LTE (sowohl Funk- als auch Kernnetzentwicklung) ist jetzt auf dem Markt. Release 8 wurde im Dezember 2008 eingefroren und war die Grundlage für die erste Welle von LTE-Geräten. Die LTE-Spezifikationen sind sehr stabil, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass in allen nachfolgenden 3GPP-Releases Verbesserungen eingeführt wurden.
Die Motivation für LTE
- Die Notwendigkeit, die Kontinuität der Wettbewerbsfähigkeit des 3G-Systems für die Zukunft sicherzustellen
- Die Nachfrage der Nutzer nach höheren Datenraten und höherer Dienstqualität
- Paketvermittlungsoptimiertes System
- Anhaltende Nachfrage nach Kostensenkungen (CAPEX und OPEX)
- Geringe Komplexität
- Vermeidung unnötiger Fragmentierung von Technologien für den Betrieb in gepaarten und ungepaarten Bändern
LTE-Übersicht
Autorin: Magdalena Nohrborg, für 3GPP
LTE (Long Term Evolution) oder das E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Access Network), eingeführt in 3GPP R8, ist der Zugangsteil des Evolved Packet System (EPS). Die Hauptanforderungen an das neue Zugangsnetz sind hohe spektrale Effizienz, hohe Spitzendatenraten, kurze Umlaufzeiten sowie Flexibilität bei Frequenz und Bandbreite.
GSM wurde entwickelt, um Echtzeitdienste leitungsvermittelt zu übertragen (blau in Abbildung 1), wobei Datendienste nur über eine leitungsvermittelte Modemverbindung mit sehr niedrigen Datenraten möglich waren. Der erste Schritt zu einer IP-basierten paketvermittelten Lösung (grün in Abbildung 1) wurde mit der Weiterentwicklung von GSM zu GPRS gemacht, wobei dieselbe Luftschnittstelle und dasselbe Zugangsverfahren, TDMA (Time Division Multiple Access), verwendet wurde.
Um höhere Datenraten in UMTS (Universal Mobile Terrestrial System) zu erreichen, wurde eine neue Zugangstechnologie, WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), entwickelt. Das Zugangsnetz in UMTS emuliert eine leitungsvermittelte Verbindung für Echtzeitdienste und eine paketvermittelte Verbindung für Datenübertragungsdienste (schwarz in Abbildung 1). In UMTS wird die IP-Adresse dem UE zugewiesen, wenn ein Datendienst eingerichtet wird, und freigegeben, wenn der Dienst freigegeben wird. Eingehende Datendienste sind daher weiterhin auf den leitungsvermittelten Kern für Paging angewiesen.
Das Evolved Packet System (EPS) ist rein IP-basiert. Sowohl Echtzeitdienste als auch Datendienste werden über das IP-Protokoll übertragen. Die IP-Adresse wird beim Einschalten des Mobiltelefons zugewiesen und beim Ausschalten wieder freigegeben.
Die neue Zugangslösung, LTE, basiert auf OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) und in Kombination mit Modulation höherer Ordnung (bis zu 64QAM), großen Bandbreiten (bis zu 20 MHz) und räumlichem Multiplexing im Downlink (bis zu 4×4) können hohe Datenraten erreicht werden. Die höchste theoretische Spitzendatenrate auf dem Transportkanal beträgt 75 Mbit/s im Uplink, und im Downlink kann die Rate unter Verwendung von Spatial Multiplexing bis zu 300 Mbit/s betragen.
Das LTE-Zugangsnetz ist einfach ein Netz von Basisstationen, evolved NodeB (eNB), die eine flache Architektur bilden (Abbildung 2). Es gibt keinen zentralisierten intelligenten Controller, und die eNBs sind normalerweise über die X2-Schnittstelle und über die S1-Schnittstelle mit dem Kernnetz verbunden (Abbildung 2). Der Grund für die Verteilung der Intelligenz auf die Basisstationen in LTE ist die Beschleunigung des Verbindungsaufbaus und die Verringerung der für einen Handover benötigten Zeit. Für einen Endnutzer ist die Zeit für den Verbindungsaufbau für eine Echtzeit-Datensitzung in vielen Fällen entscheidend, insbesondere bei Online-Spielen. Die Zeit für einen Handover ist für Echtzeitdienste entscheidend, bei denen die Endnutzer dazu neigen, Gespräche zu beenden, wenn der Handover zu lange dauert.
Ein weiterer Vorteil der verteilten Lösung ist, dass die MAC-Protokollschicht, die für das Scheduling zuständig ist, nur im UE und in der Basisstation vertreten ist, was zu einer schnellen Kommunikation und Entscheidung zwischen eNB und UE führt. Bei UMTS sind das MAC-Protokoll und das Scheduling im Controller angesiedelt, und bei der Einführung von HSDPA wurde eine zusätzliche MAC-Subschicht, die für das HSPA-Scheduling zuständig ist, in der NB hinzugefügt.
Der Scheduler ist eine Schlüsselkomponente für das Erreichen einer schnell angepassten und effizient genutzten Funkressource. Das Transmission Time Interval (TTI) ist auf nur 1 ms festgelegt.
Während jeder TTI muss der eNB Scheduler:
– die physikalische Funkumgebung pro UE berücksichtigen. Die UEs melden ihre wahrgenommene Funkqualität als Input für den Scheduler, um zu entscheiden, welches Modulations- und Kodierungsschema zu verwenden ist. Die Lösung beruht auf einer schnellen Anpassung an Kanalvariationen, wobei HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) mit Soft-Combining und Ratenanpassung eingesetzt wird.
– die QoS-Dienstanforderungen unter den UEs priorisieren. LTE unterstützt sowohl verzögerungsempfindliche Echtzeitdienste als auch Datendienste, die hohe Datenspitzenraten erfordern.
– informiert die UEs über zugewiesene Funkressourcen. Der eNB plant die UEs sowohl auf dem Downlink als auch auf dem Uplink ein. Für jedes UE, das in einer TTI eingeplant ist, werden die Nutzdaten in einem Transportblock (TB) übertragen. DL können maximal zwei TB pro TTI und UE erzeugt werden, wenn räumliches Multiplexing verwendet wird. Der TB wird auf einem Transportkanal zugestellt. In LTE ist die Anzahl der Kanäle im Vergleich zu UMTS reduziert. Für die Nutzerebene gibt es nur einen gemeinsamen Transportkanal in jeder Richtung. Der TB, der auf diesem Kanal gesendet wird, kann daher Bits von mehreren Diensten enthalten, die zusammen gemultiplext werden.
Um eine hohe Funkspektraleffizienz zu erreichen und ein effizientes Scheduling sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich zu ermöglichen, wurde von 3GPP ein Mehrträgerverfahren für den Mehrfachzugang gewählt. Für die Abwärtsstrecke wurde OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) und für die Aufwärtsstrecke SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access), auch bekannt als DFT (Discrete Fourier Transform) Spread OFDMA, gewählt (Abbildung 3).
OFDM ist ein Mehrträgerverfahren, bei dem die verfügbare Bandbreite in eine Vielzahl von zueinander orthogonalen schmalbandigen Unterträgern unterteilt wird. Bei OFDMA können diese Unterträger von mehreren Benutzern gemeinsam genutzt werden. Die OFDMA-Lösung führt zu einem hohen Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), das teure Leistungsverstärker mit hohen Anforderungen an die Linearität erfordert und den Stromverbrauch des Senders erhöht. Dies ist im eNB kein Problem, würde aber zu sehr teuren Handgeräten führen. Daher wurde für die UL eine andere Lösung gewählt. Wie in Abbildung 3 dargestellt, erzeugt die SC-FDMA-Lösung ein Signal mit Einzelträgercharakteristik und daher mit niedrigem PAPR-Wert.
Um einen weltweiten Einsatz zu ermöglichen und möglichst viele regulatorische Anforderungen zu erfüllen, wird LTE für eine Reihe von Frequenzbändern – E-UTRA-Betriebsbänder – entwickelt, die derzeit von 700 MHz bis 2,7 GHz reichen. Die verfügbaren Bandbreiten sind ebenfalls flexibel und reichen von 1,4 MHz bis zu 20 MHz. LTE wurde entwickelt, um sowohl die Zeitduplex- (TDD) als auch die Frequenzduplex-Technologie (FDD) zu unterstützen. In R8 sind 15 Bänder für FDD und acht Bänder für TTD vorgesehen. In R9 wurden vier Bänder für FDD hinzugefügt. Außerdem wurden in R9 z. B. der Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) und der Home eNB (HeNB) hinzugefügt (siehe Abbildung 4). MBMS wird verwendet, um Broadcast-Informationen für alle Nutzer bereitzustellen, z. B. Werbung, und Multicast für eine geschlossene Gruppe, die einen bestimmten Dienst abonniert hat, z. B. Streaming-TV. Der HeNB ist ein eNB mit geringer Leistung, der in kleinen Zellen – Femtozellen – eingesetzt wird. Normalerweise gehört er dem Kunden, wird ohne Netzplanung eingesetzt und mit dem EPC (Evolved Packet Core) des Betreibers verbunden.
Abbildung 4 Neu in LTE R9: a) MBMS, b) HeNB.
Weiterlesen
– TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physikalische Kanäle und Modulation
– TS 36.212 Evolvierter universeller terrestrischer Funkzugang (E-UTRA); Multiplexing und Kanalcodierung
– TS 36.213 Evolvierter universeller terrestrischer Funkzugang (E-UTRA); Verfahren der physikalischen Schicht
– TS 36.300 Evolvierter Universeller Terrestrischer Funkzugang (E-UTRA) und Evolviertes Universelles Terrestrisches Funkzugangsnetz (E-UTRAN); Gesamtbeschreibung; Stufe 2
– TS 36.321 Evolvierter Universeller Terrestrischer Funkzugang (E-UTRA); Spezifikation des Medium Access Control (MAC) Protokolls
– TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protokollspezifikation
– TS 36.413 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)
– TS 36.423 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP)
LTE Historical Information
Das technische Papier UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) und 3GPP System Architecture Evolution (SAE) ist ein guter Ausgangspunkt.
Das 2004 initiierte Projekt Long Term Evolution (LTE) konzentrierte sich auf die Verbesserung des Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) und die Optimierung der 3GPP-Funkzugangsarchitektur.
Die 3GPP-Spezifikationsreihe 36 umfasst den „Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)“.
Siehe auch – die Technologieseite zu LTE-Advanced, die die Arbeit über LTE Release 8/9 hinaus beschreibt.
…Erfahren Sie Einzelheiten zur Verwendung der LTE- und LTE-Advanced-Logos