LTE – Nachfolgegeneration von UMTS

LTE – Nachfolgegeneration von UMTS

Jedem Teilnehmer kann eine bestimmte Anzahl von Ressourcenblöcken im Frequenz- und im Zeitbereich zugewiesen werden. Je mehr Ressourcenblöcke zugewiesen werden, und je höherwertig das verwendete Modulationsverfahren ist, desto größer ist die realisierbare Datenrate. Die Zuweisung erfolgt dynamisch auf einer höheren Protokollebene gemäß einem optimierten Verteilungsalgorithmus.

Das klassische OFDM-Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass das Verhältnis zwischen dem Spitzen- und dem Mittelwert der Leistung sehr groß ist (Peak to Average Power Ratio, PAPR). Deshalb sind aufwendige Leistungsendstufen mit schlechtem Wirkungsgrad erforderlich, die außerdem hohe Linearitätsanforderungen stellen. Dies ist insbesondere für die Endgeräte von Nachteil, da die Kosten und die Stromaufnahme im Vergleich zu Systemen mit anderen Zugriffsverfahren hoch sind.

Um diesen Nachteil zu umgehen, wird im Uplink von LTE eine vorcodierte Version von OFDM verwendet, die als „Single-Carier Frequency Division Multiple Access“ (SC-FDMA) bezeichnet wird. Die entsprechenden Funktionsblöcke sind in Bild 4 dargestellt: Nachdem durch den Symbolkonverter die Abbildung des Bitstroms auf die QAM-Symbole vollzogen ist, erfolgt die Vorcodierung über den zusätzlichen DFT-Block, der beim klassischen OFDM-Verfahren nicht benötigt wird. Dieser Block spreizt M Symbole auf die M Subträger, wobei die Zuordnung über den entsprechenden Mapping-Block erfolgt. Die Übertragung des Datenstroms erfolgt schließlich nur noch über einen einzelnen Träger, da die FFT über M Punkte und die größere IFFT über N Punkte sich gegenseitig kompensieren, so dass ein Einträgersignal im Zeitbereich erzeugt wird. Die Ressourcenblöcke werden so gruppiert, dass sich die Linearitätsanforderungen an die Endstufe deutlich reduzieren.

MIMO-Konzepte für LTE

Um die hohen Datenraten und die angestrebte große spektrale Effizienz zu erzielen, kommt MIMO (Multiple Input Multiple Output) als Schlüsseltechnologie bei LTE zum tragen. Zur Realisierung des MIMO-Konzepts sind mehrere Antennen auf der Sende- und Empfangsseite erforderlich.

Als Grundkonfiguration für den Downlink ist ein 2×2-MIMO-System im Standard vorgesehen, also eine Anordnung mit zwei Sende- und zwei Empfangsantennen, wie in Bild 5 dargestellt. Darüber hinaus ist eine Erweiterung auf eine 4×4-Anordnung möglich.

Man kann das MIMO-Systemen zu Grunde liegende Konzept auch so beschreiben, dass zusätzlich die räumliche Komponente für das Multiplexen von Datenströmen genutzt wird, um dadurch die Datenrate zu erhöhen. Die informationstragenden Signale werden durch N_T Sendeantennen auf L räumlich getrennte Kanäle gemultiplext und mit Hilfe von N_R Antennen empfangen. Die Anzahl der getrennten Kanäle ist gegeben durch L ≤ min(N_T, N_R). Im Empfänger müssen mit Hilfe digitaler Signalverarbeitung die Datenströme der einzelnen Kanäle von den Interferenzen der Nachbarkanäle befreit werden. Die Anzahl der Empfangsantennen sollte daher keinesfalls kleiner als die Anzahl der Sendeantennen sein [10].

MIMO-Systeme weisen eine hohe spektrale Effizienz auf, selbst wenn auf dem Übertragungskanal starke Störeffekte wie Mehrwegeausbreitung oder Reflexionen auftreten. Mit Hilfe der MIMO-Technik kann die Kanalkapazität durch einen aufwendigeren Signalverarbeitungsalgorithmus erhöht werden. Damit ist zwar eine höhere Rechenleistung erforderlich, die primären Ressourcen des Kommunikationssystems, wie Sendeleistung oder Bandbreite, bleiben aber unverändert.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Definition des LTE-Standards war die Realisierung einer flachen Protokollarchitektur, wobei mehr Intelligenz in die Basisstation verlagert wurde. Ähnlich wie schon bei HSPA wurden Funktionen, wie die Paketzuweisung, die bei UMTS im „Radio Network Controller“ realisiert wurden, in die Basisstation verschoben. Dadurch ist es möglich geworden, einen schnellen Paketzuweisungsalgorithmus zu realisieren („Packet-Scheduling“).

Der so genannte „Scheduler“ ist ein Schlüsselelement zur Realisierung eines großen Datendurchsatzes. Denn der Scheduler entscheidet in Zusammenarbeit mit dem „Link-Adaption-Algorithmus“ für jedes Zeitintervall, welchem Endgerät welche Datenrate zugewiesen wird. Der Datendurchsatz lässt sich deutlich steigern, wenn beim „Scheduling“ zusätzlich die augenblickliche Kanalqualität berücksichtigt wird. Da die Kanalqualität für die einzelnen Endgeräte unabhängig voneinander variiert, kann die höchste Datenrate realisiert werden, wenn jeweils der Teilnehmer mit der augenblicklich besten Kanalqualität bevorzugt bedient wird. Insbesondere wird durch OFDM als Zugriffsverfahren auch das „Scheduling“ im Frequenzbereich möglich, bei dem jeder Verbindung das Frequenzband bzw. die Ressourcenblöcke zugewiesen werden, die augenblicklich die besten Übertragungsbedingungen aufweisen, wie in Bild 2 veranschaulicht wird.

Wie schon UMTS, so muss auch LTE mit den Vorgängersystemen der zweiten und dritten Mobilfunkgeneration koexistieren. Multimode-Geräte, basierend auf flexiblen Architekturkonzepten, werden daher gerade für LTE verstärkt zum Einsatz kommen. Einige wichtige Parameter von LTE im Vergleich zu denen der dritten Mobilfunkgeneration sind in der Tabelle aufgelistet.

OFDM und SC-FDMA: die Zugriffstechniken für LTE

Wie bereits angesprochen, kommt im Downlink OFDM als Zugriffsverfahren zum Einsatz. OFDM ermöglicht die gewünschte Flexibilität hinsichtlich der Zuweisung von spektralen Ressourcen und kann, basierend auf Methoden der digitalen Signalverarbeitung, kostengünstig realisiert werden. OFDM ermöglicht eine robuste Datenübertragung bei guter spektraler Effizienz. Außerdem ist OFDM inzwischen eine erprobte Technik, die unter anderem bei Systemen gemäß der Standards IEEE 802.11a/b/g, Wi-Max, DVB und DAB Anwendung findet.

Die flexible Zuweisung der verfügbaren Ressourcen im Frequenz und im Zeitbereich ist in Bild 3 dargestellt [7 – 9]. OFDM verwendet eine große Anzahl schmalbandiger Subträger für die Mehrträgerübertragung. Der Abstand zwischen den Subträgern beträgt nur Δf = 15 kHz. Als Modulationsverfahren kann in Abhängigkeit der Übertragungsqualität und der gewünschten Datenrate QPSK, 16QAM oder 64QAM verwendet werden, wobei ein Symbol entsprechend die Information von 4, 16, oder 64 Bits enthält. Die Symboldauer ergibt sich aus 1/Δf + Cyclic Prefix. Da es durch Mehrwegeausbreitung zu Intersymbolinterferenzen benachbarter Symbole kommen kann, werden die einzelnen Symbole jeweils um ein Schutzintervall verlängert. Diese zyklische Erweiterung (Cyclic Prefix) des Symbols deckt den Bereich ab, in dem eine zeitliche Überlappung der Signale auftreten kann, und gewährleistet die Orthogonalität zwischen den Subträgern trotz unterschiedlicher Laufzeiten auf der Übertragungsstrecke. Der gestörte Bereich wird vom Empfänger einfach ausgeblendet.

Die OFDM-Symbole werden zu Ressourcenblöcken im Frequenz- und Zeitbereich zusammengefasst. Die Ressourcenblöcke haben einen Wert von 180 kHz im Frequenzbereich und 0,5 ms im Zeitbereich und bestehen aus 84 Ressourcenelementen. Jedes „Transmission Time Interval“ (TTI) besteht wiederum aus zwei Zeitschlitzen, so dass dieses Intervall eine Dauer von 1 ms hat. Durch dieses im Vergleich zu UMTS verkürzte TTI können die Latenzzeiten deutlich reduziert werden (siehe Tabelle).

1. LTE – Nachfolgegeneration von UMTS
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