Was Kommunikations-Prozessoren für die 4. Generation Mobilfunk können müssen LTE auf einem Chip

LTE-Mobilfunk
LTE-Mobilfunk

Bevor dieser Artikel auf die Machbarkeit eines LTE-Advanced-Chips und auf dessen speziellen Funktionsumfang eingeht, zunächst ein technischer Blick auf LTE und die aktuellen Neuerungen rund um diesen Mobilfunkstandard.

Mobile Terminals, früher „Handys“ genannt, müssen heute vielen Ansprüchen genügen. So sollen die Smartphones, Tablet-PCs und andere Wireless-Geräte schnelle Datentransfers im Down- und im Uplink ermöglichen, eine hohe Grafikauflösung unterstützen sowie allzeit wissen, wo sich der Nutzer, also das Gerät, gerade aufhält. Und dies möglichst im 24-Stunden-Dauerbetrieb. Zu den bereits im Markt befindlichen Geräten werden laut UMTS-Forum eine weitere Milliarde Konsumelektronik-Geräte bis 2016 hinzukommen. Andere Marktforscher prognostizieren, dass 26 Prozent aller Firmen mit mehr als 1.000 Mitarbeitern planen, Tablet-PCs, wie z.B. einen Apple-iPad, für ihre Mitarbeiter für den täglichen Arbeitseinsatz einzuführen. Ebenfalls wurde im Jahr 2010 ein Zuwachs von 115 Prozent beim Verkauf von elektronischen Büchern registriert. Amazon, einer der Marktführer, verkauft heute mehr eBooks als Bücher in Papierversion. Zu erwähnen ist an dieser Stelle auch, dass die reinen Industrieanwendungen, also so genannte Machine-To-Machine-Anwendungen (M2M), einen Aufschwung erleben, der die bisherige 2G-Technik im Zusammenhang mit der Übertragungsgeschwindigkeit bald überfordern wird. Netzbetreiber und Hersteller solcher M2M-Applikationen können laut Abi Research mit jährlichen Zuwachsraten von 72 Millionen Geräten rechnen.

„Datenhunger“ der Mobilgeräte erzwingt Technologie-Ausbau hin zu 4G

Dieser immense Zuwachs an datenhungrigen mobilen Endgeräten hat logischerweise einen drastischen Anstieg der Datenübertragungsraten in den Mobilfunknetzen zur Folge. Um diesen Datenhunger zu stillen, haben 30 Prozent aller Netzbetreiber, welche HSPA bereits in Betrieb haben, mit der Technik von HSPA+ nachgerüstet. So sind laut GSA bereits 123 kommerzielle HSPA+-Netze in 65 Ländern in Betrieb, bis Ende 2011 sollen gar 150 solcher High-Speed-Netze weltweit den Kunden ein Gefühl von schnellen Datentransfers vermitteln. Die 3G-Netz-weiterentwicklung und der damit verbundene Ausbau wird weiter fortschreiten, dennoch haben bereits viele Netzbetreiber die LTE-Technik eingeführt, und zwar in den Frequenzbändern von 700 MHz (USA), 800 MHz, 1.800 MHz und 2.600 MHz (alle Europa) und 2.100 MHz (Asien). Bei uns in Deutschland beispielsweise werden bei 800 MHz die früher vom analogen Fernsehen genutzten und nun freien Frequenzen für LTE verwendet („Digitale Dividende“).

LTE wird übrigens vielfach als die „4. Mobilfunk-Generation“ bezeichnet. Kritiker bezeichnen jedoch erst den nächsten Schritt, nämlich LTE-Advanced, als die wahre 4. Generation, also als das Verfahren, welches die 3. Generation in städtischen und dicht bebauten Umgebungen zunächst ergänzen wird. Erst LTE-Advanced (LTE-A) ermöglicht die Vereinigung der Vielzahl von unterschiedlichen Netzwerk-Konzepten, von großen, kleinen und kleinsten Basisstationen. Das Ganze mit entsprechend unterschiedlichen Zellgrößen, auch „Heterogeneous Networks“ genannt.

Ein großer technischer Sprung wird durch das Verdichten von Basisstationen erzielt, dabei rücken die kleinen „Picozellen“ näher an den Verbraucher heran. Somit wird die Netzkapazität erheblich erweitert, gleichzeitig aber die gerechte Verteilung des Datentransfers zum Nutzer gewährleistet und dem Teilnehmer somit ein verbessertes „mobiles Internetgefühl“ vermittelt.

Was LTE-A alles kann

LTE-A verhindert durch ausgefeilte Technik mögliche Interferenzen, die durch unterschiedliche Zellgrößen und Zelltechniken verursacht werden können. Der Hauptvorteil dieses verbesserten Interferenz-Managements bei LTE-A besteht in der Bereichserweiterung, also einer Ausdehnung des Wirkungsbereichs einer vermeintlich kleinen Zelle. Bei einem bestehenden LTE-Netz kann diese Funktion durch einen einfachen Software-Upgrade ermöglicht werden.

Ein weiterer essentieller Vorteil von LTE-A ist die Verwendung von Frequenzen bzw. Frequenzblöcken aus verschiedenen Frequenzbändern. So können bis zu fünf Trägerfrequenzen aus beliebigen Bändern (z.B. 800 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz, 2.100 MHz und 2.600 MHz) zusammengefasst werden. Dadurch ergeben sich Spitzen-Datenübertragungsraten von 500 Mbit/s und mehr. Derartige Übertragungsraten sollen sogar noch an den Zellrändern erzielt werden. Diese so genannte „Trägerzusammenfassung“ wird aber auch in ähnlichem Umfang von der 3G-Technik bereits heute unterstützt (EV-DO und HSPA+) und schließlich mit LTE-A bei höheren Datenraten ebenfalls zur Anwendung kommen.

Viele Netzbetreiber denken bereits über eine Zusammenlegung von Trägern aus dem 800-MHz- und dem 2.600-MHz-Band nach. Interessant wird diese Technik dort, wo FDD-Frequenzblöcke (Frequency Division Duplex; gepaart) zur Verfügung stehen und nun mit TDD-Blöcken (Time Division Duplex; ungepaart), die möglicherweise nur für den Downlink vorgesehen waren, aus anderen Bändern vereint werden. Damit kann man auch besonders die höheren Übertragungsvolumina im Downlink realisieren.

In den USA gibt es bereits solche Ansätze: Dort werden TDD-Blöcke mit FDD-Blöcken im 700-MHz-Band miteinander verknüpft. In Europa denken die Regulierer und Netzbetreiber in diesem Zusammenhang an das freiwerdende L-Band (1.400 MHz), das sich als ergänzendes Frequenzband mit 40 MHz nutzbarem Spektrum zum reinen Downlinkband geradezu anbietet und eben mittels LTE-A mit anderen Frequenzblöcken kombiniert werden könnte.

Weitere technische Neuerungen runden die Entwicklung von LTE-Advanced ab: So werden die Funktion „Self Organizing Networks“ (SON), die Relaistechnik und Verbesserungen der Signalkurvenform als wesentlich kapazitäts- und qualitätsverbessernd betrachtet.

Höhere Übertragungsraten fordern neue Chipgenerationen

All das bedarf einer stetigen und komplexeren Weiterentwicklung der Netzwerkinfrastruktur, der mobilen Endgeräte sowie der System- und Geräte-Software und nicht zuletzt des Chipdesigns. Im Inneren der Chips ist die Rechenleistung Jahr für Jahr um ein Mehrfaches angestiegen. Galt im Jahr 2002 ein Baustein mit 23 MIPS (Million Instructions Per Second) getaktet mit 27 MHz als superschnell, so wurde er bereits im Jahr 2004 bei 146 MHz Taktfrequenz und 160 MIPS mehr als nur leicht überholt. Schon im Jahr 2009 stellte beispielsweise Qualcomm einen Prozessor-Baustein mit einer kundenspezifischen CPU und einem ARM9 vor, der mit 1 GHz getaktet bis zu 2.000 MIPS zuließ. Die Dualcore-Chips gelten in der Fachwelt mit 1,2 GHz als ein Zwischenschritt. Heute arbeiten die Entwickler von Qualcomm an Taktfrequenzen von bis zu 2,5 GHz und Vierkern-Prozessoren, die ein paralleles Rechnen und Verarbeiten von Daten erlauben (Bild 1).