Ingo Wolff IMST-GmbH, Kamp-Lintfort. Folie 1, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

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1 LTE Netztopologien und Zukunftsentwicklungen Ingo Wolff IMST-GmbH, Kamp-Lintfort Folie 1, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

2 Übersicht Evolution von UMTS zu LTE Die geforderten Eigenschaften von LTE Die Netzwerktopologie von LTE Signalfrequenzen, Zugriffsverfahren, Modulation und Signalformen von LTE Makro-, Mikro-, Piko- und Femtozellen und die angewendeten Techniken MIMO-Antennentechnik Weiterentwicklung von LTE zu LTE-Advanced in der Zukunft Erweiterung der Bandbreiten Verbesserte MIMO-Antennentechnik Koordinierte Multipunkt Übertragung g Relaiszellen und Ad-Hoc-Kommunikation Die prognostizierten Eigenschaften von LTE-Advanced Zusammenfassung Folie 2, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

3 Mobile Kommunikationstechniken Mobilität Fuß- gänger Unbeweg t Bewe egt Fahrzeug Zug 300 km/h Auto 150 km/h Auto 50 km/h Nomade Stadt Inhaus Person GSM GSM GPRS GPRS DECT UMTS EDGE Bluetooth LTE LTE-A HSDPA WLAN XDSL, CATV, Fiber HSPA+ IEEE e (Wimax mobil) IEEE a,d (Wimax) Datenrate Bild nach WIK 0, Mbit/s Folie 3, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

4 LTE Release 8 Anforderungen Hohe spektrale Effizienz OFDM im Downlink - Robustheit gegen über Multiweg-Interferenzen - Hohe Affinität ität zu fortgeschrittenen Techniken - Frequenzkanal orientierte Technik - Anwendungsmöglichkeit von Multiantennentechnik (MIMO) DFTS-OFDM (Single-Carrier FDMA) im Uplink - Niedriger Peak to Power Average Factor (PAPR) - Hohe Leistungseffizienz (Power Added Efficiency) der Verstärker - Orthogonalität der Nutzer im Frequenzbereich - Multiantennen-Technik (MIMO) Sehr geringe Transferzeiten - Kurze Aufbauzeiten und geringe Transferzeiten Kleine Handover-Verzögerungen ngen und -Unterbrechungszeiten ngs eiten Kurze Übertragungszeit-Intervalle (TTI) Optimiertes Radio Resource Control (RRC) - Einfache RRC-Zustände Unterstützung verschiedenen Frequenzbandbreiten: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz Folie 4, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

5 Long Term Evolution (LTE) Technische Forderungen: Downlink Datenrate 100 Mbit/s bei Bandbreite 20 MHz, d.h. eine spektrale Effizienz von (5 bit/s/hz) Uplink Datenrate 50 Mbit/s bei Bandbreite 20 MHz, d.h. eine spektrale Effizienz von (2,5 bit/s/hz) Transitzeit < 100 ms, Latenzzeit< 20 ms* Mindestens 200 Nutzer/Zelle Spektrumszuweisung mit verschiedenen Bandbreiten: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz Vereinfachung der Protokolle, Optimierung des Netzes Anwendung von OFDM-MIMO-Strukturen Latenzzeiten anderer Systeme: GPRS: 500 ms, EDGE: ms, UMTS ms, HSPA: ms, DSL: 30 ms Folie 5, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

6 Vereinfachte Luftschnittstelle EUTRAN von LTE Kernnetz Kernnetz Iu Iu RNC Iur RNC Iub Iub S1 S1 NodeB NodeB enodeb X2 enodeb Basisstation Basisstation nach BNA UTRAN E-UTRAN Folie 6, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network EUTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network RNC: Radio Network Controler

7 Topologie des LTE-Mobilfunknetzes IP Netz IMS/Internet SGi Rx+ PCRF HSS S6 P-GW S5 S8 (Roaming) S7 MME S11 S-GW EPC S1C S1U S1C S1U enodeb X2U X2C enodeb Nach 3 GPP enodeb: LTE-Luftschnittstelle MME: Mobile Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: Packet Data Network Gateway PCRF: Policy and Charging Rules Function HSS: Home Server Subscriber EPC: Evolved Packet Core Folie 7, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin Signalisierung Daten Schnittstelle

8 Konvergenz in ein einheitliches, mobiles Netzwerk 2012: GSM- flächendeckend, UMTS Städte, Zentren, LTE Hotspots GSM/GPRS UMTS/HSPA LTE 2012 > 2020 Bis 2020: UMTS konvergiert zu LTE, GSM bleibt für bestimmte Dienste (M2M) Folie 8, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

9 Anbindung zwischen EPC und 2G/3G Netz IP Netz IMS/Internet SGi Rx+ PCRF HSS S6 P-GW S5 S8 (Roaming) S7 MME S11 S-GW EPC S3 S4 S1C S1U SGSN eutran Iu UTRAN GERAN nach 3 GPP enodeb: LTE-Luftschnittstelle MME: Mobile Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: Packet Data Network Gateway SGSN: Serving GPRS Support Node PCRF: Policy and Charging Rules Function HSS: Home Server Subscriber EPC: Evolved Packet Core Folie 9, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin Signalisierung Daten Schnittstelle

10 LTE Downlink Signale OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (DL) Unterträger, zur Erzielung kombinierbarer, größerer Bandbreite 5 MHz Bandbreite Unterträger Schutz-Intervall Daten Frequenz Zeit Quelle: 3GPP TR FFT: Fast Fourier Tranformation QPSK: Quadrature Phase Shift Keying 16 QAM: 16 Quadrature Amplitude Modulation 64 QAM: 64 Quadrature Amplitude Modulation Unterträgerabstand: 15 khz Kanalbandbreiten: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz Modulation: QPSK, 16 QAM 64 QAM Folie 10, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

11 Abstandsregionen und verwendete Modulationsarten 16 QAM LTE-Basisstation Feld Datenrate QSPK 16 QAM 64 QAM QAM: Quadrature Amplitude Modulation QSPK: Quadrature Phase Shift Keying Folie 11, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

12 Zeitrahmen eines LTE FDD Signals Typ 1 Radio Zeitrahmen (Frame) für LTE FDD 10 ms Unterrahmen 1 ms ms P-SCH S-SCH Zeitschlitz (Slot) 0,5 ms 7 Symbole (Resource Elements) 1. Symbol: 71,875 μs andere 6Symbole: 71,354 μs P-SCH: Primary Synchronisation Channel S-SCH: Secondary Synchronisation Channel 12 aufeinander folgende Unterträger und 7 aufeinander folgende Symbole ein (Slot) also: khz = 180 khz im Frequenzbereich und 0,5 ms im Zeitbereich bilden einen Resource Block (RB) Zahl der RB von 6 (Kanalbandbreite 1,4 MHz) bis 100 (Kanalbandbreite 20 MHz) Folie 12, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

13 Frequenz-Zeitskala eines LTE FDD Downlink Rahmens Unt terträger- -Nummer P-SS Primary Synchronisation Signal RS Reference Signal PDCCH Physical Downlink Control Channel S-SS Secondary Synchronisation Signal PBCH Physical Broadcast CHannel PDSCH Physical Downlink Signal Channel Bild: R. Booher, RF Lectures Series Zeitschlitz-Nummer Folie 13, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

14 LTE-Signal im Frequenzbereich Trägerbandbreite 5 MHz Uplink Signal im Frequenzbereich Downlink Signal im Frequenzbereich Quelle: LTE Technology Introduction, Rohde & Schwarz Folie 14, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

15 LTE FDD DL-Signal im Zeitbereich ohne Verkehr LTE Downlink-Signal bestimmt durch Signalisierung siehe nächstes Bild Quelle: Bornkessel, IMST Folie 15, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

16 LTE FDD Signal im Zeitbereich ohne Verkehr LTE Downlink-Signal bestimmt durch Signalisierung (Vergrößerung) Pulsförmiger Signalverlauf Quelle: Bornkessel, IMST RS: Reference-Signal P-SS: Primary Synchronization Signal S-SS: Secondary Synchronization Signal PDCCH: Physical Downlink Control Channel Folie 16, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

17 LTE FDD Signal im Zeitbereich mit Verkehr Nahezu zeitunabhängiger Zeitverlauf bei hohem Verkehrsaufkommen Quelle: Bornkessel, IMST Folie 17, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

18 D a s B il D a s B il D a s B il D a s B il Das Bild kann nicht angezeigt werden. Dieser Computer verfügt möglicherwe ise über zu wenig Arb D a s B il D a s B il D a s B il Netzwerkstruktur der mobilen Breitband-Netze Arbeiten mit 1 Makrozelle Übertragungsverluste bis zum Zellrand und in die Häuser Abfall der Felder (Datenrate) bis zum Zellenrand Lösung: Mehrlagen Netzwerkansatz Ziel: Basistationen nahe dem Nutzer um Energie zu sparen 3 G Femtozelle eine wesentliche Entwicklung aber noch einige Probleme LTE Makro-, Mikro- Pico-, Femto-Stationen werden wesentliche Entwicklungen der nächsten Mobilfunkgeneration sein Femtozellen Abfall der Datenrate mit dem Abstand Benötigte Datenrate 20 Mbit/s Verfügbare Datenrate 1 Mbit/s Pikozellen Mikrozellen Makrozelle Folie 18, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

19 Inhaus-Feldstärke bei einer Frequenz von 790 MHz 130 db(μv/m) Wand Wand Wand Raum 1 Raum 2 Raum 3 Wanddämpfung: jeweils 5 db Sendeleistung: 10 mw Frequenz: 790 MHz m Entfernung Bild: Studie TV-Kabel-LTE, ANGA/IRT Folie 19, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

20 Einbindung WLAN und Femtozellen Mobiles Kern-. netzwerk Dual-Mode Handy, WLAN, LTE UMA basiertes RAN Gateway Breitband- Zugang, g DSL, Glasfaser UMTS/LTE- Basisstation WLAN Access Punkt Heim Büro Laptop, Handy Standard Handy UMA: Unlicensed Mobile Access RAN: Radio Access Network UMTS/LTE 2G/3G/LTE Femto-Zelle Gerät Adapter Folie 20, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

21 Mobile Kommunikation in der Fläche und am Menschen DSL Lokales Netzwerk WLAN IEEE a/b/g/h/j/n Wi-Fi IEEE a/b/g Femto-Zelle UMTS/LTE Makro 800 MHz LTE zum Haus Access Point Computer LTE Connected Car UMTS/LTE Mikro Stadt Netzwerk LTE, Makro, Micro, Pico, 2600 MHz WiMAX IEEE (Fixed) MP3-Player Computer Telefon Drucker Computer Personal Area Network (WPAN) Drucker Bluetooth th IEEE a 1 1 ZigBee IEEE Keyboard UWB IEEE a Telefon Lizensierte Fequenzen bis 11 GHz, 60 GHz Folie 21, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin PDA Digital-Camera M2M

22 Das Bild kann nicht angezei gt werd Das Bild kann nicht angezei gt Das Bild kann nicht angezei gt werd Das Bild kann nicht angez eigt werd Das Bild kann nicht angez eigt werd Das Bild kann nicht angez eigt werd Interferenzen und MIMO Generation 3. Generation 4. Generation Interferenz Vermei- Interferenz Unter- Interferenz Formung dung durch Abstandsfaktodrückung durch klassische MIMO Technik und Verhinderung durch verteilte MIMO- und Verbindungstechnik Ywerd Y YY 2505 Y Y Y Y Y Y 2505 Folie 22, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

23 Multiple Input Multiple Output (MIMO) Sender S1 S2 S3 OFDM Mehrere Antennen sender- und empfängerseitig: Diversity: Vermindert Fading durch Raum-Zeit-Kodierung und damit Verminderung der Bitfehlerrate. Keine Kanalinformation nötig. Beamforming: Verbessert die spektrale Effizienz aufgrund verbessertem Signal zu Interferenz und Rauschverhältnis (SINC). Räumliches Multiplexen: Erhöht die Datenrate und die Systemkapazität (bit/s/hz) durch räumliche Diversity. Kanalinformation nötig. LTE Rel. 8: MIMO 4 (DL) 2 (UL) E1 E2 E3 Empfäng ger Folie 23, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

24 Long Term Evolution (LTE) Aber: LTE kann die Anforderungen nach anywhere, anytime, any service, hoher Bandbreite (streaming, video), kleinen Latenzzeiten (für sicherheitsrelevante Anwendungen, Spiele) und geringen Kosten per bit (spektrale Effizienz) nach ITU-Forderungen noch nicht voll erfüllen. Deshalb: Weiterentwicklung zu LTE-Advanced und darüber hinaus. Erwartet: Noch mal Datenraten-Vergrößerungsfaktor 10 bis 2020, d.h. Datenraten bis zu 0,5 1 GBit/s über mobile Systeme. ITU Intenational Telecommunication Union Folie 24, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

25 Realisierung größerer Bandbreite in LTE-A Systembandbreite Bis zu 100 MHz Kombination 2 20 MHz = 40 MHz Frequen Frequenz z 100 MHz 40 MHz 20 MHz Rel.8 LTE Bild nach 3 GPP Bandbreite bis zu 100 MHz durch Zusammenfassen von Frequenzblöcken (Component Carrier, CC) und damit Vergrößerung der Datenrate Jeder der CC rückwärtskompatibel zu Rel. 8 LTE Die Trägerzusammenfassung unterstützt sowohl zusammenhängende als auch nicht zusammenhängende Frequenzblöcke sowie asymmetrische Bandbreiten. Führt zu einem flexiblen Spektrumseinsatz Folie 25, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

26 Komplexere MIMO-Systeme in LTE-A DL und UL Down-Link Maximal 8 Datenströme CSI-Rückkopplung MIMO-Technik höherer Komplexität Verbessertes MU-MIMO Up-Link Bild nach 3 GPP SU-MIMO mit Bis zu 4 Datentö strömen Maximal 4 Datenströme Ziel: Verbesserte Spektrumseffizienz CSI: Channel State Information MU-MIMO: Multiuser MIMO SU-MIMO: Single User MIMO Folie 26, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

27 Verbesserte Antennentechnik im DL und UL Downlink Erweiterung auf bis zur 8 Datenstrom-Übertragung g Zielsetzung: Vergrößerte Spektrumseffizienz, 30 bit/s/hz Einführung zusätzlicher Referenzsignale (RS) Channel State t Information RS (CSI-RS) UE-spezifisches Demodulations-RS (DM-RS) um Multiuser-Strahlformung einzusetzen Uplink Einführung eines Single-User (SU-MIMO) mit bis zu 4 Datenströmen t Zielsetzung: Vergrößerte Spektrumseffiziens, 15 bit/s/hz Einsatz von seriellen Interferenz-Auslöschern (SIC) im enodeb um den Datendurchsatz bei Beibehaltung von DFT-Spread OFDM zu vergrößern Folie 27, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

28 Koordinierte Multipunkt-Übertragung (CoMP) im DL Gemeinsame Übertragung, dynamische Zellenauswahl Koordinierte, dynamische Zellenauswahl CoMP-Übertragung Schemata im Downlink Gemeiname Datenprozessierung (JP): Gemeinsame Datenübertragung (JT): Gemeinsamer Downlink-Kanal (PDSCH) wird von mehreren, koordinierten Zellen mit einem vorkodierten Referenz-Signal (DM-RS) übertragen Koordinierte, dynamische Zellenauswahl: PDSCH wird von einer Zelle, die dynamisch ausgewählt wird, übertragen Koordinierte Strahlformung: PDSCH wird nur von einer Zelle übertragen, die Strahlformung wird unter den Zellen koordiniert CoMP: Coordinated Multipoint Transmission Folie 28, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

29 Koordinierte Multipunkt-Übertragung (CoMP) im UL CoMP braucht voll vernetzte t Basisstationen ti mit guter Zeitsynchronisation Bild nach 3 GPP Multipunkt-Empfang CoMP Empfangsschema im Uplink Der gemeinsame physikalische Uplink-Kanal (PUSCH) wird von mehreren Zellen empfangen Die Signalauswertung wird unter den Zellen koordiniert Dies führt zu einer Vergrößerung des Datendurchsatzes speziell an den Zellrändern Die Implementierung benötigt keine Änderung des Radio-Interfaces Folie 29, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

30 Netzwerktopologie von LTE-Advanced Technische LTE-Entwicklungen zur Erhöhung der Effizienz Gateway Network Server Remote Radio Head (RHH) Glasfaser Makrozelle mit neuartigen MIMO-Antennen Multi-Hop Adhoc Media Server Kern-Netzwerk Inhaus-Versorgung durch Femtozellen Inhaus Quelle: Alcatel-Lucent Femto Zelle Inhaus DSL-, Glasfaser- Leitung Basis Station Controller (BSC) Mikrozelle oder WLAN Zugangspunkt Macro Basis Station (Outdoor) Zugangs-Netzwerk Laptop Heterogenes Zugangs-Netzwerk Koordinierte Zusammenarbeit der Basisstationen Relais-Station Zellenvergrößerung ee egößeug durch Relaisstationen Folie 30, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

31 LTE-Advanced eine Mobilfunktechnik der 4G Technologische h Entwicklungen: Makrozellen (2-5 km) mit neuer Antennentechnik, MIMO (8 4), Remote Head, W Sendeleistung Mikrozellen (500 m 1km) zur Versorgung von Gebieten mit hohem Verkehrsaufkommen, 1-5 W Sendeleistung Picozellen (50 m) zur Versorgung von Gebieten mit höchstem Verkehrs- aufkommen, Sendeleistung 100 mw 1W Femtozellen zur Inhaus-Versorgung, Sendeleistung mw Relay-Stationen zur Versorgung von Zellenrandgebieten Ad-Hoc-Übertragung mit Mobiltelefon als Basisstation Eigenschaften: Bandbreiten kombinierbar bis 100 MHz Maximale Datenraten bis 1 Gbit/s im Downlink, 500 Mbit/s im Uplink Spektrale Effizienz Downlink 30 bit/s/hz Spektrale Effizienz Uplink 15 bit/s/hz Latenz 5 ms Erwartete Faktoren bei Datenratenzuwachs: Bandbreiteneffizienz: Faktor 3 bis 5, Antennen: Faktor 2-4, Piko-, Femtozellen, Relaisstationen: Faktor 2-3 Folie 31, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin

32 Kurzes Resümee Bereits das neue LTE System ist technisch komplex und wird für alle Details noch einige Zeit zum Aufbau brauchen. LTE Advanced ist nochmals anspruchsvoller und braucht sicher noch 10 Jahre zur Implementierung. Und: Dies alles wird nur möglich sein, wenn es vom Markt getrieben wird und die Kosten wieder eingespielt werden können. Folie 32, Vortrag BMWi-Workshop, , Berlin