Breitband-Mobilfunk

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In Long Term Evolution, der Spezifikation für den Mobilfunk der vierten Generation, kombinierten die Mobilfunkväter den aktuellen Stand der Technik mit Erfahrungen aus der GSM- und UMTS-Welt. So wurde LTE nicht bloß drastisch schneller, sondern bei einer Fülle von ausgeklügelten neuen Verfahren auch einfacher und flexibler als die Vorgänger.

Mobile Breitbandnetze haben sich in den letzten Jahren etabliert. In vielen Mobilfunknetzen übertrifft mittlerweile der Datenverkehr den Sprachverkehr um ein Mehrfaches. Weil ein Ende des Wachstums nicht in Sicht ist, stellen Regulierungsbehörden in vielen Ländern weitere Frequenzbänder für mobile Breitbanddienste zur Verfügung. In Deutschland versteigerte die Bundesnetzagentur in diesem Jahr ein Spektrum von rund 360 MHz, um die Netzbetreiber mit zusätzlichen Ressourcen für eine flächendeckende Breitbandversorgung auszustatten. Vor allem die Frequenzen aus dem Bereich der digitalen Dividende um 800 MHz sind für die Netzbetreiber interessant, da diese hohe Reichweiten versprechen.

Mittlerweile haben die Netzbetreiber O2, Telekom und Vodafone Ausbaupläne in Deutschland bekannt gegeben und erste Standorte in Betrieb genommen. E-Plus hatte bei der Versteigerung zwar keine der begehrten 800-MHz-Blöcke ersteigert, kann LTE jedoch prinzipiell auch auf anderen Frequenzen verwenden.

Gemäß den Vorgaben der Bundesnetzagentur werden mittels Frequenzen im 800-MHz-Band zunächst weiße Flecken auf dem Land abgedeckt, also Bereiche ohne DSL-Versorgung, später dann auch Ballungsgebiete. Zugleich ist die Entwicklung der Mobilfunktechnik in den vergangenen Jahren weiter vorangetrieben worden – hauptsächlich, um noch höhere Datenraten bei mehr Netzkapazität und verringerten Signaldurchgangszeiten durch die Mobilnetzelemente bereitzustellen (Latenz). Die Spezifikationen werden unter dem Dach des internationalen Third Generation Partnership Project, 3GPP, entwickelt. Dieses Gremium wendet technische Fortschritte im Rahmen der „HSPA Evolution“ auch auf UMTS an, damit Netzbetreiber UMTS-Basisstationen optimal weiternutzen können (High Speed Packet Access, Verfahren zur beschleunigten Datenübertragung im UMTS).

In den Frequenzbändern, die die Bundesnetzagentur versteigert hat, wird aber vor allem die neue Technik Long Term Evolution, LTE, eingesetzt. Die Initiative für dieses neue Mobilfunknetz geht auf das Jahr 2004 zurück, als das 3GPP noch hauptsächlich die HSPA-Entwicklung vorantrieb. Mit LTE sollte auf lange Sicht – Long Term – eine von Grund auf neu konzipierte Technik den erwarteten steigenden Bedarf an Bandbreite stillen.

Staffellauf

Staffellauf

Die LTE-Urheber wollten gleich mehrere elementare Verbesserungen gegenüber bisherigen Mobilfunktechniken erzielen. Das Hauptaugenmerk lag auf der Erhöhung der maximalen Datenrate; LTE sollte mehr als 100 MBit/s liefern. Weiterhin wollte man die spektrale Effizienz, also die Bitrate pro Hertz, im Vergleich zu heutigen HSPA-Lösungen um den Faktor 2 bis 3 steigern.

LTE sollte zudem insgesamt flotter reagieren. Die Durchlaufzeiten bei HSPA betragen 30 bis 50 ms. Um diese Werte zu unterbieten, wollte man die Antwortzeit senken und den Verbindungsaufbau beschleunigen. Ausgehend vom Endgerät bis zum letzten Element eines LTE-Netzes sollte ein Datenpaket nicht länger als 20 bis 30 ms unterwegs sein, bevor es im Internet oder in einem Telefonnetz landet. Der Verbindungsaufbau sollte bei einem eingeschalteten Gerät innerhalb von nur 100 ms beginnen. Bei HSPA dauert das noch ein bis zwei Sekunden.

Sowohl die ersten analogen Mobilfunknetze als auch GSM und UMTS nutzen zumindest für Sprachsignale verbindungsortientierte Übertragungen mit fester Reservierung von Ressourcen. LTE ist nun das erste vollständig paketorientierte Mobilfunknetz. Davon abgesehen kann man die LTE-Architektur wie bei GSM und UMTS in zwei Teile unterteilen: das Funkzugangsnetz und das Kernnetz. Um die geforderten Verbesserungen zu erreichen, wurden beide Bereiche weitgehend neu konzipiert. Im weiteren stellen wir diese Verfahren vor, mittels denen LTE die Anforderungen erfüllt und ziehen Vergleiche zur HSPA-Technik. Zum besseren Verständnis seien zunächst kurz die Charakteristiken von Mobilfunkkanälen erläutert.

Bei Mobilfunkkanälen ändert sich die Übertragungsqualität stark mit der Zeit und der Frequenz. Daher sind Übertragungsverfahren wünschenswert, die diese Schwankungen zumindest tolerieren, wenn nicht sogar effizient ausnutzen. Die Schwankungen im Zeit- und Frequenzbereich sind in der Grafik „Kanalqualität“ für zwei Nutzer (blau und gelb) exemplarisch dargestellt. Die Kanalqualität schwankt für beide Nutzer unterschiedlich. Daher ist es sinnvoll, bei der Vergabe der Ressourcen den Nutzer zu bevorzugen, der gerade den besseren Kanal hat – dessen Übertragung ist dann schneller abgeschlossen und das Netz ist eher bereit für die nächste Aufgabe. Diese Zuteilung ist im unteren Teil des Bildes dargestellt.

Zuteilungsfragen

Zuteilungsfragen

Für die Aufteilung der Übertragungsressourcen sind unterschiedliche Mechanismen entwickelt worden (Multiplexing). UMTS und in der Folge auch HSPA setzen W-CDMA ein, während LTE eine Variante des vom aktuellen WLAN bekannten OFDM verwendet. Beide Techniken arbeiten auf verschiedene Weise um die punktuell und unvorhersehbar auftretenden Übertragungsstörungen herum.

OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, nutzt eine Vielzahl von schmalbandigen Unterträgern. Damit lassen sich genau die Ressourcen im Frequenzbereich auswählen, die für einen Nutzer gegenwärtig günstig sind. Für den Downlink, also die Übertragung von der Basisstation zum Teilnehmer, misst das Terminal die Leitungsqualität anhand von Referenzsymbolen und sendet die Ergebnisse zur Basisstation. Für den Uplink, vom Teilnehmer zum Netz, kennt die Basisstation den Kanal aufgrund von eigenen Messungen, sobald das Terminal Daten übertragen hat.

So lassen sich die guten Ressourcen dynamisch immer den Teilnehmern zuteilen, die gerade am meisten damit anfangen können. Es muss auch nicht die gesamte Bandbreite an einen Nutzer vergeben werden; die Basisstation kann zugleich mehrere versorgen. Dieser auf dem Kanalzugriffsverfahren OFDM aufsetzende Mehrnutzerbetrieb wird als Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA, bezeichnet.

Der augenfälligste Unterschied zwischen LTE und HSPA liegt in der Übertragungstechnik. Anstelle von OFDMA wird bei UMTS das CDMA-Verfahren eingesetzt (Code Division Multiple Access). Bei dieser Methode wird das Datensignal mit einem höherfrequenten Pseudozufallssignal multipliziert und damit in der Bandbreite gespreizt. Mittels orthogonaler Zufallssequenzen werden mehrere Signale überlagert. Dies bezeichnet man als Code-Multiplex.

Da es sich bei UMTS um Breitbandsignale handelt, die einen vollständigen Frequenzblock von 5 MHz belegen, können Kanalschwankungen nur im Zeitbereich ausgenutzt werden, indem die Ressourcen einem anderen Nutzer zugeteilt werden. Bei LTE lässt sich die Übertragung dagegen auch im Frequenzbereich an den momentanen Kanalzustand anpassen.

Für die Zuweisung der Ressourcen ist eine Signalisierung zwischen Basisstation und Endgerät erforderlich. Auch diese Signalisierung erfordert Übertragungsressourcen und zwar um so mehr, je kleiner die Ressourcenelemente sind; wenn man jedes Symbol einzeln zuweisen könnte, müsste man ein Vielfaches mehr signalisieren, was die Effektivität deutlich verschlechtert.

Spektrums-Schnittchen

Spektrums-Schnittchen

Um mehr Ressourcen für Nutzdaten freizuhalten, ist also eine Granulierung bis auf einen Unterträger (15 kHz Bandbreite) nicht sinnvoll. Daher hat man bei LTE als die kleinste adressierbare Ressource eine Dauer von 1 ms und eine Bandbreite von 180 kHz festgelegt; das entspricht 12 Unterträgern. Durch die Kombination dieser Einheiten bis hin zur maximal spezifizierten Bandbreite lässt sich die Datenrate in hinreichend vielen Zwischenstufen regeln.

Die letztendlich verfügbare Nutzdatenrate hängt aber noch von der eingesetzten Modulation und von der Code-Rate der Kanalkodierung ab; die Code-Rate legt den Anteil der Signalredundanz fest. Je schlechter der Kanal, desto mehr redundante Bits werden mitgesendet, um damit Übertragungsfehler zu kompensieren. LTE verwendet zur Kanalkodierung den bereits bei UMTS eingesetzten Turbo-Code. Als Modulationsverfahren stehen QPSK, 16QAM und 64QAM zur Verfügung. Pro Symbol werden also entweder 2, 4 oder 6 kodierte Bits übertragen.

Auch das Modulationsverfahren wird an die Kanalbedingungen angepasst. Bei guten Kanalbedingungen kommt ein höherwertiges Modulationsverfahren verbunden mit wenig Redundanz zum Einsatz, während bei schlechten Bedingungen das robuste QPSK und ein starker Kodierschutz eingesetzt wird. Innerhalb eines Übertragungsrahmens von 1 ms, der auch als Subframe bezeichnet wird, werden 14 OFDM-Symbole gesendet. Das bedeutet, dass sich in einem adressierbaren Block mit 1 ms Dauer und 12 Unterträgern insgesamt 168 Zeichen übertragen lassen.

Nach der Decke gestreckt

OFDM lässt sich mit wenig Aufwand an unterschiedlich breite Frequenzbänder anpassen. Diese Spektrumsflexibilität ist wichtig, weil abhängig von den regulatorischen Vorgaben die verfügbaren Frequenzbänder unterschiedlich groß sein können.

Außerdem ist LTE damit bestens für die Spektrumsmigration geeignet. So lässt sich LTE zum Beispiel zunächst mit geringer Bandbreite in einem Frequenzband betreiben, in dessen Nachbarschaft eine andere Technik funkt, die später abgeschaltet wird. Wenn das benachbarte Spektrum langsam frei wird und parallel die LTE-Netzauslastung zunimmt, kann man die Bandbreite auf den Nachbarbereich ausdehnen und damit die Kapazität schrittweise erhöhen.

Prinzipiell könnte die Systembandbreite in Stufen von 180 kHz gewählt werden. Um sich bei der Implementierung auf eine überschaubare Anzahl von Bandbreiten konzentrieren zu können und um die Komplexität der Hardware möglichst gering zu halten, hat man sich allerdings auf eine Reihe von Bandbreiten zwischen 1,4 MHz und 20 MHz geeinigt (1,4, 3, 5, 10, 15 und 20 MHz). Diese Abstufungen schließen alle wesentlichen, in der Praxis genutzten Bandbreiten ein.

Damit sich Sender und Empfänger nicht gegenseitig ins Wort fallen, hat man unterschiedliche Duplex-Verfahren entwickelt. LTE lässt sich wie W-CDMA sowohl im Frequenzduplexverfahren (Frequency Division Duplex, FDD) als auch im Zeitduplexverfahren (Time Division Duplex, TDD) betreiben. Ersteres setzt ein Band für die Übertragung in Richtung Endgerät und eines zur Übertragung in Richtung Basisstation voraus (gepaartes Spektrum). In der Regel verwendet die Basisstation das obere der beiden Bänder. Beim Zeitduplexverfahren wird nur ein Band benutzt, aber Sender und Empfänger wechseln sich bei den Übertragungen ab.

Zusätzlich kann man LTE auch mit dem Halb-Duplex-Verfahren als Mischform von FDD und TDD betreiben. Sender und Empfänger nutzen zwar wiederum je ein Band pro Richtung, wechseln sich aber wie beim Zeitmultiplex ab (siehe nebenstehende Grafik). Das stellt geringere Anforderungen an die Endgeräte, wodurch sie sich günstiger herstellen lassen.

Während für die Abwärtsstrecke, also Basisstation zum Endgerät, ein reines OFDM-Verfahren benutzt wird, nutzen die Endgeräte eine leicht abgewandelte Quasi-Einträgerübertragung (single carrier FDMA), die gleichwohl auf dem OFDM-Prinzip gründet. Diese weist geringere Leistungsschwankungen als die reine OFDM-Übertragung auf und erfordert damit weniger aufwendige Leistungsverstärker. Das schont die Batterie des Handys und erlaubt günstigere Bauteile.

Mehrantennenkonzepte

Mehrantennenkonzepte

Hohe Datenraten und die effiziente Nutzung des Kanals, insbesondere bei guten Bedingungen, sind sehr wichtige Eigenschaften moderner Mobilfunksysteme. Um bei einer Bandbreite von 20 MHz Datenraten von über 100 MBit/s zu erzielen, setzt man heute fortschrittliche Mehrantennenkonzepte ein, die man unter der Bezeichnung Multiple Input Multiple Output, MIMO, zusammenfasst. Die LTE-Spezifikation nutzt verschiedene Mehrantennenverfahren: Single-User MIMO, Beamforming, Multi-User MIMO und Antenna Diversity.

Mit Single-User MIMO lassen sich mittels mehreren Sende- und Empfangsantennen gleichzeitig mehrere Datenströme übertragen. Zum Beispiel erreicht LTE bei jeweils vier Antennen auf Sende- und Empfangsseite und guten Kanalbedingungen Datenraten über 300 MBit/s.

Mehrere Antennen sind allerdings auch unter weniger guten Kanalbedingungen nützlich. In solchen Fällen bündelt die Basisstation ihre Sendeleistung per Beamforming, um Daten gezielt zu einem Empfänger zu übertragen und so die Empfangsgüte zu steigern. Beim räumlichen Mehrfachzugriff, dem Multi-User MIMO, werden unterschiedliche Ströme zu räumlich getrennten Nutzern übertragen.

Schließlich kann die Übertragung durch Mehrantennensysteme auch robuster gestaltet werden – zum Beispiel durch Verfahren, die die Diversität des MIMO-Funkkanals nutzen. Laut Spezifikation darf eine Basisstation bis zu vier Antennen aufweisen. Die Endgeräte sind aus Komplexitätsgründen auf zwei Antennen eingeschränkt.

Um einen leistungsfähigen Daten-Highway zu schaffen, reicht es allerdings nicht aus, nur die maximalen Datenraten zu steigern. Gleichzeitig gilt es, die Latenz zu verringern. Im Mobilfunk ist dafür die Antwortzeit maßgeblich, die Zeit, die ein Signal von der Basisstation zum Endgerät und zurück benötigt. Diesen Eckwert kann man in Abhängigkeit von den aktuellen technischen Möglichkeiten und den gewünschten Anforderungen festlegen.

Bei LTE bestimmt die Subframe-Dauer die Latenz; einmal pro Subframe werden Ressourcen neu zugeteilt und Daten in Umlauf gebracht. Bei LTE hat man die Subframe-Dauer auf 1 ms festgelegt. HSPA ist in diesem Punkt langsamer, weil dafür seinerzeit 2 ms definiert wurden. Zudem wurde festgelegt, dass im Falle eines Übertragungsfehlers die Übertragung schon nach 8 ms wiederholt wird (HSPA 12 ms); dafür quittiert der Empfänger den Verkehr kontinuierlich und der Sender erfährt so detailliert, ob seine Daten korrekt oder fehlerhaft ankommen.

Letztlich sind mit derart geringen Verzögerungen auf der Luftschnittstelle je nach Topologie des Netzes Ende-zu-Ende-Antwortzeiten von 20 bis 30 ms erreichbar, sodass LTE selbst für zeitlich anspruchsvolle Anwendungen wie Echtzeitspiele geeignet ist.

LTE: Maximale Geschwindigkeit im Downlink
Anzahl Symbole für eine Ressourcen-Einheit	12 Unterträger, 14 OFDM Symbole, 168 Zeichen
maximale Modulationsstufe	64 QAM, 6 Bit/Symbol
damit	1008 Bit pro Ressourcen-Einheit (1 ms)
damit	Bruttodatenrate von 1,008 MBit/s für 180 kHz
20 MHz	100 Ressourcen-Einheiten	100,8 MBit/s
maximale Bruttodatenrate	4x4 MIMO	403,2 MBit/s
Davon ist abzuziehen: Overhead der Kanalkodierung, Overhead durch Protokollheader, Overhead der Referenzsymbole zur Kanalmessung, Overhead für Steuer- und Broadcast-Kanäle. Je nach Konfiguration lassen sich also maximale Datenraten von rund 330 MBit/s erreichen.

Zentrale Instanz

Zentrale Instanz

In der Basisstation verteilt ein Scheduler die Ressourcen sowohl für die Empfangs- als auch für die Senderichtung. Dieser Scheduler passt die Übertragung dynamisch an die Kanalbedingungen an und nutzt so schnelle Kanaländerungen. Pro Subframe wählt der Scheduler sowohl die gerade versorgten Teilnehmer und Daten als auch die Ressourcen für die anstehende Übertragung aus. Seine Wahl hängt von den aktuellen Kanaleigenschaften, den Pufferfüllständen im Terminal und der Basisstation sowie von Dienstgüteparametern ab.

Zudem wählt er für die selektierten Ressourcen das am besten geeignete Übertragungsschema, also die Coderate, das Modulationsverfahren (QPSK, 16QAM oder 64 QAM) sowie die verwendete Mehrantennentechnik aus. Diese Auswahl wird als Link-Adaption bezeichnet. So werden die Funkressourcen sehr effizient genutzt. Der Scheduler ist nicht standardisiert und unterscheidet sich daher von Hersteller zu Hersteller.

In Empfangsrichtung des Teilnehmers werden Steuerinformationen von der Basisstation im gleichen Subrahmen wie Nutzdaten übertragen. Diese Daten nutzt der Empfänger, indem er sie zunächst dekodiert und anschließend mit daraus gewonnenen Kenntnisssen die Nutzdaten demoduliert und dekodiert.

Der Scheduler in der Basisstation regelt auch die Uplink-Übertragung der Teilnehmer und koordiniert so den Zugriff einer Vielzahl von Endgeräten. Dafür müssen die Teilnehmergeräte Informationen wie Pufferfüllstände und Kanalqualitäten an die Basisstation signalisieren. Liegen diese Informationen vor, trifft der Scheduler seine Wahl und teilt sie den Endgeräten mit, sodass sie wissen, welche Ressourcen ihnen zugeteilt sind. Danach schicken die Endgeräte auf den zugewiesenen Uplink-Ressourcen die Daten an die Basisstation.

Zustandsmodell

Geringe Latenzen und hohe Batterielaufzeiten sind im Mobilfunk gegenläufige Anforderungen. Die einfachste Methode, Batterielaufzeiten zu verlängern, besteht darin, Komponenten so lange wie möglich abzuschalten. Das erhöht aber die Latenz, denn die Aktivierung der Komponenten und die Synchronisation mit der Gegenstelle und die Aktualisierung der Kanalinformationen brauchen Zeit. Um eine Balance zu finden, ist ein ausgereiftes Zustandsmodell eine Voraussetzung.

Das LTE-Zustandsmodell umfasst für eingeschaltete Endgeräte zwei Hauptzustände, Idle und Active. Im Zustand Idle ist das Endgerät dem Netzwerk zwar bekannt, es ist aber in keiner Zelle eingebucht. Sobald das Endgerät Daten senden möchte, meldet es sich an der Basisstation mit den aktuell besten Empfangsbedingungen an. Ist dieser Vorgang erfolgreich, erteilt die Basisstation dem Endgerät die Erlaubnis, sich zu identifizieren und eine Steuerverbindung aufzubauen. Mit Hilfe dieser Verbindung wird das Endgerät dann konfiguriert.

Sobald die Steuerverbindung steht, wechselt das Terminal in den Zustand Active und kann dann Daten übertragen. Nun ist es in der Zelle bekannt und es misst die Kanalgüte. Sind alle Daten übertragen, kann das Endgerät im Active-Zustand einen Schlafzustand einnehmen. In diesem Unterzustand darf das Endgerät Steuermeldungen der Basisstation ignorieren. Damit können große Teile der Komponenten abgeschaltet werden und das spart Energie. Zu vordefinierten Zeiten wacht das Gerät auf, um für die Basisstation bei Bedarf erreichbar zu sein. Ist über längere Zeit kein Datenaustausch erfolgt, fällt das Endgerät in den Idle-Zustand zurück.

Auf diese Weise kann auf eine batterieschonende Art eine sehr schnelle Interaktion mit dem Netzwerk erreicht werden.

Netzarchitektur

Netzarchitektur

LTE liegt eine völlig neue Systemarchitektur zugrunde, in der vor allem durch die Reduktion der Netzknoten und damit auch der Schnittstellen eine Vereinfachung erzielt wurde – beides verkürzt die Durchgangszeit von Signalen durch das Netz. Bei UMTS gibt es neben den Basisstationen noch den Radio Network Controller (RNC). Dieser stellt für HSPA die zentrale Instanz im Funkzugangsnetz dar und ist vor allem für den Wechsel zwischen den Funkzellen wichtig (Handover, Mobilität).

Die LTE-Architektur, die auch als Evolved Packet System (EPS) bezeichnet wird, kommt ohne einen solchen Knoten aus. In LTE gewährleistet eine zusätzliche Schnittstelle zwischen den Basisstationen die Mobilität zwischen den Zellen, das X2-Interface. Über diese Schnittstelle läuft das Handover schneller ab als über den RNC bei UMTS. Die Unterbrechung der Datenübertragung beträgt dabei nur etwa 20 ms.

Im Kernnetz (Evolved Packet Core, EPC) gibt es sowohl bei UMTS als auch bei LTE/EPS zwei Netzknoten. Bei UMTS sind dies der Serving GPRS Support Node und der Gateway GPRS Support Node, wobei Nutzerdaten beide Knoten durchlaufen. In der EPC-Architektur gibt es den Mobility Management Node und den Packet Gateway Node. Die Nutzerdaten passieren aber nur das Gateway. Hierdurch ist die Anzahl der Knoten, die an der Übertragung von Nutzerdaten beteiligt sind, halbiert worden.

Die Latenzverringerung auf der Luftschnittstelle und auch die verschlankte Architektur, die die Anzahl der erforderlichen Signalisierungsmeldungen reduziert, haben zusammen auch den Verbindungsaufbau beschleunigt. LTE stellt die Verbindung innerhalb von 100 ms her. Damit ist die Verzögerung zwischen dem Initiieren einer Anfrage und dem Beginn des Nutzdatentransfers gegenüber HSPA (1 bis 2 s) spürbar gesunken.

Doch die schiere Leistungsfähigkeit der LTE-Basisstationen stellt erhebliche Anforderungen bezüglich ihrer Anbindung an das Kernnetz, den Backhaul. Wenn zum Beispiel eine Basisstation drei Zellen mit jeweils 2 x 2 MIMO versorgen soll, würde sie schon bis zu 500 MBit/s befördern. Die wenigsten Basisstationen sind jedoch derart leistungsfähig angebunden, sodass parallel zum LTE-Netzaufbau auch das Transportnetz erweitert werden muss. Dafür setzt man wie bisher Richtfunkstrecken und Glasfaserleitungen ein, allerdings für LTE mit noch höherer Kapazität als ohnehin schon.

Paketvermittelter Sprachverkehr

Paketvermittelter Sprachverkehr

Die Bereitstellung von Sprachdiensten besitzt nach wie vor sehr große Bedeutung für Netzbetreiber, obwohl mittlerweile das Datenaufkommen in vielen Mobilfunknetzen die Oberhand gegenüber dem Sprachverkehr gewinnt. Sprachdienste werden in GSM und UMTS leitungsvermittelt übertragen. LTE ist aber ein rein paketvermitteltes Netzwerk. Sprache wird daher in LTE-Netzen ebenfalls per IP-Protokoll übertragen und ein IP Multimedia Subsystem (IMS) gewährleistet die erforderliche Dienstgüte. Das IMS soll sicherstellen, dass LTE auch allerhöchsten Qualitätsanforderungen an Sprachdienste genügt.

Erst-Erfahrungen

Der Netzbetreiber TeliaSonera hat bereits im Jahr 2009 mit dem Aufbau eines LTE-Netzes in Schweden begonnen. Der weltweit erste kommerzielle LTE-Betrieb startete im Dezember 2009 in Stockholm auf Basis von Ericsson-Netztechnik. In der Zwischenzeit sind von verschiedenen Seiten umfangreiche Messungen durchgeführt worden, die erste praktische Erfahrungen liefern. Den hier vorgestellten Ergebnissen liegt eine Bandbreite von 20 MHz zugrunde.

In der Draufsicht auf das Zentrum von Stockholm sind die an den jeweiligen Positionen gemessenen Nutzerdatenraten im Downlink zu sehen. Typischerweise wurden Datenraten von 30 bis 60 MBit/s verzeichnet,

in der Spitze bis zu 100 MBit/s. Die Datenraten liegen über dem Niveau der heute schnellsten DSL-Anschlüsse und die Antwortzeiten betragen rund 30 ms. Das Ziel ist damit erreicht, der Funkzugang liefert eine bessere Qualität als DSL.

Ergänzen muss man, dass die Netzauslastung aufgrund der noch geringen Verbreitung von LTE-Endgeräten niedrig ist. Daher sind Engpässe in nächster Zeit nicht zu erwarten.

Ausblick

Ausblick

Dem hier beschriebenen LTE-System liegt die Spezifikation „Release 8“ zugrunde, die Ende 2008 fertig gestellt worden ist. Sie bildet die Grundlage für die LTE-Systeme und Endgeräte, die nun im Markt eingeführt werden. Das sind zunächst USB-Erweiterungen für PCs. Später kommen integrierte Breitbandmodule für Laptops und auch leistungsfähige Mobiltelefone wie Smartphones hinzu. Die später eingeführten Geräte werden multistandardfähig sein, also neben LTE auch für UMTS und GSM geeignet sein, sodass sie auch in Gebieten ohne LTE-Versorgung Mobilfunkdienste nutzen können.

Im 3GPP ist die Standardisierung bereits fortgeschritten. Release 9 des LTE-Standards ist fertig gestellt und bietet im Wesentlichen eine Erweiterung um einen Multimedia Broadcast und Multicast Service (MBMS). MBMS ermöglicht es, gleichzeitig Daten zu mehreren oder allen Nutzern im Empfangsgebiet zu schicken. MBMS eignet sich daher ganz besonders zum Verteilen von Informationen, die viele Nutzer interessieren: Nachrichten, Verkehrsinfos, Warnmeldungen und Ähnliches.

Ein größerer Schritt ist von Release 10 zu erwarten, die zur Jahreswende 2010/2011 fertig gestellt sein sollte. Hauptziele dieser Version sind es, die maximale Datenrate auf mehr als 1 GBit/s zu steigern und die Datenraten an den Zellrändern signifikant zu erhöhen. Dieser Standardisierungsschritt wird auch als „LTE Advanced“ bezeichnet.

Das 1-GBit/s-Ziel soll durch je acht Sende- und Empfangsantennen sowie durch die Ausweitung der Bandbreite auf bis zu 100 MHz erreicht werden. Allerdings ist ein zusammenhängendes Spektrum von 100 MHz für Netzbetreiber eher die seltene Ausnahme als die Regel. Aber wieder erweist sich OFDM als Vorteil: Mehrere Bänder lassen sich mit akzeptablem Aufwand zu einem „Spektrum“ aggregieren. Zum Beispiel könnten Netzbetreiber Spektren im 800-MHz-Band und im 2-GHz- oder 2,6-GHz-Band zusammenfassen.

Erhöhte Datenraten am Zellrand sollen Relaisstationen oder kooperierende Basisstationen liefern. LTE-Relais sind Zwischenstationen, die Signale empfangen, dekodieren und dann neu kodiert weiterschicken. Bei kooperierenden Basisstationen wird durch einen schnellen Informationsaustausch die Interferenz zwischen Funkzellen minimiert beziehungsweise die Empfangsleistung maximiert. Dieses Konzept kann als ein verteiltes Mehrantennenverfahren angesehen werden.

Fazit

Mit LTE geht in Kürze eine Mobilfunktechnik an den Start, die sogar mit VDSL mithalten kann. Mit den hohen Datenraten und den geringen Latenzen, die LTE bietet, werden die Nutzer ganz neuer Mobilfunkerfahrungen teilhaftig. Aber auch Anforderungen von besonders datenratenhungrigen Anwendungen wie HDTV oder Echtzeitspielen mit strikten Anforderungen an Verzögerungen kann die Technik erfüllen …

Dr. Michael Meyer ist Abteilungsleiter im Bereich Forschung bei Ericsson.

Auf fatcow.com ist eine bulgarische Version dieses Artikels verfügbar. (dz)