1. Mobile Communications: Long Term Evolution
Part 1
Motivation for LTE
Evolution of the standards
Requirements and targets
Competing standards
Frequency bands
System architecture
Part 2
LTE enabling technologies
OFDM
MIMO
SC-FDMA

2. Motivation for LTE For consumers For network operators
Fast data access (several megabytes in just some seconds)
Flexible media access (access to any media content from everywhere)
Real time services (streaming, VoIP, videoconferencing, etc.)
For network operators
Flexibility (scalable bandwidth from 1.25MHz to 20MHz)
Efficiency (more standard voice customers, more data, more services)
Cost savings (cheaper infrastructure, migration to an All-IP-Network)
Für moderne und zukünftige zellulare Dienste müssen Anforderungen wie höheres Datenvolumen, schellere Übertragungsgeschwindigkeiten, geringere Latenz, etc. von den zellularen Netzwerken bereitgestellt werden
LTE ist der nächste Schritt in der Entwicklung der zellularen Funktechnologien und geht aus dem UMTS Standard hervor
Mit LTE sollen die zukünftigen Anforderungen an das Datenvolumen, die Geschwindigkeit und Latenz für zellulare Kommunikationsdieste bewältigt werden
LTE basiert auf 3GPP Standard, der Geschwindigkeiten von bis zu 100Mbps auf dem Downlink und 50Mbps auf dem Uplink bietet
Mit mehrfachen Antennen können auch mehr als 320 Mbps auf dem Downlink erreicht werden
Stationäre drahtlose und drahtgebundene Standards erreichen bereits Geschwindigkeiten von 100Mbps und mehr
LTE ist eine Möglichkeit, auch für die zellulare Kommunikation solche hohen Datenraten anzubieten
Motivation für Verbraucher:
Mobiltelefone und Handheld-Geräte sind die neuen Multimediazentren von denen aus Zugriff auf sämtliche Daten in kürzester Zeit möglich sein soll (Musik, Videos, Spiele (online), Photos … )
Auf die Daten soll unabhängig vom Ort zugegriffen werden können
Durch höhere Geschwindigkeiten und geringere Latenzen können neue und bessere Echtzeit-Broadcast-Services genutzt werden
Motivation für Anbieter
Durch skalierbare Bandbreiten können unterschiedliche Services entsprechend des verfügbaren Spektrums angeboten werden; diese Flexibilität ist in heutigen Netzen nicht vorhanden.
Durch höhere spektrale Effizienz (3-4 Mal die von HSDPA) können die Anbieter mehr Benutzer bedienen, mehr Daten anbieten und auch mehr Dienste anbieten
Einfacheres Netzwerk senkt die Kosten; dazu trägt auch die Migration zu einem All-IP-Netzwerk bei
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3. IMT-2000 to IMT-Advanced (source: ITU-R M. 1645)
Entwicklung der Standards von IMT-2000 zu IMT-Advanced
In der Mobilfunkindustrie folgen die Standards meistens den Richtlinien der ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector)
Die Richtlinien sind in den IMT-Standards festgehalten
Im Diagramm ist auf der y-Achse der Grad an gewünschter Mobilität dargestellt und die x-Achse gibt an, welche größtmögliche nutzbare Datenrate wir erhalten möchten
Der IMT-2000 fällt somit in die linke dargestellte Region mit ca. 1Mbps Datenraten und geringer sowie hoher Mobilität
Die aktuellen Systeme (d.h. die 3G Systeme) erfüllten den IMT-2000 Standard
Nachfolgende und derzeit auch verwendete 3.5G und 3.75G Systeme bedienen den erweiterten IMT-2000 Standard und mit der Einführung von LTE befinden wir uns auf der Schnittstelle zum IMT-A Standard, da LTE nicht alle Anforderungen des IMT-A Standards erfüllt
LTE-A wird das aber tun
Systeme nach IMT-2000 werden die Fähigkeiten vorheriger Systeme umfassen
Zieldatenraten liegen bei bis zu 100Mbps für hohe Mobilität und 1Gbps für geringe Mobilität
Die gepunktete Außenlinie gibt an, dass die exakten Datenraten im Zusammenhang mit Systemen nach IMT-2000 noch nicht festgelegt sind
Die Zielsetzungen für die Datenraten sind Gegenstand weiterer Forschungen und Untersuchungen
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4. Cellular wireless system evolution
Die Folie zeigt die Evolution der Standards von 1G nach 4G. Der zugehörige Netzaufbau ist „rot“ markiert und wesentliche Kriterien bei der Konzeption der Standards sind „schwarz“ markiert, Beispiele unterschiedlicher Standardisierungsorganisationen sind „lila“ markiert.
1G Standard
Anfang 1980 entstanden
Analoge Sprachkommunikation
Analoges FDMA
Leitungsvermittelnd
Keine Datenübertragung
Beispiel: AMPS
2G Standards
Anfang 1990 entstanden
Hauptsächlich für Sprachkommunikation konzipiert
Einführung der digitalen Modulation für die der Sprachkommunikation
Erweiterte Sicherheit und Roaming
TDMA und Schmalband-CDMA
Beispiele GSM, IS-95 (cdmaOne), DECT, HSCSD und PDC
2.5G / 2.75G Standards
Erstmals paketvermittelnde Dienste
Beispiele GPRS, EDGE
3G Standards
Ende 1990 entstanden
Globale Vereinheitlichung und Roaming
Erfüllen IMT-2000 Anforderungen (International Mobile Telecommunications)
Architektur unterstützt 2G / 2.5G und 3G Zugriff
Handover zwischen GSM und UMTS Technologien ist möglich
Breitband-CDMA
3G Luftschnittstelle hinzugefügt (UMTS)
WiFi Standard etabliert (OFDM)
Beispiele: UMTS, cdma2000 1x EVDO (evolution-data optimized) und TD-SCDMA
3.5G / 3.75G Standards
Paketvermittelnd
Digitale Übertragung
AMC, H-ARQ, Fast Scheduling, Bandwidth Efficient Handoff
Beispiele: HSDPA / HSUPA, IP Multi Media Subsystem (IMS), Mobile WiMAX (IEEE e) (World Interoperability for Microwave Access) mit OFDMA
3.9G Standards
Tolerant gegenüber Mehrwege und Eigeninterferenz, skalierbare Bandbreiten, Orthogonal Uplink Multiple Access, Frequency-Selective Scheduling, Functional Frequency Reuse, Fine Quality of Service (QoS), erweiterte Antennentechnoligie
Erste Version des LTE Standards erfüllte nicht vollständig die ITU 4G Anforderungen, die auch als IMT-Advanced bezeichnet werden; somit stufte man LTE als 3.9G Standard ein
Die Weiterentwicklung d.h. LTE-Advanced ist dann aber eine 4G Technologie
Beispiele: LTE, UMB (Ultra Mobile Broadband), Mobile WiMAX mit MIMO-OFDMA
4G Standards
Datenraten von 100Mbps für hohe Mobilität
Datenraten von bis zu 1Gbps für geringe Mobilität
IMT Advanced, IEEE m
Beispiele: LTE-A (Weiterentwicklung von LTE), IEEE m (Weiterentwicklung von e)
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5. Evolution of UMTS towards packet only system
First version of LTE is documented in 3GPP specifications Rel-8
Former specifications of LTE are known as E-UTRA and E-UTRAN
Das auf W-CDMA basierende UMTS wurde weltweit ausgebaut
Um die Konkurrenzfähigkeit (Kosten, Datenraten, etc.) der UMTS Technologie zu garantieren hat die 3GPP (3rd Generation Partnership Project) eine langfristige Entwicklung dieses Systems definiert
Der Wechsel vom CMDA-basierten HSPA (oder auch EV-DO) ist dabei wichtig, da sie unterschiedliche Technologien darstellen
Entsprechende Standards wurden bis zum Release 99 nach Jahreszahlen nummeriert, danach wurde ein neues Nummerierungsschema angefangen, das als Release 4 startete
Functional Freeze bedeutet, dass ab diesem Datum keine weiteren Arbeitsschritte zum Release hinzugefügt werden dürfen, nur essentielle Korrekturen sind erlaubt.
Rel4:
Die Version von W-CDMA wird auch als TD-SCDMA (Time Domain Synchronous Code Division Multiple Access) bezeichnet
Rel5:
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) führte den Paketdatendienst für UMTS ein, wie es GPRS (General Packet Radio Service) in GSM Release 97 machte
Rel6:
Vervollständigung des Paketdatensystems für UMTS durch HSUPA (High Speed Uplink Packet Access)
HSDPA und HSUPA werden zusammen als HSPA bezeichnet
FDD 2x5 MHz Kanalbandbreite
Rel7:
Enthielt erste Arbeiten an LTE/SAE mit Vervollständigung der Machbarkeitsstudien
Außerdem weitere Verbesserungen an HSPA wie Downlink MIMO, 64QAM auf Downlink und 16QAM auf Uplink
Rel8:
Weiterentwicklung von HSPA mit vielen kleinen Features wie dual cell HSDPA und 64QAM mit MIMO
Wichtigste Neuerung ist aber die Spezifikation von LTE und SAE
Nach Rel8:
Es kommen weitere Releases bis Rel-12 und die Arbeiten daran gehen weiter
In Rel-10 werden die Erweiterungen für LTE beschrieben, die dann in LTE-Advanced weitergeführt werden, eine Technologie für das IMT-A Programm, besser bekannt als 4G
Stichpunkte:
evolved UMTS terrestrial radio access (E-UTRA)
evolved UMTS terrestrial radio access network (E-UTRAN)
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6. Requirements and targets (source: TR 25.912 and 25.913)
Peak data rate
Latency
C-Plane latency: less than 100ms camped-to-active transition and less than 50ms dormant-to-active transition (excluding DL and paging delay)
U-Plane latency: less than 5ms in upload condition
Capacity
at least 200 active users per cell for spectrum allocations up to 5 MHz
at least 400 users for higher spectrum allocations
Um die Konkurrenzfähigkeit von HSPA über längeren Zeitraum zu gewährleisten konzentrieren sich die nachfolgenden Arbeiten auf:
Reduzierung der Latenz
Höhere Benutzerdatenraten
Verbesserte Systemkapazitäten und Abdeckungen
Reduzierung der Kosten für den Netzbetreiber
Die wesentlichen Anforderungen und Ziele werden nachfolgend vorgestellt:
Datenraten
Sollten entsprechend der Spektrumsbelegungen skalieren
Hängen ab von Anzahl von Sende- und Empfangsantennen beim UE
Daten für 2 Empfangsantennen und eine Sendeantenne bei UE:
DL 100Mbps bei 20MHz Bandbreite d.h. 5 Bit/s/Hz
UL 50Mbps bei 20MHz Bandbreite d.h. 2.5 Bit/s/Hz
Latenzen
Signifikante Reduzierung der Control Plane Latenz
Reduzierung des Round Trip Delays
Kapazitäten
200 Benutzer pro Zelle bis 5MHz
400 Benutzer pro Zelle für höhere Spektrumsbelegungen
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7. Requirements and targets (source: TR 25.913)
Average user throughput per MHz and spectrum efficiency
DL: 3 to 4 times Release 6 HSDPA.
UL: 2 to 3 times Release 6 Enhanced Uplink
Mobility
Optimized for low mobile speed at 0 – 15km/h
Support 15 – 120km/h with high performance
120 – 350km/h main mobility (500km/h depending on frequency band)
Coverage
Up to 5km: meet targets for throughput, spectrum efficiency and mobility
Up to 30km: support full mobility, slight degradations of throughput and more significant degradation of spectrum efficiency are acceptable
Further enhanced MBMS
Improved cell edge performance
Defined interruption time when changing between different streams
Durchsatz (pro MHz) und spektrale Effizienz (bits/sec/Hz/site):
Durchschnittlicher Durchsatz und spektrale Effizienz werden besonders von MIMO und verbesserter Orthogonalität profitieren
Wesentlich sind Ziele für Zellränder wegen Dimensionierung des Netzwerkes
Downlink:
angenommene Referenzleistung basiert auf 1 Sendeantenne bei NodeB, 1 Empfänger mit erweiterter Leistung in der UE
E-UTRA hat maximal 2 Sendeantennen bei der NodeB und 2 Empfangsantennen bei der UE
Uplink:
Aufgestellt mit 1 Sendeantenne bei UE und 2 Empfangsantennen bei NodeB
Höherer Durchsatz erreichbar mit mehreren Sendeantennen bei UE
Mobilität
E-UTRAN soll Mobilität entlang des zellularen Netzwerkes bieten und optimiert sein für 0-15km/h
Es wurde festgestellt, dass eigentlich gar nicht so hohe Mobilität benötigt wird (z.B. Laptop)
Es werden bis zu 350km/h (Hauptmobilität) oder auch 500km/h (abhängig vom Frequenzband) unterstützt
Sprache und andere Echtzeitdienste sollen über gesamten Geschwindigkeitsbereich angeboten werden können
Einfluss von intra E-UTRA Verbindungsübergaben auf Qualität soll geringer oder so wie bei CS Domain Handovers in GERAN sein
E-UTRAN soll auch Techniken unterstützen, um Verzögerung und Paketverlust bei intra-System-Handover zu optimieren
Abdeckung
E-UTRA sollte flexibel genug sein, um eine Vielfalt an Überdeckungsszenarios zu unterstützen, für welche die Ziele für Durchsatz, spektrale Effizienz und Mobilität eingehalten werden
E-UTRA sollte folgende Szenarien bezüglich der maximalen Zellweite unterstützen: (siehe Folie)
Bis zu 100km sollten von den Standards nicht ausgeschlossen werden
Erweiterter MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service)
E-UTRA Systeme sollten erweiterte MBMS Modi unterstützen
Anforderungen definiert bezüglich:
Im Broadcast Modus sollte das E-UTRA MBMS auf eine Zellrandeffizienz von [1 bit/s/Hz] abzielen
Interruption Times:
Wechsel zwischen zwei Broadcast Streams in gleicher Zelle (2 TV Kanäle)
Wechsel zwischen Broadcast und Unicast Stream von gleichem Service Typ in gleicher Zelle (TV Kanal)
Wechsel zwischen zwei Broadcast Streams, die auf unterschiedlichen Trägern empfangen werden (2 TV Kanäle)
Wechsel zwischen Broadcast und Unicast Stream von gleichem Service Typ die auf unterschiedlichen Trägern empfangen werden (TV Kanal)
Wechsel zwischen Broadcast Stream in einer Zelle auf Unicast Stream des gleichen Services in anderer Zelle, wobei Empfang auf gleichem Träger stattfindet (gleicher TV Kanal)
Netzwerk Synchronisation
Optimierungen basierend auf inter-Site Time Synchronization sollen unterstützt werden, auch wenn es wahrscheinlich nicht gebraucht wird
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8. Requirements and targets (source: TR 25.913)
Deployment Scenarios
Standalone (no interworking with UTRAN/GERAN)
Integrated (existing UTRAN and/or GERAN in same geographical area)
Spectrum flexibility
Support for spectrum allocations of different size (1.25 (1.4?) – 20MHz)
Support for diverse spectrum arrangements
Spectrum deployment
Co-existence and co-location with GERAN/3G and between operators on adjacent channels
Co-existence and interworking with 3GPP RAT
Interruption time during handover between E-UTRAN and 3GPP-RAN (real-time service < 300msec, non real-time service < 500msec)
high-level E-UTRAN soll folgende Einsatzszenarien unterstützen
alleinstehend:
Entweder Betreiber bietet E-UTRAN ohne vorher Netzwerk in dieser Region zu haben
oder E-UTRAN wird aufgebaut in Regionen wo es UTRAN/GERAN Abdeckung gibt aber aus irgendeinem Grund gibt es keine Anforderungen, dass dieses mit UTRAN/GERAN zusammenarbeiten muss (z.B. alleinstehende kabellose Breitbandanwendung)
Integriert in existierendes UTRAN und/oder GERAN:
Annahme, dass Betreiber entweder ein UTRAN und/oder ein GERAN mit voller oder teilweiser Abdeckung in gleicher geografischer Region hat.
GERAN und UTRAN können unterschiedlich alt sein
Spektrumflexibilität
Belegung des Spektrums in unterschiedlilchen Größen unterstützen
1.4, 3, 5, 10, 15 und 20MHz (gilt für Up- und Downlink; paired (jeder Frequenzblock enthält zwei zusammengehörende Frequenzbereiche für UL und DL) und unpaired Spektrum soll unterstützt werden)
Broadcast Übertragung “Downlink–only” und auch “Downlink und Uplink” (ermöglicht optimierte Nutzung des Spektrums)
Funkressourcenbelegung für Broadcast modifizierbar (in Abhängigkeit spezieller Anforderungen oder Betreiber-Policy z.B. Notsituation, spezielle lokale/globale Ereignisse)
Unterstützung verschiedener Spektrumsbelegungen
Aggregation von Resourcen im gleichen und unterschiedlichen Bändern für UL und DL (Frequenzband des Betreibers, Leistung, adaptives Scheduling, etc), abhängig von Komplexität und Kosten des UE
Verwendung des Spektrums
Co-existence auf gleicher geografischer Region und co-location mit GERAN/3G sowie auch zwischen Betreibern auf benachbarten Kanälen
Co-existence auf überlappendem und angrenzendem Spektrum an Ländergrenzen (möglicherweise Scheduling berücksichtigen)
Anderer Träger muss nicht vorhanden sein, E-UTRA kann auch allein arbeiten
Co-existence and interworking with 3GPP RAT
E-UTRAN Terminals die auch UTRAN und/oder GERAN unterstützen, sollten Handover von und nach diesen Netzen unterstützen
Interruption Times stehen als Maxima auf Folie; sie sind auch für Broadcast und Unicast Streams extra definiert und werden noch einmal überdacht, wenn E-UTRA Physical Layer detaillierter definiert wurde
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9. Requirements and targets (source: TR 25.913)
Architecture and migration
Single E-UTRAN architecture (packet based)
Simplified and minimized number of interfaces
Minimized delay variation (jitter)
Radio resource management requirements
Enhanced end-to-end QoS
Support efficient transmission and operation of higher layer protocols over the radio interface (e.g. IP header compression)
Support of load sharing and policy management across different Radio Access Technologies
Complexity
Minimized number of options
No redundant mandatory features
Optimized terminal complexity and power consumption
Architektur und Migration
Einzelne, paket-basierte E-UTRAN Architektur wird angestrebt, die Echtzeit- und Sprachverkehr unterstützt
Kompatibel zu anderen Architekturen und offene Schnittstellen, um Interoperabilität zwischen dem Equipment verschiedener Anbieter zu ermöglichen
Minimale Präsenz eines “Single Points Of Failure“, nach Möglichkeit ohne zusätzliche Kosten für den Rücktransport
E-UTRAN Architektur soll einfache und wenige Schnittstellen bieten
E-UTRAN soll so entworfen werden, sodass Delay Variation (jitter) für z.B. TCP/IP Paketkommunikation minimiert wird
Ausnutzung bestehender Technologien wie FDD und TDD
Resourcen Management
E-UTRAN Architektur soll Ende-zu-Ende QoS unterstützen und QoS Mechanismen sollen unterschiedliche Verkehrsarten berücksichtigen um Bandbreite effizient anzubieten
QoS auch bei inter-RAT (Radio Access Technology) Handover
Load sharing und Policy Management, um Latenz bei Datenübertragung zu minimieren
Komplexität
Systemkomplexität soll minimiert werden, um das System und die Interoperabilität im frühen Stadium zu stabilisieren und die Kosten für Terminal und UTRAN zu gering zu halten
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10. Parameters in context (source: www.radio-electronics.com)
Auch wenn es ein großer Sprung zwischen LTE und seinen 3G Vorgängern ist, gilt LTE als Weiterentwicklung des UMTS Standards
LTE verwendet zwar als Funkschnittstelle im Gegensatz zu seinen Vorgängern OFDMA / SC-FDMA statt CDMA, es gibt aber viele Ähnlichkeiten zu den Vorgängerarchitekturen und Möglichkeiten zur Nachnutzung
LTE ist also eher als Weiterentwicklung der Funktionalität und Leistung anzusehen
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11. Complementary Access Systems
Some existing standards and technologies for the different layers
IEEE
3GPP LTE
3GPP2 UMB/
IEEE
IEEE
IEEE
Bluetooth*
IEEE
UWB
mmWave
IEEE 802.3
Folie zur Einordnung
Source ITU-R M.1645
Switching between the layers need to be transparent to the user
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12. Competing 3.9G standards
Different organizations - different standards?
3GPP: LTE
3GPP2: UMB (discontinued)
IEEE and WiMAX Forum: Mobile WiMAX™ (IEEE e)
All have similar goals
Improved spectral efficiency
Wide bandwidth
Very high data rates
Goals shall be achieved primarily by
Higher-order modulation schemes
Multi-antenna technology
Simplified network architecture
LTE ist einer von vielen verschiedenen 3G-Weiterentwicklungsstandards, die unter der Nummerierung 3.9G zusammengefasst werden
Die verschiedenen Standards resultieren aus der Arbeit unterschiedlicher Standardisierungseinrichtungen wie der 3GPP, der 3GPP2 und der IEEE in Kooperation mit dem WiMAX Forum
Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist an der Entwicklung von LTE beteiligt und vereint sechs Standardisierungseinrichtungen für Telekommunikation weltweit sowie verschiedene Marktrepresentationspartner
Die Standardisierungseinrichtungen sind:
The Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) , Japan
The Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS) , USA
China Communications Standards Association (CCSA)
The European Telecommunications Standards Institute (ETSI)
Telecommunications Technology Association (TTA) , Korea
Telecommunication Technology Committee (TTC) , Japan
Das 3GPP2 Projekt sollte nicht mit der 3GPP verwechselt werden
Es entstand aus der International Mobile Telecommunications Initiative (IMT-2000) der International Telecommunication Union (ITU)
Es vertritt die nordamerikanischen und asiatischen Interessen bei globalen Spezifikationen für zellulare Kommunikationssysteme
3GPP2 beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung von CDMA2000 in Form von UMB
Arbeit am Ultra Mobile Broadband (UMB) Standard wurde zu Gunsten von LTE eingestellt
Unterstützt durch:
ANSI
TIA
EIA-41
Das WiMAX Forum ist eine industriegeführte not-for-profit Organisation, die die Kompatibilität drahtloser Breitbandprodukte auf Basis des IEEE Standards zertifiziert und vorantreibt
Der originale IEEE Standard, der auch als Fixed WiMAX bezeichnet wird, beinhaltet einen Teil der Technologie aus WiBro, einem Südkoreanischen Standard der Telecommunications Technology Association (TTA) für kabelloses Breitband
Alle verfolgen ähnliche Ziele (siehe Folie)
Auch die Ansätze zur Realisierung sind ähnlich
Weniger robuste High-Order Modulationsschemata
MIMO das von grundlegender Übertragung und Empfangsintensität bis zu fortgeschrittenerem MIMO mit räumlicher Diversität reicht
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13. Comparison of the competitors (source: Technical overview of 3GPP LTE by Hyung G. Myung in May 2008)
LTE setzt Technologie und Features ein, die bereits bei Mobile WiMAX verfügbar waren
Der Wettbewerb zwischen WiMAX und UMB/LTE geht weiter; es ist noch nicht abzusehen, welcher Standard die größere Akzeptanz haben wird
UMB/LTE hat aber einige Vorteile gegenüber WiMAX
2x mehr spektrale Effizienz
Bessere Mobilität bzgl. Seamless Handoffs
Adaptives Interference Management
Robust Frequency Re-Use
UMB/LTE wurde im Hinblick auf Mobilität entwickelt; WiMAX wurde eher für festen kabellosen Zugriff entwickelt, Mobilität wurde erst später hinzugefügt
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14. E-UTRA operating bands (source: TS 36.101)
FDD LTE frequency bands
Paired bands for simultaneous transmission on UL and DL
Separation reduces the impact of signals to the receiver performance
TDD LTE frequency bands
Unpaired because UL and DL share the same frequency but time separated
Overlapping frequency bands
(roaming) UE needs to detect whether to use TDD or FDD on a particular band
Es gibt eine wachsende Anzahl an LTE Frequnezbändern, die als mögliche Frequenzbänder für LTE ausgewiesen sind
Viele dieser LTE-Frequenzbänder sind bereits in Benutzung für andere zellulare Systeme, wobei andere LTE-Bänder neu eingeführt werden
Unterschiedliche LTE-Bandbelegungen für TDD und FDD
In einigen Fällen können die Bänder überlappen da es unterschiedliche Verfügbarkeitsebenen auf der Welt gibt und daher ist es möglich, wenn auch unwahrscheinlich, dass beide TDD und FDD Übertragungen auf einem bestimmten LTE-Frequenzband ablaufen
Die höhere Wahrscheinlichkeit ist, dass eine einzelne UE erkennen muss, ob eine TDD oder eine FDD Übertragung auf einem bestimmten Band vorgenommen werden muss
UEs die gerade roamen, könnten beiden Typen auf demselben Band begegenen; sie müssen daher erkennen welche Art der Übertragung auf dem bestimmten LTE-Band in dieser bestimmten Region vorgenommen wird
Aktuelle Nummerierung: paired spectrum, d.h. FDD, und für unpaired spectrum, d.h. TDD
Es gibt geregelte Ergänzungen für die LTE Frequenzbänder als Ergebnis der Verhandlungen der requlatorischen ITU Meetings
Diese Ergänzungen resultieren aus der digitalen Dividende und dem Druck durch die steigende Notwendigkeit für mobile Kommunikation
Viele der neuen LTE-Spektrumbelegungen sind verhältnismäßig klein (meist MHz Bandbreite) und das ist ein Grund für Bedenken
Mit LTE-A, was Bandbreiten von 100 MHz benötigt, wird eine Channel Aggregation über eine breite Menge von Frequenzen benötigt werden und das wurde als signifikantes technologisches Problem erkannt
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15. Additional information (source: www.radio-electronics.com)
Das große Angebot an Frequenzbändern ermöglicht globalen Ausbau
Aufgrund der regulatorischen Gegebenheiten sind die Bänder in den einzelnen Ländern allerdings nicht dieselben
Es war also nicht möglich global dieselben Bänder zu bekommen
Wegen unterschiedlicher Verfügbarkeiten weltweit können in einigen Fällen Bänder auch überlappen; d.h. roaming mit LTE wird einige Beschränkungen haben, da nicht alle UEs in der Lage sein werden, auf dieselben Frequenzen zuzugreifen
Weitere Bänder, die in Zukunft von der 3GPP spezifiziert werden sind:
MHz
MHz für US (in naher Zukunft)
Ein Teil von MHz für CEPT und andere
MHz (in naher Zukunft)
LTE Band 1: eines der paired Bänder für das 3G UTRA und 3GPP Release 99
LTE Band 4: eingeführt als neues Band für Americas; der Downlink überlappt mit dem Downlink von Band 1; das ermöglicht Roaming
LTE Band 9: überlappend mit Band 3, hat aber unterschiedliche Beschränkungen; es ist nur für die Nutzung in Japan vorgesehen; es ermöglicht ein einfacheres Roaming.
LTE Band 10: Erweiterung zu Band 4 und wird voraussichtlich nicht überall verfügbar sein; bietet eine Erhöhung der Bandbreite (paired) von 45 MHz bis 60 MHz
LTE Band 11: eigentlich für japanisches Band gedacht, aber auch global auf sekundärer Basis belegt
LTE Band 12, 13, 14 : früher für Broadcast, abgelöst als Ergebnis der digitalen Dividende; Duplexkonfiguration ist umgekehrt zu Standard (Frequenz UL ist höher als die vom DL)
LTE Band 15,16:  durch ETSI für europäische Verwendung definiert; nicht übernommen durch 3GPP; kombiniert zwei TDD Bänder um ein FDD Band anzubieten
LTE Band 17: früher für Broadcast; abgelöst als Ergebnis der digitalen Dividende
LTE Band 20: Duplexkonfiguration ist umgekehrt zu Standard (Frequenz UL ist höher als die vom DL)
LTE Band 21: eigentlich für japanisches Band gedacht, ist aber auch global auf sekundärer Basis belegt
LTE Band 24: Duplexkonfiguration ist umgekehrt zu Standard (Frequenz UL ist höher als die vom DL)
LTE Band 33, 34: eines der Bänder, die für unpaired Spektrum im Release 99 definiert wurden
LTE Band 38: Center Band Spacing zwischen UL und DL Paaren von LTE band 7
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16. Frequency division in Germany (source: www.bundesnetzagentur.de 30.8.2010)
Bereiche 800 MHz, 1,8 GHz, 2 GHz und 2,6 GHz versteigert
Versteigerung erfolgte überwiegend abstrakt und teilweise konkret.
Konkret ersteigerte Frequenzblöcke wurden den erfolgreichen Bietern im Anschluss an das Auktionsverfahren zugeteilt
Für abstrakt ersteigerte Frequenzblöcke bestand für die erfolgreichen Bieter zunächst die Möglichkeit, sich innerhalb von drei Monaten einvernehmlich über die Position der Frequenznutzungsrechte zu einigen.
Nachdem eine Einigung zwischen den Unternehmen nicht zustande gekommen ist, war es Aufgabe der Bundesnetzagentur, die abstrakt versteigerten Frequenzblöcke in einem offenen und transparenten Verfahren zuzuordnen
Mit Hilfe der Frequenzen im 800 MHz Bereich (der sogenannten digitalen Dividende), sollen vor allem in den ländlichen Regionen breitbandige Internetzugänge realisiert werden
Die drei Netzbetreiber Telekom Deutschland, Vodafone und Telefonica O2 Germany, hatten die Frequenzen im 800 MHz-Bereich ersteigert und unterliegen damit einer Aufbauverpflichtung zur Schließung der mit Breitband unterversorgten Regionen (sogenannte weiße Flecken).
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17. LTE network coverage in Germany (December 2011)
E-Plus-Group (intended network expansion)
Source:
Vodafone
Source:
Telekom Deutschland
Source:
Telefónica O2 Germany
(no map provided)
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18. 2G and 3G cellular network today (source: TR 23.882)
The 3GPP project “System Architecture Evolution” (SAE) shall simplify this complex architecture by defining an all-IP network called the Evolved Packet Core (EPC).
The EPC is required for specific features of LTE
The EPC supports LTE, UTRAN, GERAN and non-3GPP radio access networks such as cdma2000,
SAE-Projekt soll ein neues all-IP, packet-only Kernnetzwerk definieren
Das Kernnetzwerk wird als Evolved Packet Core (EPC) bezeichnet
Solange der EPC nicht implementiert ist, können bestimmte Ziele von LTE nicht erreicht werden
Einige Abkürzungen:
IMS: IP Multimedia Subsystem
BTS: Base Tansceiver Station
BSC: Base Station Controller
RNC: Radio Network Controller
SGSN: Serving GPRS Support Node
GGSN: Gateway GPRS Support Node
HLR: Home Location Register
HSS: Home Subscriber Server
AAA: Accounting, Authentication and Authorization
PDN-GW: Packet Data Network Gateway
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19. Logical high level architecture (source: TR 23.882)
Mobility Management Entity (MME) manages and stores the UE control plane context, generates temporary Id, UE authentication, authorisation of TA/PLMN, mobility management
User Plane Entity (UPE) manages and stores UE context, DL UP termination in LTE_IDLE, ciphering, mobility anchor, packet routing and forwarding, initiation of paging
3GPP anchor is the mobility anchor between 2G/3G and LTE access systems
SAE anchor is the mobility anchor between 3GPP and non 3GPP access systems (WLAN, WiMAX, etc.)
Mit den sehr hohen Anforderungen an die Datenraten und geringe Latenz ist es notwendig die Systemarchitektur weiterzuentwickeln
Eine Veränderung ist, dass einige Funktionen, die vorher durch das Kernnetzwerk realisiert wurden, auf die Peripherie ausgelagert werden
Das bietet eine wesentlich flachere Netzwerkarchitektur wordurch Latzenzzeiten reduziert und Daten direkter zu ihrem Bestimmungsort geliefert werden können
Das Bild zeigt, wie das LTE evolved RAN und der EPC mit herkömmlichen Funkzugriffstechnologien zusammenarbeiten soll
Ziele des neue Kernnetzwerkes
Hoher Durchsatz und geringe Latenz für das LTE Zugriffssystem
Vereinfachte Netzwerkarchitektur
All IP Network (alle Dienste werden paketvermittelt angeboten, es gibt kein leitungsvermittelndes Netz mehr)
Unterstützung der Mobilität zwischen verschiedenen Zugriffssystemen
2G/3G, LTE, non 3GPP (z.B. WLAN, WiMAX)
Inter-3GPP Handover (GPRS <> E-UTRAN)
Inter 3GPP non-3GPP Mobility
Einige Abkürzungen
PCRF: Policy and Charging Resource Function
SGi: Referenzpunkt zwischen PDN GW und PDN
GERAN: GSM/EDGE radio access
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20. Interfaces (source: TS 23.401)
S1-MME is reference point between E-UTRAN and MME
S1-U is reference point between E-UTRAN and Serving GW for per bearer U-Plane tunneling and inter eNB path switching during handover
S2: mobility support between WLAN 3GPP IP access or non 3GPP access
S3: user and bearer information exchange for inter 3GPP access system mobility
S4: control and mobility support between GPRS Core and Inter AS Anchor
S5: user plane tunneling and tunnel management between Serving GW and PDN GW
S6: transfer of subscription and authentication data for user access to the evolved system
S7:Transfer of (QoS) policy and charging rules from PCRF
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21. The evolution of UTRAN
Das LTE Netzwerk besteht aus zwei Teilen, dem Zugang (E-UTRAN) und dem Kernnetzwerk (EPC).
Die Kombination von EPC und E-UTRAN bildet das Evolved Packet System (EPS)
Neben dem LTE Kernnetzwerk (EPC) wurde auch das LTE RAN vereinfacht
Im Zugriffsteil gibt es nur den evolved NodeB (eNodeB) als Netzwerkknoten
Es gibt im Gegensatz zum UTRAN keine separaten Kontrollknoten (RNC), wodurch das Transmission Time Interval (TTI) kürzer ist
Durch das kurze TTI wird der Zugriff sehr flexibel und während einer Verbindungsübergabe (Handover) erzwungen
Das Kernnetzwerk besteht aus zwei Routern, wie auch in den vorherigen Netzwerken GPRS und UMTS
Ein Router, der Packed Data Network Gateway (PDN-Gateway), schaut zur Außenwelt
Ein weiterer Router, der Mobility Management Entity Serving Gateway (MME/S-GW), ist auf den Zugriff ausgerichtet
Einige Abkürzungen:
NB: NodeB (base station)
RNC: Radio Network Controller
SGSN: Serving GPRS Support Node
GGSN: Gateway GPRS Support Node
eNB: evolved NodeB
MME: Mobility Management Entity
S-GW: Serving Gateway
P-GW: PDN (Packet Data Network) Gateway
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22. System architecture of LTE-Rel8 (source: TR 36.300)
eNB provides E-UTRA U-Plane and C-Plane protocol terminations towards the UE
X2 connects eNBs as mesh network, enabling direct communication between the elements and eliminating the need to tunnel data back and forth through a (RNC)
S1 connects E-UTRAN to EPC (eNBs are connected to MME and S-GW elements through a “many-to-many” relationship)
MME und S-GW sind eigentlich zwei separate Knoten
MME ist nur in der Control-Plane eingebunden
und die Hauptfunktionalität für den Serving Gateway liegt darin U-Plane IP-Pakete zu transportieren
Sie kommunizieren über offene Schnittstellen S1 C-Plane und S1 U-Plane Protokoll
P-GW ist auch ein extra Konten
Das E-UTRAN besteht aus eNBs, die die E-UTRA user plane (PDCP/RLC/MAC/PHY) und control plane (RRC) Protokoll Terminierungen gegenüber der UE bereitstellen
Die eNBs sind untereinander über die X2 Schnittstelle verbunden
Außerdem sind die eNBs über die S1 Schnittstelle mit dem EPC verbunden (genauer gesagt zur MME über die S1-MME Schnittstelle und zum S-GW über die S1-U Schnittstelle)
Die S1 Schnittstelle unterstützt many-to-many Relation zwischen MMEs / Serving Gateways und eNBs
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23. Overview of the functional split (source: TR 36.300)
Yellow boxes depict the logical nodes
white boxes depict the functional entities of the control plane
blue boxes depict the radio protocol layers
Funktionale Aufteilung zwischen E-UTRAN und EPC im EPS
E-UTRAN besteht aus eNBs mit folgender Funktionalität
E-UTRA U-plane (RLC/MAC/PHY)
C-plane (RRC) Protokollterminierungen gegenüber der UE
Schnittstelle zum Access Gateway über S1
Einige Abkürzungen:
RRM: Radio Resource Management
RB: Radio Bearer
RRC: Radio Resource Control
PDCP: Packet Data Convergence Protocol
NAS: Non-Access Stratum
EPS: Evolved Packet System
Beschreibungen einiger Funktionen nach TR ; weitere Funktionen können dort nachgelesen werden:
16.1 RRM functions
Radio Bearer Control (RBC): The establishment, maintenance and release of Radio Bearers involve the configuration of radio resources associated with them. When setting up a radio bearer for a service, radio bearer control (RBC) takes into account the overall resource situation in E-UTRAN, the QoS requirements of in-progress sessions and the QoS requirement for the new service. RBC is also concerned with the maintenance of radio bearers of in-progress sessions at the change of the radio resource situation due to mobility or other reasons. RBC is involved in the release of radio resources associated with radio bearers at session termination, handover or at other occasions. RBC is located in the eNB.
Radio Admission Control (RAC): The task of radio admission control (RAC) is to admit or reject the establishment requests for new radio bearers. In order to do this, RAC takes into account the overall resource situation in E-UTRAN, the QoS requirements, the priority levels and the provided QoS of in-progress sessions and the QoS requirement of the new radio bearer request. The goal of RAC is to ensure high radio resource utilization (by accepting radio bearer requests as long as radio resources available) and at the same time to ensure proper QoS for in-progress sessions (by rejecting radio bearer requests when they cannot be accommodated). RAC is located in the eNB.
Connection Mobility Control (CMC): Connection mobility control (CMC) is concerned with the management of radio resources in connection with idle or connected mode mobility. In idle mode, the cell reselection algorithms are controlled by setting of parameters (thresholds and hysteresis values) that define the best cell and/or determine when the UE should select a new cell. Also, E-UTRAN broadcasts parameters that configure the UE measurement and reporting procedures. In connected mode, the mobility of radio connections has to be supported. Handover decisions may be based on UE and eNB measurements. In addition, handover decisions may take other inputs, such as neighbour cell load, traffic distribution, transport and hardware resources and Operator defined policies into account. CMC is located in the eNB.
Dynamic Resource Allocation (DRA) - Packet Scheduling (PS): The task of dynamic resource allocation (DRA) or packet scheduling (PS) is to allocate and de-allocate resources (including buffer and processing resources and resource blocks (i.e. chunks)) to user and control plane packets. DRA involves several sub-tasks, including the selection of radio bearers whose packets are to be scheduled and managing the necessary resources (e.g. the power levels or the specific resource blocks used). PS typically takes into account the QoS requirements associated with the radio bearers, the channel quality information for UEs, buffer status, interference situation, etc. DRA may also take into account restrictions or preferences on some of the available resource blocks or resource block sets due to inter-cell interference coordination considerations. DRA is located in the eNB.
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24. Functions of the eNodeB (source: TR 36.300)
Radio resource management
IP header compression and encryption
Selection of MME at UE attachment
Routing of user plane data towards S-GW
Scheduling and transmission of paging messages and broadcast information
Measurement and measurement reporting configuration for mobility and scheduling
Scheduling and transmission of ETWS messages
Zum Radio Resource Management gehören folgende Funktionen:
Kontrolle des Trägers (Funk)
Kontrolle des Funkzugangs
Kontrolle der Verbindungsmobilität
Dynamisches Belegen von Ressourcen für die UEs im UL und DL (scheduling)
IP header compression und Verschlüsselung des Nutzerdatenstroms
Zur verbesserung der Verbindungseffizienz z.B. bei VoIP sinnvoll, wo Pakete recht klein im Verhältnis zum Header
Auswahl einer MME bei der Einhängprozedur der UE
Routing von U-Plane Daten zum Serving Gateway
Scheduling und Übertragung von Paging Nachrichten (ausgelöst durch die MME)
Scheduling und Übertragung von Broadcast Information (ausgelöst durch MME oder Operation und Maintenance)
Messungs- und Messberichtkonfiguration für Mobilität und Scheduling
Scheduling und Übertragung von ETWS (Earthquake and Tsunami Warning Service) Nachrichten (ausgelöst durch die MME)
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25. Functions of the MME (source: TR 36.300)
Non-access stratum (NAS) signaling and NAS signaling security
Access stratum (AS) security control
Inter CN node signalling for mobility between 3GPP access networks
Idle mode UE Reachability
Tracking Area list management (for UE in idle and active mode)
PDN GW and Serving GW selection
MME selection for handovers with MME change
SGSN selection for handovers to 2G or 3G 3GPP access networks
Roaming
Authentication
Bearer management functions including dedicated bearer establishment
Support for ETWS message transmission
Nicht-Zugriffsschicht: Signalisierung und Signalisierungssicherheit
Zugriffsschicht: Sicherheitskontrolle
Signalisierung zwischen Kernnetzwerkknoten für Mobilität wzischen 3GPP Zugriffsnetzwerken
Erreichbarkeit der UE im Idle-Zustand (einschießlich Kontrolle und Ausführung von Paging-Neuübertragung)
Verwaltung einer Liste zur Nachverfolgung für die UE in idle und aktivem Modus
Auswahl des PDN GW und Serving GW
Auswahl des MME bei Handovers mit Wechsel des MME
Auswahl des SGSN bei Verbindungsübergabe zu 2G und/oder 3G 3GPP Zugriffesnetzwerken
Roaming
Authentifizierung
Traegermanagementfunktionen einschließlich Einrichtung fest zugeordneter Träger
Unterstützung für ETWS Nachrichtenübertragung
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26. Functions of the S-GW (source: TR 36.300)
Local mobility anchor point for inter eNB handovers
Mobility anchoring for inter 3GPP mobility
E-UTRAN idle mode DL packet buffering and initiation of network triggered service request procedure
Lawful interception
Packet routing and forwarding
Transport level packet marking in the uplink and the downlink
Accounting on user and QCI granularity for inter-operator charging
UL and DL charging per UE, PDN and QCI
Lokaler Mobilitätsfestpunkt für inter-eNB Verbindungsübergaben
Mobilitätsverankerung für inter 3GPP Mobilität
Paketpufferung für den Download wenn E-UTRAN im Idle-Modus ist und starten von Dienstanfrageprozeduren, die durch das Netzwerk ausgelösten werden
Telefonüberwachung
Routing und Weiterleitung von Paketen
Paketmarkierung auf Transportebene im UL und DL
Abrechnung auf Benutzer und QCI Granularität für Abrechnung zwischen Betreibern
UL und DL Abrechnung pro UE, PDN, und QCI (z.B. roaming mit home-routed Verkehr)
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27. Functions of the P-GW (source: TR 36.300)
Per-user-based packet filtering
Lawful interception
UE IP address allocation
Transport level packet marking in the downlink
UL and DL service level charging, ating and rate enforcement
DL rate enforcement based on APN-AMBR
Paketfilterung auf Benutzerbasis (z.B. durch Tiefenkontrolle von Paketen)
Telefonüberwachung
UE IP Adressbelegung
Paketmarkierung auf Transportebene im DL
UL und DL Abrechnung, Taktung und Geltendmachung auf Dienstebene
Durchsetzung von DL Raten basierend auf APN-AMBR Access Point Name Aggregate Maximum Bit Rate
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28. Erweiterungen an dieser Stelle für das nächste Semester
Protocol Stack
C-Plane
U-Plane
Attach Procedure
Detach Procedure
Mobile Terminating Call
Mobile Originating Call
Handover
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29. Identities of the UE International Mobile Subscriber Identity (IMSI)
unique permanent identity of the SIM card, stored in HSS
used as little as possible when UE is communicating with the network
Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI)
Alias used instead of IMSI
temporary ID, allocated by the MME during the attach procedure
Radio Network Temporary ID (RNTI)
To identify the UE on the radio
Handed out by eNodeB, when UE establishes radio contact with eNodeB
Access Point Name (APN)
IP address, allocated by PDN-Gateway as soon as UE is powered on
Begriffserklärungen:
Durch IMSI hat die UE eine ID gegenüber seinem Betreiber im Home Subscriber Service (HSS) seines Heimnetzwerkes
Mit TMSI hat UE eine ID gegenüber dem Kernnetzwerk
Mit RNTI ist UE für den Zugriff identifiziert
Aber es fehlt immer noch eine ID, die IP, die durch den PDN-Gateway belegt wird, sobald die UE eingeschaltet wird
Früher (bei GPRS und UMTS) wurden IP Adressen ausgeliefert, wenn sich Benutzer auf einen Dienst verbinden wollten und zurückgenommen, wenn der Dienst beendet wurde
Warum wurde das bei LTE geändert?
LTE ist ein rein IP-basiertes Netzwerk mit Echtzeit- und Datenkommunikationsservices, die über das IP Protokoll ausgeliefert werden
Wenn UE keine IP Adresse hat, kann es nicht durch eingehende Sitzungen (z.B. VoIP Call) erreicht werden
Bei GPRS und UMTS konnte das UE noch über das leitungsvermittelnde Kernnetzwerk erreicht werden
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30. Attach procedure UE contacts eNB it hears the strongest
eNB will then select an MME for the UE
MME will select a serving gateway
S-GW selects a PDN-GW which provides an IP to the UE (PDN-GW is selected from the APN parameter provided by the enduser or the operator)
Ein Nutzer muss sich am Netzwerk anmelden, um Dieste nutzen zu können, die eine Registrierung erfordern
Diese Registrierung wird als Network Attachment bezeichnet
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31. LTE enabling technologies
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)
Single Carrier FDMA (SC-FDMA)
Multiple Input Multiple Output (MIMO) …
LTE Technologien
LTE fürht im Vergleich zu seinen Vorgängern eine Vielzahl neuer Technologien ein
Sie ermöglichen es LTE das Spektrum effizienter zu nutzen und bieten wesentlich höhere Datenraten
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
neue Zugriffstechnologie
OFDMA ist effizienter als das in UMTS verwendete CDMA
Bietet hohe Datenbandbreiten für die Übertragung und gleichzeitig hohen Grad an Widerstandsfähigkeit gegenüber Reflexionen und Interferenzen
Das Zugriffsschema unterscheidet sich im Up- und Downlink
SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) wird im Hinblick darauf verwendet, dass sein
Peak-to-Average Ratio klein ist
eine konstantere Leistung und eine höhere Effizienz der RF-Leistungsverstärker in den mobilen Endgeräten ermöglicht wird (das ist ein wichtiger Punkt für die batteriebetriebene Stromversorgung)
MIMO:
Eines der Hauptprobleme älterer Telekommunikationssysteme ist, die Mehrwegeausbreitung durch z.B. Reflexionen
Durch die Verwendung von MIMO, können diese zusätzlichen Signalpfade zum Vorteil ausgenutzt werden und ermöglichen es den Durchsatz zu erhöhen
Beim Einsatz von MIMO ist es notwendig, mehrere Antennen zu verwenden, um die unterschiedlichen Pfade zu unterscheiden
Entsprechend verwendete Schemata sind: 2 x 2, 4 x 2, or 4 x 4 Antennenmatrizen
Während es relativ einfach ist, weitere Antennen zu einer Basisstation hinzuzufügen, gilt das nicht für mobile Endgeräte aufgrund ihrer geringen Größe, denn die Antennen sollten mit mindestens einer halben Wellenlänge Abstand voneinander platziert werden
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32. OFDM
Single carrier
Available spectrum is divided into multiple narrowband parallel channels (subcarriers)
Information is transmitted on the subcarriers at a reduced signal rate
Frequency responses of the subcarriers are overlapping and orthogonal f W
Multi carrier
Vorgänger war CDMA
OFDM ist als FDM Technik ein effizienterer Ansatz
Bei FDM benötigt die Unterteilung in Unterkanäle die Bereitstellung von Schutzbändern (Abstand zwischen Nutzfrequenzen)
OFDM unterteilt das Frequenzband in schmalbandige orthogonale Teile (Unterträger)
Ein Unterkanal ist eine Ansammlung von Unterträgern, jeder Nutzer bekommt bestimmte Anzahl von Unterkanälen
Jeder Unterträger wird bei geringer Symbolrate mit einem herkömmlichen Modulationsschema moduliert (z.B. QAM oder PSK)
Daten werden parallel auf jedem Unterträger bei geringer Rate übertragen
Die Kombination der parallelen Unterträger auf der Empfängerseite bietet hohe Datenraten
Single Carrier System
Gesamtes Signal benutzt komplettes verfügbares Spektrum
Multicarrier system
Verfügbares Spektrum wird aufgeteilt in viele schmale Bänder
Daten werden in parallele Datenstöme aufgeteilt, von denen jeder auf separatem Band übertragen wird
Vorteile gegenüber CDMA:
Einfache Skalierung für breite Kanäle die resistenter gegen fading sind
OFDM-Kanalequalizer sind einfacher zu implementieren als CDMA-Equalizer, da das OFDM Signal eher im Frequenzbereich als im Zeitbereich repräsentiert wird
OFDM kann vollständig resistent gegen Multi-Path Delay Spread gemacht werden, da die langen OFDM-Symbole durch Schutzabstand (Cyclic Prefx) voneinander getrennt werden können
OFDM ist besser für MIMO geeignet (Darstellung im Frequenzbereich ermöglicht einfaches Precoding um das Signal auf die Frequenz und Phasencharakterista des Mehrwegekanals anzupassen)
Hohe spektrale Effizienz
Nachteile
Da Unterträger eng beieinander liegen, ist OFDM empfindlich für Frequenzsynchronisationsfehler und Phasenrauschen
Aus gleichem Grund ist OFDM auch empfindlich gegenüber der Dopplerverschiebung was Störungen zwischen Unterträgern verursacht
Reines OFDM verursacht auch hohe Peak-to-Average Signale f
W / N
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33. OFDM (source: F. Khan, LTE for 4G Mobile Broadband, ISBN 978-0-521-88221-7)
Example shows 5 OFDM subcarriers
Each subcarrier is modulated by a data symbol
The OFDM symbol is formed by adding the modulated subcarrier signals
Here all subcarriers are modulated by data symbols 1‘s
Resulting OFDM symbol signal has much larger signal amplitutde variations than the individual subcarriers
This characteristic of OFDM signal leads to larger signal peakness +
Im schlimmsten fall addieren sich alle konstuktiv
Die hohen Spitzen treten selten auf
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34. OFDM (source: F. Khan, LTE for 4G Mobile Broadband, ISBN 978-0-521-88221-7)
Application of rectangular pulse in OFDM results in a sinc-square shape power spectral density
This allows minimal subcarrier separation with overlapping spectra where signal peak for a given subcarrier corresponds to spectrum nulls for the remaining subcarriers
Die Mehrbenutzerversion von OFDM wird als OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) bezeichnet
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35. Cyclic prefix (source: F
Cyclic prefix (source: F. Khan, LTE for 4G Mobile Broadband, ISBN )
Orthogonality of OFDM subcarriers can be lost when the signal passes through a time-dispersive radio channel due to inter-OFDM symbol interference (multipath propagation)
A cyclic prefix extension of the OFDM signal can be performed to avoid this interference
Cyclic prefix length is generally chosen to accomodate the maximum delay spread of the wireless channel
Im Allgemeinen beträgt die Länge des zyklischen Präfixes mehrere Millisekunden, wegen des Multi-Path Delay Spreads
Das ermöglicht eine zeitliche Synchronisation innerhalb des zyklischen Präfixes
Dieses Prinzip ist gegensätzlich zu synchronem WCDMA bei dem ein Synchronisation auf Sub-Chip Ebene (allgemein ein kleiner Teil einer Millisekunde, abhängig von der Chip-Rate) notwendig ist, um die orthogonale Übertragung zu garantieren
Wird das Signal zur optimalen Zeit abgetastet, kann der Empfänger die Interferenzen in der Zeitdomäne zwischen benachbarten Symbolen entfernen, die durch Multi-Path Delay Spread auf dem Funkkanal verursacht wurden
Der zyklische Präfix führt aber auch zu einer Verringerung der Datenrate
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36. OFDM signal representation (source: TR 25.892)
Bild zeigt Signal mit 5MHz Bandbreite
Datensymbole werden unabhängig moduliert und über eine große Anzahl ein beieinanderliegender orthogonaler Unterträger übertragen
Im Zeitbereich wird zu jedem Symbol ein Schutzabstand hinzugefügt um die inter-OFDM-Symbol-Interferenz zu vermeiden, die aufgrund des Channel Delay Spreads entsteht
Im EUTRA ist der Schutzabstand der Cyclic Prefix welcher vor jedem OFDM-Symbol mit eingefügt wird
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37. OFDMA (source: http://cp. literature. agilent
Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is a DL multi carrier transmission scheme for E-UTRA FDD and TDD modes based on conventional OFDM
Incorporates elements of time division multiple access (TDMA) to avoid narrowband fading and interference
OFDMA allows subsets of the subcarriers to be allocated dynamically among the different users on the channel (Frequency selective scheduling)
Result is a more robust system with increased capacity
Robustere und höhere Kapazität durch Trunking Efficiency von Multiplexing Low Rate Users und die Möglichkeit Benutzer nach Frequenzen einzuplanen (bietet Resistenz gegenüber Frequency-Selective Fading)
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38. OFDM vs. OFDMA Data is modulated over sub-carriers and time slots
Enables high data rate in a wireless channel
Each subscriber can get different quantity of data
Enables optimal balance of data forwarding between subscribers
OFDMA ist also im Prinzip eine Art flexibles Multiuser-OFDM
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39. SC-FDMA (source: http://cp. literature. agilent
Single Carrier – Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) is UL transmission scheme for LTE with structure and performance similar to OFDMA
It combines the low Peak-to-Average Ratio (PAR) techniques of single-carrier transmission systems (GSM and CDMA), with the multi-path resistance and flexible frequency allocation of OFDMA
Brief description:
Convert data symbols from time to frequency domain via DFT
Map data symbols to desired location in overall channel bandwidth before they are converted back to time domain via IFFT
Inserted cyclic prefix
Eine hohe Komplexität des Leistungsverstärkers in der Basisstation ist kritisch
Single Carrier verbessert die Effizienz des Leistungsverstärkers (reduzierter Stromverbrauch und Kosten in der UE, bessere Abdeckung)
Besseres (Peak-to-Average Power Ratio) als OFDMA
Wird auch als discrete Fourier transform spread OFDM or (DFT-SOFDM) bezeichnet (entsprechend der Techniken, die es verwendet)
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40. OFDMA vs. SC-FDMA Zur Veranschaulichung ein kleines Beispiel mit
4 Unterträgern
über zwei Symboldauern
Und den Nutzdaten (repräsentiert durch das QPSK - Diagramm)
Eigentliche LTE-Signale sind in Einheiten von 12 benachbarten Unterträgern eingeteilt
Links, sind 4 angrenzende 15 kHz Unterträger, die sich schon auf dem korrekten Platz auf der Kanalbandbreite befinden dargestellt
Jeder ist für die OFDMA-Symboldauer von 66.7 μs durch ein QPSK Datensymbol moduliert
Da es sich um QPSK Datensymbole handelt, wird nur die Phase jedes Unterträgers moduliert und die Leistung jedes Unterträgers bleibt konstant
Nach einer OFDMA Symboldauer wird das CP eingefügt und die nächsten Symbole können parallel übertragen werden
Das CP ist hier eine Lücke, aber eignetlich bleibt die Übertragungsleistung konstant, da CP nur Kopie des Endes des nächsten Symbols ist; es gibt nur eine Phasenunterbrechung an den Symbolgrenzen
Um Signal zu übertragen, wird IFFT auf jeden Unterträger angewendet, damit die 4 Signale im Zeitbereich erhalten werden
Diese werden dann als Vektoren aufsummiert, um die letztendliche Wellenform im Zeitbereich für die Übertragung zu erhalten
SC-FDMA Signalerzeugung beginnt mit speziellem Precoding-Prozess; danach geht es aber weiter wie bei OFDMA
Prozess wird gleich genauer beschrieben, hier erst einmal das Ergebnis
Offensichtlichster Unterschied ist, dass OFDMA die 4 QPSK Symbole parallel (eines pro Unterträger) überträgt
SC-FDMA überträgt die 4 Symbole nacheinander bei der 4-fachen Rate; dabei belegt es also 4x15kHz Bandbreite
Visuell ist OFDMA klar eine multi-carrier Technik mit einem Datensymbol pro Unterträger aber das SC-FDMA Signal erscheint mehr wie ein breites Single-Carrier Signal - daher auch das SC
Man beachte, dass beide Symboldauern gleich sind (66.7 μs), allerdings enthält das SC-FDMA Symbol 4 Untersymbole, die die modulierten Daten repräsentieren
Das ungewünschte PAR von OFDM liegt an der parallelen Übertragung
Werden die Symbolde nacheinander mit 4-facher Rate übertragen, dann ist die Bandbreite dieselbe wie bei OFDMA aber das PAR ist das gleiche wie für die originalen Datensymbole
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41. SC-FDMA signal generation (source: http://cp. literature. agilent
Create time domain waveform (IQ representation) of SC-FDMA symbol
Represent the symbol in frequency domain via DFT
DFT sampling frequency is chosen such that the time-domain waveform of one SC-FDMA symbol is fully represented by M=4 DFT bins spaced 15 kHz apart, with each bin representing one subcarrier in which amplitude and phase are held constant for 66.7 μs
Shift the symbol to the desired part of the overall channel bandwidth
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42. MIMO (source: http://www. cs. wustl. edu/~jain/cse574-08/ftp/lte/index
Multiple antenna schemes that help to achieve higher spectral efficiency (throughput ) and link reliability (data quality)
Key idea: Tx sends multiple data streams on multiple antennas and each stream goes through different paths to reach each Rx antenna
The different paths taken by the same stream to reach multiple Rx allow canceling errors using superior signal processing techniques
MIMO also achieves spatial multiplexing to distinguish among different symbols on the same frequency
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43. MIMO formats
Multipath propagation causes destructive interference (fading)
Affects SNR and error rate of the channel
MIMO utilizes the different paths to improve
the robustness of the channel
use multiple antennas to send the same signal on different paths
signals on the different paths will be affected in different ways
probability that all signals will be affected simultaneously is reduced
the throughput
use the additional paths as additional channels for data transmission
Signal kann durch Reflexion mehrere Wege zwischen Sender und Empfänger nehmen (Mehrwegeausbreitung)
Mehrwegeausbreitung verursacht eigentlich nur Interferenz
Durch räumliche Diversität (Beschränkung der Abschwächungen, die durch Mehrwegeausbreitung entstehen) kann
Die Robustheit des Kanals verbessert werden
Dazu werden zusätzliche Antennen verwendet, die Signale auf den zusätzlichen Pfaden senden
Das Prinzip der Diversität besteht darin, dem Empfänger mehrere Versionen desselben Signals anzubieten
Wenn diese so erzeugt werden können, dass sie auf unterschiedliche Weise auf den Signalwegen beeinflusst werden, wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass sie zur gleichen Zeit beeinträchtigt werden signifikant reduziert
Entsprechend hilft die Diversität den Link zu stabilisieren und verbessert die Performance durch die Reduzierung der Fehlerrate
Durch die verschiedenen Antennen kann vollständiges räumliches Multiplexen realisiert werden
Dazu muss die Anzahl der Empfangsantennen größer oder gleich der Anzahl der Sendeantennen sein
In vielen MIMO Systemen werden nur 2 Antennensätze verwendet, mehrere könnten auch verwendet werden (erhöht den Durchsatz)
Die zusätzlichen Wege können dann zum Vorteil ausgenutzt werden, indem sie effektiv als zusätzliche Kanäle verwendet werden, auf denen zusätzliche Daten zu übertagen werden
Somit wird zusätzliche Datenkapazität bereitgestellt
Use spatial (antenna) diversity to transmit high quality data
Use spatial multiplexing to transmit many data
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44. The different antenna schemes (source: www.radio-electronics.com)
SISO – Single Input Single Output
No diversity, no additional processing
(+) simple, (-) channel performance is limited, (-) impact of interference and fading is significant
SIMO – Single Input Multiple Output
Receive diversity (smart antennas)
Types: switched diversity and maximum ratio combining
(+) simple implementation, (+) reduces effects of fading, (-) processing needs to be done in Tx and Rx
SISO - Single Input Single Output
Einfachste Form der Funkverbindung
Sender hat eine Antenne, Empfänger hat eine Antenne
Keine Diversität und keine zusätzliche Verarbeitung hinsichtlich Diversität nötig
Vorteil: ist die Einfachheit
Nachteil: Kanal ist hinsichtlich seiner Perfomance beschränkt
Interferenz und Fading beeinflussen das System mehr als bei einem MIMO-System, das irgendeine Form von Diversität verwendet und Kanalbandbreite ist durch Shannon's law begrenzt
SIMO - Single Input Multiple output
Sender hat eine Antenne Empfänger hat mehrere Antennen (Smart Antennas -> nachgeschaltete Signalverarbeitung, die Empfangssignal zusammensetzt, bei GSM hat z.B. BTS mehrere Antennen da so mehr Energie aus elektromagnetischen Feld entnommen werden kann (Gruppengewinn))
Wird auch als Empfangsdiversität bezeichnet (empfange Signale von unabhängigen Quellen)
Häufig verwendet, um es einem Empfangssystem, das Signale von einer Vielzahl unabhängiger Quellen empfängt, zu ermöglichen, die Effekte des Fadings zu bekämpfen (Mehrwegeausbreitung kann bei Empfänger zu Signalauslöschung (fading) führen; bei mehrere räumlich getrennten Empfangsantennen ist Fading an einzelnen Antennen statistisch unabhängig und die Wahrscheinlichkeit, dass alle Antennen gleichzeitig vom Fading betroffen sind, ist sehr gering)
Vorteil: einfache Implementierung
Nachteil: Verarbeitung ist auf Empfansseite notwendig, für mobile Geräte ist das ungünstig bzgl. Größe, Kosten und Batterieverbrauch
Zwei Arten von SIMO:
Switched diversity SIMO: schaut nach stärkstem Signal und schaltet entsprechend zwischen seinen Antennen um
Maximum ratio combining SIMO: verwendet beide Empfangssignale und summiert sie auf, um Kombination beider Signale zu erhalten
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45. The different antenna schemes (source: www.radio-electronics.com)
MISO
Transmission diversity
Rx can receive optimum signal
(+) multiple antennas and redundancy coding / processing is moved from Rx to Tx, (+) size, cost and battery consumption of the UE
Full MIMO
more than one antenna on both sides (Tx and Rx)
Channel coding to separate data from different paths
(+) can improve robustness and throughput of the channel, (-) additional cost for processing and antennas
MISO - Multiple Input Single Output
Übertragungsdiversität (dieselben Daten werden von mehreren Sendern übertragen)
Selbe Daten werden redundant von zwei Sendeantennen übertragen
Empfänger ist dann in der Lage, das optimale Signal zu empfangen, um die exakt benötigten Daten zu erhalten
Vorteil: Antennen, Kodierung / Verarbeitung wird im Sender vorgenommen, besser im Hinblick auf Größe, Kosten und Batterielebenszeit von mobilen Geräten (Antennen sind weniger und die Verarbeitung für die Redundanzkodierung wird reduziert)
MIMO - Multiple Input multiple Output
Gibt es mehr als eine Antenne auf irgendeiner Seite der Funkverbindung, spricht man bereits von MIMO
Um Nutzen aus MIMO zu ziehen, muss Kodierung auf Kanälen ausgenutzt werden, um Daten von unterschiedlichen Pfaden zu trennen
Durch zusätzliche Verarbeitung kann Kanalrobustheit und Kanaldurchsatz erhöht werden
Signifikante Verbesserung der Performance bringt allerdings zusätzliche Kosten für Verarbeitung und Antennen mit sich
eine der wichtigsten kabellosen Techniken für die Zukunft, da verfügbares Spektrum besser ausgenutzt werden muss
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46. Shannon‘s Law (source: www.radio-electronics.com)
MIMO spatial multiplexing provides additional data capacity
Achieved by using multiple paths as additional data channels
Shannon’s Law defines maximum data rate on a radio channel
Einer der wesentlichsten Vorteile von räumlichen Multiplexens von MIMO ist der Fakt das es in der Lage ist zusätzliche Datenkapazität bereitzustellen
Das wird erreicht durch Ausnutzung der mehreren Pfade, die effektiv als zusätzliche Kanäle verwendet werden, um Daten zu transportieren
Die maximale Menge an Daten die transportiert werden kann über einem Funkkanal ist beschränkt durch die physikalischen Gerenzen, die mit Shannon’s Law beschrieben sind
Shannon's Law
Theoretische Grenze für die Datenmenge, die über einen bestimmten Kanal geschickt werden kann bei bestimmtem Rauschen
Wichtig, weil MIMO Möglichkeit bietet, Datenrate zu erhöhen, ohne das Gesetz zu durchbrechen
Shannon’s Law definiert maximale Rate, mit der fehlerfreie Daten über eine gegebene Bandbreite bei bestimmtem Rauschen übertragen werden können
Es gibt also eine absolute Grenze für die Kapazität eines Kanals mit einer bestimmten Bandbreite
Bevor dieser Punkt allerdings erreicht ist, ist die Kapazität auch durch das SNR des Empfangssignals begrenzt
Im Hinblick auf diese Beschränkung müssen hinsichtlich der Datenübertragung gewisse Überlegungen angestellt werden:
Höhere Modulation kann Kanalkapazität erhöhen, benötigt aber besseres SNR als niedrigere Modulation
Es gibt also eine Balance zwischen Datenrate und erlaubbarer Fehlerrate, SNR und Leistung mit der ein Signal übertragen wird
Verbesserung der Modulation oder des SNR sind nicht immer einfach oder preiswert umzusetzen und sie sind immer ein Kompromiss zwischen den vielen Einflussfaktoren
Daher ist es notwendig, nach anderen Wegen zu suchen, den Durchsatz für individuelle Kanäle zu erhöhen
MIMO ist ein Weg
Thursday, 30 March 2017 winter term 2010/11 – Mobile Communication Systems II

47. MIMO spatial multiplexing (source: www.radio-electronics.com)
MIMO systems utilize a matrix mathematical approach
Transmit a number of n data streams t from n antennas
Each path has different channel properties h
Properties are processed to enable Rx to be able to differentiate between the different data streams
Werden die Datenströme t1, t2, … tn von den Antennen 1, 2, … n übertragen
Dann gibt es verschiedene Pfade mit unterschiedlichen Kanaleigenschaften, die verwendet werden können
Die Kanaleigneschften müssen in die Vorbereitung des Sendesignals mit einberechnet werden
Diese Eigenschaften werden nachfolgend für ein Signal, das von Sendeantenne 1 zu Empfangsantenne 2 gesendet wird als h12, etc bezeichnet
Die Anzahl der Antennen auf Empfängerseite muss nicht der Anzahl der Antennen auf Sendeseite entsprechen
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48. MIMO spatial multiplexing (source: www.radio-electronics.com)
rn is the signal received at antenna n
To recover transmitted data stream tn
Estimate individual channel transfer characteristic hij to determine the channel transfer matrix [H]
Multiply received vector with inverse of the transfer matrix [H]
[T] = [H]-1 x [R]
Um den übermittelten Datenstrom beim Empfänger zurückzugewinnen, muss ein beachtlicher Teil an Signalverarbeitung geleistet werden
MIMO Dekoder muss die individuellen Kanalcharakteristika abschätzen um die Kanalübertragungsmatrix zu bestimmen
Danach wurde die Matrix [H] erzeugt und die übermittelten Datenströme können rekonstruiert werden, indem der Empfangsvektor mit der Inversen der Transfermatrix multipliziert wird
Dieser Prozess kann damit verglichen werden, eine Menge von n linearen ähnlichen Gleichungen zu lösen, um die n Variablen herauszubekommen
In der Realität ist das etwas komplizierter, da die Ausbreitung nicht so geradlinig ist und zusätzlich besteht jede Variable aus einem fortlaufenden Datenstrom
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49. Enabling Technologies for LTE-Advanced
Peak Data Rate improvement
DL 4x4 : LTE baseline 2x2
UL 2x4 : LTE baseline 1x2
8 Tx antennas at eNode-B including 8x8 MIMO spatial multiplexing is also considered
Sector/cell throughput improvement
Advanced Downlink MU-MIMO: 8 Tx beam-forming
Uplink SU-MIMO
Hybrid OFDMA and SC-FDMA in uplink
Multi-stream MIMO SFN broadcast
Superposition of unicast and broadcast traffic
Cell edge performance improvement
Multi-hop relay – coverage extension
Multi-cell MIMO (Network MIMO) – toward a cell without cell edge?
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