MIMO – Multiple Input, Multiple Output

Abkürzung: MIMO

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.

Im Mobilfunk

Dort ist MIMO seit LTE Bestandteil des Standards. Zwei Ströme sind die Regel, Geräte der Oberklasse beherrschen vier; die Norm sieht in der Abwärtsrichtung bis zu acht vor. Statt von Strömen spricht man hier von Schichten oder Layern.

Warum 64 Antennen nicht 64 Ströme bedeuten

Bei Massive MIMO trägt eine Basisstation 32, 64 oder 128 Antennenelemente. Daraus wird gelegentlich geschlossen, sie übertrage entsprechend viele Ströme an ein Gerät — das trifft nicht zu.

Die Zahl der Ströme zu einem einzelnen Gerät bleibt durch dessen Antennen begrenzt, und ein Mobiltelefon hat zwei, selten vier. Die vielen Elemente der Basisstation dienen zwei anderen Zwecken: der engeren Bündelung in Richtung des Geräts und der gleichzeitigen Bedienung mehrerer Geräte in verschiedenen Richtungen.

Der Kapazitätsgewinn von Massive MIMO entsteht deshalb nicht beim einzelnen Nutzer, sondern in der Summe: Eine Zelle bedient mehr Teilnehmer gleichzeitig auf derselben Frequenz. Das ist dasselbe Prinzip wie MU-MIMO im WLAN, nur mit weit mehr Antennen und entsprechend schärferer räumlicher Trennung.

Woher die Kanalkenntnis kommt

Um Ströme sauber zu trennen und Keulen richtig auszurichten, muss die Basisstation den Funkkanal kennen. Im Zeitduplexverfahren lässt sich diese Kenntnis unmittelbar aus dem empfangenen Signal gewinnen, weil Hin- und Rückrichtung dieselbe Frequenz nutzen. Das ist einer der Gründe, warum Massive MIMO vor allem in den Zeitduplex-Bändern um 3,6 GHz zum Einsatz kommt.

Im Frequenzduplex muss das Gerät stattdessen melden, welches Übertragungsmuster am besten passt — gröber und mit Verzögerung behaftet.

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.

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
• 3GPP TS 36.211 – E-UTRA, physikalische Kanäle und Modulation (Mehrantennenbetrieb in LTE)
• 3GPP TS 38.211 – NR, physikalische Kanäle und Modulation (Mehrantennenbetrieb in 5G)