Obwohl die Unternehmen der Welt die neueste drahtlose Infrastruktur, bekannt als 4G LTE, geschaffen haben, nimmt in einem Labor der Rice University in Texas ein neues Gerät mit 96 Antennen Gestalt an, das dazu beitragen könnte, die nächste Generation der drahtlosen Technologie zu definieren.
Die als Argos bekannte „Rice-Anlage“ stellt das größte bisher gebaute System dar und dient als Testplattform für ein Konzept namens „Massive MIMO“.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) ist eine Technik für drahtlose Netzwerke, die Daten effizienter überträgt. Sie nutzt mehrere Antennen, um ein natürliches Phänomen auszunutzen: die Reflexion von Signalen auf ihrem Weg zum Empfänger. Dieses Phänomen, bekannt als Mehrwegeausbreitung, kann Interferenzen verursachen. MIMO passt den Zeitpunkt der Datenübertragung an, um den Datendurchsatz durch die Nutzung dieser reflektierten Signale zu erhöhen.
MIMO wird bereits für 4G LTE und die neueste WLAN-Technologie (802.11ac) eingesetzt, verwendet dabei aber üblicherweise nur wenige Sende- und Empfangsantennen. Massive MIMO erweitert diesen Ansatz durch den Einsatz mehrerer oder sogar Hunderter Antennen. Dadurch wird die Kapazität weiter erhöht, indem die Signale gezielt auf einzelne Nutzer ausgerichtet werden und so zahlreiche Signale gleichzeitig über dieselbe Frequenz gesendet werden können. Eine frühere Version von Argos mit 64 Antennen demonstrierte, dass die Netzwerkkapazität um mehr als das Zehnfache gesteigert werden kann.
„Mit mehr Antennen können wir mehr Nutzer bedienen“, sagt Lin Zhong, außerordentlicher Professor für Informatik an der Rice University und Co-Leiter des Projekts. Die Architektur erlaube zudem eine einfache Skalierung auf Hunderte oder sogar Tausende von Antennen, fügt er hinzu.
Massive MIMO benötigt mehr Rechenleistung, da Basisstationen Funksignale direkter an die empfangenden Mobiltelefone senden. Dies wiederum erfordert zusätzliche Rechenleistung. Ziel des Argos-Testsystems ist es, den Nutzen in der Praxis zu ermitteln. Die im gesamten Testgelände verteilten Prozessoren ermöglichen die Erprobung verschiedener Netzwerkkonfigurationen, einschließlich der Zusammenarbeit mit einer weiteren neuen Generation von Basisstationen, den sogenannten Small Cells, die kleinere Bereiche versorgen.
„Massive MIMO ist ein intellektuell interessantes Projekt“, sagt Jeff Reed, Direktor des Forschungszentrums für drahtlose Kommunikation an der Virginia Tech. „Man will wissen: Wie skalierbar ist MIMO? Wie viele Antennen können davon profitieren? Diese Projekte versuchen, diese Fragen zu beantworten.“
Eine Alternative oder vielleicht ein ergänzender Ansatz zu einem potenziellen 5G-Standard wären extrem hohe Frequenzen um 28 Gigahertz. Die Wellenlängen in diesem Frequenzbereich sind etwa zwei Größenordnungen kleiner als die Frequenzen, die heute in der Mobilfunkkommunikation verwendet werden. Dadurch könnten mehr Antennen auf demselben Raum untergebracht werden, wie beispielsweise in einem Smartphone. Da 28-Gigahertz-Signale jedoch leicht von Gebäuden und sogar von Vegetation und Regen blockiert werden, galten sie bisher nur für spezielle Anwendungen mit Sichtverbindung als nutzbar.
Samsung und die New York University haben jedoch gemeinsam an einer Lösung für dieses Problem gearbeitet, ebenfalls mithilfe von Mehrantennen-Arrays. Diese senden dasselbe Signal über 64 Antennen, teilen es auf, um die Leistung zu steigern, und ändern dynamisch, welche Antennen verwendet werden und in welche Richtung das Signal gesendet wird, um Umwelteinflüsse zu vermeiden.
Inzwischen konzentrieren sich einige Experimente darauf, die Grenzen der bestehenden 4G-LTE-Technologie auszuloten. Theoretisch kann die Technologie 75 Megabit pro Sekunde übertragen, in der Praxis sind es jedoch weniger. Einige Studien deuten darauf hin, dass durch die Kombination von Datenströmen aus mehreren Funkkanälen höhere Geschwindigkeiten möglich sind.
Neue Forschungsergebnisse von Argos und anderen Laboren für drahtlose Kommunikation werden dazu beitragen, einen neuen 5G-Telefoniestandard zu definieren. Unabhängig von den Details wird dieser voraussichtlich eine stärkere Spektrumsnutzung, kleinere Sender, neue Protokolle und neue Netzwerkdesigns umfassen. „Die Einführung einer neuen drahtlosen Technologie ist ein gewaltiges Unterfangen“, so Marzetta.
Von David Talbot, MIT
