LTE Netztopologien und Zukunftsentwicklungen - Ingo Wolff IMST-GmbH, Kamp-Lintfort
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LTE Netztopologien und Zukunftsentwicklungen Ingo Wolff IMST-GmbH, Kamp-Lintfort Folie 1 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
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
E
Erweiterung
i d
der B
Bandbreiten
db i
Verbesserte MIMO-Antennentechnik
Koordinierte Multipunkt
p Übertragung
g g
Relaiszellen und Ad-Hoc-Kommunikation
Die prognostizierten Eigenschaften von LTE-Advanced
Zusammenfassung
Folie 2 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Mobile Kommunikationstechniken
Mobilität
Zug
g
300 km/h LTE
Fahrzeug
Auto UMTS LTE-A HSPA+
150 km/h
F
Auto
50 km/h IEEE 802.16e
(Wimax mobil)
Fuß-
egt
GSM
GSM
gänger
Bewe
GPRS EDGE
GPRS
IEEE 802.16a,d
HSDPA (Wimax)
Nomade
Unbewegt
Stadt
Inhaus DECT
WLAN
Person Bluetooth
Datenrate
XDSL CATV,
XDSL, CATV Fiber
0,1 1 10 100 1000 Mbit/s
Bild nach WIK
Folie 3 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
LTE Release 8 – Anforderungen
Hohe spektrale Effizienz
• OFDM im Downlink
- Robustheit gegen über Multiweg-Interferenzen
- H h Affi
Hohe Affinität
ität zu ffortgeschrittenen
t h itt Techniken
T h ik
- 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
g der Nutzer im Frequenzbereich
q
- Multiantennen-Technik (MIMO)
• Sehr geringe Transferzeiten
- Kurze Aufbauzeiten und geringe Transferzeiten
- Kleine Hando
Handover-Verzögerungen
er Ver öger ngen und nd -Unterbrechungszeiten
Unterbrech ngs eiten
- Kurze Übertragungszeit-Intervalle (TTI)
- Optimiertes Radio Resource Control (RRC)
- Einfache RRC
RRC-Zustände
Zustände
• Unterstützung verschiedenen Frequenzbandbreiten:
1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz
Folie 4 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLong Term Evolution (LTE)
Technische Forderungen:
• Downlink Datenrate 100 Mbit/s bei Bandbreite 20 MHz
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: 300-400 ms, UMTS 170-200 ms, HSPA: 60-70 ms, DSL: 30 ms
Folie 5 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinVereinfachte Luftschnittstelle EUTRAN von LTE
Kernnetz Kernnetz
Iu Iu
RNC Iur RNC
S1 S1
Iub Iub
NodeB NodeB eNodeB X2 eNodeB
Basisstation Basisstation
nach BNA UTRAN E-UTRAN
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
EUTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
Folie 6 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin RNC: Radio Network ControlerTopologie des LTE-Mobilfunknetzes
IP Netz
IMS/Internet Rx+
SGi
PCRF
HSS S6 P-GW S5 S8 (Roaming) S7
MME S11 S-GW
EPC
S1C
S1U
S1U S1C
X2U
X2C eNodeB
eNodeB
Nach 3 GPP
eNodeB: LTE-Luftschnittstelle Signalisierung
MME: Mobile Management Entity
S-GW: Serving Gateway
Schnittstelle
P-GW: Packet Data Network Gateway Daten
PCRF: Policy and Charging Rules Function
HSS: Home Server Subscriber
EPC: Evolved Packet Core
Folie 7 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinKonvergenz in ein einheitliches, mobiles Netzwerk
2012: GSM
GSM- flächendeckend,
flächendeckend UMTS – Städte,
Städte Zentren,
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, 25.05.2011, BerlinAnbindung zwischen EPC und 2G/3G Netz
IP Netz
IMS/Internet Rx+
SGi
PCRF
HSS S6 P-GW S5 S8 (Roaming) S7
MME S11 S-GW
S3 S4
EPC
S1C SGSN
S1U
Iu
UTRAN
eUTRAN GERAN
nach 3 GPP
eNodeB: LTE-Luftschnittstelle
MME: Mobile Management Entity Signalisierung
S-GW: Serving Gateway Schnittstelle
P-GW:
SGSN:
Packet Data Network Gateway
Serving GPRS Support Node
Daten
PCRF
PCRF: P
Policy
li andd Ch
Charging
i R
Rules
l F Function
i
HSS: Home Server Subscriber
EPC: Evolved Packet Core
Folie 9 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLTE – Downlink Signale
OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (DL)
Unterträger, zur Erzielung kombinierbarer, größerer Bandbreite
5 MHz Bandbreite
Unterträger
Schutz-Intervall
Daten
Frequenz
Unterträgerabstand: 15 kHz
Kanalbandbreiten:
1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,
10 MHz, 20 MHz
Modulation: QPSK, 16 QAM
Zeit FFT: Fast Fourier Tranformation
64 QAM
QPSK: Quadrature Phase Shift Keying
Quelle: 3GPP TR 25.892 16 QAM: 16 Quadrature Amplitude Modulation
64 QAM: 64 Quadrature Amplitude Modulation
Folie 10 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinAbstandsregionen und verwendete Modulationsarten
16 QAM
LTE-Basisstation
64 QAM
Feld
Datenrate 16 QAM
QSPK
QAM: Quadrature Amplitude Modulation
QSPK: Quadrature Phase Shift Keying
Folie 11 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinZeitrahmen eines LTE FDD Signals
Typ 1 Radio Zeitrahmen (Frame) für LTE FDD
10 ms
1 ms
Unterrahmen 1 ms P-SCH
0 1 2 3 4 5 6
S-SCH
Zeitschlitz (Slot) 0,5 ms 12 aufeinander folgende Unterträger und
7 Symbole (Resource Elements) 7 aufeinander folgende Symbole ein (Slot)
1. Symbol: 71,875 μs also:
andere 6Symbole: 71,354 μs 12 ×15 kHz = 180 kHz im Frequenzbereich und
0,5 ms im Zeitbereich bilden einen
P-SCH: Primary Synchronisation Channel Resource Block (RB)
S-SCH: Secondary Synchronisation Channel Zahl der RB von 6 (Kanalbandbreite 1,4 MHz)
bis 100 (Kanalbandbreite 20 MHz)
Folie 12 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinFrequenz-Zeitskala eines LTE FDD Downlink Rahmens
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
45
40
35
30
25
Untterträger--Nummerr
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
20
-25
-30
-35
-40
40
-45
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Bild: R. Booher, RF Lectures Series Zeitschlitz-Nummer
Folie 13 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLTE-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, 25.05.2011, BerlinLTE FDD DL-Signal im Zeitbereich ohne Verkehr
LTE Downlink-Signal bestimmt durch Signalisierung
siehe nächstes Bild
Quelle: Bornkessel, IMST
Folie 15 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLTE FDD Signal im Zeitbereich ohne Verkehr
LTE Downlink-Signal bestimmt durch Signalisierung (Vergrößerung)
Pulsförmiger
Signalverlauf
g
RS: Reference-Signal
P-SS: Primary Synchronization Signal
S-SS: Secondary Synchronization Signal
PDCCH: Physical Downlink Control Channel
Quelle: Bornkessel, IMST
Folie 16 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLTE FDD Signal im Zeitbereich mit Verkehr
Nahezu zeitunab-
hängiger Zeitverlauf
bei hohem Verkehrs-
aufkommen
Quelle: Bornkessel, IMST
Folie 17 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinNetzwerkstruktur der mobilen Breitband-Netze
Arbeiten mit 1 Makrozelle Lösung: Mehrlagen Netzwerkansatz
Übertragungsverluste bis zum Zellrand Ziel: Basistationen nahe dem Nutzer um
und in die Häuser Energie zu sparen
Abfall der Felder (Datenrate) bis zum 3 G Femtozelle eine wesentliche Entwicklung
Zellenrand
aber noch einige Probleme
LTE Makro-, Mikro- Pico-, Femto-Stationen
werden wesentliche Entwicklungen der
nächsten Mobilfunkgeneration sein
Femtozellen
Abfall der Datenrate mit dem Abstand
Pikozellen
Benötigte Datenrate 20 Mbit/s D
D
a
s
B
il
Verfügbare Datenrate 1 Mbit/s
a
s
B
il
D
a
s
B
il
D
a
s
B
il
D
a
s
B
il
D
a
s
B
il
D
a
s
B
il
Mikrozellen
Das Bild
k ann nicht
angezeigt
werden.
Dieser
Computer
v erfügt
möglicherwe
ise über zu
wenig A rb
Makrozelle
Folie 18 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinInhaus-Feldstärke bei einer Frequenz von 790 MHz
Wand Wand Wand
130
dB(μV/m) Raum 1 Raum 2 Raum 3
120
Wanddämpfung:
110 jeweils 5 dB
Sendeleistung:
S d l i t
100
10 mW
90 Frequenz:
790 MH
MHz
80
70
60
50
0 3 6 9 m
Bild: Studie TV-Kabel-LTE, ANGA/IRT
Entfernung
Folie 19 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinEinbindung WLAN und Femtozellen
UMA basiertes
RAN Gateway
Mobiles Kern-
Kern-.
netzwerk
Breitband-
Zugang,
g g DSL,
Dual-Mode
Dual Mode Glasfaser
Handy,
WLAN, LTE
WLAN
Access Laptop, Handy
Punkt
UMTS/LTE
UMTS/LTE- H i
Heim
Basisstation Büro
UMTS/LTE
Standard
Handy 2G/3G/LTE
Gerät
Femto-Zelle
UMA: Unlicensed Mobile Access
Adapter
RAN: Radio Access Network
Folie 20 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinMobile Kommunikation in der Fläche und am Menschen
Lokales Netzwerk
WLAN IEEE 802.11a/b/g/h/j/n
Wi-Fi IEEE 802.11a/b/g
Femto-Zelle
DSL
LTE zum
UMTS/LTE Haus 802.11
Makro 800 MH
MHz Access Point
Computer
LTE Connected Car
UMTS/LTE
Computer
Mikro
Drucker
Stadt Netzwerk Telefon
Computer
LTE,, Makro,, Micro,, Pico,, 2600 MHz
WiMAX IEEE 802.16-2004 (Fixed) MP3-Player
Personal Area Network (WPAN) Drucker
Digital-Camera
Bl t th IEEE 802
Bluetooth 802.15.1.1a
15 1 1 M2M
Keyboard
ZigBee IEEE 802.15.4
UWB IEEE 802.15.3a PDA Telefon
Lizensierte Fequenzen bis 11 GHz, 60 GHz
Folie 21 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinInterferenzen und MIMO
1.+2. Generation 3. Generation 4. Generation
Interferenz Vermei-
Interferen V i IInterferenz
t f U
Unter- IInterferenz
f F
Formung
dung durch Abstands- drückung durch klas- und Verhinderung durch
faktor sische MIMO Technik verteilte MIMO- und
Y Y
Das
Bild
k ann
nicht
angezei
gt
werd… Verbindungstechnik Das
Bild
k ann
nicht
angez
eigt
werd
YY 2505 2505
2505
YY
YY YY
Das
Bild Das
k ann Bild
nicht k ann Das
angezei nicht Bild
gt angezei k ann
Das nicht
werd … gt Bild angez
werd…
k ann eigt
nicht werd
angez
2505
eigt
werd
Folie 22 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinMultiple Input – Multiple Output (MIMO)
S1 E1
ger
Empfäng
Senderr
S2 E2
E
S3 E3
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 verbes-
sertem Signal zu Interferenz und Rauschverhältnis (SINC).
Räumliches Multiplexen: Erhöht die Datenrate und die System-
kapazität (bit/s/Hz) durch räumliche Diversity. Kanalinformation nötig.
LTE Rel. 8: MIMO 4 (DL) × 2 (UL)
Folie 23 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLong Term Evolution (LTE)
Aber: LTE kann die Anforderungeng nach „anywhere,
y anytime,
y any
y
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-Vergrößerungs-
faktor 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, 25.05.2011, BerlinRealisierung größerer Bandbreite in LTE-A
Systembandbreite Kombination 2×20 MHz = 40 MHz
Bis zu 100 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.
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, 25.05.2011, BerlinKomplexere MIMO-Systeme in LTE-A DL und UL
CSI-Rück-
kopplung
Maximal
8 Datenströme
Down-Link
MIMO-Technik
höherer Kom- Verbessertes
plexität MU-MIMO
Maximal
Up-Link 4 Datenströme
SU-MIMO mit Ziel: Verbesserte
Bis zu 4 Daten-
Bild nach 3 GPP Spektrumseffizienz
strömen
tö
CSI: Channel State Information
MU-MIMO: Multiuser MIMO
SU-MIMO: Single User MIMO
Folie 26 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinVerbesserte Antennentechnik im DL und UL
Downlink
Erweiterungg auf bis zur 8 Datenstrom-Übertragung
g g
Zielsetzung: Vergrößerte Spektrumseffizienz, 30 bit/s/Hz
Einführung zusätzlicher Referenzsignale (RS)
Ch
Channell St
State
t IInformation
f ti RS (CSI
(CSI-RS)
RS)
UE-spezifisches Demodulations-RS (DM-RS)
um Multiuser-Strahlformung g einzusetzen
Uplink
Einführung
Ei füh eines
i Si
Single-User
l U (SU
(SU-MIMO)
MIMO) mit
it bis
bi zu 4 Datenströmen
D t tö
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, 25.05.2011, BerlinKoordinierte Multipunkt-Übertragung (CoMP) im DL
Gemeinsame Übertragung, Koordinierte, dynamische
dynamische Zellenauswahl Zellenauswahl
CoMP-Übertragung Schemata im Downlink
G
Gemeiname
i Datenprozessierung
D t i (JP):
(JP)
Gemeinsame Datenübertragung (JT): Gemeinsamer Downlink-Kanal
(PDSCH) wird von mehreren, koordinierten Zellen mit einem vorkodierten
Referenz-Signal
Referenz Signal (DM
(DM-RS)
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, 25.05.2011, BerlinKoordinierte Multipunkt-Übertragung (CoMP) im UL
CoMP
C MP b
braucht
ht voll
ll vernetzte
t t Basisstationen
B i t 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
d Zellrändern
Z ll ä d
Die Implementierung benötigt keine Änderung des Radio-Interfaces
Folie 29 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinNetzwerktopologie von LTE-Advanced
Technische LTE-Entwicklungen zur Erhöhung der Effizienz
Makrozelle
mit neuartigen
Remote Radio Head MIMO-Antennen
Network Server (RHH)
Multi-Hop
Gateway Adhoc
Glasfaser
Media Server
Kern-Netzwerk Basis Station Macro Basis Station
Controller (BSC) Koordinierte
(Outdoor)
Inhaus-Versorgung Zusammenarbeit
DSL-, Zugangs-Netzwerk
durch Femtozellen Glasfaser- der Basisstationen
Leitung
Relais-Station
Laptop
Mikrozelle
Femto Zelle oder WLAN Zellenvergrößerung
e e e g öße u g
Inhaus Z
Zugangspunkt
k
Heterogenes durch Relaisstationen
Zugangs-Netzwerk
Inhaus
Quelle: Alcatel-Lucent
Folie 30 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, BerlinLTE-Advanced – eine Mobilfunktechnik der 4G
Technologische
T h l i h Entwicklungen:
E t i kl
Makrozellen (2-5 km) mit neuer Antennentechnik, MIMO (8×4), Remote Head,
10-50 W Sendeleistung
Mikro ellen (500 m – 1 km) zurr Versorg
Mikrozellen Versorgung
ng von
on Gebieten mit hohem
Verkehrsaufkommen, 1-5 W Sendeleistung
Picozellen (50 m) zur Versorgung von Gebieten mit höchstem Verkehrs-
aufkommen Sendeleistung 100 mW – 1 W
aufkommen,
Femtozellen zur Inhaus-Versorgung, Sendeleistung 10-100 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,
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, 25.05.2011, BerlinKurzes 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
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, 25.05.2011, BerlinSie können auch lesen
