5G-Mobilfunk: Massive MIMO vervielfacht Zell-Kapazitäten

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Wie leistungsfähig die MIMO-Technik ist, belegt sie in WLAN-Geräten. Nun kündigt sich die nächste Entwicklungsstufe an, Massive MIMO mit hunderten von Antennen-Elementen. Feldversuche laufen unter anderem bei O2 in München.

Gleich mehrere Forschungsgruppen und Unternehmen melden vielversprechende Erfolge bei Feldversuchen mit Massive MIMO. Eine Gruppe, zu der Mitarbeiter von British Telecom, National Instruments und Forscher der Universitäten von Bristol und Lund gehören vermeldet dabei spektakuläre Steigerungsraten – die Rede ist vom Zehnfachen gegenüber herkömmlichen LTE-Mobilfunksystemen. Das ist bemerkenswert, weil weltweit Netzbetreiber über zu wenig Spektrum klagen und darin bisher große Hürden sehen, den steigenden Bedarf an Kapazitäten zu decken. Der Nachbrenner Massive MIMO erreicht die Steigerungsraten ganz ohne zusätzliches Spektrum.

Massive MIMO setzt ebenso wie gängiges MIMO, das man gut von WLAN-Geräten kennt, die Mehrwegeausbreitung von Signalen voraus (multipath propagation). Deshalb funktioniert die Technik am besten, wenn Signale auf dem Weg zu den Empfängern reflektiert werden. Das ist am ehesten in städtischen Gebieten der Fall. Ansonsten setzen die Forschungsgruppen gängige LTE-Technik in ihren Experimentiersystemen ein.

Die Gewinne resultieren vereinfacht gesagt daraus, dass in einer Zelle weit mehr räumlich separierte Datenströme zusammen mit Beamforming eingesetzt werden als bisher. Deshalb ist die Zahl der Antennenelemente deutlich höher als die Zahl der zu versorgenden Geräte. LTE kombiniert zurzeit maximal 8 Antennenelemente und versorgt so alle Teilnehmer einer Zelle. Massive MIMO kombiniert prinzipiell hunderte von Antennenelementen und koordiniert sie, um Teilnehmer gezielt mittels Beamforming zu versorgen. Weil die Energie per Vorkodierung auf einzelne Geräte ausgerichtet wird, sinken die Streuleistung und die Interferenz.

Welche Tests in den Feldversuchen laufen, darüber sprechen die Protagonisten generell ungern. Einige Details kann man aber leicht aus dem Thema selbst ableiten: Damit die Basisstation ihre Antennenelemente optimal und dynamisch auf die Nutzer ausrichten kann, braucht sie Rückmeldungen der zu versorgenden Geräte über Details des empfangenen Signals und die müssen präzise und schnell kommen. Mittels dieser Kanalinformationen muss dann eine große Zahl an RF-Transceivern synchronisiert werden. Und damit die Antennen überhaupt die vielen Signalwege mit Daten füttern können, müssen Datenbusse und Schnittstellen in den Basisstation beschleunigt werden. Fachleute schätzen, dass sie für Massive MIMO mindestens eine Größenordnung schneller werden müssen als sie es heute sind.

In herkömmlichen LTE-Netzen beliefert eine Basisstation die in ihrer Zelle angemeldeten Geräte nacheinander. So müssen sich alle Teilnehmer die Kapazität ihrer Basisstation teilen.
Bild: Nokia

Vervielfachte Kapazität

Auf dem Mobile World Congress führten Nokia und Sprint eine 64-Antennen-Konstellation vor. Gegenüber herkömmlichem LTE habe man so die Kapazität verachtfachen können. Nokia und Sprint reklamieren für sich als erste, “TDD-LTE-Spektrum mit 64 Antennenelementen für den Down- und Uplink” zu kombinieren.

Nokia setzt im Feldversuch seine neue AirScale-Technik ein. Auf dem Mobile World Congress demonstriert das Unternehmen 3D-Beamforming, mittels dem sich einzelne Teilnehmergeräte gezielt versorgen lassen. Gegenüber LTE erzielt Nokia so laut eigenen Angaben eine Verachtfachung der Uplink-Datenrate und eine Verfünffachung der Downlink-Datenrate. Dabei werden acht kommerziell erhältliche Geräte im 2,5-GHz-Band per TDD versorgt (Time Division Duplex).

Massive MIMO in München

Der Münchener Netzbetreiber Telefónica meldet, Massive MIMO im 3,5-GHz-Band mit Huawei-Technik eingesetzt zu haben. Im O2-Mobilfunknetz in München habe die Firma “16 Endgeräte über ein 20 MHz-Spektrum auf dem 3,5-GHz-Band mit einer Peak-Downlinkrate von 650 MBit/s” versorgt. So sei die Kapazität gegenüber herkömmlichem LTE um das Fünffache gesteigert worden. Die neue Antennentechnik eigne sich besonders gut in Kombination mit 3,5-GHz-Frequenzen zur Versorgung dicht besiedelter Gebiete. Dazu zählen Bahnhöfe, Stadien, Einkaufszentren oder Hochhäuser. Telefonica führt auf, unter Einsatz der Massive-MIMO-Technik Angebote für “mobiles Breitband zu Hause” entwickeln zu wollen. Huawei propagiert die Technik unter der Bezeichnung Wireless Fiber To The X (WTTx) und meint damit eine schnelle Alternative zu Glasfaseranschlüssen, die bis in die Gebäude reichen.

Telefónica testet auch mit ZTE

Die spanische Mutter von Telefónica O2 hat Massive MIMO im Dezember 2016 hingegen mit dem Ausrüster ZTE getestet. Die Ergebnisse der Versuchsreihen hätten “alle Erwartungen übertroffen”, meldete ZTE: Neben einer erhöhten Netzkapazität sei eine Steigerung der Datenrate im Zellenrandbereich bis zum Sechsfachen der herkömmlichen LTE-Leistung gelungen. Zusätzlich habe das mit Massive MIMO eingesetzte 3D-Beamforming Störungen für Endanwender gesenkt – also wie erwartet, Interferenzen gemindert.

Für den Test habe man die Anwendungen Virtual Reality und Streaming von 2K-Videos mit kommerziell erhältlichen 4G-Endgeräten eingesetzt. Auch in Madrid sieht man Massive MIMO als eine Technik an, die die letzte Meile zum Kunden überbrücken kann, also für mobiles Breitband zu Hause. Details zu den Feldversuchen in München und Madrid fehlen freilich – offen ist in beiden Fällen, wieviele Antennenelemente eingesetzt worden sind, welche Reichweiten erzielt wurden oder auch, welche LTE-Gerätekategorien auf Seiten der Teilnehmer zum Einsatz kamen.

Mit Massive MIMO kann eine Basisstation mehrere Teilnehmer gleichzeitig versorgen und jeden mittels Beamforming zielgenau ansteuern. So sinkt die ungeliebte Streuleistung, also der Anteil der Energie, der sinnlos am eigentlichen Teilnehmer vorbei in die Zelle geblasen wird. Entsprechend nimmt auch die durchsatzsenkende Interferenz ab.
Bild: Nokia 100 Bit/s pro Hz

Einem Team von Ingenieuren der Universitäten von Bristol und Lund sowie der Unternehmen National Instruments und British Telecom sind kürzlich bemerkenswerte Fortschritte gelungen. Die Gruppe prüfte die Technik in einer großen Halle, die Bedingungen eines Stadions liefern sollte und zudem auf dem hauseigenen Campus im britischen Suffolk. Die Tests in der Halle liefern Aufschluss über grundlegende Versorgungseigenschaften für viele weitgehend unbewegte Empfänger, die auf dem Campus schließen mobile Versorgung ein. Das Testsystem erzielte Durchsatzraten bis fast 100 Bits/s pro Hz. Das sei etwa das Zehnfache aktueller LTE-Systeme, erklären die Partner.

Das Antennensystem besteht aus 128 Elementen und funkt wie die Huawei-Elemente in München im 3,5-GHz-Band. In ersten Durchläufen gelang es, 12 Streams auf einem ebenfalls nur 20 MHz breiten Kanal zu nutzen. Über 10 der 12 Streams lieferte die Basisstation 10 unterschiedliche Videos aus. Später gelang es, 24 Streams aufzusetzen. Die Modems lieferten Daten mittels 64QAM aus. Unterm Strich erreichte das System eine Summendatenrate von rund 2 GBit/s über einen einzigen 20 MHz breiten Kanal.

Die Massive-MIMO-Technik stammt weitgehend vom Ausrüster National Instruments. Wesentliche Elemete sind eine SDR-Platform (Software-Defined Radio), FPGAs und ein erstes Application Framework für Massive MIMO. Details zu diesem Experimentiersystem sind hier einsehbar. Viele Ergebnisse der Feldversuche seien in die Weiterentwicklung des Frameworks geflossen, das nun eine Grundlage für die Optimierung und Evaluierung von Algorithmen und Techniken für Massive MIMO bilde, melden die Protagonisten. Im nächsten Schritt wollen die Forscher die gesammelten Ergebnisse gründlich analysieren und veröffentlichen. (dz)

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