Was ist MU-MIMO?

3x3, 4x4 oder gar 8x8 – Was steckt hinter diesen Angaben, die sich unter MU-MIMO oder MIMO-Fähigkeiten in Gerätebeschreibungen von Access Points und WLAN-Routern finden lassen?

Fangen wir mal von hinten an. MIMO steht für Multiple Input, Multiple Output und beschreibt in der WLAN-Technik die Verwendung von mehreren Sende- und Empfangsantennen, um das Übertragungsmedium Luft besser zu nutzen. 3x3 steht beispielhaft für 3 Sendeantennen und 3 Empfangsantennen.

Das Medium wird bereits in der zeitlichen Dimension mehrfach genutzt, indem die Datenpakete unterschiedlicher Teilnehmer zeitlich hintereinander angeordnet werden. In der Dimension Frequenz wird das verfügbare Spektrum in mehrere Abschnitte – Kanäle – aufgeteilt, um parallele Datenübertragungen kollisionsfrei zu ermöglichen.

MIMO erweitert diese Mehrfachnutzung des Übertragungsmediums um eine räumliche Dimension. Durch den Abstand mehrerer Sendeantennen ergibt sich an jeder Empfangsantenne eine minimale Phasenverschiebung. Das Signal der Sendeantennen wird je nach deren Abstand räumlich versetzt also phasenverschoben empfangen (siehe Abbildung unten). Durch das zeitgleiche Eintreffen an mehreren Empfangsantennen, lassen sich Störungen herausrechnen. Wird die Phasenverschiebung noch auf Senderseite angepasst, lässt sich gezielt für einen bestimmten Empfangsbereich eine Signalverstärkung erreichen, man spricht vom Beamforming.

Mit dieser neuen Dimension entsteht Spielraum für Fehlertoleranz und -korrektur. Dieser lässt sich jedoch nicht nur für ein stabileres Signal verwenden, sondern auch für eine höhere Datendichte und Übertragungsrate. Bei MIMO werden nicht mehrfach die gleichen Signale versendet, sondern mit jeder Sendeantenne ein individueller räumlicher Datenstrom – ein Spatial Stream (SS). Die Obergrenze für die technisch möglichen Spatial Streams bildet dabei die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen.

Was bedeutet Multi-User in MU-MIMO?

Nun fehlt uns noch das MU in MU-MIMO. Es steht für Multi-User, also die zeitgleiche Versorgung mehrerer Nutzer oder Endgeräte mit einer MIMO-Antennen-Anordnung.

Kurz einen Schritt zurück. Mit 802.11n (Wi-Fi 4) wurde SU-MIMO eingeführt. Somit war es erstmals möglich EINEM Endgerät (Single-User) mehrere Datenströme zu senden. Die Datenraten stiegen linear mit Anzahl der Spatial Streams.  

Hier ein Beispiel mit Wi-Fi 4/802.11n, 20MHz Kanal, MCS 7:

  • 1 Spatial Stream – 72 Mbit/s
  • 2 Spatial Streams – 144 Mbit/s
  • 4 Spatial Streams – 280 Mbit/s

Mit Multi-User MIMO werden diese Datenströme jetzt noch auf mehrere Endgeräte aufgeteilt. Ein Access Point kann also zeitgleich Datenströme an ein Handy und an einen Laptop senden. Die Anzahl der gesamten Datenströme ist dabei durch die Anzahl der Sendeantennen des Accesspoints beschränkt. Die Anzahl der Spatial Streams je Endgerät durch die jeweilige Anzahl der Empfangsantennen des Endgerätes.

Phasenverschiebung

Beispiel: Der Ruckus R750 ist ein Access Point mit einer 4x4 MU-MIMO Antennen-Anordnung. Er versorgt ein aktuelles Smartphone mit einer 2x2 Antenne und einen Laptop mit einer 3x3 Antenne. Der AP teilt nun seine verfügbaren Datenströme auf die Endgeräte auf. Je nach aufkommendem Datenvolumen auf den beiden Endgeräten kann sich das dynamisch verändern. Mögliche Konstellationen sind:

  • 1 Spatial Stream Smartphone, 3 Spatial Streams Laptop
  • 2 Spatial Streams Smartphone, 2 Spatial Streams Laptop
  • 1 Spatial Stream Smartphone, 1 Spatial Stream Laptop

In der letzten Konstellation wurden die Datenströme nicht voll ausgeschöpft. Diese „freien“ Antennen können dann zur Verbesserung des Signals genutzt werden.

Die Nutzung von Multi-User MIMO ist nur möglich, wenn alle beteiligten Geräte den Standard 802.11ac Wave2 oder 802.11ax umsetzen. Dabei müssen Sender und Empfänger beidseitig zu MU-MIMO fähig sein.

Wie hoch ist die Sendeleistung von MU-MIMO Antennen?

Die Sendeleistung einer Mehrfach-Antennen-Anordnung ist den gleichen Richtwerten unterworfen, wie einfache Sendeeinrichtungen, die nur eine Antenne besitzen. Bei n Teilantennen hat jede eine maximale Sendeleistung von 1/n der zulässigen Sendeleistung. Beispielsweise sind in Europa auf den meisten 5GHz Kanälen maximal 200mW Sendeleitung erlaubt, Das heißt eine Teilantenne einer 4x4-Antennenanordnung darf maximal mit 50mW senden, um im Verbund den Grenzwert einzuhalten.

Aktuell gängige MU-MIMO Antennen

Ein aktueller Access Point (WLAN Router) mit 4x4 MIMO kann maximal 4 Spatial Streams versenden und empfangen. Ein gängiges mobiles Endgerät wie ein Tablet oder hochwertiges Telefon kann mit seiner 2x2 Antenneneinrichtung eben nur zwei Datenströme gleichzeitig empfangen und senden.  Nur High-End-Geräte wie professionelle Laptops haben derzeit eine 3x3 Antenne für WLAN.

Wichtig ist, die Beschriftung Wi-Fi 5 allein heißt nicht automatisch, dass ein Gerät MU-MIMO unterstützt, da erst die Geräte der zweiten Welle von 802.11ac dazu in der Lage sind.

8x8 Antennen-Arrays sind eher untypisch, da der Geschwindigkeitsgewinn nicht in einem sinnvollen Verhältnis zum Rechenaufwand und dem Energiebedarf steht. So hatte zum Beispiel der erste Wi-Fi 6 AP von Ruckus (R730) 8x8 Antennen, sprengte aber mit 31W Energiebedarf die Grenze von PoE+. Sein Nachfolger der R750 hat zwar „nur“ 4x4 Antennen, kommt aber dafür auch mit PoE+ zur Stromversorgung aus.

Ist MU-MIMO für mich relevant?

Ja und alle aktuellen Access Points unterstützen diese Technik auch. Es kann sinnvoll sein, alte Endgeräte auszumustern, damit flächendeckend MU-MIMO verwendet werden kann. Das ist auch im Allgemeinen ein guter Ratschlag, da veraltete Endgeräte die Access Points dazu zwingen alte Standards und Signalarten zu unterstützen, dadurch wird das ganze WLAN ausgebremst. Es fährt bildlich gesprochen ein klappriges Fahrrad auf der Autobahn, die dann kein anderer nutzen kann.

Wenn Sie sich fragen, welcher Access Points für Sie der richtige ist, oder was Sie noch beim Kauf beachten sollten, um Ihre Anforderungen umzusetzen, dann rufen Sie uns gerne an. +49 351 81077-47. Wir haben Spaß daran Sie gut zu beraten.

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