Moderne Antennensysteme spielen eine entscheidende Rolle für die Kommunikation in unserer Zeit. Sie garantieren nahtlose Konnektivität in Boden-zu-Boden- und Boden-zu-Luft-Kommunikationssystemen. Und in der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Antennen für die Kommunikation nimmt der Bedarf an immer besserer Leistung exponentiell zu. Fortschritte bei Kommunikationsantennen und die Ausweitung des nutzbaren elektromagnetischen Spektrums bereiten den Weg für höhere Signalgeschwindigkeiten, größere Netzwerkkapazitäten und erweiterte Abdeckung. Dieser Artikel erkundet hochmoderne Antennensystemtechnologien wie MIMO und verteilte Antennensysteme (DAS), die die neue Ära kabelloser Kommunikation bei Luft-/Raumfahrt- und Boden-zu-Boden-Anwendungen ermöglichen.
Antennensysteme nutzen MIMO-Technologie
Die Tage einzelner ausziehbarer Antennen an der Rückseite tragbarer Radiogeräte sind endgültig vorbei. Heute nutzen bereits viele moderne Antennensysteme die Multi-Input Multi-Output (MIMO)-Technologie. Bei MIMO werden für den Sender und den Empfänger mehrere Antennen genutzt, um den Datendurchsatz des Signals zu verstärken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Durch Spatial Multiplexing ermöglicht MIMO die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme über dasselbe Frequenzband. Standard-MIMO verwendet typischerweise 2 bis 6 Sender- und Empfängerantennen zum Senden und Empfangen von Daten.
Satelliten- und Luft-/Raumfahrtsysteme mit mehreren Antennen können mit MIMO-Techniken die Datenraten und die Datenqualität bei der Boden-zu-Luft-Kommunikation verbessern. MIMO ist besonders nützlich für den Internetzugriff per Satellit, Video-Streaming und datenintensive Kommunikationsanwendungen.
Massive MIMO (oder kurz mMIMO) erweitert die Bandbreite der MIMO-Technologie der vorherigen Generation deutlich. So verfügen etwa moderne mMIMO-Antennen von Ericsson, wie beispielsweise das AIR 6476-Produkt, über 64 Sender- und 64-Empfängerzweige.
Die mMIMO-Technologie ist ein entscheidender Faktor für 5G-Netzwerke. Dabei können mehrere Antennen in einer Funkbasisstation eingesetzt werden, die die Netzwerkkapazität erhöhen und die Abdeckung verbessern. Hochmoderne Antennensoftware kann diese massiven MIMO-Arrays so steuern, dass sie Störungen erkennen, die Netzwerkverteilungszelle in intelligenter Weise formen und Störungen zwischen Zellen reduzieren.
Multiplexing erhöht die Signalstärke
Multiplexing ist eine Technik, die häufig in MIMO-Systemen eingesetzt wird, um mehrere einzelne Informations-„Ströme“ mit derselben oder unterschiedlichen Frequenzen von verschiedenen Antennen aus zu übertragen. Diese Datenströme werden dann von unabhängigen Antennen empfangen, wo die einzelnen Signale wieder zum ursprünglichen Signal zusammengefügt werden. Da jedes Signal seine eigene Kanalverzerrung hat, wenn es zwischen den Antennen unterwegs ist, muss die empfangende MIMO-Antenne die einzelnen Signalströme nach deren Verzerrung anpassen; dazu kommen modernste digitale Signalverarbeitungstechniken zum Einsatz, um das ursprüngliche Signal wieder aufzubauen.
Multiplextechniken, wie etwa Quadrature Amplitude Modulation (QAM), können die allgemeine Signalstärke und die Datenübertragungsraten zwischen Antennenbaugruppen erhöhen. QAM kann Daten über mehrere Antennenkanäle gleichzeitig übertragen und damit die Gesamtzahl der Kanäle, über die das gesamte Antennensystem übertragen kann, erhöhen. QAM ist besonders nützlich für Satellitenkommunikationssysteme wie etwa Starlink, da dabei das begrenzte Frequenzspektrum effektiv genutzt werden muss, um mehrere Benutzer und hohe Datenraten aufzunehmen.
Einzelne Antennen können nur eine begrenzte Datenmenge pro Sekunde und Hertz übertragen. Die Möglichkeit, ein einzelnes großes Signal in kleinere „Ströme“ aufzuteilen, die zur Kapazität einer einzelnen Antenne passen, erlaubt die Übertragung großer Datensignale über eine dynamische Serie mehrerer kleinerer Antennen. QAM kann ein einzelnes Antennensignal in mehrere kleinere Datenströme aufteilen. Mehrere Antennen können die Bandbreite erhöhen, indem sie zusätzliche Kanäle mit derselben Signalfrequenz hinzufügen; dazu verbessern Sie die Genauigkeit mithilfe von Beamforming.
Multiplexing-Funktionen wurden ursprünglich für 4G LTE entwickelt und spielen jetzt eine wichtige Rolle für 5G, indem sie bei Wahrung der Antennen- und Spektraleffizienz Datenübertragungen mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen.
Räumliche Diversität ermöglicht die Übertragung von Signalen über große Entfernungen
Kabellose Signale über große Entfernungen hinweg unterliegen Abschwächungsphänomenen oder Störungen durch Hindernisse oder elektromagnetische Interferenzen. Räumlich diversifizierte Codierungstechniken lassen sich als eine Art redundanter Mehrkanal-Kommunikation beschreiben. Mit diesen Techniken werden mehrere Kopien eines Signals über mehrere physisch getrennte Sendeantennen (die selbst bereits Multiplex-Antennen sein können) gesendet.
Auf der anderen Seite werden diese duplizierten Signale von ebenfalls physisch getrennten Antennen empfangen, obwohl sie möglicherweise in ihrer Integrität beeinträchtigt sein können. Durch die unterschiedlichen Signalpfade können die einzelnen beeinträchtigten Signale jedoch kombiniert werden, was Abschwächungseffekte im Übertragungspfad reduziert und die Zuverlässigkeit des Signals wieder herstellt.
Vor dem Hintergrund der besonderen Anforderungen an die Kommunikation über große Entfernungen hinweg in Luft- und Raumfahrtanwendungen können solche räumlich diversifizierten Techniken Signalabschwächungen und Störungen gut reduzieren.
Effizientes Senden von Signalen mit Beamforming
Beamforming wird häufig in Anwendungen mit mehreren Antennen, etwa bei MIMO und in verteilten Antennensystemen eingesetzt; dabei handelt es sich um eine moderne Optimierungstechnik für Antennensysteme, die Funksignale in eine bestimmte Richtung fokussiert, um Abdeckung und Kapazität eines kabellosen Netzwerks zu erhöhen. Die Antennenmuster werden in intelligenter Weise angepasst, um positive Interferenzen der einzelnen elektromagnetischen Wellen miteinander in einer sehr spezifischen Richtung zu ermöglichen. Diese Strategie ermöglicht die zielgerichtete Signalverstärkung, die Reduzierung von Störungen und maximale Signalqualität.
Beamforming wird durch Anpassung der Phase und der Verstärkung eines einzelnen RF-Signals über mehrere Antennen erreicht. Bei MIMO-Anwendungen kann jede Antenne verschiedene Signale senden, die miteinander kombiniert werden können; dabei wird jedes Signal mit seiner eigenen Verstärkung und Phase gewichtet, um einen Mehrkanal-Sendestrahl zu erreichen. Mit dieser Art von Beamforming können vollständig unterschiedliche Signale mit einem einzigen MIMO-Antennenarray in viele Richtungen gesendet werden.
Beamforming ist von höchster Relevanz in Luft-/Raumfahrt-Kommunikationssystemen, besonders für die Luft-zu-Boden-Kommunikation, wo die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist. Beamforming-Techniken ermöglichen Satelliten oder Luftfahrzeugen die Fokussierung ihrer Übertragungen auf bestimmte Orte, wie etwa Bodenstationen oder andere Luftfahrzeuge, um maximale Signalqualität zu erreichen und Störungen zu minimieren.
Verteilte Antennensysteme sorgen für gleichmäßige Abdeckung
Während moderne Einzelantennen sehr gut geeignet sind, um die Kapazität zu erhöhen, können sie nicht in allen Umgebungen eingesetzt werden. In großen Gebäuden mit schlechter Signaldurchdringung oder starken Störungen können verteilte Antennensysteme (Distributed Antenna Systems, DAS) für die erforderliche Netzwerkabdeckung sorgen. Ein DAS besteht aus einem Netzwerk von Antennen, die in einem Gebäude verteilt sind und miteinander koordiniert sind, um maximale Konnektivität zu erreichen und erfolglose Signale zu minimieren.
DAS-Netzwerke ergänzen Netzwerk-Basisstationen wie etwa 4G- und 5G-Zellentürme, indem sie Netzwerke in Gebäude hinein erweitern, in denen eine einzelne Antenne nicht die erforderliche Abdeckung erreichen kann. Verteilte Antennensysteme unterstützen generell alle größeren Netzwerkanbieter und können dem Prinzip nach mit WLAN-Repeatern verglichen werden, nur eben für Mobilfunknetzwerke.
DAS-Lösungen können unterschiedlich groß sein, von kleinen Systemen für Büroräume mit 1000 qm und 2-4 Mobilfunk-Repeatern bis zu sehr großen Systemen für Hochhäuser mit mehr als 50.000 qm. Verteilte Antennensysteme für den Außeneinsatz können große und dicht besiedelte Flächen abdecken, darunter etwa belebte Straßen, Zoos oder Veranstaltungsgelände. Im Luft-/Raumfahrtbereich werden DAS-Systeme typischerweise in großen Flugzeugen verwendet, um einheitliche kabellose Abdeckung und Kapazität zu ermöglichen.
Kommunikationsantennentechnologie für Luft- und Raumfahrtanwendungen
Moderne Antennentechnologien spielen eine sehr wichtige Rolle für Boden-zu-Luft- und Boden-zu-Boden-Kommunikationssysteme. Zuverlässige und äußerst leistungsstarke kabellose Konnektivitätslösungen werden für Luft- und Raumfahrtanwendungen immer wichtiger, etwa für die Satelliten-, die Flugzeug-zu-Flugzeug-, die Flugzeug-zu-Boden- und die Passagierkommunikation während eines Fluges. Im Zuge der Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrtbranche werden solche Antennen sehr wichtig dafür sein, die zunehmenden Kommunikationsanforderungen mit effizienter, zuverlässiger und sicherer Abdeckung zu erfüllen.
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