Massive MIMO

Seit dem 3GPP Release-10 finden Mobilfunksysteme der vierten Generation mit einer großen Anzahl von Antennen ihre Anwendung. Diese Techniken werden in RAN1 unter dem Stichwort Full-Dimension MIMO geführt und sollen Bedarf nach stetig steigender Spitzendatenraten in den Funkzellen lösen. Dies wird über Mechanismen des Multi-User Muliplexing, d.h. der gleichzeitigen Versorgung von einer Vielzahl an Nutzern auf den selben Zeit- und Frequenzresourcen über die räumliche Dimension ermöglicht. In der fünften Generation des Mobilfunkstandards soll die Anzahl aktiver Antennenelemente deutlich gesteigert werden, d.h hin zu Massive MIMO, so dass die Datenraten deutlich über 1 GBit/s liegen werden. Dies erfordert wesentliche Änderungen gegenüber des 4G Standards um einen kosteneffizienten Betrieb zu gewährleisten. So müssen mehrstufige Precoding-Verfahren dahingehend erweitert werden, so dass eine außerordentlich große Anzahl von Antennenelementen in sogenannte Sub-Antennenarrays aufgeteilt werden können. Nur noch innerhalb eines solchen Sub-Antennenarrays werden dann zukünftig Precoding-Gewichte kohärent adaptiert, wohingegen eine Phasensteuerung verschiedener Sub-Antennenarrays lediglich auf langsamer Zeitbasis nachgesteuert bzw. koordiniert werden können [1]. In zukünftigen Diskussionen werden unterschiedliche Antennen-Geometrien eine wichtige Rolle spielen um die heterogenen Anforderung im zellularen System zu erfüllen. So können beispielsweise sogenannte planare Antennenarrays eingesetzt werden um in einem festdefinierten Bereich eine Vielzahl an unterscheidbaren Beams auszuformen [METIS]. Im Gegensatz dazu können (teil-) zirkulare Antennenarrays idealerweise eingesetzt werden um einen größeren Winkelbereich gleichmäßig auszuleuchten und gleichzeitige eine variable Sektorisierung zu erzielen [One5G].

Eine weitere Anwendung von Massive MIMO Systemen nutzt die präzise räumliche Unterscheidbarkeit von Funksignalen aus. So können Massive MIMO Systeme eingesetzt werden um die Positionserfassung von Endgeräten, die im 5G Standard nicht mehr zwingend durch Menschen repräsentiert werden, zu verbessern. Eine präzise Positionsdatenerfassung ist für alle autonomen Flug- und Fahrzeuge unabdingbar. In typischen zellularen System lässt sich somit die Positionsbestimmung über den Mobilfunk von heutzutage ca. 50 m Genauigkeit auf unter 1 m Genauigkeit – ohne Verwendung von sogenannte GNS Systemen (global navigation satellite system) - verbessern. Eine neue Anwendung dieses Potentials untersucht das Projekt MIDRAS [2] zur räumlichen Detektion und zur gezielten Störung von nicht genehmigten, zivilen Mikro-Drohnen mittels verteilter Massive MIMO Antennensysteme.

Quellen:

[1] M. Kurras, L. Thiele and G. Caire, “Interference Mitigation and Multiuser Multiplexing with Beam-Steering Antennas”, WSA 2015; 19th International ITG Workshop on Smart Antennas; Proceedings of, pp. 1-5, March. 2015,

[2] MIDRAS: Mikro-Drohnen-Abwehr-System