MIMO – Multiple Input, Multiple Output

Abkürzung: MIMO

MIMO überträgt mehrere Datenströme gleichzeitig über mehrere Antennen. Die Rate steigt, ohne dass mehr Bandbreite gebraucht wird.

Definition

MIMO bezeichnet die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer unabhängiger Datenströme auf derselben Frequenz.

Möglich wird das durch Mehrwegeausbreitung. Ein Funksignal erreicht den Empfänger nicht nur auf direktem Weg, sondern auch über Reflexionen an Wänden und Gegenständen. Was bei einer einzelnen Antenne als Störung wirkt, wird bei mehreren Antennen nutzbar: Die Signale treffen mit unterschiedlichen Laufzeiten ein und lassen sich rechnerisch trennen.

Die Zahl der parallel übertragbaren Ströme richtet sich nach der kleineren Antennenzahl der beiden Seiten. Ein Access Point mit vier Antennen und ein Mobiltelefon mit zwei Antennen kommen auf zwei Ströme.

Schreibweise MIMO-Varianten

Gebräuchlich ist die Form 4x4:4. Die erste Zahl nennt die Sendeantennen, die zweite die Empfangsantennen, die dritte die Zahl der nutzbaren Datenströme.

Die dritte Zahl ist die entscheidende. Ein Gerät mit 3x3:2 hat drei Antennen, überträgt aber nur zwei Ströme. Die dritte Antenne dient der Empfangsverbesserung.

Was MIMO leistet und was nicht

Die Bruttorate vervielfacht sich mit der Zahl der Ströme. Zwei Ströme verdoppeln sie, vier vervierfachen sie.

Die Reichweite steigt dadurch nicht. Im Gegenteil: Mehrere Ströme lassen sich nur bei gutem Signal-Rausch-Abstand trennen. Bei schlechtem Empfang fällt die Verbindung auf weniger Ströme zurück.

Mehrere Antennen verbessern allerdings die Zuverlässigkeit, wenn sie nicht für zusätzliche Ströme, sondern für denselben Strom genutzt werden. Der Empfänger kombiniert die Signale, was am Rand der Reichweite hilft.

In einer freien, reflexionsarmen Umgebung wirkt MIMO schlechter als in einem möblierten Raum, weil die Mehrwegeausbreitung fehlt.

SU-MIMO und MU-MIMO

SU-MIMO, Single User. Alle Ströme gehen an ein Gerät. Der ursprüngliche Ansatz seit 802.11n.

MU-MIMO, Multi User. Der Access Point bedient mehrere Geräte gleichzeitig mit je eigenen Strömen. Eingeführt mit 802.11ac in Senderichtung, mit 802.11ax in beide Richtungen.

MU-MIMO hilft dort, wo viele Geräte gleichzeitig Daten austauschen, etwa in Büros oder Wohnungen mit vielen Endgeräten. Bei einem einzelnen Gerät bringt es nichts.

Die Geräte müssen räumlich ausreichend getrennt sein, damit sich ihre Signale unterscheiden lassen. Zwei Geräte nebeneinander auf dem Tisch lassen sich nicht sinnvoll parallel bedienen.

Beamforming

Beamforming nutzt mehrere Antennen, um das Signal in Richtung des Empfängers zu bündeln, statt gleichmäßig in alle Richtungen zu senden. Die Phasenlage der Antennen wird so eingestellt, dass sich die Signale am Zielort verstärken.

Seit 802.11ac ist das Verfahren standardisiert und funktioniert herstellerunabhängig. Es setzt voraus, dass der Empfänger Rückmeldung über die Kanalverhältnisse gibt.

Abgrenzung

Die Zahl der Antennen an einem Gerät sagt für sich wenig aus. Entscheidend ist die Zahl der Ströme und ob die Gegenstelle mitzieht.

MIMO ist unabhängig von der Kanalbreite. Beide Größen multiplizieren sich zur Bruttorate.

Außerhalb des WLAN wird MIMO auch im Mobilfunk eingesetzt, dort mit weit höheren Antennenzahlen.

Quellen

• IEEE 802.11n-2009: Enhancements for Higher Throughput
• IEEE 802.11ac-2013: Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz
• IEEE 802.11ax-2021: Enhancements for High Efficiency WLAN