Hunderte Antennen pro Basisstation.
Netze der Zukunft

Antennenschwärme

Mit hunderten Antennen pro Basisstation steigen die Datenraten im Mobilfunk drastisch. So liefert "Massive MIMO" einen wichtigen Baustein für 5G.
Konzerte, Basketballspiele und eine Sonnenfinsternis – selbst die olympischen Winterspiele 2018 konnten Sportfans schon per Virtual Reality erleben. Die Daten für solche breitbandigen Anwendungen werden auch über Mobilfunknetze übertragen. Video- und Musikstreaming treiben den mobilen Datenverkehr ebenfalls in die Höhe, ebenso wie Informationen von immer mehr Maschinen, die ihren Status senden oder einen Techniker anfordern. Zwischen 2017 und 2021 wird der mobile Datenverkehr laut Cisco Visual Networking Index jedes Jahr um fast 50 Prozent steigen. Wie aber sollen die Netze die wachsende Last bewältigen?
Eine Möglichkeit ist natürlich eine höhere Bandbreite – das heißt: breitere Frequenzbereiche, über die Daten übertragen werden können. Doch die für den Mobilfunk nutzbare Bandbreite ist begrenzt – physikalisch, gesetzlich und durch die Aufteilung auf verschiedene Netzbetreiber. Zum Glück verfügen die Netze jedoch auch an anderer Stelle über Optimierungspotenzial: bei den Mobilfunkantennen. Und hier gibt es eine Technologie, die Wirtschaft und Forschung derzeit für sehr vielversprechend halten und intensiv vorantreiben: Massive MIMO. Das Prinzip ist simpel: mehr Antennen, mehr übertragene Daten.

Massive MIMO erhöht die Netzkapazität

Heutige LTE-Basisstationen verfügen meist nur über zwei Antennen. Diese arbeiten bereits mit dem Mehrantennenverfahren MIMO (Multiple Input, Multiple Output) – einer Technologie, die auch in neueren WiFi-Routern für den Heimbereich Standard ist. Eine hilfreiche Funktion von MIMO: Die zu übertragenen Daten können auf verschiedene Senderantennen aufgeteilt und von mehreren Empfängerantennen erfasst werden. So lassen sich über dasselbe Frequenzband gleichzeitig mehrere Endgeräte versorgen sowie in der Summe mehr Daten übertragen. Diese räumliche Trennung der Datenströme nennt sich "Spatial Multiplexing".
Um mit 5G, dem Mobilfunkstandard der nächsten Generation, die Datenmassen der Zukunft zu bewältigen, wollen Telekommunikationsunternehmen und Wissenschaftler das Potenzial von MIMO noch einmal steigern – mit hunderten Antennen pro Mobilfunk-Basisstation. Mit jeder Antenne steigt die Datenrate sowie die Anzahl möglicher Nutzer in einer Mobilfunkzelle.

Für optimale Übertragung: 5G-Forschung an der HfTL
Der neue Übertragungsstandard 5G bietet noch höhere Bandbreiten für noch mehr Teilnehmer. Damit der koordinierte Betrieb von Mobilfunkschnittstellen gelingen kann, ist aufwendige Hochfrequenzforschung notwendig.

Zielgerichtete Leistung dank Beamforming

Das hat außer der räumlich getrennten Datenübertragung noch einen weiteren Grund, das sogenannte Beamforming: "Je mehr Antennen ich habe, desto mehr kann ich die Übertragungsleistung bündeln und direkt auf den einzelnen Nutzer ausrichten", sagt Dr. Michael Einhaus, der an der Hochschule für Telekommunikation in Leipzig am Mobilfunk der Zukunft forscht. Dafür senden mehrere Antennen Signale an ein Endgerät; wann und wie stark diese ankommen, gibt Aufschluss über die Position des Endgeräts sowie über Hindernisse auf der Übertragungsstrecke. Mit diesen Informationen können die Antennen ihre Sendeleistung optimal Richtung Empfänger bündeln, anstatt die Funkwellen wie bisher in konzentrischen Kreisen zu verbreiten. Dieses Vorgehen erhöht nicht nur die Datenrate, sondern verbraucht auch weniger Energie.

Feldtests: Bis zu zehnmal mehr Daten

Wie hoch das Potenzial tatsächlich ist, das bleibt noch abzuwarten. Feldversuche steigerten die Datenrate im Vergleich zu LTE um das Achtfache mit 64 Antennen und um das Zehnfache mit 128 Antennen. Die Deutsche Telekom und Huawei führten im September 2017 einen gemeinsamen Feldversuch für Massive MIMO im 3,5-Gigahertz-Bereich und mit einer Bandbreite von 20 Megahertz durch. Dabei erreichten die Partner eine Übertragungsgeschwindigkeit, die sonst nur mehrere kombinierte Frequenzbänder erreichen: 750 Megabit pro Sekunde. Zum Vergleich: Mit LTE erreicht die Telekom – je nach Gerätetyp und Netzausbaugebiet – maximal 300 Megabit pro Sekunde im Download.

Zusammenspiel der Basisstationen

Mit hunderten von Antennen pro Basisstation lassen sich über dieselbe Bandbreite deutlich mehr Daten übertragen.
Die Antennen richten ihre Sendeleistung gezielt auf das Endgerät, anstatt die Funkwellen kugelförmig auszustrahlen. So erhöhen sie den Datendurchsatz und brauchen weniger Energie.
Einige Herausforderungen sind natürlich noch zu lösen. Dazu gehört etwa die Frage, wie sich mehrere benachbarte Basisstationen aufeinander abstimmen lassen, die Massive MIMO nutzen. „In einer Mobilfunkzelle funktioniert es wunderbar, die Leistung dank vieler Sendeantennen zielgenau auf den Nutzer auszurichten“, sagt Einhaus. „Wenn aber die Nachbar-Funkzelle dasselbe macht, kann es leicht passieren, dass sie sich gegenseitig treffen und mit Leistung zuschießen.“ Gefordert sind also Mechanismen und Algorithmen, mit denen sich die Basisstationen so koordinieren lassen, dass sie sich gegenseitig unterstützen, anstatt sich zu stören. Bis 2020 will die ITU, die UN-Agentur für Telekommunikation, 5G standardisieren; danach wird der Rollout des neuen Mobilfunkstandards beginnen und damit auch der von Massive MIMO.

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