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Was ist massives MIMO und wie bereitet es die 5G-Einführung vor?

Eine unüberwindbare Anzahl von Geräten, sei es ein Smartphone, ein VR-Headset oder die Sicherheitskameras vor Ihrem Haus, stellen eine Verbindung zu Telekommunikationsnetzwerken her. Dies führt zu einem rapiden Anstieg des Datenverkehrs im Laufe der Zeit, wobei Verbesserungen der Bandbreite zum Bedarf der Stunde werden. Was wir alle brauchen, sind hohe Datengeschwindigkeiten, nicht wahr? Wie der chinesische Telekommunikationsgigant Huawei prognostiziert, wird der weltweite mobile Datenverkehr im Jahr 2021 im Vergleich zu 2016 um das siebenfache steigen. Der Datenbedarf für eine Person wird in den nächsten fünf Jahren durchschnittlich 15 GB pro Monat erreichen. In Ländern wie Indien erleben wir immer noch das Aufkommen von 4G-LTE-Netzen. Telekommunikationsbetreiber auf der ganzen Welt experimentieren jedoch mit noch komplexeren und robusteren Technologien, um die Signalstärke, die Nutzerkapazität und die Datengeschwindigkeit zu maximieren. Sie verwenden eine intelligente Antennentechnologie namens Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output), die die Grundlage für unsere 5G-Funktechnologie (5G) bildet. Es befindet sich noch in einem aufstrebenden Entwicklungsstadium, es wird jedoch bald erwartet, dass es an Bedeutung gewinnt. Wenn Sie sich also gefragt haben, was für ein massives MIMO der Fall ist, finden Sie hier alles, was Sie über das massive MIMO wissen müssen:

Was ist Massive MIMO und seine Beziehung zu 5G?

Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output), auch als Large Antenna Systems bezeichnet, ist das Rückgrat für die Entwicklung der drahtlosen Kommunikation. Die MIMO-Technologie dürfte sich als äußerst vorteilhaft erweisen, um mehr mobile Benutzer zu unterstützen und langfristig höhere Geschwindigkeiten und zuverlässigere Netzwerkdienste bereitzustellen.

Gegenwärtig ermöglichen die meisten 4G-LTE-Netzwerkinfrastrukturen nur die Platzierung von 8 Antennen (Sender + Empfänger) an der Basisstation, was für die wachsenden Bedürfnisse mobiler Benutzer nicht ausreicht. Dies bietet eine begrenzte Bandbreite, die sich auf die Datengeschwindigkeit und die Anzahl der Benutzer auswirkt, die eine Verbindung zu dieser Station herstellen können.

Hier setzt MIMO ein und ermöglicht es Ihnen, zwei oder mehr Sender und Empfänger gleichzeitig zu verwenden, um Daten über denselben Funkkanal auszutauschen. Die Technologie wurde bereits in Form von 4 x 4-MIMO in einigen fortschrittlichen 4G-Netzwerkstationen implementiert und wird derzeit auch von einigen Betreibern in Indien untersucht.

Massiver MIMO-Antennensystem-Prototyp (Mit freundlicher Genehmigung von National Instruments)

Die Erweiterung dieses Konzepts auf nahezu 100 Antennen in einem einzigen Array an der Basisstation (Mobilfunkmast) ist jedoch die Basis für zukünftige 5G-Netzwerke. Die Erhöhung der Gesamtanzahl der Antennen summiert sich zu mehr Sendern / Empfängern an einem Ort, was zu einer Erhöhung der möglichen Signalpfade und einer besseren Leistung sowohl hinsichtlich der Datengeschwindigkeit als auch der Verbindungszuverlässigkeit führt. Massive MIMO kann die Geschwindigkeit um das Vierfache steigern und die Netzwerkkapazität um ein Vielfaches erhöhen.

Die Sammlung von Antennensystemen in einem Massive MIMO-Netzwerk bildet keine exakten ballonartigen Strahlen, die in den meisten früheren und aktuellen Netzwerksystemen zu sehen sind. Stattdessen bildet die orthogonale Natur der von der Sammlung von Antennen emittierten Signale individuelle Strahlen, die jeweils auf eine oder mehrere Mobilstationen (die Benutzer) abgestimmt sind. Da Massive MIMO zahlreiche komplexe Technologien verwendet, lässt sich die Funktionsweise des Antennensystems am einfachsten anhand der beigefügten Grafik erklären.

Entwicklung eines 4G-Netzwerks in ein 5G-Massiv-MIMO-Netzwerk (Mit freundlicher Genehmigung: Mitsubshi)

Dies bedeutet, dass die Betreiber eine größere Anzahl mobiler Geräte in einem Gebiet bedienen können, indem sie die Massive MIMO-Technologie einsetzen. Dasselbe lässt sich noch weiter skalieren, da die Betreiber dem aktuellen Setup noch mehr Antennen hinzufügen können, um mögliche Signalpfade und Effizienz zu verbessern, ohne das vorhandene Spektrum zu beeinträchtigen.

Vorteile von Massive MIMO gegenüber aktuellen 4G-Netzwerken

Da im Massive MIMO (5G) -System eine größere Anzahl von Eingangs- und Ausgangsantennen verwendet wird, können Telekommunikationsbetreiber die Reichweite und die Datengeschwindigkeit erheblich verbessern. Möglich wird dies aufgrund der hohen Spektral- und Energieeffizienz, die aufgrund eines großen Multiplexing sowie der kombinierten Antennenfeldverstärkung zunimmt. Hier sind die Hauptvorteile von Massive MIMO (M-MIMO) Antennensystemen gegenüber aktuellen 4G-Systemen:

1. Verbesserte Abdeckung und höhere Geschwindigkeiten

Dank des Einsatzes der Massive MIMO-Technologie, möglicherweise kombiniert mit höherfrequenten Spektren, werden die Telekommunikationsunternehmen in der Lage sein, in Zukunft die Anforderungen einer größeren Vielfalt von Geräten zu erfüllen. Nicht nur das, die Signalstärke in Innenräumen wäre extrem stark und außerhalb der Charts.

Die Strahlformungsfähigkeiten der Massive MIMO-Systeme werden es Telekommunikationsbetreibern ermöglichen, die Hochgeschwindigkeitsabdeckung auch in ländlichen Gebieten schnell zu verbreiten . Eine direkte Sichtlinie funktioniert gut mit höheren Frequenzen und bietet somit noch höhere Geschwindigkeiten.

Das Hauptziel eines Upgrades besteht auch darin, die Datengeschwindigkeit zu erhöhen. Experten erwarten Mindestgeschwindigkeiten von 1 Gbit / s, die bis zu 10 Gbit / s erreichen. Dies wurde bereits in einigen Experimenten mit Gigabit LTE-Demos bewiesen, die der chinesische Netzwerkriese ZTE auf der CES Anfang des Jahres gezeigt hatte.

2. Niedrige Infrastruktur- und Komponentenkosten

Da die meisten globalen Telekommunikationskonzerne ihre Infrastruktur stetig aufrüsten, um jetzt Hochgeschwindigkeits-4G-Netzwerke (mit Geschwindigkeiten vor 5G) zu unterstützen, wäre die vollständige Aufrüstung auf 5G eine reibungslose Fahrt. Die bestehenden 4G-Systeme verwenden bereits MIMO-Techniken, die skaliert werden müssen, wenn eine plausible 5G-Technologie zum Tragen kommt.

Die neuen Massive MIMO-Antennensysteme verfügen nicht nur über eine große Anzahl von Antennen, sondern sind auch skalierbar. Für Telekommunikationsgiganten wird es einfacher sein, diesem System neue Antennen hinzuzufügen, um vorhandene Geschwindigkeiten und Benutzerbasis hinzuzufügen . Die große Anzahl von Antennen führt auch zur Bildung eines robusten Netzwerks, das nicht durch einen einzelnen Ausfall des Antennensystems beeinträchtigt wird.

3. Unterstützung für zeitbeschränkte Verbindungen

Massive MIMO-fähige 5G-Netzwerke bieten zwar eine verbesserte Abdeckung und Datengeschwindigkeit, reduzieren jedoch die Zeit, die die Signale benötigen, um sich zwischen Sender und Empfänger zu bewegen. Dies ist als Latenz bekannt und zukünftige 5G-Netzwerke werden dazu beitragen, diese zu reduzieren, um die Verwendung dieser Netzwerke für VR / AR, selbstfahrende und andere von KI oder ML gesteuerte Dienste weiter zu erleichtern.

Herausforderungen bei der massiven MIMO-Antennenbereitstellung

Während Forscher in den letzten Jahren mit Massive MIMO-Antennentests experimentiert haben, verfügen die Systeme, die es auf den Markt gebracht haben, immer noch über weniger Antennen, als die Telekommunikationsunternehmen nach 5G-Netzwerken verlangen. Dies ist auf die Einschränkungen bei der Implementierung der Technologie zurückzuführen. Hier sind die Herausforderungen, denen sich ihr weit verbreiteter Einsatz stellt:

1. Signalverarbeitungskomplexität

Dies ist eine der größten Schwierigkeiten bei der Einrichtung der Massive MIMO-Basisstationen. Die erhöhte Anzahl von Antennen und die Frequenzen an einem einzigen Ort führen zu erhöhten Interferenzmöglichkeiten . Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem eine breitere Spektrum- und Nullfehler-Präzisionstechnologie angewendet wird, die die Interferenz zwischen den Kanälen verringert. Die große Anzahl von Antennen erhöht zwar die Komplexität auf breiter Front, macht das Netzwerk jedoch noch unempfindlicher gegen Ausfälle.

2. Verfügbarkeit mit begrenztem Spektrum

Wie Sie vielleicht bereits gehört haben, wird die Verteilung eines Frequenzspektrums von der Aufsichtsbehörde kontrolliert, und Telekommunikationsbetreiber müssen Gebote abgeben, um einen Teil dieses Spektrums zu sichern.

Das grundlegende Problem besteht nun darin, dass das in der heutigen Zeit vorherrschende 3GHz-Spektrum aufgrund der Überlastung neuer Datenverbindungen bereits unübersichtlich ist. Es ist eine Herausforderung, Millimeterwellen mit höherer Frequenz (3 GHz - 300 GHz) für den Bau von Massive MIMO-Basisstationen zu verwenden, da die Wellen keine Feststoffe durchdringen und von Bäumen oder Regenwolken absorbiert werden.

Frequenzspektrum (Bild: UT Austin)

Technologiegiganten und Telekommunikationsbetreiber arbeiten jedoch Hand in Hand, um die Signalverstärkung zu erhöhen, indem sie mehrere Antennen (MIMO) dazu bringen, Funksignale in einem engen Richtstrahl zu konzentrieren, ohne ihre Übertragungsleistung zu erhöhen. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von Samsung und Huawei waren in den Experimenten erfolgreich, aber diese schmalen Strahlen sind äußerst empfindlich für Ausrichtungsänderungen.

Laufende Forschung und Bereitstellung massiver MIMO-Netzwerke

Das vorgenannte Netzwerksystem ist kein Prototyp, sondern wurde bereits in einem kleineren Maßstab im bestehenden 4G-Szenario implementiert. Huawei arbeitet seit einigen Jahren mit lokalen Telekommunikationsbetreibern wie China Mobile und der japanischen SoftBank zusammen, um die Massive MIMO-Setups kommerziell zu testen.

Nach rigorosen Experimenten wurde SoftBank nun zum Telekommunikationsbetreiber ernannt, um gegen Ende 2016 sein kommerzielles Massive MIMO-Netzwerk zu veröffentlichen . Andere Betreiber wie China Mobile, Vodafone und T-Mobile haben diese Technologie auch für eine begrenzte Anzahl von Nutzern in ihren jeweiligen Ländern eingeführt.

Wenn die größte Frage im Hinterkopf ist, werden unsere aktuellen Smartphones mit diesen Massive MIMO-Netzwerken kompatibel sein? Dann ist die einfache Antwort meistens ja . Eine große Anzahl vorhandener Geräte kann 4G-MIMO-Netzwerke nutzen und bietet Gigabit-Geschwindigkeiten ohne Probleme.

Erste 5G-fähige Implementierungen in Indien

Während zahlreiche globale Telekommunikationsanbieter in Verbindung mit Hardwaregiganten bereits mit Massive MIMO in ihren Netzwerken experimentiert haben, hat sich Indien kürzlich mit dem Einsatz eines ersten solchen Netzwerks dem futuristischen 5G-Unternehmen angeschlossen.

Der führende Telekommunikationsgigant des Landes, Airtel, machte Schlagzeilen, als er bekannt gab, dass er derjenige geworden ist, der dies erreicht hat. Die Einführung von Indiens erstem M-MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output-Technologie) wurde mit Bengaluru und Kolkata begonnen. In den kommenden Monaten wird jedoch erwartet, dass der Prozess auf andere Teile des Landes ausgedehnt wird.

Airtel hat die neue 5G-Technologie als Teil des laufenden Netzwerk-Transformationsprogramms mit dem Namen Project Leap eingesetzt . Sie erwartet, dass die Massive MIMO-Technologie die vorhandene Netzwerkkapazität um das Siebenfache verbessert und das gleiche Spektrum verwendet, das sie bereits besitzt. Es wird davon ausgegangen, dass das Gleiche die vorhandene 4G-Bereitstellung sogar zweimal verbessert.

Darüber hinaus hat der chinesische Netzwerkgigant ZTE angekündigt, dass er an den Massive MIMO-Experimenten vor 5G in Zusammenarbeit mit weithin bekannten Betreibern wie Vodafone und Reliance Jio teilnimmt. Während Huawei das Gesicht von Airtels Einsatz im Land ist, wie es in einer offiziellen Erklärung heißt.

Aus der Perspektive des aktuellen Zustands der Telekommunikationsbranche in Indien betrachtet, ist dies ein Versuch der Teile dieses Telekommunikationsgiganten, sich im Land zu behaupten. Sie wurden vor kurzem mit einem überraschenden Ruck von ihrem hart umkämpften neuen Konkurrenten Reliance Jio geweckt, der es nun geschafft hat, sie innerhalb eines Jahres mit dem 4G LTE-Netzwerk-Rollout zu trampeln.

Voraussichtlich verbreitetes Rollout

Die meisten Berichte, die von Netzwerkriesen wie Ericsson oder Nokia veröffentlicht wurden, deuten derzeit darauf hin, dass die 5G-Netzwerktechnologie einen Durchbruch erlebt und bis in die 2020er Jahre die Massen erreichen wird . Dies ist kein starrer Zeitplan, sondern entspricht dem Betriebsverhalten der Branche, in der innerhalb eines Jahrzehnts eine verbesserte Technologie debütiert wird.

Mit freundlicher Genehmigung: Sam Churchill / Flickr

Die 3G-Netzwerktechnologie wurde erstmals im Oktober 2001 vorgestellt, wohingegen 4G LTE nach einem Jahrzehnt um das Jahr 2011 weit verbreitet war. Man kann spekulieren, dass die laufenden Massive MIMO-Bemühungen bis zum Ende dieses Jahrzehnts zum Tragen kommen werden. Man kann die Implementierung der Technologie vor 5G in den nächsten Jahren sowohl beim Endbenutzer als auch beim Betreiber sehen. Das Publikum bei den Olympischen Winterspielen 2018 könnte die erste sein, die diese Innovation miterlebt, gefolgt von der FIFA 2018-Weltmeisterschaft . Selbst der Chipmaker Qualcomm hat angekündigt, 5G-kompatible (Gigabit) -Geräte entlang einer ähnlichen Zeitachse einzuführen.

Wir haben vielleicht eine längere Einführung von 4G-LTE-Diensten in Indien erlebt, die noch in Bearbeitung ist. Die Telekommunikationsunternehmen des Landes wollen sich jedoch nicht länger im Wettlauf um die Einführung neuester Technologien durch den drohenden Wettbewerb und die Konsolidierung innerhalb des Landes nach hinten ziehen.

Massiver MIMO: Ein technologisches Rennen für die 5G-Einführung

Ein Blick auf die Massive MIMO-Entwicklungen aus der Vogelperspektive zeigt auch, dass Indien an seinem transformativen Image eines technologischen Kraftwerks weiter baut. Die Regierung unternimmt jetzt die erforderlichen Schritte, um die Entwicklung der Zellulartechnologie voranzutreiben.

Die Regierung hat bereits ein hochrangiges Forum eingerichtet, um das aktuelle Szenario zu bewerten und Aktionspläne für die rechtzeitige Einführung von 5G-Diensten zu genehmigen. Es hat einen riesigen 500-Milliarden-Dollar-Korpus für Forschungs- und Entwicklungszwecke im Bereich 5G bereitgestellt, was uns neben den Ländern, die die Einführung derartiger technologischer Fortschritte anführen, auf die Weltkarte bringt. Momentan gibt es kein echtes "5G" -Netzwerk, und wir müssen in den kommenden Jahren auf das gleiche achten.

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