich, imEmpfänger mit Algorithmen aufder Basis digitaler Signalverarbeitung(DSP) die Signale zu sortierenund zu bewerten. Gleichensich zwei Signale von verschiedenenAntennen, werden sie beispielsweisedirekt addiert. Diesenachträgliche Kombinationder Teilsignale verbessert denRauschabstand und daher auchdie Zuverlässigkeit der Übertragung.Eine robustere, zuverlässigereVerbindung bedeutetaber auch immer eine größeremögliche Reichweite. Diese istder eigentliche praktische Vorteilvon MIMO gegenüber anderenMultistream-Verfahren.MIMO-VariantenMan darf MIMO nicht miteinem Smart-Antennensystemverwechseln, wie es etwa inzellularen Netzwerken genutztwird. Denn dieses nutzt Beam-Forming, um das HF-Signal aufdie Empfangsantenne zu konzentrieren.Ein Problem dabeisind gegenüber der Basisstationverdeckt angeordnete Knoten.Insgesamt ist die Anzahlder erreichbaren Knoten rechtbeschränkt, sie müssen mehroder weniger auf einer Linie liegen.MIMO kann jedoch auchmit Beam-Forming-Systemenbetrieben werden.MIMO wird bereits mit nur zweiSendern und Empfängern praktiziert.Es existieren jedoch verschiedeneStandards, die deutlichmehr Sender und Empfängererlauben. Dabei kann es aucheinen Empfänger mehr oderweniger als die SenderanzahlBild 5: Ansicht der internen Antennen (Quelle Bild 2 bis 5:www.lte-anbieter.info/technik/mimo.php)Bild 6: Ansicht des LMS6002D, des weltweit erstenfeldprogrammierbaren MIMO-Chips16 hf-praxis 9/2015

GrundlagenHappy Birthday: 10 Jahre MIMODie ersten MIMO-Geräte kamen Anfang2005 auf den Markt und versprachenwesentlich höhere Funkabdeckungen imVergleich zum normalen 802.11g-Standard,zum Teil bis zu zehnmal mehr.Diese Technik ist unter verschiedenenProduktnamen noch aktuell. Ende 2005kam eine neue Router-Generation aufden Markt, deren Chipsatz die MIMO-Technik nutzt. Sie ermöglichte erstmalsGeschwindigkeiten wie im LAN via Kupferkabel,nämlich bis zu 240 Mbit/s durchNutzung von zwei Funkkanälen. Dabeihat auch das WLAN eine Full-Duplex-Verbindung durch Nutzung von zweiFunkkanälen gleichzeitig. Der WLAN-Standard 802.11n sichert u.a. die Kompatibilitätverschiedenster Produkte sicherstellen.2006 wurden zum ersten Mal solcheWLAN-Komponenten vorgestellt.Sie erreichten mit neuen ChipsätzenDatenraten von bis zu 300 Mbit/s.Mit Hilfe der MIMO-Technik sollenbeim 802.11n-WLAN-Standard bis zu600 Mbit/s möglich werden. Die MIMO-Technik erlaubt Datenraten von bis zu3 Gbit/s im 5-GHz-ISM-Band. Der StandardIEEE 802.11ad definiert das Verfahren.MIMO-Techniken werden auchim zukünftigen WiMax-Standard IEEE802.16 enthalten sein und finden schonheute in Mobilfunknetzen Anwendung.Denn auch hier geht es den Anbieterndarum, hohe Datengeschwindigkeiten beigeringer Fehlerrate anzubieten.geben. Kombinationen mit mehr als vierSendern und Empfängern (4x4 MIMO)sind die Grenze des Vernünftigen. Darüberhinaus erreicht man kaum noch eine nennenswerteVerbesserung. 8x8-MIMO wirdwohl LTE vorbehalten bleiben und nicht vor2020 kommen. Am verbreitetsten ist dieNutzung von zwei Sendern und drei Empfängern,obwohl Chipsets für 4x4 MIMOmit höchsten Datenraten gut verfügbar sind.Bei MIMO nach Standard 11n ist es auchmöglich, zwei 20-MHz-Kanäle zu einem40-MHz-Kanal zu verbinden, um höhereDatenraten zu praktizieren, wobei bis zu600 Mbit/s erreichbar sind. Kein Wunderalso, dass alle neueren Drahtlos-StandardsMIMO unterstützen. MIMO ist drauf unddran, ein Standard-Feature in Drahtlos-Chipsets und für drahtloses Equipment zuwerden.Implementation von MIMODie Fortschritte bei der Herstellung analogerwie digitaler Chips haben MIMO die Tür zuvielerlei Applikationen geöffnet. Der Hardwareaufwandist gegenüber anderen komplexerenVerfahren kaum höher. MIMO istals Singlechip-Lösung verfügbar.Ein sensibler Bereich ist DSP. Die digitaleSignalverarbeitung ist bei MIMO vergleichsweisekomplex. Damit geht ein gewisserLeistungsverbrauch einher. Längere Zeitsetzte man auf feldprogrammierte Hardware(FPGAs, Field Programmable Arrays). Mitden modernsten digitalen CMOS-Prozess-Technologien ist es nun möglich geworden,den Signaprozessor on-chip zu realisieren,sodass eine hohe System-Performance mitgeringer Leistungsaufnahme verknüpft wird.Dies wird noch durch hochqualifizierteSoftware unterstützt. Sie übernimmt Funktionen,die früher hardwareimplementiertwaren. Somit ist es nun auch möglich, dieMIMO-Algorithmen kontinuierlich zu verbessern,um die Stromkosten noch weiterzu senken. Zwar lässt sich die Antennenanzahlnicht beeinflussen, aber dennochsind kontinuierliche Performance-Verbesserungenmöglich.Diese Entwicklung geht ganz in RichtungSoftware Defined Radio. SDR verbindetein flexibles Breitband-Frontend mithochentwickelter DSP, um verschiedeneProtokolle zu decodieren. Die wachsendePopularität von MIMO ist nicht unerheblichder SDR-Technik zu verdanken. Einesder SDR-Schlüsselelemente ist der Field-Programmable RF Transceiver (FPRF), undgenau dieser erlaubt es auch, verschiedeneHF-Bänder und verschiedene Standards inMIMO-Netzwerken zu managen.Bild 6 zeigt den Chip LMS6002D von LimeMicrosystems. Dieser flexible Low-Power-Chip ist seit 2014 am Markt und ermöglichtauf einfache Weise die Implementationvon MIMO-Systemen. Er kombiniert vierPRF-Transceiver mit einem FPGA, um ein4x4-MIMO-Produkt zu erstellen, das z.B. inLTE/HSPA+ Cellular-Systemen eingesetztwerden kann. Die wichtigsten Eigenschaften:Frequenzbereich 375 MHz bis 4 GHz,programmierbare Modulationsbandbreitenvon 1,5 bis 28 MHz und Unterstützung vonTDD (Time Division Duplex) sowie FDD(Frequency Division Duplex). Zur Programmierungdient ein standardisiertes SerialPort Interface (SPI). FShf-praxis 9/2015 17

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