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Was ist MU-MIMO und wie funktioniert es?

MIMO (Multiple Input Multiple Output) ist ein Übertragungsverfahren, bei dem  gleichzeitig mehrere Antennen genutzt werden, um eine optimale Übertragungsleistung zu erzielen. MIMO wird u.a. bei Mobilfunk und WLAN angewendet.

Das MIMO-Verfahren wurde bei WLAN mit dem Standard 802.11n eingeführt und mit 802.11ac weiterentwickelt. Das ältere Single-User-MIMO (SU-MIMO) versorgt einen einzelnen Empfänger mit mehreren unterschiedlichen Datenströmen zur gleichen Zeit, während andere Empfänger warten müssen, bis sie an der Reihe sind. Das neue Multi-User-MIMO (MU-MIMO) versorgt gleichzeitig mehrere Empfänger mit jeweils mehreren unterschiedlichen Datenströmen.

 

MIMO allgemein

Das Mehrantennenverfahren MIMO kann neben der zeitlichen auch die räumliche Dimension für die Übertragung nutzen und so den Datendurchsatz und die Stabilität eines Funknetzes erhöhen. Die räumliche Dimension ergibt sich durch eine bestimmte Anordnung der Antennen. Da jedes Signal des Antennenverbunds durch die räumlich getrennte Übertragung in unterschiedlicher Stärke und Laufzeit sowie einem leicht versetzten Einfallswinkel beim Empfänger eintrifft, entsteht für jede einzelne Antenne eine Art Fingerabdruck.

Der Empfänger kann daher jeden einzelnen Datenstrom einer bestimmten Antenne des Senders zuordnen und die Datenströme wieder entsprechend zusammensetzen. Man kann sich den Empfang der Daten, die parallel über mehrere Antennen gesendet werden, wie bei einem Download-Manager vorstellen. Dieser lädt eine Datei in mehreren Stücken gleichzeitig von einem Server und erkennt, welche Daten bereits geladen wurden. So kann er die Bandbreite der Verbindung optimal nutzen und die verschiedenen Teile eines Downloads wieder in der richtigen Reihenfolge zusammensetzen.

Der Sender kann wiederum ermitteln, wo sich der Empfänger befindet, was "Beamforming" ermöglicht. Mit Beamforming lenkt der Sender das Signal in Richtung des Empfängers, um diesem ein qualitativ besseres Signal zu bieten.

Um das MIMO-Verfahren in vollem Umfang auszuschöpfen, müssen Sender und Empfänger über die gleiche Anzahl Antennen verfügen. Nimmt man beispielsweise einen 4x4 MU-MIMO-Router und ein WLAN-Gerät mit 2x2 MIMO, kann das WLAN-Gerät nur die Hälfte der WLAN-Geschwindigkeit erreichen, die der WLAN-Router zur Verfügung stellt.

 

SU-MIMO (Single-User-MIMO)

Bei den WLAN-Standards 802.11n und dem ersten Teil von 802.11ac kann mit der MIMO-Technik nur ein Empfänger zur gleichen Zeit Daten erhalten. Erst nach Abschluss einer Übertragung kommt der nächste Empfänger an die Reihe. Wenn beispielsweise ein WLAN-Gerät mit 2x2 MIMO von einem WLAN-Router mit 3x3 MIMO Daten erhält, bleibt ein Drittel der Bandbreite für die Dauer der Übertragung ungenutzt. Kommt anschließend ein WLAN-Gerät mit nur einer Antenne an die Reihe, können zwei Drittel der Bandbreite für die Dauer dieser Übertragung nicht genutzt werden.

 

MU-MIMO (Multi-User-MIMO)

Das im WLAN-Standard 802.11ac Wave 2 definierte MU-MIMO kann mehrere Empfänger zur gleichen Zeit mit mehreren Datenströmen versorgen. Wenn beispielsweise ein WLAN-Gerät mit 2x2 MIMO (z.B. FRITZ!WLAN Stick AC 860) von einem 4x4 MU-MIMO-Router (z.B. FRITZ!Box 7590) Daten erhält, können zeitgleich entweder zwei WLAN-Geräte mit einer einzelnen Antenne oder ein weiteres WLAN-Gerät mit zwei Antennen versorgt werden. Empfänger mit 4 Antennen (z.B. FRITZ!WLAN Stick AC 430 MU-MIMO), können hingegen die volle Bandbreite eines 4x4 MU-MIMO-Routers ausschöpfen und so als einzelner Emfänger in einem Intervall alle vier Streams des 4x4 MU-MIMO-Routers gleichzeitig empfangen.

Durch die Reduzierung der Wartezeit für alle Geräte verbessert sich der Datendurchsatz im gesamten WLAN-Funknetz. MU-MIMO wirkt sich somit auch positiv auf WLAN-Verbindungen von Geräten aus, die das Verfahren nicht beherrschen.

Da zusätzlich durch Beamforming eine Richtwirkung zum jeweiligen Empfänger erzeugt werden kann, kommt das Signal in besserer Qualität beim Empfänger an. Weil dadurch weniger Fehler bei der Übertragung auftreten, muss diese nicht so oft wiederholt werden, was die Geschwindigkeit weiter erhöht. Tablets, Smartphones oder andere mobile Geräte mit nur einer einzelnen Antenne können durch den zügigen Datentransfer ohne lange Wartezeit schneller wieder in einen Sparmodus wechseln, was sich wiederum positiv auf die Akkulaufzeit auswirkt.