Was ist MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)?

Eine Funktechnik, die sowohl beim Sender als auch beim Empfänger mehrere Antennen verwendet. Sie erhöht die Datenrate durch räumliches Multiplexing, bei dem verschiedene Daten zur selben Zeit auf derselben Frequenz gesendet werden, oder die Zuverlässigkeit durch Diversity, bei der dieselben Daten über mehrere Wege gesendet werden. Die Zahl der Streams, die räumliches Multiplexing senden kann, ist durch die kleinere der Zahlen von Sende- und Empfangsantennen begrenzt.

Japanische Bezeichnung: MIMO(多入力多出力)

„MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)“ kommt in 2 Übungsfragen aus 1 Themen vor, z. B. Grundlagen der Funkkommunikation.

Fachgebiet: Grundlagen der Funkkommunikation

Wie räumliches Multiplexing funktioniert

Die Art, wie sich Funkwellen ausbreiten (der Ausbreitungskanal), unterscheidet sich für jedes Paar aus Sende- und Empfangsantenne ein wenig. Der Empfänger schätzt diese Unterschiede anhand bekannter Referenzsignale und trennt die an jeder Empfangsantenne überlagert eintreffenden Signale, ähnlich wie beim Lösen eines linearen Gleichungssystems. So lassen sich mehrere Datenflüsse (Streams) zur selben Zeit auf derselben Frequenz senden, und die Datenrate steigt, ohne die Bandbreite zu erhöhen.

Wann räumliches Multiplexing gut funktioniert

Räumliches Multiplexing setzt hinreichend verschiedene Ausbreitungskanäle voraus. In Umgebungen mit vielen Reflexionen, etwa zwischen Gebäuden, unterscheiden sich die Kanäle stark, und viele Streams lassen sich trennen. Ähneln sich die Wege dagegen, etwa bei freier Sichtverbindung, sind die Kanäle stark korreliert, und weniger Streams sind nutzbar. Da die Leistung auf die Streams aufgeteilt wird, ist außerdem ein ausreichend hohes S/N nötig.

Multi-User-MIMO und Massive MIMO

Während Single-User-MIMO mehrere Streams an ein Endgerät sendet, sendet bei Multi-User-MIMO eine Basisstation oder ein Access Point gleichzeitig getrennte Streams an mehrere Endgeräte. Massive MIMO mit einigen Dutzend oder mehr Antennenelementen an der Basisstation bildet per Beamforming für jedes Endgerät eine eigene Strahlungskeule und kommuniziert gleichzeitig mit vielen Endgeräten. Eingesetzt wird es unter anderem in Basisstationen für 5G NR.

Jetzt üben: Fragen zu MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)

Wie groß ist bei MIMO mit 4 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen höchstens die Zahl der unabhängigen Datenflüsse (Streams), die durch räumliches Multiplexing auf derselben Frequenz zur selben Zeit gesendet werden können?

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Antwort: A. 2

Beim räumlichen Multiplexing mit MIMO werden von mehreren Sendeantennen gleichzeitig verschiedene Daten auf derselben Frequenz gesendet; der Empfänger trennt sie anhand der Unterschiede der Ausbreitungskanäle zwischen den einzelnen Paaren aus Sende- und Empfangsantenne. Die Zahl der trennbaren Streams ist durch die kleinere der beiden Antennenzahlen begrenzt, hier min(4, 2) = 2. In der Praxis sind weniger Streams als diese Obergrenze nutzbar, wenn sich die Ausbreitungskanäle ähneln (stark korreliert sind), etwa bei freier Sichtverbindung.

Häufige Fragen

Worin unterscheiden sich MIMO und Beamforming?

Beamforming ist eine Technik, die die Phasen mehrerer Antennenelemente so einstellt, dass die Funkwellen in einer bestimmten Richtung gebündelt werden. MIMO bezeichnet das gesamte Konzept, mit mehreren Antennen zu senden und zu empfangen; dazu gehören räumliches Multiplexing, Diversity und Beamforming. Massive MIMO bildet per Beamforming für jedes Endgerät eine Keule und kombiniert dies mit räumlichem Multiplexing.

Was bedeutet eine Angabe wie 4×4 MIMO?

Sie bezeichnet in der Regel die Zahl der Sendeantennen × die Zahl der Empfangsantennen. 4×4 MIMO kann per räumlichem Multiplexing bis zu 4 Streams senden. Hat das Endgerät nur 2 Antennen, können an es höchstens 2 Streams gesendet werden, selbst wenn der Access Point 4 hat.

„MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)“ in den Erläuterungen

Fragen mit „MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)“ (2)

  1. Wie groß ist bei MIMO mit 4 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen höchstens die Zahl der unabhängigen Datenflüsse (Streams), die durch räumliches Multiplexing auf derselben Frequenz zur selben Zeit gesendet werden können?
  2. Was ist der zutreffendste Hauptgrund dafür, dass in Basisstationen und Endgeräten für 5G-Millimeterwellen Beamforming mit Gruppenantennen aus vielen Elementen eingesetzt wird?

Verwandte Begriffe

Beamforming (Strahlformung) BLE (Bluetooth Low Energy) Direktmischempfänger (Direct Conversion) Fading (Schwund) Freiraumdämpfung Hidden-Station-Problem Link-Budget LPWA (Low Power Wide Area) NFC (Near Field Communication) OFDM (orthogonales Frequenzmultiplexverfahren)

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