LTE Grundlagen - Teil 1

LTE-Grundlagen - LTE-Tutorial Teil 1

LTE als WCDMA-Nachfolger

von: Rudolf Riemer

• Einleitung
• Vorteile und Eigenschaften von LTE
• Spektrum und spektrale Effizienz
• Dienstgüte
• Kapazitätsnachfrage für Mobilfunknetze
• Was kommt nach LTE
• Abkürzungen und weiterführende Links

Stand: Dezember 2009

Einleitung

LTE (Long Term Evolution) entspricht dem 3GPP-Nachfolger der WCDMA-Mobilfunktechnik: UMTS, HSDPA, HSUPA und HSPA+ (Abkürzungen sind am Ende des Artikels tabellarisch aufgelistet), dem die 3GPP durch die Release 8 Rechnung trägt. Der Entwicklungsbeginn von LTE geht auf das Jahr 2004 zurück - also auf ein Jahr, in dem noch nicht einmal HSDPA kommerziell verfügbar war. Damals war längstens klar, dass die Vorzüge von OFDM-Systemen für Funkschnittstellen auch im Mobilfunknetzbetrieb zur Verfügung stehen sollen, wie es z.B. bei WLAN (802.11g) schon mehrere Jahre der Fall ist (oder auch bei WiMAX, das jedoch bisher noch keinen kommerziellen Durchbruch geschafft hat). Eine Arbeitsgruppe innerhalb der 3GPP rund um die Firma Nortel Networks machte sich daran, einen möglichst einfach zu integrierenden OFDM-Funkstandard zu entwickeln und zu spezifizieren. Auf die Vorzüge von OFDM wird in einem späteren Artikel zu LTE noch ergiebig darauf eingegangen.

Normalerweise benötigt die Entwicklung eines neuen Mobilfunkstandards ca. 5 Jahre bis er die Reife für eine kommerzielle Einführung hat; man hat also bei Entwicklungsbeginn das Jahr 2009 im Visier gehabt, um LTE kommerziell zu starten. Ganz so schnell ist es dann doch nicht gegangen, die meisten Frequenzlizenzvergaben für LTE sind erst für 2010 geplant (z.B. in Österreich). Anwender werden allgemein sich noch etwas in Geduld üben müssen, um LTE auch wirklich nutzen zu können. Ausnahme Skandinavien: Am 14. Dezember wurden die ersten LTE-Netze in der norwegischen hauptstadt Oslo und in der schwedischen Hauptstadt Stockholm gestartet. Der Netzbetrieb ist jedoch auf den urbanen Bereich der jeweiligen Städte beschränkt. Siehe dazu: Newsmeldung im 3G-Forum. Die ersten LTE-Endgeräte (Samsung GT-B3710) werden per USB an Rechner angeschlossen. In der ersten Jahreshälfte 2010 werden weitere LTE-Endgeräte erwartet.

Im Gegensatz zu der Einführung von HSDPA, handelt es sich bei LTE nicht um eine adaptive Evolution neuer Verfahren in eine bestehende Mobilfunknetzinfrastruktur, wie dies eben bei HSDPA und HSUPA der Fall war (adaptive Erweiterung bestehender UMTS-Infrastruktur).
Bei LTE wird eine komplett neue Funkschnittstellentechnik eingeführt, die mit der von UMTS bzw. GSM nichts gemeinsam hat. Die Konsequenz daraus ist, dass mit der Einführung von LTE wie seinerzeit bei UMTS wieder ein komplett neues Funkzugriffsnetz aufgebaut werden muss, was mit einem nicht unwesentlichen Kostenaufwand verbunden ist. Um diesen Kostenaufwand zu rechtfertigen, liegt es nahe, dass LTE gegenüber UMTS und deren Evolutionsstufen HSPA (HSDPA+HSUPA / Release 6) sowie HSPA+/eHSPA  (Release 7) entscheidende Vorteile aufweisen muss.

Die wichtigsten Vorteile von LTE gegenüber HSPA sind:

• Die maximal verfügbare Datengeschwindigkeit für einen Dienst steigt auf rund das 10-fache an
  • Downlink-Maximalgeschwindigkeit: bis 100Mbit/s
  • Uplink-Maximalgeschwidgkeit: bis 50Mbit/s
• Die Latenzzeiten reduzieren sich um den Faktor 2 bis 3 (Round-trip-times unter 10ms, Zugriffsverzögerung unter 300ms)
• Die spektrale Effizienz steigt um den Faktor 2 bis 4

Weitere Primäreigenschaften und Vorzüge von LTE:

• optimiert für Paket-Datendienste
• hoher Stellenwert bezüglich Mobilität und Sicherheit
• bessere Energieeffizienz der Mobilendgeräte (Handy/Modem)
• flexiblere Frequenzbandnutzung von 1,25MHz bis 20MHz
• flexible Funknetzplanung: sehr gute Leistung bei Zellen mit bis zu 5km Reichweite; mit reduzierter Leistung sind Zellen mit bis zu 100km möglich
• weniger Interferenzen auf der Funkschnittstelle
• Reduktion von Netzwerkelementen
• komplette IP-basierende Umgebung
• Koexistenz mit anderen 3GPP-Standards, wie GSM/GPRS/EDGE, UMTS, HSPA, eHSPA

Höhere Datengeschwindigkeit
durch bessere Spektraleffizienz und breitere Frequenzbandnutzung

Die Datenraten können sich bei LTE wahrlich blicken lassen. Werden Frequenzbänder mit 20MHz Bandbreite verwendet, so sind im Downlink (vom Netzwerk richtung Anwender) Datenraten von ca. 100Mb/s möglich. Die absolute Maximaldatenrate würde unter optimalen Bedingungen sogar noch deutlich höher liegen - theoretisch bis zu 326,4Mb/s ¹ im Downlink. Im Uplink (vom Anwendung richtung Netzwerk) kann man unter normalen Bedingungen mit einer Maximalrate von ca. 50Mb/s rechnen - unter optimalen Bedingungen liegt die theoretische Maximaldatenrate sogar bei 86,4Mb/s ².

Eine Besonderheit von LTE ist, dass unterschiedlich breiter Spektren erlaubt sind, nämlich:

• 1,25MHz
• 1,6MHz
• 2,5MHz
• 5MHz
• 10MHz
• 15MHZ
• 20MHz

Im Jahr 2010 werden die ersten Frequenzen im 2,6GHz-Bereich vergeben, die primär für LTE-Nutzung angedacht sind. Im Bereich um 2,6GHz sind sowohl für gepaarten Frequenzbetrieb (FDD) als auch für ungepaarten Betrieb (TDD) Frequenzbereiche reserviert.

Für den gepaarten Betrieb ist ein gepaarter Frequenzraum (Operationsband 7) mit einem Totalspektrum von 2x70MHz. Für den Uplink steht der Frequenzraum von 2500MHz bis 2570MHz zur Verfügung, für den Downlink der Frequenzraum von 2620MHz bis 2690MHz. Dieser gepaarte Frequenzraum von 2x70MHz, den sich mehrere Netzbetreiber teilen müssen, ist also nicht allzu breit, sodass es praktisch in diesem Frequenzraum unmöglich ist, dass ein Netzbetreiber über die volle Bandbreite von 20MHz operieren wird können. Da das zu vergebende Spektrum also kaum größer ist als bei UMTS (2x60MHz), ist zu rechnen, dass die meisten Netzbetreiber zu Beginn mit der gleichen Bandbreite wie bei UMTS aufwarten werden, nämlich mit 5MHz.

Für den ungepaarten Betrieb gibt es im 2,6GHz-Bereich ein Spektrum (Operationsband 38) von 1x50MHz, das von 2570MHz bis 2620MHz reicht.

Abb.1: LTE-Frequenzspektrum bei 2600MHz für Europa

Durch ein ausgeklügeltes Schedulingsystem der OFDMA-Kanäle können die Interferenzstörungen in Zellenrandnähe reduziert werden, wodurch die spektrale Effizienz gegenüber WCDMA-Netzen steigt.

Zwecks möglichst hoher Datenraten werden von LTE im Downlink die Modulationen von 4PSK über 16QAM bis zu 64QAM sowie MIMO (vorab ein 2x2-System, also 2 Sende und 2 Empfangsantennen; später ist auch ein 4x4-MIMO-System angedacht) unterstützt.

Abb.2: Spektrale Effizienz von HSPA und LTE

Mehr Dienstgüte
durch Reduktion der Netzwerkelemente bei aktivem Dienst

Um Paket-Datendienste zu optimieren und die Latenzzeiten zu reduzieren, ist es beim Entwurf der Netzwerkarchitektur notwendig, dass der Datenverkehr über möglichst wenige Netzwerk-Elemente geführt wird. Bei UMTS/HSPA waren - vereinfacht dargestellt - zwecks Verbindung zum Internet hauptsächlich die 3G-Netzwerk-Elemente: GGSN, SGNS, RNC und NodeB notwendig - also vier Netzwerkelemente. Bezüglich der Nutzdaten korrespondiert bei LTE die Basisstation (eNodeB) direkt mit dem Gateway (SAE GW - System Architecture Evolution GateWay), das für die Datenanbindung zu Datennetzwerken außerhalb des Mobilfunknetzes zuständig ist, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.

Abb. 3: Optimierung der Architektur für Paketdatendienste

Kapazitätsanstieg bei mobilen Datendiensten

Wie man dank steigender Mobildatendienst-Anwenderzahlen sehr schön im Laufe des Jahres 2009 gesehen hat, lassen sich mit der WCDMA-Technik nicht mehr ganz die Bedürfnisse der Anwender befriedigen. So ist beispielsweise der Anstieg der Mobilanwender in den letzten Jahren sehr rasant angestiegen - nahezu exponentiell, wie die Abb. 4 und Abb. 5 für die Zeitspanne von 1998 bis 2008 zeigt.

Abb. 4: Anstieg der Anwender von Mobilfunkdiensten von 1998 bis 2008

Abb. 5: Anstieg der Mobilanwender in Prozent bezogen auf die Weltbevölkerung von 1998 bis 2008

Auffällig ist auch, dass der Anstieg der Mobil-Sprachdienste in den letzten Jahren "nur" sanft linear angestiegen ist, während Mobil-Datendienste rasch exponential angestiegen sind - vorallem seit der Einführung von HSDPA (Release 5) und etwas später von HSUPA (Release 6). HSPA (das ist die Kombination aus HSDPA und HSUPA) hat vielen Endanwender eine echte Alternative zu festverdrahteten Internetzugangstechnologien, wie z.B. ADSL, gebracht. Vom Datendurchsatz ist HSDPA eine echte Alternative zu Festnetz-Internetzugängen geworden - von der Dienstgüte (QoS) her gesehen, insbesondere der Latenzzeiten, jedoch noch hinterherhinkend. Und was die Mobilität betrifft wird HSDPA voll dem herrschenden "Zeitgeist" gerecht, der sich dadurch auszeichnet, dass viele Anwender bereits einen Laptop haben und mit diesem auch unterwegs in das Internet einsteigen wollen. Und auch ein Wohnungswechsel, in den letzten Jahren dank der Globalisierung häufiger geworden, ist weniger problematisch, da der "Internetanschluss" einfach ohne Ummeldungen mitübersiedelt.

Mobile Internetzugänge liegen also voll im Trend. Damit ist aber einhergehend, dass es seit dem Erfolg durch HSPA schnell zu Kapazitätsproblemen in den Mobilfunknetzen gekommen ist: die Übertragungstechnik von HSPA kann in Ballungszentren oft nicht so viele Dienste mit zügigen Datenraten anbieten, wie diese von Anwendern angefordert werden. Neue und moderne Dienste, wie z.B. Videoübertragungen (YouTube) Mobil-TV oder interaktive Online-Spiele, fordern nach immer mehr Übertragungskapazitäten. Gerade YouTube hat sich als ziemlicher Killer erwiesen, da hier riesige Datenmengen transportiert werden müssen.

Und hier kommt LTE ins Spiel: durch eine höhere spektrale Effizienz können bei gleicher Frequenzbandbreite mehr Endanwender versorgt werden, als dies mit HSPA-Diensten möglich ist: es steht bei gleicher Frequenzbandbreite also mehr Übertragungskapazität zur Verfügung. Und auch bezüglich der Dienstgüte kann LTE gegenüber HSPA punkten. Mit Zugriffsverzögerungen (z.B. bei Dienstinitialisierung) unter 300ms und Round-trip-times von unter 10ms (bei aktivem Dienstfluss) fühlt sich die Mobil-Datenübertragung schon sehr nahe einer festverdrahteten Übertragung an. Die Dienstgüte kommt also mit LTE bereits nahe an Festnetz-Anschlüsse heran. Und Datenraten von bis zu 100Mbit/s im Downlink können sich tatsächlich sehen lassen. Dank der neuen Übertragungstechnik OFDMA an der Funkschnittstelle kommt LTE auch in nicht so optimalen Übertragungsgebieten ganz gut zurecht - Mehrwegausbreitungseffekte machen sich bei LTE dank OFDMA nicht so negativ bemerkbar, wie dies bei HSDPA durch WCDMA-Übertragungstechnik der Fall ist. Im Gegensatz zu dem Einbandträger-Übertragungsverfahren WCDMA verwendet OFDMA ein Mehrbandträger-Verfahren. Frequenzselektive Störungen wirken sich somit nicht wie bei WCDMA auf das komplette 5MHz-Trägersignal aus, sondern stören bei OFDM nur einen kleinen teil der vielen Trägerfrequenzen. Durch geschickte Steuerung werden bei OFDM nur jene Trägerfrequenzen verwendet, die auch störungsfrei übertragen können. Dadurch wird erreicht, dass über die Zeit gemittelt der Datendurchsatz weit höher und "flüssiger" ist, als dies mit dem Einband-Breitband-System WCDMA möglich ist.
Auch der Einsatz von MIMO-Antennentechnik (Multiple Input Multiple Output) trägt sein Quäntchen dazu bei, dass negative Mehrwegausbreitungseffekte sich nicht so nachhaltig auswirken, wie dies bei HSPA der Fall ist. Bzw. lässt sich bei guten Übertragungsbedingungen mit Hilfe von MIMO der Datendurchsatz vergrößern. Hier muss allerdings fairerweise gestellt werden, dass auch die HSPA-Erweiterungsstufe eHSPA bzw. HSPA+ (Release 7) die Vorzüge von MIMO kennt, verwendet und davon profitiert --> also auch WCDMA-Netze kennen durch HSPA+ die MIMO-Technik.

Was kommt nach LTE?

Auch was LTE betrifft hat die Zukunft schon mehr als nur längst begonnen. In etwa für das Jahr 2013 ist geplant die 3GPP Release 10 zu etablieren, in der technologische Neuerungen mit dem Namen LTE-advanced enthalten sind. Mit LTE-advanced sollen Datenraten von bis zu 1000Mbit/s (1Gbit/s) möglich sein.

Teil 2: LTE-Architektur

(c) Rudolf Riemer, UMTSlink.at

Fußnoten:

1: bei 20MHz Bandbreite, 64QAM, 4x4-MIMO
2: 20MHz Bandbreite, 64QAM

Abkürzungen:

Nach oben     LTE     LTE-Architektur