Spektrale Effizienz

Forscher erzielen neue Datenrekorde bei 5G

| Redakteur: Hendrik Härter

Die Universitäten Bristol und Lund implementierten den weltweit erste echtzeitfähigen Prüfstand für Massive MIMO mit 128 Antennen, mit dem zwei Weltrekorde in Folge bei der spektralen Effizienz von Drahtlosnetzen aufgestellt wurden.
Die Universitäten Bristol und Lund implementierten den weltweit erste echtzeitfähigen Prüfstand für Massive MIMO mit 128 Antennen, mit dem zwei Weltrekorde in Folge bei der spektralen Effizienz von Drahtlosnetzen aufgestellt wurden. (Bild: National Instruments)

Steigende Datenraten und Netzwerkkapazitäten bei zuverlässig arbeitenden Drahtlosnetzwerken: Forscher setzen auf Massive MIMO, um die Bandbreiteneffizienz zu steigern.

Laut Schätzungen von Cisco werden bis 2020 5,5 Mrd. Menschen Mobiltelefone besitzen. Allein in Großbritannien werden Millionen dieser Nutzer ein Datenvolumen von jeweils 20 GByte pro Monat beanspruchen und in ihrem Alltag über 25 Smart Devices nutzen.

Höhere Datenraten, erweiterte Netzwerkkapazitäten sowie eine höhere Zuverlässigkeit: Um diese Kriterien zu erreichen, nutzen Ingenieure und Forscher der Universitäten Bristol und Lund das MIMO- (Multiple-Input-Multiple-Output-) Prototyping-System von National Instruments. Dabei schaffte es das Team, die Bandbreiteneffizienz um mehr als das 20-Fache im Vergleich mit aktuellen 4G-Mobilfunktechniken zu erzielen.

Um das Potenzial von 5G zu erschließen, muss man die Vorteile von Massive MIMO verstehen. Massive MIMO verwendet eine große Zahl von Antennen. Das können mehr als 64 an der Basisstation für das räumliche Multiplexen sein. Das bedeutet, dass in einem dicht besiedelten Gebiet mehr Nutzer versorgt werden können, ohne dafür weitere Funkfrequenzen zu belegen oder Störungen zu verursachen. Massive MIMO steht also für weniger abgebrochene Anrufe, eine deutliche Abnahme von Funklöchern und eine qualitativ bessere Datenübertragung, ohne dabei die Grenzen des immer knapper werdenden Funkspektrums weiter zu verschieben.

Massive MIMO verspricht im Vergleich mit LTE-Netzen weniger Kosten und verbesserte Energieeffizienz. Zudem sorgt es aufgrund der höheren Anzahl von Antennen für mehr Zuverlässigkeit durch Redundanz.

Echtzeitfähige Systeme

Das Team der Universitäten Bristol und Lund verfolgt das Ziel, Massive MIMO für Kapazitätssteigerungen um das mehr als 10-Fache für künftige 5G-Netze zu testen. Hierfür nutzte das Team die erweiterbare NI-Plattform zur MIMO-Prototypenerstellung mit flexibler SDR- (Software-Defined-Radio-) Hardware und offener rekonfigurierbarer LabVIEW-Software und wurde unterstützt von der NI Advanced Wireless Research Group.

Mithilfe des MIMO-Prototyping-Systems von National Instruments konnte das Team die theoretischen Grundlagen von Massive MIMO unter realen Bedingungen umsetzen und bei der weltweit ersten Live-Demonstration eines echtzeitfähigen Prüfstands für Massive MIMO mit 128 Antennen testen.

Das Team erreichte über eine vollständig bidirektionale Echtzeitfunkverbindung mit 3,5 GHz-und einer Bandbreite von 20 MHz sowie zwölf simultanen Nutzern eine spektrale Effizienz von über 79 Bit/s/Hz. Kurz darauf wurde das System erweitert, um eine spektrale Effizienz von über 145 Bit/s/Hz zu erzielen. Dazu wurde die Zahl der Nutzer auf 22 erhöht, die sich dieselbe Zeit-Frequenz-Ressource teilen.

Was hinter dem MIMO-System steckt

Das MIMO-Prototyping-System ist eine Kombination aus handelsüblicher Standardhardware von National Instruments und der Software LabVIEW. Die Plattform ist Grundlage für das durchsatz- und kapazitätsstarke System mit geringer Latenz. Das Team integrierte fast 100 verschiedene Hardwarekomponenten, konnte jedoch die gesamte Anwendung innerhalb eines einzigen Softwareframeworks entwickeln.

Dank des modularen Ansatzes, die enge Hard- und Softwareintegration sowie das integrierte Echtzeit-FPGA-IP in LabVIEW war das Team schneller als erwartet in der Lage, eine Lösung zu finden. Künftige Änderungen an der Plattform sind schnell erledigt.

Massive MIMO – Ein Ausblick

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts „Bristol is Open“ der Universität Bristol und der Stadtverwaltung von Bristol plant das Team der Universität den Einsatz des Massive-MIMO-Prüfstands auf einem Dach innerhalb der Stadtgrenzen sowie die Anbindung an das Glasfasernetz der Stadt.

Damit lässt sich die Technik unter realen Bedingungen weiter erforschen. Letztendlich ist geplant, das System in vier Untersysteme mit je 32 Antennen aufzuteilen und das Glasfasernetz zur Implementierung einer verteilten Massive-MIMO-Konfiguration zu nutzen. Dadurch sollen Netzbetreiber die Möglichkeit erhalten, bessere Kommunikationsverfahren für alle zu etablieren.

Die Universitäten Bristol und Lund werden auch weiterhin zusammenarbeiten. So wird das Team aus Bristol in Lund in verschiedenen Versuchen mit Mobilfunknutzern Außenmessungen durchführen, um die Auswirkungen von Mobilität auf Massive MIMO weiter zu untersuchen.

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