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Entmystifizierung der MU-MIMO-Technologie in Wi-Fi 6

Aktualisierung: 15. Mär 2023 by
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Einige einschüchternde und rätselhafte Begriffe wie MIMO, Spatial Streams und Spatial Multiplexing können einem Neuling unter den Netzwerkmanagern bei der Einrichtung von drahtlosen Netzwerken den Kopf verdrehen. Ein besseres Verständnis dieser Techniken, die in Wi-Fi 6 verwendet werden, minimiert die Verwirrung und führt zu klügeren Entscheidungen bei der Auswahl der entsprechenden Produkte oder der Gestaltung der Netzwerkbereitstellung.

Was ist MU-MIMO?

MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) bezeichnet mehrere Antennen, die gleichzeitig für die Übertragung verwendet werden, und mehrere Antennen, die gleichzeitig für den Empfang über einen Funkkanal verwendet werden. Konkret bedeutet „Multiple-Input“ mehrere Sendeantennen, die ein Funksignal in den Kanal einspeisen; „Multiple-Output“ bedeutet zahlreiche Empfängerantennen, die den Output des Kanals in den Empfänger übernehmen.

MU-MIMO steht für Multi-User Multiple-Input Multiple-Output. Es ist eine der wichtigsten Funktionen des neuesten Wi-Fi-Technologiestandards 802.11ac Wave 2 (d. h. 802.11ac 2.0-Standard), der die Funktionsweise von Wi-Fi-Netzwerken revolutionieren kann, indem er den Gesamtdurchsatz und die Kapazität des Netzwerks deutlich erhöht und die Geschwindigkeit des Internetzugangs verdreifacht.

Je nach Anzahl der Antennen gibt es SISO-, SIMO-, MISO- und MIMO-Systeme. MIMO-Systeme bieten dank der Mehrfachantennen einen Multiplexing- und Diversity-Gewinn. Stimmt es also, dass „je mehr, desto besser“ ist? Normalerweise kann das Hinzufügen weiterer Antennen am Sender oder Empfänger die Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindung, den Durchsatz zwischen Sender und Empfänger oder beides verbessern.

MU-MIMO

Multi-User-MIMO-Algorithmen werden entwickelt, um MIMO-Systeme zu verbessern, wenn die Anzahl der Nutzer oder Verbindungen größer als eins ist. MU-MIMO ist die Weiterentwicklung von Single-User-MIMO (SU-MIMO). Bei MU-MIMO teilt der Router die verfügbare Bandbreite in einzelne Streams auf, die sich die Verbindung gleichmäßig teilen. MU-MIMO-Router gibt es in den Varianten 2x2, 3x3 oder 4x4, die sich auf die Anzahl der Streams (zwei, drei oder vier) beziehen, die vom Router erzeugt werden. Jeder Access Point (AP) oder Router hat eine bestimmte feste Anzahl von Streams, die er unterstützt.

MU-MIMO

MU-MIMO: Vorteile

Die MU-MIMO-Technologie nutzt den Multiplexing-Gewinn mehrerer Antennen, um den Systemdurchsatz zu erhöhen. Der Durchsatz von drahtlosen Netzwerken, die MU-MIMO verwenden, ist in der Regel 2-3 Mal höher als bei SU-MIMO. Je mehr Antennen ein AP hat, desto mehr Platzressourcen hat er und desto mehr Durchsatz kann er verbessern.

Die MU-MIMO-Technologie nutzt den Diversitätsgewinn mehrerer Antennen zur Verbesserung der Systemleistung. MU-MIMO ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Daten durch mehrere Geräte, wodurch die Datenübertragung in drahtlosen Netzwerken effizienter wird und die Wartezeit der Endgeräte bei der Zeitmessung verkürzt wird, wodurch die Anforderungen von Video-, Audio- und anderen Anwendungen mit hohem Datenverkehr und geringer Latenz besser erfüllt werden.

MU-MIMO trägt dazu bei, den Wert von Wi-Fi-Geräten zu maximieren. Das Signal des MU-MIMO-Routings wird in mehrere Teile in drei Dimensionen aufgeteilt: Zeitbereich, Frequenzbereich und Luftbereich, als ob mehrere verschiedene Signale gleichzeitig ausgesendet würden. MU-MIMO-fähige Router sind in der Lage, mit mehreren Geräten gleichzeitig zu arbeiten. Besonders erwähnenswert ist, dass sich mehrere Endgeräte gegenseitig nur minimal stören und die Ressourcen maximiert werden. Die MU-MIMO-Technologie erhöht also die Kapazität und Effizienz des Routers und ermöglicht es ihm, mehr WiFi-intensive Aktivitäten zu bewältigen.

Wie funktioniert MU-MIMO?

MU-MIMO ist mit einer Beamforming-Technik gekoppelt, um die gleichzeitige Kommunikation über mehrere Endgeräte zu ermöglichen. Im Gegensatz zu MIMO, bei dem jede Antenne einen anderen räumlichen Datenstrom sendet, wird beim Beamforming derselbe Datenstrom über mehrere Antennen mit absichtlichen Zeitversätzen gesendet, um die Reichweite zu erhöhen.

Die Phase jedes Datenstroms wird von allen Antennen zu unterschiedlichen Zeiten übertragen, so dass diese verschiedenen Signale an einem Punkt im Raum (d. h. am Standort des Empfängers) konstruktiv interferieren und dadurch die Signalstärke an diesem Ort erhöhen. Bei der Verwendung von Rundstrahlantennen wird das erzeugte Muster effektiv richtungsabhängig. Transmit Beamforming kann daher nur funktionieren, wenn der Sender den Standort des Empfängers über die Verwendung von Sounding Frames ableiten kann.

MU-MIMO bringt diesen Prozess noch einen Schritt weiter. Durch das Hinzufügen weiterer Funkketten/Antennen kann ein AP das phasengesteuerte Antennenmuster steuern, um zu kontrollieren, wo das Signal am stärksten und wo das Signal am schwächsten ist. Mit einer ausreichenden Anzahl von Antennen und dem Wissen über die relativen Positionen aller verbundenen Client-Geräte kann ein AP ein phasengesteuertes Muster erstellen, um mit mehreren Clients sowohl unabhängig als auch gleichzeitig zu sprechen. Durch den Einsatz der MU-MIMO-Technologie (Multi-User Multiple-Input, Multiple-Output) kann ein drahtloser AP zum ersten Mal an mehrere Wi-Fi-Client-Geräte gleichzeitig senden.

Wi-Fi 6 – Anwendung von MU-MIMO-Technologien mit Diversität

Wie bereits erwähnt, führen mehr räumliche Streams zu einem höheren Durchsatz, allerdings auch zu höheren Hardwarekosten. Ein einzelnes Funkgerät eines Wi-Fi 6-APs der Unternehmensklasse unterstützt bis zu acht räumliche Streams und liefert einen Durchsatz von bis zu 9,6 Gbit/s. Wi-Fi 6 birgt ein enormes Kapazitätspotenzial und bietet räumliche Vielfalt für MU-MIMO-Anwendungen. Unternehmen müssen APs auf der Grundlage ihrer Serviceanforderungen auswählen, um die kostengünstigste Lösung zu finden. Darüber hinaus treiben die sich ständig ändernden Servicemodelle die Unternehmen dazu, APs mit mehr räumlichen Streams für die Bereitstellung von Wi-Fi 6-Netzwerken auszuwählen.

Servicetyp Service-Bandbreite (Mbps)
Ausgezeichnet Gut
Web 8 4
Video Streaming (1080p) 12 8
Video Streaming (4K/VR) 50 22
VoIP (Voice) 2 1
Elektronisches Whiteboard 32 16
Email 10 4
Dateiübertragung 32 16
Desktop-Freigabe 4 2

Die meisten Unternehmen, die Netzwerke aufbauen, benötigen mindestens 30 bis 40 gleichzeitige Stationen (STAs), die mit jedem AP verbunden sind, um die Anforderungen der täglichen Produktion oder des Betriebs zu erfüllen. Wenn Dienste auf 20 STAs gleichzeitig initiiert werden, entspricht die bereitgestellte Bandbreite eines 2x2 MU-MIMO Wi-Fi 6 APs der Unternehmensklasse nur den Dienstanforderungen von 1080p-Videostreaming. Für diese Art von Situation sind Wi-Fi 6 APs, die im 4x4 MU-MIMO-Modus oder höher arbeiten, besser geeignet. Unterschiedliche STA-Typen veranlassen Unternehmen dazu, APs mit mehr räumlichen Streams in Wi-Fi 6-Netzwerken auszuwählen. Wi-Fi 6 AP mit 2x2 MIMO-Konfiguration und Wi-Fi 6 AP mit 4x4 MIMO-Konfiguration sind die beiden gängigsten Typen auf dem Markt.

Abschließende Überlegungen

Als eine der Schlüsseltechnologien hat sich die MIMO-Technologie in den letzten Jahren im Bereich der drahtlosen Kommunikation durchgesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt. Als erweiterte Version der MIMO-Technologie ist die MU-MIMO-Technologie die treibende Kraft für das im Trend liegende Wi-Fi 6. Da die Zahl der Wi-Fi 6-fähigen STAs weiter zunimmt, werden drahtlose Netzwerke mit Wi-Fi 6-APs der Unternehmensklasse beliebter als je zuvor. Bei der Aufrüstung bestehender Wi-Fi-Netzwerke oder der Einrichtung neuer Wi-Fi-Netzwerke ist Wi-Fi 6 die offensichtliche Wahl für Unternehmen. Und mit der Entwicklung komplett drahtloser Netzwerke wird die digitale Transformation der Unternehmen entsprechend beschleunigt.

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