LTE – 3.9 G oder 4G? - consistec

LTE – 3.9 G oder 4G? - consistec

Von Dr.-Ing. Thomas Sinnwell, CEO consistec GmbH Höhere Datengeschwindigkeit durch bessere Spektraleffizienz und breitere Frequenzbandnutzung In dies...

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Von Dr.-Ing. Thomas Sinnwell, CEO consistec GmbH

Höhere Datengeschwindigkeit durch bessere Spektraleffizienz und breitere Frequenzbandnutzung In diesem Artikel gehen wir der Frage

So ähnlich verhält es sich mit dem Begriff

E-UTRAN) wird als Evolved Packet System

nach, was LTE den Endkunden und den

LTE, der mittlerweile untrennbar mit der

(EPS) bezeichnet. Abhängig vom Kontext

Netzbetreibern bringen wird, und klären,

darunterliegenden Technologie verknüpft

findet man in der Literatur unterschied-

ob die Langzeitentwicklung von UMTS

ist. Diese wird als eine Evolution von UMTS

liche Bezeichnungen als Äquivalent zu LTE:

(Long Term Evolution – LTE) bereits zum

beschrieben, obwohl UMTS und LTE aktuell

E-UTRA, E-UTRAN, SAE, EPC und EPS. EPS

Start ein mobiles Breitbandsystem der

wenig gemeinsam haben.

ist die eigentlich korrekte Bezeichnung für das Gesamtsystem. Üblich sind aber die

4. Generation sein wird. Das UMTS Radio Access Network (RAN)

Bezeichnungen LTE/SAE oder auch einfach

Die Bezeichnung LTE (Long Term Evoluti-

besteht aus zwei Hauptkomponenten, der

LTE.

on) erschließt sich nicht intuitiv und ist er-

UMTS-Luftschnittstelle UTRA (UMTS Ter-

klärungsbedürftig. Startet man den Erklä-

restrial Radio Access) und dem Zugangsnetz

rungsversuch, so kommt man nicht ohne

UTRAN (Terrestrial Radio Access Network).

einen kleinen Rückblick auf die Haupt-

Zum UTRAN gehören die Radio Network

komponenten der Mobilfunksysteme der

Controller (RNC) und die Base Stations, die

Nach diesem Abkürzungs-Wirrwarr stellt

3. Generation und leider auch nicht ohne

bei UMTS Node B (NB) genannt werden.

sich natürlich die Frage, was die Systeme

Mobiles Breitband der 4. Generation

der 4. Generation zur mobilen Breitband-

eine Menge von Abkürzungen aus: Da LTE als Langzeitentwicklung von UMTS

kommunikation eigentlich bringen sollen:

LTE ist der Projektname eines aktuellen

zu verstehen ist, wurden die entspre-

Ziel von 4G war und ist die schnelle draht-

Third Generation Partnership Project

chenden RAN-Komponenten bei LTE Evol-

lose Breitbandübertragung, die erstmals

(3GPP). Das Projekt startete im Novem-

ved („entwickelter“) UTRA (E-UTRA) und

Multimediaanwendungen in Quasi-Echt-

ber 2004 und hatte die Langzeitentwick-

Evolved UTRAN (E-UTRAN) genannt. Das

zeit ermöglicht.

lung (Long Term Evolution) des Univer-

Radio Access Network bei LTE unterschei-

Konkret bedeutet das, dass auch große

sal Mobile Telecommunications System

det sich aber erheblich, da in einem paral-

Datenmengen

(UMTS) zum Ziel. UMTS ist ebenfalls ein

lel laufenden 3GP-Projekt mit dem Namen

werden können und dass Multimedia-

3GP-Projekt in dem als Zugriffsverfah-

System Architecture Evolution (SAE) das

Streams mit hoher Auflösung auf mobilen

ren bei der Luftschnittstelle WCDMA

Core Network (CN) zu einem ausschließlich

Endgeräten mit geringen Verzögerungen

(Wideband Code Division Multiple Ac-

paketbasierten ALL-IP-Netz, das Evolved

angeschaut und genutzt werden können.

cess) ausgewählt wurde. Seit dieser

Packet Core (EPC) genannt wird, weiterent-

Festlegung sind UMTS und WCDMA

wickelt wird. Die Kombination aus Evolved

Der interessierte Leser wird sich jetzt ggf.

austauschbare Begriffe.

Packet Core und Evolved RAN (E-UTRA und

die Frage stellen:

Ausgabe 01/2011

problemlos

übertragen

3

titelthema Sollte das nicht schon bei UMTS der

4G-Technologien

Neue Möglichkeiten für Unternehmen und Endanwender

Fall sein? Dazu bleibt festzustellen, dass sich die in den Jahren 2000 bis 2003

Die zwei führenden 4G-Technologien

in den Bereichen Produktmarketing der

sind WiMAX (Worldwide Interoperabili-

Mit 4G können Unternehmen mobil arbei-

Hersteller und Netzbetreiber sowie der

ty Microwave Access) und LTE. WiMAX

tenden Mitarbeitern Anwendungen zur

populär wissenschaftlichen Literatur

hat das Potenzial, sich in Ländern, in de-

Verfügung stellen, die zuvor auf die Nut-

kommunizierten UMTS-Features über-

nen es bisher nur eine rudimentäre Infra-

zung im LAN beschränkt waren:

wiegend an Laborbedingungen orien-

struktur zur Übertragung von mobilen

tierten und die grundlegende Eigen-

Daten gab, als das dominierende System

Unified Communications

schaft von zellularen Netzen, dass sich

zu etablieren. In Ländern, in denen es

4G bietet für mobile Endgeräte eine aus-

alle Teilnehmer innerhalb einer Zelle die

bereits eine funktionierende 3G-Tech-

reichende Netzwerkleistung, so dass sie

vorhandene Bandbreite teilen müssen,

nologie gibt, wird sich unserer Ansicht

als vollwertige Firmentelefone, die Unified

meistens außer Acht ließen. Insbeson-

nach hingegen LTE klar durchsetzen. Der

Communications Features bieten (Unter-

dere aufgrund der zugewiesenen Fre-

Vollständigkeit halber muss aber auch

stützung von PBX 3 -Funktionen, Integration

quenzbänder und der durch die tech-

erwähnt werden, dass UMTS über die

von Voicemail, E-Mail, Firmen-Blogs usw.),

nische Realisierung der Luftschnittstelle

Release 6 hinaus weiterentwickelt wird.

in einem WAN eingesetzt werden können.

der Komplexität des Core Network sind

Im Rahmen der weiteren Ausführungen

Virtual Collaboration

bei UMTS Multimediadienste, die sich

wird daher ausschließlich LTE als führen-

4G-Netze bieten eine ausreichende Down-

wie Dienste im WWW verhalten, noch

de 4G-Technologie betrachtet.

link- als auch Uplink-Leistung, so dass

vorgegebenen Spektraleffizienz sowie

hochwertige Video-Konferenzen mit mo-

nicht realisierbar.1

Anforderungen an LTE

bilem Equipment unabhängig vom Auf-

Die Verbesserungen, die durch den High

enthaltsort der Teilnehmer möglich sind.

Speed Download Packet Access (HSDPA –

Die Anforderungen der Industrie und der

UMTS Release 5) und den High Speed

Netzbetreiber an LTE waren im Wesent-

IPTV

Uplink Packet Access (HSUPA – UMTS

lichen: keine Verschlechterung gegenü-

Für Endanwender werden insbesondere

Release 6) erreicht wurden, waren ein

ber dem Status quo, niedrigere Preise pro

IPTV

wichtiger Schritt hin zur mobilen Breit-

Bit, Interoperabilität mit anderen Radio-

dungen im Fokus stehen. Die Bandbreite

bandkommunikation. Details zu HSDPA

Access-Technologien,

Übertra-

und die Latenz bei 4G ermöglichen dabei

und HSUPA können im switch! 1/2006

gungsraten und geringe Latenzzeiten. 2

erstmals, Video-Inhalte auf mobilen End-

ab Seite 4 nachgelesen werden.

[1], [2]

geräten in guter Qualität und in Quasi-

hohe

und

Stream-orientierte

Anwen-

1 Auf diese Restriktionen wiesen wir bereits im Rahmen unserer Veranstaltung „Was bringt UMTS?“ am 31.08.2001 und 01.09.2001 im Science Park in Saarbrücken hin, an der viele Gäste aus Wirtschaft (TK-Ausrüster, Netzbetreiber, Systemhäuser), Wissenschaft und Politik teilnahmen (siehe auch switch! 1/2002). 2

http://de.wikipedia.org/wiki/verzögerungszeit Verzögerungszeit, in unterschiedlichen Zusammenhängen auch Reaktionszeit, Verweilzeit oder Latenzzeit genannt, ist der Zeitraum zwischen einer Aktion (bzw. einem Ereignis) und dem Eintreten einer verzögerten Reaktion. Bei einer Latenzzeit ist die Aktion verborgen und wird erst durch die Reaktion deutlich. 3

PBX: Private Branch Exchange – Telefonanlage.

4

Echtzeit wiederzugeben. Aus denselben

voranzutreiben, ist eine besondere Versor-

schnellem Internetzugang zu versorgen.

Gründen wird die Nutzung des Internets

gungsverpflichtung für die Frequenzen der

Der CEO der Vodafone Deutschland Fried-

bei LTE in Kombination mit den Fähig-

sogenannten Digitalen Dividende vorgese-

rich Joussen versichert dazu: „Es gibt nach

keiten von Smartphones deutlich mehr

hen. Mit dieser Versorgungsverpflichtung

der Auktion (Anmerkung: Gemeint ist die

Spaß machen und den durch das iPhone

wird der Weg für eine mobile breitbandige

Versteigerung von 360 MHz Bandbrei-

massiv in Gang gesetzten Anstieg des

Internetversorgung im ländlichen Raum

te durch die Bundesnetzagentur, die am

Datenaufkommens in Mobilfunknetzen

geebnet und damit die Voraussetzung für

20. Mai 2010 nach sechs Wochen und 224

fortsetzen.

die gleichmäßige Schließung von beste-

Bieterrunden zu Ende ging) für jeden die

henden Versorgungslücken in allen Bun-

Verpflichtung zum schnellen Ausbau. Wir

desländern geschaffen“ [3, Seite 2].

haben auch gegenüber der Bundesregie-

Breitband für alle Im

POLITIKDIALOG

der

Vodafone

rung zugesagt, die ‚weißen Flecken‘ zügig

Deutschland beschreibt Matthias Kurth

Die Digitale Dividende bezeichnet die Fre-

(Präsident der Bundesnetzagentur) die

quenzblöcke, die zwischen 792 MHz und

Breitbandstrategie der Bundesregierung:

862 MHz durch die Digitalisierung des

„Um die Versorgung dünn besiedelter

terrestrischen Fernsehens frei geworden

Gebiete mit innovativen Mobilfunkanwen-

sind. Diese Frequenzbereiche ermöglichen

dungen und die Bereitstellung von breit-

aufgrund der Wellenlänge eine besonders

Um die Anforderungen von Netzbetreibern

bandigen Internetanschlüssen im Sinne der

reichweitenstarke Funktechnologie, die es

erfüllen zu können, kommen bei LTE drei

Breitbandstrategie der Bundesregierung

ermöglicht, auch ländliche Bereiche mit

grundlegende Technologien zum Einsatz:

Die Latenz beeinflusst neben der Daten-

mission Time Intervall (TTI) von 1 ms und

Handover bezeichnet. Ein misslungener

rate maßgeblich die wahrgenommene

die flachere Systemarchitektur des Funk-

Handover ist die häufigste Ursache für ei-

Geschwindigkeit von Diensten. Der Auf-

zugangsnetzes und der Kernarchitektur

nen Verbindungsabbruch.

bau eines Kanals vom inaktiven Idle-Status

möglich geworden.

Bei LTE/SAE wird ein „harter“ Handover

abzudecken“ [3, Seite 5].

Technologien der Long Term Evolution

LATENZ

implementiert. Das heißt, dass die alte, be-

in den Connected-Status wird bei LTE in weniger als 100 ms erreicht. Zum Ver-

HANDOVER

stehende Verbindung abgebrochen wird,

gleich: Bei UMTS kann der Kanalaufbau

Neben der Latenz und der Datenrate ist

um dann eine neue aufzubauen. Durch

mehrere Sekunden beanspruchen. Die

ein korrekt funktionierender Handover

diese Vorgehensweise können Ressourcen

Ende-zu-Ende-Latenz, also die Mindest-

ein wichtiges Merkmal für die Zufrieden-

gespart werden. Dabei werden die in Next

zeit, die ein mobiles Endgerät benötigt,

heit von Kunden. Bei jedem Mobilfunksys-

Generation Networks (NGN) geforderten

um ein Paket an einen externen Server zu

tem besteht eine große Herausforderung

Datenunterbrechungszeiten von weniger

schicken und eine Antwort zu erhalten,

darin, Gespräche unterbrechungsfrei und

als 300 ms von LTE-Netzen eingehalten. In

ist gegenüber UMTS deutlich verkleinert

nahtlos von einer Zelle zu einer anderen

der Praxis werden teilweise sogar Verzöge-

worden. Dies ist durch ein kürzeres Trans-

zu übergeben. Diese Übergabe wird als

rungen von weniger als 50 ms erreicht.

Ausgabe 01/2011

5

titelthema t Vielfachträger-Modulationsverfahren

Umsetzung werden N komplexe Symbole

sehr flexibles Modulationsverfahren mit

t Mehrantennensysteme

(Blocklänge ist N) auf Frequenzen fk mo-

Multiplexeigenschaften, das sehr robust

t Anwendung der Paketvermittlung im

duliert und überlagert. Die enthaltenen

ist und gesteigerte Verbundkapazitäten

Trägersignale sind über die Symboldauer

ermöglicht. Abbildung 1 verdeutlicht diese

T orthogonal, da die einzelnen Modula-

Zusammenhänge.

Radio-Interface

Vielfachträger-Modulationsverfahren

tionsfrequenzen fk ganzzahlige Vielfache

Bei Vielfachträger-Modulationsverfahren

von 1/T sind.

werden innerhalb einer Taktperiode die

Die Robustheit des Systems resultiert aus der Möglichkeit, User unterschiedlichen

von einem Sender zu übertragenden Bits

Bei OFDM werden die Datenströme also

Trägern (Subcarriers) zuzuweisen, um

auf verschiedene Trägerfrequenzen ver-

auf viele orthogonale Träger moduliert.

Schmalbandinterferenzen und die Stör-

teilt gesendet. Insofern handelt es sich

Dabei ist jeder Träger (Subcarrier) einem

effekte von zeitvarianten Kanälen zu ver-

auch um ein Multiplexverfahren.

User fest zugeordnet.

meiden bzw. zu reduzieren.

Bei LTE wird im Downlink-Pfad Orthogo-

Orthogonal Frequency Division Multiple Ac-

Kapazitätssteigerungen können wieder-

nal Frequency Division Multiple Access

cess (OFDMA) erweitert OFDM um Eigen-

um durch die Bündelung von einzelnen

(OFDMA) und im Uplink-Pfad Single Car-

schaften des Time Division Multiple Access

Trägern in Abhängigkeit vom Bedarf der

rier Frequency Division Multiple Access

(TDMA): Die Symbole eines Users können

einzelnen User erreicht werden.

(SC-FDMA) eingesetzt. Bevor auf die

für jede OFDMA-Symboldauer dynamisch

Gründe für die Verwendung von zwei

einem Subcarrier zugewiesen werden.

unterschiedlichen Vielfachträger-Modula-

Ein weiterer Vorteil von OFDM ist das relativ einfache Empfängerdesign durch

tionsverfahren eingegangen wird, werden

Durch die Erweiterung von OFDM um

Frequenzbereichsentzerrung [4, Seite 15].

beide Verfahren kurz vorgestellt.

Eigenschaften des TDMA ergibt sich ein

Die geringen Komplexitätsanforderungen

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist ein Vielfachträger-Modulationsverfahren, das bei Digital Video Broadcasting (DVB), Digital Audio Broadcasting (DAB) und verschiedenen WLANStandards sowie im Downlink-Pfad bei LTE verwendet wird. Bei LTE beträgt die Trägerbandbreite 15 kHz und die zu übertragenden Datenströme (Payload) werden durch Quadratur-Phasentastung (QPSK), 16-QAM- oder 64-QAM-Quadratur-Amplitudenmodulation auf komplexe Symbole abgebildet. Nach einer Serien-Parallel6

Abbildung 1: Trägerzuweisung bei OFDM und OFDMA [5, Seite 38]

an die Empfänger in den mobilen End-

Insofern wird für den Uplink-Pfad der

tragenden Signale in sogenannten Resour-

geräten sind dabei ein wichtiger Faktor

Single Carrier Frequency Division Multiple

ce Blocks (RB), die aus zwölf benachbarten

für die Produktion von kostengünstigen

Access (SC-FDMA) eingesetzt. SC-FDMA

Subcarriers bestehen, gesendet. Der Ein-

mobilen Endgeräten.

ist ein Vielfachzugriffsverfahren, das die

fachheit halber werden in dem in Abbildung

Im Gegenzug sind die Kosten für das

Vorteile von OFDMA, wie die Robustheit

2 dargestellten Vergleich zwischen OFDMA

Senderdesign bei OFDM relativ hoch, da

gegenüber Mehrwegeausbreitung und die

und SC-FDMA lediglich vier Subcarriers

die Peak-to-Average Power Ratio (PAPR)

4

Flexibilität eines Vielfachzugriffsverfahrens

über zwei Symbolperioden betrachtet. Die

bei OFDM-Signalen hoch ist [4, Seite 15]

im Frequenzbereich, mit der Technik für

Payload besteht dabei aus mit Quadratur-

und somit ein hochlinearer RF-Verstärker

Einzelkanalübertragungssysteme, die eine

Phasentastung (QPSK) modulierten Daten.

benötigt wird. Um eine ausreichende

niedrige PAPR aufweisen, kombiniert.

Funkzellenabdeckung zu erreichen, wird

Betrachtet man die Darstellung für OFDMA,

zudem eine hohe Ausgangsleistung be-

Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Dar-

so stellt man fest, dass jeweils vier Symbole

nötigt, die die Standzeiten von mobilen

stellung von OFDMA und SC-FDMA. In der

parallel über vier Subcarriers übertragen

Endgeräten drastisch verkürzen würde.

Realität werden bei SC-FDMA die zu über-

werden. Da die QPSK-Symbole lediglich in

Abbildung 2: Vergleich zwischen OFDMA und SC-FDMA in einer vereinfachten Darstellung [5, Seite 39]

4

Ausgabe 01/2011

Die PAPR ist der Quotient aus dem Quadrat der Maximalamplitude (Peak-Amplitude) und der Durchschnittsleistung.

7

titelthema der Phase moduliert sind, ist die Amplitu-

oder zur Erhöhung der Datenrate. Man

sein sollte, um sicherzustellen, dass sich

de der einzelnen Symbole in den jewei-

unterscheidet dabei grundsätzlich:

die Übertragungsbedingungen geändert

ligen Trägern (Subcarriers) gleich.

haben. Zeitdiversität kann folglich als KaFrequenzdiversität

nalcodierung

Entgegen der Darstellung werden die Sym-

Die Information wird in unterschiedlichen

interpretiert werden. Auch für kleine War-

bole zyklisch erweitert, um die Störungen

Frequenzbereichen

tezeiten kann ein Diversitätsgewinn erzielt

durch die Mehrwegeausbreitung stark

sollte der Abstand der Spektren größer

reduzieren zu können. In Abbildung 2 ist

als die Kohärenzbandbreite des Kanals

dieses Schutzintervall der Einfachheit hal-

sein, um unabhängige Schwundprozesse

Raumdiversität

ber als Lücke dargestellt und mit CP (Cyclic

für die Kanäle voraussetzen zu können.

Kommt es zum Einsatz mehrerer Sen-

Prefix) bezeichnet.

Frequency-Hopping-Verfahren, die z. B.

de- und/oder Empfangsantennen, spricht

bei GSM eingesetzt werden, sind Bei-

man von Raumdiversität. Der Abstand der

Bei SC-FDMA hingegen werden die vier

spiele für Verfahren, die Frequenzdiversi-

Antennen sollte so groß gewählt werden,

QPSK-Symbole nacheinander innerhalb ei-

tät nutzen.

dass unabhängige Schwundprozesse für

übertragen.

Dabei

ner SC-FDMA-Symboldauer über vier Kanäle „gespreizt“ übertragen.

mit

Wiederholungscodes

werden [6, Seite 78].

die Kanäle angenommen werden können. Zeitdiversität

Als Faustregel gilt hier, dass der Abstand

Systeme, die Zeitdiversität nutzen, über-

mehr als die Hälfte der verwendeten Wel-

Die OFDMA- und die SC-FDMA-Symbol-

tragen die Information mehrmals zu ver-

lenlänge betragen sollte. Aber auch bei

dauer sind bei LTE jeweils 66,7 µs. Die pa-

schiedenen Zeitpunkten bzw. in verschie-

korrelierten Kanälen können Gewinne

rallele Übertragung von modulierten Daten

denen Zeitschlitzen, wobei die Wartezeit

erzielt werden [6, Seite 78]. Abhängig

bei OFDMA führt zu einer relativ hohen

größer als die Kohärenzzeit des Kanals

davon, welches Ende der Übertragungs-

PAPR. Bei der seriellen Übertragung der QPSK-Daten innerhalb eines SC-FDMASymbols wird zwar die gleiche Bandbreite wie bei der parallelen Übertragung bei OFDMA benötigt, aber die PAPR ist niedriger und entspricht der PAPR der Originalsymbole.

Mehrantennensysteme Übertragungsmethoden, bei denen der Empfänger eine Auswahl zwischen mehreren Sendungen desselben Signals erhält, werden als Diversitätsverfahren bezeichnet. Diese Verfahren dienen der Verbesserung der Zuverlässigkeit von Systemen 8

Abbildung 3: Radiokanal-Modelle

strecke mit mehreren Antennen ausge-

MISO: Multiple Input, Single Output

Ausbreitungspfade steigt [6, Seite V]. Dank

rüstet ist, unterscheidet man:

SIMO: Single Input, Multiple Output

dieses Verfahrens können höhere Daten-

Empfangsdiversität, Sendediversität sowie

MIMO: Multiple Input, Multiple Output

raten bzw. geringere Anforderungen an

eine Kombination aus Sende- und Empfangsdiversität.

das Signal-Störleistungs-Verhältnis ohne Bei MIMO-Übertragungssystemen kann

eine Erhöhung der Sendeleistung oder der

durch systematische Ausnutzung mehre-

Bandbreite realisiert werden.

Zur Beschreibung der Raumdiversität greift

rer Sende- und Empfangswege die Über-

man auf verallgemeinerte Kanalmodelle

tragungskapazität erhöht werden.

Packet-Switched Radio Interface LTE wurde als ein ausschließlich mit Pa-

zurück, die in vereinfachter Form für Radiokanäle in Abbildung 3 dargestellt sind.

Anmerkung: Es kann analytisch gezeigt

ketvermittlung arbeitendes System entwi-

Die Abkürzungen stehen für:

werden, dass die Kanalkapazität linear mit

ckelt. Die ganze Struktur des Netzwerkes

SISO: Single Input, Single Output

der Zahl der Antennen und der Zahl der

wurde dabei deutlich vereinfacht.

Die Ressourcenzuweisung der Nutzer ist äußerst flexibel und wird jede Millisekunde neu entschieden. Das adaptive Scheduling betrifft sowohl die Frequenzdiversität als auch die Raumdiversität. Die Modulation und die Code-Rate werden ebenfalls adaptiv in Abhängigkeit von den Kanaleigenschaften und dem Bedarf angepasst.

Die LTE-Protokollstruktur ist in Abbildung 4 in vereinfachter Form dargestellt.

Leistungsmerkmale von LTE Eine gesteigerte Performance gegenüber den bereits bestehenden Systemen war eine Hauptanforderung an LTE seitens der Mobilfunknetzbetreiber, um ein entsprechendes Marktinteresse wecken zu können. Als Bezugssystem, um die Performance-Anforderungen relativ zu Abbildung 4: LTE-Protokollstruktur in einer vereinfachten Darstellung [7, Seite 45]

Ausgabe 01/2011

einem bestehenden und erprobten System 9

titelthema fang an in der Architekturphase berücksichtigt wurden.

Abbildung 5 zeigt die Standardisierungsphasen und die korrespondierenden iterativen Prozesse.

3.9 oder 4G?

Abbildung 5: Standardisierungsphasen [8, Seite 8]

formulieren zu können, wurde für die

UMTS wird kontinuierlich weiterentwickelt

Derzeit wird bereits an Verbesserungen

Standardisierungsphase des ersten LTE-

und die Performance-Ziele der Releases 7

von LTE gearbeitet. Ein wesentlicher

Systems UMTS in der Release 6 (HSDPA/

und 8 liegen dicht an den Zielen für LTE.

Grund dafür war der „Call for Techno-

HSUPA) herangezogen. Tabelle 1 enthält

LTE hat aber den großen Vorteil, dass es

logies“ des internationalen Standardi-

einige Schlüsselanforderungen an die Per-

keine Abwärtskompatibilität bieten muss

sierungsgremiums

formance von LTE und den Vergleich zu

und dass fortgeschrittene MIMO-Verfah-

Telecommunication Union). Die ITU hat

UMTS Release 6.

ren und flexible Zugriffsverfahren von An-

im Rahmen von IMT-Advanced für die

ITU

(International

Uplink

Downlink

Systeme der 4. Generation (4G) die AnLTE Anforderungen

Vergleich zu UMTS Release 6

Peak transmission rate

> 100 Mbps

7 x 14.4 Mbps

Peak spectral efficiency

> 5 bps/Hz

3 bps/Hz

forderungen an die Leistungsfähigkeit Bemerkungen LTE: 20 MHz FDD, 2x2 MIMO Referenz: HSDPA: 5 MHz FDD, Einzelantenne

Average cell spectral efficiency

> 1.6 - 2.1 bps/Hz/cell

3-4 x 0.53 bps/Hz/cell

LTE: 2x2 MIMO Interference-Rejection-Combining(IRC-) Empfänger Referenz: HSDPA, Rake Empfänger [4], 2 Empfangsantennen

Cell edge spectral efficiency

> 0.04 - 0.06 bps/Hz/user

2-3 x 0.02 bps/Hz

Wie oben, 10 User pro Zelle

Peak transmission rate

> 50 Mbps

5 x 11 Mbps

Peak spectral efficiency

> 2.5 bps/Hz

2 bps/Hz

LTE: 20 MHz FDD, Einzelantenne Referenz: HSUPA: 5 MHz FDD, Einzelantenne

Average cell spectral efficiency

> 0.66 - 1.0 bps/Hz/cell

2-3 x 0.33 bps/Hz

LTE: Einzelantenne, IRC Empfänger Referenz: HSUPA, Rake Empfänger, 2 Empfangsantennen

Cell edge spectral efficiency

> 0.02 - 0.03 bps/Hz/user

2-3 x 0.01 bps/Hz

Wie oben, 10 User pro Zelle

nochmals erhöht. Die einzelnen Verbesserungen sind in der 3GPP-Standardisierung unter LTE-Advanced zusammengefasst. Im September 2009 wurde LTE-Advanced als Technologiekandidat bereits in den IMT-Advanced-Prozess eingebracht. Die Detailspezifizierung hat im März 2010 begonnen und wird voraussichtlich Anfang 2011 im Sinne der ersten Iterationen (vgl. Abbildung 5) beendet sein. Bei LTE-Advanced lassen sich bis zu fünf Trägerfrequenzen mit maximal 20 MHz

System

Bandbreite bündeln. Dies wird als CarConnection set-up lantency

< 100 ms

Operating bandwith

1.4 - 20 MHZ

Active state

rier Aggregation (CA) bezeichnet. Da

(initial requirement started at 1.25 MHz)

Mobilfunknetzbetreiber in der Regel

Idle state 5 MHz

kein durchgängiges Frequenzspektrum Tabelle 1: Performance-Zielvorgaben für LTE im Vergleich mit UMTS Release 6 [4, Seite 8]

10

von 100 MHz zur Verfügung haben,

unterstützt LTE-Advanced die Kombi-

Im Rahmen der Standardisierung von LTE

Literatur- und Quellenverzeichnis:

nation von benachbarten und nicht be-

wurden konsequent und frühzeitig Para-

[1] 3GPP TSG RAN TR 25.913 v7.3.0, Require-

nachbarten Trägern [9, Seite 89]. Carrier

meter berücksichtigt, die die tatsächliche

ments for Evolved Universal Terrestrial Radio

Aggregation (CA) ist keine völlig neue

Empfangs- und Sendesituation von Usern

Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio

Idee und wurde erstmals bei EDGE ver-

beschreiben. Zudem wurde der Gesamt-

Access Network (UTRAN)

wendet. Es bleibt abzuwarten, inwieweit

systemperformance im Rahmen der Stan-

[2] 3GPP TSG RAN TR 23.882 v1.15.1, 3GPP Sys-

bzw. in welcher Form CA aufgrund der

dardisierung ein hoher Stellenwert einge-

tem Architecture Evolution: Report on Technical

erhöhten Komplexität und der erhöhten

räumt.

Options and Conclusions

Kosten umgesetzt werden wird.

[3] POLITIKDIALOG, Vodafone Deutschland,

Die im Marketing gerne verwendete Peak-

Ausgabe 1/2010

LTE-Advanced unterstützt höherwertige

Datenrate erlaubt Technikern zwar den

[4] Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker,

MIMO-Verfahren zur Verbesserung der

Vergleich zwischen unterschiedlichen Mo-

editors. LTE – The UMTS Long Term Evolution,

Spektraleffizienz mit jeweils bis zu acht

bilfunksystemen und die Ermittlung der

John Wiley & Sons Ltd., West Sussex, United

Sende- und Empfangsantennen. 8x8

maximalen Spektraleffizienz, beschreibt

Kingdom, 2009

MIMO im Downlink führt beispielsweise

aber keinesfalls die reale Situation für

[5] Moray Rumney, editor. LTE and the Evolution

zu einer theoretischen maximalen Spek-

Mobilfunknutzer. Durchschnittsdatenra-

to 4G Wireless, Agilent Technologies by John

traleffizienz von 30 Bit/s/Hz.

ten liegen unter der Peak-Datenrate und

Wiley & Sons Ltd., West Sussex, United King-

hängen von vielen Parametern ab (Durch-

dom, 2009

Darüber hinaus kommt bei LTE-Advanced

schnittsdatenraten betragen etwa 30 bis

[6] Steffen Reinhardt. Einträgerübertragung mit

ein verbessertes Uplink-Verfahren, In-

70 % der Peak-Datenrate). Gegenüber

Frequenzbereichsentzerrung, Dissertation, Uni-

Channel Relay zur weiteren Reduzierung

UMTS Release 6 wird LTE – auch in den

versität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, 2007

von Interferenzen [5, Seite 422] sowie das

Durchschnittsdatenraten – eine enorme

[7] David Astély, Erik Dahlman, Anders Furuskär,

Konzept der selbstoptimierenden Netz-

Leistungssteigerung bedeuten. Betrach-

Ylva Jading, Magnus Lindström and Stefan Park-

werke [10, Seite 94] zum Einsatz.

tet man Tabelle 1, so erkennt man, dass

vall. LTE: The Evolution of Mobile Broadband,

LTE sogar an den Zellrändern eine zwei-

IEEE Communications Magazine, April 2009

bis dreifach höhere Spektraleffizienz ge-

[8] Erik Dahman, Stefan Parkvall, Johan Sklöd,

genüber UMTS Release 6 aufweist, was

Per Beming. 3G Evolution, Second edition, Aca-

Bei der aktuellen Version von LTE handelt

zu höheren Datenraten auch am Rand ei-

demic Press, Burlington, 2008

es sich im Sinne der ITU noch um eine

ner Mobilfunkzelle im Vergleich zu UMTS

[9] Guangxiang Yuan, Xiang Zhang, Yang Yang.

Vorstufe der Systeme der 4. Generation.

führen wird.

Carrier Aggregation for LTE-Advanced Mobile

Fazit

Insofern ist die Bezeichnung 3.9G zutref-

Communication Systems, IEEE Communications

fend.

LTE eröffnet zudem durch die Nutzung der

Magazine, Februar 2010

Unbenommen davon wird LTE erstmals

sogenannten Digitalen Dividende erstmals

[10] Honglin Hu, Jian Zhang, Xiaoying Zheng,

Multimediaanwendungen in Quasi-Echt-

die Chance auf „Breitband für alle“.

Yang Yang, Ping Wu. Self-Configuration and

zeit ermöglichen, und das nicht nur unter

Self-Optimization for LTE Networks, IEEE Com-

Laborbedingungen.

munications Magazine, Februar 2010

Ausgabe 01/2011

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