Schlüsseltechnologie für Mobilfunk der vierten Generation >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Ein Gigabit pro Sekunde als Ziel

Mehrfach rein, mehrfach raus – auf diesen verkürzten Nenner lassen sich MIMO- Verfahren (Multiple Input Multiple Output) bringen. Als Mobilfunktechnologie der vierten Generation sollen sie die Übertragungsleistung verbessern und mobilen Anwendungen wie Video-Telefonie und Internet mit Handys, Smartphones und Notebooks zum Durchbruch verhelfen. Mit theoretischen und simulationsgestützten Untersuchungen trägt das Institut für Nachrichtenübertragung (INÜ) der Universität Stuttgart maßgeblich zur Erforschung dieser Systeme bei.

Testgelände für die 4. Mobilfunkgeneration bei den T-Labs der Deutschen Telekom am Ernst-Reuter-Platz in Berlin.

Seit man mit dem Handy nicht nur telefonieren, sondern auch im Internet surfen, Bilder verschicken oder Musik hören kann, steht die Mobilfunkbranche immer wieder vor dem selben Problem: Die Übertragungskapazität der gebräuchlichen Mobilfunkstandards, messbar anhand der so genannten Bitrate, ist zwar für die Sprachübertragung mehr als ausreichend. Für die immer aufwändigeren breitbandigen Multimedia-Anwendungen dagegen stellte und stellt sie eine Grenze dar. Mit verschiedenen technologischen Ansätzen wurde in den vergangenen Jahren intensiv daran gearbeitet, die Bitraten auszuweiten. So bringt es der Mobilfunkstandard der dritten Generation, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), inzwischen auf eine Übertragungsrate von zwei Megabits pro Sekunde und Funkzelle, mit Erweiterungen sind bis zu sieben Megabits möglich. Doch für künftige Anwendungen, beispielsweise in der Telemedizin mit ihren hohen Anforderungen, reicht auch das nicht aus. Ferner erwartet der private und geschäftliche Nutzer bei mobilen Internetanwendungen künftig denselben Komfort wie am PC mit Festnetzanschluss. Diesen Durchbruch soll nun das MIMO-Verfahren bringen. Bereits seit etwa zehn Jahren arbeitet man an dem Prinzip, das zunächst recht einfach klingt: Um die Kanalkapazität zu erhöhen, werden sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite mehrere benachbarte Antennen eingesetzt und mit geeigneten Übertragungsverfahren kombiniert. Das Verfahren ist nicht nur im Mobilfunk einsetzbar, sondern beispielsweise auch bei drahtlosen Hausnetzen (WLAN), wo die Nutzer auf größere Entfernungen, bessere Übertragungsqualität und höhere Bitraten hoffen dürfen.

Von der Gleichung „Doppelte Antennenzahl gleich doppelte Bitrate“ sind die Wissenschaftler allerdings noch ein gutes Stück entfernt. Denn die zusätzlichen Signale werden zur selben Zeit und im selben Frequenzbereich übertragen. Dabei entstehen räumliche Überlappungen, die wiederum die Kanalkapazität reduzieren. Eine der Forschungsaufgaben besteht denn auch darin, die Bitströme getrennt zu codieren, damit sich diese nicht gegenseitig beeinflussen können (Räumlicher Multiplex).

MIMO-Verfahren können nicht nur die Übertragungskapazitäten steigern, sie sind auch ein Weg, um die Störanfälligkeit von Mobilfunkverbindungen zu reduzieren. „Sende- oder Empfangsdiversität mit Raum-Zeit-Kodierung“ heißt der Ansatz, der darauf basiert, dass sich bei MIMO-Verfahren mehrere Kanäle ausbilden. Störfaktoren wie etwa ein Baum beeinträchtigen die Übertragungsgüte in den einzelnen Kanälen unterschiedlich stark, schwache Signale werden durch ein Signal aus einem anderen Kanal kompensiert. Bei gleicher Übertragungsrate ist die Empfangsqualität dadurch insgesamt besser.

Zielorientierte „Keulen“
Um die Sendeleistung effektiverer zu nutzen, arbeiten die Wissenschaftler zudem daran, das Strahlungsfeld gezielt zu formen. Bei diesem als „beamforming“ bezeichneten Verfahren werden die Signale der einzelnen Antennenelemente über einstellbare digitale Phasenschieber und Verstärkungsfaktoren so kombiniert, dass eine bestimmte Richtwirkung entsteht. Das Ergebnis sind adaptive intelligente Antennen, die ihre Strahlung nicht wie bisher etwa kreisförmig abgeben, sondern als keulenförmige Felder, die gezielt auf die Empfängerantenne gerichtet sind. Dadurch kann die Sendeleistung reduziert werden, die in der Öffentlichkeit viel diskutierte Strahlenbelastung sinkt.

Doch wie findet das Signalbündel einen Handynutzer, der sich in einem ICE bei Tempo 200 durch die Lande bewegt? „Bei diesem Problem lässt sich die lineare Algebra mit der Matrizenrechnung in aller Schönheit anwenden“, schmunzelt der Leiter des INÜ, Prof. Joachim Speidel, „da sind dann wir gefragt.“ Das Institut untersucht die Leistungsfähigkeit von MIMO-Systemen mit theoretischen und simulationsgestützten Methoden. Zu den Schwerpunkten gehören die analytische Berechnung von Bitfehlerwahrscheinlichkeiten, die Bestimmung des Übertragungsverfahrens mit bestmöglicher Bitrate oder deren Anpassung an den momentanen Zustand des Übertragungskanals. Im Einzelnen befassen sich die Stuttgarter Wissenschaftler beispielsweise mit Verfahren zur Kanalkodierung. Dabei werden den Informationsbits weitere Schutzbits hinzugefügt, die gewährleisten sollen, dass Bit-Fehler beim Durchlaufen des MIMO-Kanals reduziert beziehungsweise repariert werden. Ein weiteres Augenmerk gilt der Frage, wie die Empfangsantenne aus der Vielzahl an Signalen die richtigen erkennen und zusammensetzen kann. Dies geschieht mit Hilfe von stochastischen Verfahren.

Drei räumlich getrennte Nutzer in einem Netz werden von einer „intelligenten Antenne“ gezielt angesprochen. (Foto und Grafik: Institut)

Dank der MIMO-Technologie sollen schon in wenigen Jahren Bitraten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde und Funkzelle möglich werden. So jedenfalls lautet eines der Ziele des Verbundforschungsprojekts EASY-C (Enablers for Ambient Services and Systems – Wide Area Coverage), an dem mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung die Universitäten Paderborn und Stuttgart, die TU Dresden, die Mobilfunkbetreiber T-Mobile und Vodafone sowie weitere Industrie- und Forschungspartner beteiligt sind. Unter anderem ist auch die Firma Alcatel-Lucent mit von der Partie, die in Stuttgart eines der größten Forschungslabors, die Bell Labs Germany, betreibt und mit der die Universität Stuttgart seit vielen Jahren erfolgreich in der Forschung zusammen arbeitet.

Die leistungsstarken MIMO-Verfahren gelten als Schlüsseltechnologie für das kommende mobile Internet, um neue, breitbandige Dienste im geschäftlichen und privaten Bereich zu ermöglichen, so zum Beispiel Bild- und Videoinformationen, die dem Kunden genau an den richtigen Ort gesendet werden, an dem er sie gerade benötigt. Erste Prototypen sollen Ende nächsten Jahres in Testnetzen in Berlin und Dresden zum Einsatz kommen. Von „Handys“ wird man dann übrigens zunächst kaum reden können, denn die ersten Endgeräte werden noch so groß sein, dass sie eben mal in einem Einkaufswagen zu transportieren sind. Doch die Mikroelektronik wird bald dafür sorgen, dass auch der Mobilfunk der vierten Generation in die Jackentasche passt. amg

KONTAKT
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Prof. Joachim Speidel
Institut für Nachrichtenübertragung
Tel. 0711/685-68016
e-mail: joachim.speidel@inue.uni-stuttgart.de

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