Entmystifizierung der MU-MIMO-Technologie in Wi-Fi 6

Einige einschüchternde und rätselhafte Begriffe wie MIMO, Spatial Streams und Spatial Multiplexing können einem Neuling unter den Netzwerkmanagern bei der Einrichtung von drahtlosen Netzwerken den Kopf verdrehen. Ein besseres Verständnis dieser Techniken, die in Wi-Fi 6 verwendet werden, minimiert die Verwirrung und führt zu klügeren Entscheidungen bei der Auswahl der entsprechenden Produkte oder der Gestaltung der Netzwerkbereitstellung.

Was ist MU-MIMO？

MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) bezeichnet mehrere Antennen, die gleichzeitig für die Übertragung verwendet werden, und mehrere Antennen, die gleichzeitig für den Empfang über einen Funkkanal verwendet werden. Konkret bedeutet „Multiple-Input“ mehrere Sendeantennen, die ein Funksignal in den Kanal einspeisen; „Multiple-Output“ bedeutet zahlreiche Empfängerantennen, die den Output des Kanals in den Empfänger übernehmen.

MU-MIMO steht für Multi-User Multiple-Input Multiple-Output. Es ist eine der wichtigsten Funktionen des neuesten Wi-Fi-Technologiestandards 802.11ac Wave 2 (d. h. 802.11ac 2.0-Standard), der die Funktionsweise von Wi-Fi-Netzwerken revolutionieren kann, indem er den Gesamtdurchsatz und die Kapazität des Netzwerks deutlich erhöht und die Geschwindigkeit des Internetzugangs verdreifacht.

Je nach Anzahl der Antennen gibt es SISO-, SIMO-, MISO- und MIMO-Systeme. MIMO-Systeme bieten dank der Mehrfachantennen einen Multiplexing- und Diversity-Gewinn. Stimmt es also, dass „je mehr, desto besser“ ist? Normalerweise kann das Hinzufügen weiterer Antennen am Sender oder Empfänger die Qualität und Zuverlässigkeit der Verbindung, den Durchsatz zwischen Sender und Empfänger oder beides verbessern.

Multi-User-MIMO-Algorithmen werden entwickelt, um MIMO-Systeme zu verbessern, wenn die Anzahl der Nutzer oder Verbindungen größer als eins ist. MU-MIMO ist die Weiterentwicklung von Single-User-MIMO (SU-MIMO). Bei MU-MIMO teilt der Router die verfügbare Bandbreite in einzelne Streams auf, die sich die Verbindung gleichmäßig teilen. MU-MIMO-Router gibt es in den Varianten 2x2, 3x3 oder 4x4, die sich auf die Anzahl der Streams (zwei, drei oder vier) beziehen, die vom Router erzeugt werden. Jeder Access Point (AP) oder Router hat eine bestimmte feste Anzahl von Streams, die er unterstützt.

Vorteile von MU-MIMO

Die MU-MIMO-Technologie (Multi-User Multiple Input Multiple Output) nutzt den Multiplexing-Gewinn mehrerer Antennen, um den Gesamtdurchsatz eines Netzwerks deutlich zu erhöhen. Drahtlose Netzwerke mit MU-MIMO erreichen in der Regel eine 2- bis 3-fach höhere Geschwindigkeit im Vergleich zu SU-MIMO. Je mehr Antennen ein Access Point besitzt, desto mehr Raumressourcen stehen ihm zur Verfügung – und desto größer ist der mögliche Leistungszuwachs.

Darüber hinaus verbessert MU-MIMO durch den Diversitätsgewinn mehrerer Antennen die Systemstabilität und -leistung. Mehrere Endgeräte können gleichzeitig Daten übertragen, was die Effizienz der drahtlosen Kommunikation steigert, die Wartezeiten reduziert und insbesondere Anwendungen mit hohem Datenaufkommen und niedriger Latenz – wie Video-Streaming oder Online-Gaming – optimal unterstützt.

Ein weiterer Vorteil: MU-MIMO maximiert den Wert von Wi-Fi-Geräten. Das Signal eines MU-MIMO-Routers wird in mehrere Dimensionen (Zeit, Frequenz und Raum) aufgeteilt, sodass es wirkt, als würden gleichzeitig verschiedene Signale ausgesendet. Auf diese Weise können Router mit mehreren Endgeräten parallel kommunizieren, ohne dass diese sich gegenseitig wesentlich stören.

Das Ergebnis: höhere Kapazität, bessere Ressourcenauslastung und gesteigerte Effizienz. MU-MIMO-fähige Router sind somit in der Lage, mehr gleichzeitige Wi-Fi-intensive Aktivitäten zuverlässig zu bewältigen.

Wie funktioniert MU-MIMO?

MU-MIMO ist mit einer Beamforming-Technik gekoppelt, um die gleichzeitige Kommunikation über mehrere Endgeräte zu ermöglichen. Im Gegensatz zu MIMO, bei dem jede Antenne einen anderen räumlichen Datenstrom sendet, wird beim Beamforming derselbe Datenstrom über mehrere Antennen mit absichtlichen Zeitversätzen gesendet, um die Reichweite zu erhöhen.

Die Phase jedes Datenstroms wird von allen Antennen zu unterschiedlichen Zeiten übertragen, so dass diese verschiedenen Signale an einem Punkt im Raum (d. h. am Standort des Empfängers) konstruktiv interferieren und dadurch die Signalstärke an diesem Ort erhöhen. Bei der Verwendung von Rundstrahlantennen wird das erzeugte Muster effektiv richtungsabhängig. Transmit Beamforming kann daher nur funktionieren, wenn der Sender den Standort des Empfängers über die Verwendung von Sounding Frames ableiten kann.

MU-MIMO bringt diesen Prozess noch einen Schritt weiter. Durch das Hinzufügen weiterer Funkketten/Antennen kann ein AP das phasengesteuerte Antennenmuster steuern, um zu kontrollieren, wo das Signal am stärksten und wo das Signal am schwächsten ist. Mit einer ausreichenden Anzahl von Antennen und dem Wissen über die relativen Positionen aller verbundenen Client-Geräte kann ein AP ein phasengesteuertes Muster erstellen, um mit mehreren Clients sowohl unabhängig als auch gleichzeitig zu sprechen. Durch den Einsatz der MU-MIMO-Technologie (Multi-User Multiple-Input, Multiple-Output) kann ein drahtloser AP zum ersten Mal an mehrere Wi-Fi-Client-Geräte gleichzeitig senden.

Wi-Fi 6 – Anwendung von MU-MIMO-Technologien mit Diversität

Wie bereits erwähnt, führen mehr räumliche Streams zu einem höheren Durchsatz, allerdings auch zu höheren Hardwarekosten. Ein einzelnes Funkgerät eines Wi-Fi 6-APs der Unternehmensklasse unterstützt bis zu acht räumliche Streams und liefert einen Durchsatz von bis zu 9,6 Gbit/s. Wi-Fi 6 birgt ein enormes Kapazitätspotenzial und bietet räumliche Vielfalt für MU-MIMO-Anwendungen. Unternehmen müssen APs auf der Grundlage ihrer Serviceanforderungen auswählen, um die kostengünstigste Lösung zu finden. Darüber hinaus treiben die sich ständig ändernden Servicemodelle die Unternehmen dazu, APs mit mehr räumlichen Streams für die Bereitstellung von Wi-Fi 6-Netzwerken auszuwählen.

Servicetyp	Service-Bandbreite (Mbps)
	Ausgezeichnet	Gut
Web	8	4
Video Streaming (1080p)	12	8
Video Streaming (4K/VR)	50	22
VoIP (Voice)	2	1
Elektronisches Whiteboard	32	16
Email	10	4
Dateiübertragung	32	16
Desktop-Freigabe	4	2

Die meisten Unternehmen, die Netzwerke aufbauen, benötigen pro Access Point (AP) mindestens 30 bis 40 gleichzeitige Stationen (STAs), um den täglichen Betrieb zuverlässig zu gewährleisten. Wenn jedoch bereits 20 STAs gleichzeitig Dienste nutzen, reicht die Bandbreite eines 2x2 MU-MIMO Wi-Fi 6 APs der Enterprise-Klasse gerade einmal aus, um die Anforderungen von 1080p-Videostreaming zu erfüllen.

In solchen Szenarien sind Wi-Fi 6 APs mit 4x4 MU-MIMO oder höher deutlich besser geeignet, da sie mehr räumliche Streams bereitstellen und so eine höhere Gesamtleistung ermöglichen. Unterschiedliche STA-Typen und Nutzungsszenarien führen daher dazu, dass Unternehmen in Wi-Fi-6-Netzwerken bevorzugt APs mit mehr räumlichen Streams auswählen.

Auf dem Markt sind vor allem zwei Konfigurationen weit verbreitet:

Wi-Fi 6 APs mit 2x2 MIMO

Wi-Fi 6 APs mit 4x4 MIMO

Diese bilden die gängigsten Optionen für Unternehmensnetzwerke.

Abschließende Überlegungen

Als eine der Schlüsseltechnologien hat sich die MIMO-Technologie in den letzten Jahren im Bereich der drahtlosen Kommunikation durchgesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt. Als erweiterte Version der MIMO-Technologie ist die MU-MIMO-Technologie die treibende Kraft für das im Trend liegende Wi-Fi 6. Da die Zahl der Wi-Fi 6-fähigen STAs weiter zunimmt, werden drahtlose Netzwerke mit Wi-Fi 6-APs der Unternehmensklasse beliebter als je zuvor. Bei der Aufrüstung bestehender Wi-Fi-Netzwerke oder der Einrichtung neuer Wi-Fi-Netzwerke ist Wi-Fi 6 die offensichtliche Wahl für Unternehmen. Und mit der Entwicklung komplett drahtloser Netzwerke wird die digitale Transformation der Unternehmen entsprechend beschleunigt.