LTE Netztopologien und Zukunftsentwicklungen

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
Fahrzeug
F
Zug
g
LTE
300 km/h
Auto
LTE-A
UMTS
150 km/h
HSPA+
Auto
IEEE 802.16e
(Wimax mobil)
Unbewegt
Bewe
egt
50 km/h
Fußgänger
GSM
GSM
GPRS EDGE
GPRS
IEEE 802.16a,d
(Wimax)
HSDPA
Nomade
Stadt
Inhaus
Person
Bild nach WIK
DECT
WLAN
Bluetooth
0,1
Datenrate
XDSL CATV,
XDSL,
CATV Fiber
1
Folie 3 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
10
100
1000 Mbit/s
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, Berlin
Long 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, Berlin
Vereinfachte Luftschnittstelle EUTRAN von LTE
Kernnetz
Iu
RNC
Kernnetz
Iu
Iur
RNC
S1
Iub
Iub
NodeB
NodeB
Basisstation
nach BNA
UTRAN
Folie 6 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
eNodeB
S1
X2
eNodeB
Basisstation
E-UTRAN
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network
EUTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network
RNC:
Radio Network Controler
Topologie des LTE-Mobilfunknetzes
IP Netz
IMS/Internet
Rx+
PCRF
SGi
HSS
P-GW
S6
MME
S5 S8 (Roaming) S7
S-GW
S11
EPC
S1C
S1U
S1C
S1U
X2U
eNodeB
eNodeB
X2C
Nach 3 GPP
eNodeB:
MME:
S-GW:
P-GW:
PCRF:
HSS:
EPC:
LTE-Luftschnittstelle
Mobile Management Entity
Serving Gateway
Packet Data Network Gateway
Policy and Charging Rules Function
Home Server Subscriber
Evolved Packet Core
Folie 7 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Signalisierung
Daten
Schnittstelle
Konvergenz 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, Berlin
Anbindung zwischen EPC und 2G/3G Netz
IP Netz
IMS/Internet
Rx+
PCRF
SGi
HSS
S6
MME
P-GW
S5 S8 (Roaming)
S11
S-GW
S3
EPC
S1C
S1U
S7
S4
SGSN
Iu
eUTRAN
UTRAN
GERAN
nach 3 GPP
eNodeB:
MME:
S-GW:
P-GW:
SGSN:
PCRF
PCRF:
HSS:
EPC:
LTE-Luftschnittstelle
Mobile Management Entity
Serving Gateway
Packet Data Network Gateway
Serving GPRS Support Node
P
Policy
li and
d Ch
Charging
i
R
Rules
l F
Function
i
Home Server Subscriber
Evolved Packet Core
Folie 9 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Signalisierung
Daten
Schnittstelle
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 25.892
FFT:
Fast Fourier Tranformation
QPSK: Quadrature Phase Shift Keying
16 QAM: 16 Quadrature Amplitude Modulation
64 QAM: 64 Quadrature Amplitude Modulation
Folie 10 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Unterträgerabstand: 15 kHz
Kanalbandbreiten:
1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz,
10 MHz, 20 MHz
Modulation: QPSK, 16 QAM
64 QAM
Abstandsregionen 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, Berlin
Zeitrahmen eines LTE FDD Signals
Typ 1 Radio Zeitrahmen (Frame) für LTE FDD
10 ms
Unterrahmen 1 ms
1 ms
0 1 2 3 4 5 6
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
Folie 12 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
P-SCH
S-SCH
12 aufeinander folgende Unterträger und
7 aufeinander folgende Symbole ein (Slot)
also:
12 ×15 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)
Frequenz-Zeitskala eines LTE FDD Downlink Rahmens
PDCCH Physical Downlink Control Channel
P-SS Primary Synchronisation Signal
RS
S-SS Secondary Synchronisation Signal
PBCH Physical Broadcast CHannel
Reference Signal
PDSCH Physical Downlink Signal Channel
07
13
45
40
35
30
Untterträger--Nummerr
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
20
-25
-30
-35
-40
40
-45
00
01
02
Bild: R. Booher, RF Lectures Series
03
04
05
06
08
09
10
11
Zeitschlitz-Nummer
Folie 13 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
12
14
15
16
17
18
19
LTE-Signal im Frequenzbereich
Trägerbandbreite 5 MHz
Uplink Signal im Frequenzbereich
Quelle: LTE Technology Introduction, Rohde & Schwarz
Folie 14 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Downlink Signal im Frequenzbereich
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, 25.05.2011, Berlin
LTE 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, Berlin
LTE FDD Signal im Zeitbereich mit Verkehr
Nahezu zeitunabhängiger Zeitverlauf
bei hohem Verkehrsaufkommen
Quelle: Bornkessel, IMST
Folie 17 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
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
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
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, Berlin
Inhaus-Feldstärke bei einer Frequenz von 790 MHz
Wand
Wand
130
Raum 3
Raum 2
Raum 1
dB(μV/m)
120
Wand
Wanddämpfung:
jeweils 5 dB
110
100
Sendeleistung:
S
d l i t
10 mW
90
Frequenz:
790 MH
MHz
80
70
60
50
0
Bild: Studie TV-Kabel-LTE, ANGA/IRT
3
Entfernung
Folie 19 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
6
9
m
Einbindung WLAN und Femtozellen
UMA basiertes
RAN Gateway
Mobiles KernKern-.
netzwerk
BreitbandZugang,
g g DSL,
Glasfaser
Dual-Mode
Dual
Mode
Handy,
WLAN, LTE
WLAN
Access
Punkt
UMTS/LTE
UMTS/LTEBasisstation
Standard
Handy
Laptop, Handy
H i
Heim
Büro
UMTS/LTE
UMA: Unlicensed Mobile Access
RAN: Radio Access Network
Folie 20 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
2G/3G/LTE
Femto-Zelle
Gerät
Adapter
Mobile 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
UMTS/LTE
Makro 800 MH
MHz
LTE zum
Haus
802.11
Access Point
Computer
LTE Connected Car
UMTS/LTE
Computer
Mikro
Stadt Netzwerk
LTE,, Makro,, Micro,, Pico,, 2600 MHz
WiMAX IEEE 802.16-2004 (Fixed)
Personal Area Network (WPAN)
Bl t th IEEE 802
Bluetooth
802.15.1.1a
15 1 1
ZigBee
IEEE 802.15.4
UWB
IEEE 802.15.3a
Computer
MP3-Player
Digital-Camera
Drucker
M2M
Keyboard
Lizensierte Fequenzen bis 11 GHz, 60 GHz
Folie 21 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Drucker
Telefon
PDA
Telefon
Interferenzen und MIMO
1.+2. Generation
3. Generation
Interferenz VermeiInterferen
V
i
dung durch Abstandsfaktor
4. Generation
IInterferenz
t f
U
UnterIInterferenz
f
F
Formung
drückung durch klas- und Verhinderung durch
sische MIMO Technik verteilte MIMO- und
Verbindungstechnik
Y Y
Das
Bild
k ann
nicht
angezei
gt
werd…
Das
Bild
k ann
nicht
angez
eigt
werd
YY
2505
YY
Das
Bild
k ann
nicht
angezei
gt
werd …
Folie 22 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
2505
YY
YY
Das
Bild
k ann
nicht
angezei
gt
werd…
Das
Bild
k ann
nicht
angez
eigt
werd
2505
Das
Bild
k ann
nicht
angez
eigt
werd
2505
S1
E1
S2
E2
S3
OFDM
E
Empfäng
ger
Senderr
Multiple Input – Multiple Output (MIMO)
E3
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)
Folie 23 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Long Term Evolution (LTE)
Aber: LTE kann die Anforderungen
g 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-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, 25.05.2011, Berlin
Realisierung 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, Berlin
Komplexere MIMO-Systeme in LTE-A DL und UL
Maximal
8 Datenströme
Down-Link
MIMO-Technik
höherer Komplexität
Verbessertes
MU-MIMO
Maximal
4 Datenströme
Up-Link
Bild nach 3 GPP
CSI-Rückkopplung
SU-MIMO mit
Bis zu 4 Datenströmen
tö
CSI:
Channel State Information
MU-MIMO: Multiuser MIMO
SU-MIMO: Single User MIMO
Folie 26 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Ziel: Verbesserte
Spektrumseffizienz
Verbesserte Antennentechnik im DL und UL
Downlink
Erweiterung
g auf bis zur 8 Datenstrom-Übertragung
g g
Zielsetzung: Vergrößerte Spektrumseffizienz, 30 bit/s/Hz
Einführung zusätzlicher Referenzsignale (RS)
Ch
Channel
l 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, Berlin
Koordinierte Multipunkt-Übertragung (CoMP) im DL
Gemeinsame Übertragung,
dynamische Zellenauswahl
Koordinierte, dynamische
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, Berlin
Koordinierte 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, Berlin
Netzwerktopologie von LTE-Advanced
Technische LTE-Entwicklungen zur Erhöhung der Effizienz
Network Server
Remote Radio Head
(RHH)
Makrozelle
mit neuartigen
MIMO-Antennen
Multi-Hop
Adhoc
Gateway
Glasfaser
Media Server
Basis Station
Macro Basis Station
Controller (BSC)
Kern-Netzwerk
Inhaus-Versorgung
durch Femtozellen
(Outdoor)
DSL-,
GlasfaserLeitung
Femto Zelle
Inhaus
Mikrozelle
oder WLAN
Z
Zugangspunkt
k
Inhaus
Quelle: Alcatel-Lucent
Folie 30 , Vortrag BMWi-Workshop, 25.05.2011, Berlin
Zugangs-Netzwerk
Laptop
Heterogenes
Zugangs-Netzwerk
Koordinierte
Zusammenarbeit
der Basisstationen
Relais-Station
Zellenvergrößerung
e e e g öße u g
durch Relaisstationen
LTE-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 Verkehrsaufkommen 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, Berlin
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
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, Berlin