Egal ob 4G LTE oder 5G NR – in Mobilfunknetzen sind sowohl Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) als auch Carrier Aggregation (CA) Schlüsseltechnologien. Doch worin liegen die Unterschiede?

Carrier Aggregation ist eine hochinnovative Technologie, die im LTE-Advanced-Netzwerk eingeführt wurde. Sie ermöglicht es Mobilfunknetzen, mehrere Frequenzträger zu einem zusammenzufassen, um die gesamte Trägerbandbreite zu erhöhen und so eine deutlich höhere Datenrate für Mobilfunknutzer zu erreichen. Anfangs unterstützten LTE-Netze auf Basis von 3GPP Release 8 keine Carrier Aggregation; LTE-Netze unterstützen jedoch eine flexible Bandbreitenkonfiguration, d. h. sie können Frequenzträger mit unterschiedlichen Bandbreiten wie 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz und 20 MHz verwenden.

Release 10 von LTE-Advanced ist die erste LTE-Version, die Carrier Aggregation (Intra-Band-kontinuierlich und Inter-Band) einführte. Sie verwendet 5×20 MHz als Standard-CA, allerdings nur für zwei Betreiber. Release 12 von LTE-Advanced wurde 2012 eingeführt und unterstützt In-Band-nicht-kontiguierliche Carrier Aggregation. Unterstützt wird die Aggregation von bis zu 5 Frequenzträgern mit flexibler Bandbreite, bis zu 100 MHz Bandbreite. Selbst 100 MHz sind bereits beeindruckend, aber das LTE-Advanced-Pro-Netzwerk brachte eine höher spezifizierte Carrier-Aggregation-Konfiguration. Sie zielt auf einen maximalen Downlink-Durchsatz von bis zu 3 Gbps ab, was größere Träger erfordert. 3GPP Release 13 führt das LTE-Advanced-Pro-Netzwerk ein, das Carrier Aggregation mit bis zu 32 Trägern ermöglicht und eine maximale Bandbreite von bis zu 640 MHz erreicht.

Obwohl Carrier Aggregation bereits eine Schlüsseltechnologie in LTE-Advanced-Netzwerken ist und die Entwicklung von LTE hin zu Nutzerdatenraten von über 1 Gbps ermöglicht, wird Carrier Aggregation in 5G-Netzen die Entwicklung hin zu Multi-Gigabit-5G unterstützen; die Nutzerdatenrate erreicht etwa 4 Gbps und mehr.

Nachdem wir über Carrier Aggregation gesprochen haben, schauen wir uns an, was genau MIMO ist.

In drahtlosen Netzwerken kommunizieren zwei drahtlose Knoten über einen Funkkanal, um Daten zu senden und zu empfangen. Dieser Kanal nutzt ein bestimmtes drahtloses Spektrum. Doch in vielen Bereichen ist geeignetes Spektrum knapp, und die Nutzung von mehr Spektrum ist unpraktikabel.

MIMO steht für Multiple Input Multiple Output und ist eine fortschrittliche Antennentechnologie, die die Kapazität erhöhen kann, ohne mehr Spektrum zu benötigen. Daher wird sie von 4G-LTE-, LTE-Advanced- und LTE-Advanced-Pro-Netzwerken weit verbreitet eingesetzt. MIMO verbessert effektiv Datenrate und Signalqualität durch räumliches Multiplexing, Antennendiversität und Beamforming.

MIMO konzentriert sich in 4G LTE auf das Prinzip des räumlichen Multiplexings, das heißt, die Kommunikation erfolgt über mehrere räumlich getrennte Antennen (Spatial Division Multiplexing). Gleichzeitig verbessert MIMO die Qualität der Mobilfunksignale, indem es die Auswirkungen von Mehrwege-Fading durch Antennendiversität minimiert.

Darüber hinaus profitiert MIMO von der Beamforming-Technologie: Mehrere Antennen senden Signale an denselben Empfänger, sodass dieser ein stärkeres Signal empfangen kann. LTE-Netze verwenden unterschiedliche MIMO-Konfigurationen für Downlink und Uplink, und sowohl Sender als auch Empfänger müssen diese Konfigurationen unterstützen.

Gemäß 3GPP Release 8 unterstützt das ursprüngliche LTE-Netzwerk 4×4-MIMO-Konfigurationen im Downlink und 2×2-MIMO-Konfigurationen im Uplink. Die 4×4-Downlink-Konfiguration bedeutet, dass vier Antennenelemente im Sender der Basisstation Signale an das Mobiltelefon senden, während vier Antennenelemente im Empfänger des Mobiltelefons für den Empfang der Signale zuständig sind. Die Uplink-Übertragung erfolgt vom Mobiltelefon zurück zur Basisstation.

LTE-Advanced- und LTE-Advanced-Pro-Netzwerke verwenden 8×8-MIMO-Konfigurationen im Downlink und 4×4-MIMO-Konfigurationen im Uplink. Zusammenfassend spielen MIMO und Carrier Aggregation eine jeweils einzigartige und entscheidende Rolle in modernen Mobilfunknetzen und bringen den Nutzern gemeinsam ein schnelleres und stabileres Kommunikationserlebnis. In 5G-(NR-)Netzwerken wird ein erweitertes MIMO namens Massive MIMO eingesetzt, das höhere Konfigurationen und Multi-User-MIMO verwendet. Massive MIMO ist zu einem zentralen Enabler und grundlegenden Bestandteil des ultraschnellen Millimeterwellen-5G geworden.

Es gibt keine feste Definition dafür, wie viele Antennen ein System haben muss, um als Massive MIMO zu gelten. Systeme mit mehr als 8×8 Antennen werden jedoch allgemein als Massive-MIMO-Systeme betrachtet. Die Zahl 8×8 bezieht sich auf 8 Sende- und 8 Empfangsantennen. Generell ist MIMO eine Antennentechnologie mit einem anderen Schwerpunkt als Carrier Aggregation.

Carrier Aggregation konzentriert sich auf die Kombination von Frequenzträgern, während MIMO die Datenrate für Mobilfunknutzer erhöht, indem vorhandene Frequenzträger durch räumliches Multiplexing effizienter genutzt werden. Carrier Aggregation bündelt mehrere Frequenzträger, um Mobiltelefonen eine größere Trägerbandbreite zuzuweisen. MIMO hingegen nutzt eine große Anzahl von Antennenelementen am Sender, um mehrere parallele Datenströme an den Empfänger zu senden. MIMO-Empfänger sind ebenfalls mit mehreren Antennenelementen ausgestattet, um diese Datenströme zu empfangen. Das Ausgangssignal des Benutzergeräts entsteht durch die Kombination verschiedener Datenströme. Auf diese Weise wirkt jeder Datenfluss wie ein virtueller Kanal zwischen Basisstation und Benutzergerät.