Difference between revisions of "Mobile Communications/Physical Layer for LTE"

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{{Header
 
|Untermenü=LTE – Long Term Evolution
 
|Untermenü=LTE – Long Term Evolution
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|Vorherige Seite=The Application of OFDMA and SC-FDMA in LTE
|Nächste Seite=LTE–Advanced – eine Weiterentwicklung von LTE
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|Nächste Seite=LTE-Advanced - a Further Development of LTE
 
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== Allgemeine Beschreibung (1) ==
+
== General Description==
 
<br>
 
<br>
Die physikalische Schicht (englisch: <i>Physical Layer</i>) ist die unterste Schicht im OSI&ndash;Schichtenmodell der <i>Internationalen Organisation für Normung</i> (ISO), die man auch als <b>Bitübertragungsschicht</b> bezeichnet. Sie beschreibt die physikalische Übertragung der Bitfolgen bei LTE und die Funktionsweise der verschiedenen Kanäle gemäß der 3GPP&ndash;Spezifikation. Alle Spezifikationen sind dabei sowohl für FDD als auch für TDD gültig.<br>
+
The&nbsp; "Physical Layer"&nbsp; is the lowest layer in the OSI layer model of the&nbsp; "International Organization for Standardization"&nbsp; $\rm (ISO)$, which is also called&nbsp; "Bit Transmission Layer".&nbsp; It describes the physical transmission of bit sequences in LTE and the operation of the various channels according to the 3GPP specification.&nbsp; All specifications are valid for Frequency Division Duplex&nbsp; $\rm (FDD)$&nbsp; as well as for Time Division Duplex&nbsp; $\rm (TDD)$.
  
[[File:P ID2284 LTE T 4 4 S1a v1.png|Protokollarchitektur bei LTE|class=fit]]<br>
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S1b_v1.png|right|frame|Protocol architecture for LTE|class=fit]]
 +
The diagram shows the layers of the LTE protocol architecture.&nbsp; The communication between the individual layers takes place via three different types of channels:
 +
*Logical channels,<br>
 +
*Transport channels,<br>
 +
*Physical channels. <br><br>
  
Die Grafik zeigt die drei Schichten der LTE&ndash;Protokollarchitektur. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten findet über drei verschiedene Arten von Kanälen statt:
+
This chapter deals with the communication between transmitter and receiver in the lowest&nbsp; (red highlighted)&nbsp; "Physical Layer".&nbsp; Basically it should be noted:
*Logische Kanäle,<br>
+
*Exactly like the Internet, LTE uses exclusively packet-based transmission, i.e. without specifically assigning resources to a single user.<br>
  
*Transportkanäle,<br>
+
*The design of the LTE physical layer is therefore characterized by the principle of dynamically allocated network resources.<br>
  
*Physikalische Kanäle.<br><br>
+
*The physical layer plays a key role in the efficient allocation and utilization of available system resources.
  
In diesem Kapitel geht es hauptsächlich um die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger in der  untersten,  in der Grafik rot hervorgehobenen <b>physikalischen Schicht</b>. Grundsätzlich ist anzumerken:
 
*Genau wie das Internet verwendet LTE ausschließlich eine paketbasierte Übertragung, ohne einem einzelnen Nutzer spezifisch Ressourcen zuzuweisen.<br>
 
  
*Das Design der LTE&ndash;Bitübertragungsschicht wird demzufolge durch das Prinzip der dynamisch zugewiesenen Netzressourcen geprägt.<br>
+
According to this graphic the physical layer communicates with
 +
*the block&nbsp; "Medium Access Control"&nbsp; $\rm (MAC)$&nbsp; and exchanges information about the users and the regulation (control) of the network via the transport channels,<br>
  
*Die Bitübertragungsschicht spielt eine Schlüsselrolle bei der effizienten Zuordnung und Ausnutzung der vorhandenen Systemressourcen.<br>
+
*the block&nbsp; "Radio Resource Control"&nbsp; $\rm (RRC)$,&nbsp; where control commands and measurements are continuously exchanged to adapt the transmission to the channel quality.<br><br>
  
== Allgemeine Beschreibung (2) ==
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S1.png|left|frame|Communication between the individual layers in the LTE downlink|class=fit]]
 
<br>
 
<br>
Entsprechend der [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Allgemeine_Beschreibung_.281.29 Grafik auf der letzten Seite] kommuniziert die physikalische Schicht mit
+
The complexity of the LTE transmission is to be indicated by the left diagram, which has been directly adopted by the&nbsp; "European Telecommunications Standards Institute"&nbsp; $\rm (ETSI)$.&nbsp; It shows the communication between the individual layers (channels) and applies exclusively to the downlink.<br>
*dem Block <i>Medium Access Control</i> (MAC) und tauscht dabei über sogenannte Transportkanäle Informationen über die Benutzer und die Regelung bzw. Kontrolle des Netzes aus,<br>
 
  
*dem Block <i>Radio Resource Control</i> (RRC), wobei hier laufend Kontrollbefehle und Messungen ausgetauscht werden, um die Übertragung an die Kanalqualität anzupassen.<br><br>
+
*In the following sections we will take a closer look at the physical layer and the physical channels.&nbsp; We distinguish between uplink and downlink, but we will limit ourselves to the essentials.  
  
Die Komplexität der LTE&ndash;Übertragung soll durch die folgende Grafik angedeutet werden, die direkt vom <i>European Telecommunications Standards Institute</i> (ETSI) übernommen wurde. Sie zeigt die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten (Kanälen) und gilt ausschließlich für den Downlink.<br>
+
*In reality, the individual channels take over a number of other functions, but their description would go beyond the scope of this tutorial.  
  
[[File:P ID2285 LTE T 4 4 S1b v1.png|Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten im LTE-Downlink|class=fit]]<br>
+
*If you are interested, you can find a detailed description in&nbsp; [HT09]<ref name= 'HT09'>Holma, H.; Toskala, A.:&nbsp; LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access.&nbsp;  Wiley & Sons, 2009.</ref>.
 
+
<br clear=all>
Auf den nächsten Seiten werden die physikalische Schicht und die physikalischen Kanäle etwas genauer betrachtet, wobei wir zwischen Uplink und Downlink unterscheiden, uns aber nur auf das Wesentliche beschränken. In Wirklichkeit übernehmen die einzelnen Kanäle noch eine Reihe weiterer Funktionen, deren Beschreibung aber den Umfang dieses Tutorials sprengen würde. Wer interessiert ist, findet eine detaillierte Beschreibung zum Beispiel in [HT09]<ref>Holma, H.; Toskala, A.: ''LTE for UMTS OFDMA and SC–FDMA Based Radio Access.'' Wiley & Sons, 2009.</ref>.
+
== Physical channels in uplink==
 
 
== Physikalische Kanäle im Uplink (1) ==
 
 
<br>
 
<br>
LTE verwendet im Uplink &ndash; Übertragung vom Endgerät zur Basisstation &ndash; das Vielfachzugriffsverfahren SC&ndash;FDMA. Dementsprechend existieren in der 3GPP&ndash;Spezifikation folgende physikalische Kanäle:
+
LTE uses the multiple access method&nbsp; [[Mobile_Communications/The_Application_of_OFDMA_and_SC-FDMA_in_LTE#Functionality_of_SC-FDMA|$\rm SC&ndash;FDMA$]]&nbsp; in the uplink transmission from the terminal device to the base station.&nbsp; Accordingly, the following physical channels exist in the 3GPP specification:
*<i>Physical Uplink Shared Channel</i> (PUSCH),<br>
+
*Physical Uplink Shared Channel&nbsp; $\rm (PUSCH)$,<br>
 
+
*Physical Random Access Channel&nbsp; $\rm (PRACH)$,<br>
*<i>Physical Random Access Channel</i> (PRACH),<br>
+
*Physical Uplink Control Channel&nbsp; $\rm (PUCCH)$.<br>
  
*<i>Physical Uplink Control Channel</i> (PUCCH).<br><br>
 
  
Die Nutzdaten werden im physikalischen Kanal PUSCH übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit hängt davon ab, wie viel Bandbreite dem jeweiligen Nutzer in diesem Moment zur Verfügung steht. Die Übertragung basiert auf dynamisch zugeordneten Ressourcen in Zeit&ndash; und Frequenzbereich mit einer Auflösung von einer Millisekunde bzw. 180 kHz. Diese Zuordnung wird durch den [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Scheduling_bei_LTE Scheduler] in der Basisstation (<i>eNodeB</i>) vorgenommen. Ohne Anweisung der Basisstation kann ein Endgerät keinerlei Daten übertragen.<br>
+
The user data are transmitted in the physical channel&nbsp; $\rm (PUSCH)$.&nbsp; The transmission speed depends on how much bandwidth is available to the user at that moment.&nbsp; The transmission is based on dynamically allocated resources in time and frequency range with a resolution of one millisecond or 180 kHz.&nbsp; This allocation is performed by the [[Mobile_Communications/Physical_Layer_for_LTE#Scheduling_for_LTE| $\text{Scheduler}$]]&nbsp; in the base station&nbsp; ("eNodeB").&nbsp;  A terminal device cannot transmit any data without instructions from the base station.<br>
  
Die Ausnahme bildet dabei die Verwendung des physikalischen Kanals PRACH, dem einzigen Kanal im LTE&ndash;Uplink mit nicht&ndash;synchronisierter Übertragung. Eine wesentliche Aufgabe dieses Kanals ist die Anforderung einer Erlaubnis, über einen der beiden anderen physikalischen Kanäle Daten versenden zu dürfen. Durch das Versenden eines <i>Cyclic Prefix</i> und einer Signatur auf dem PRACH werden Endgerät und Basisstation synchronisiert und sind damit bereit für weitere Übertragungen.<br>
+
The exception is the use of the physical channel&nbsp; $\rm PRACH$, the only channel in the LTE uplink with non&ndash;synchronized transmission.&nbsp; The function of this channel is the request for permission to send data via one of the other two physical channels.&nbsp; By sending a&nbsp; "Cyclic Prefix"&nbsp; and a signature on the PRACH, the terminal and base station are synchronized and are thus ready for further transmissions.<br>
  
Der dritte Uplink&ndash;Kanal PUCCH wird ausschließlich zur Übertragung von Kontrollsignalen verwendet. Darunter versteht man
+
The third uplink channel&nbsp; $\rm PUCCH$&nbsp; is used exclusively for the transmission of control signals. By this one understands
*positive und negative Empfangsbestätigungen (ACK/NACK),<br>
+
*positive and negative acknowledgements of reception&nbsp; $\rm  (ACK/NACK)$,<br>
 +
*requests for repeated transmission&nbsp; $($in case of&nbsp;  $\rm  NACK)$, and<br>
 +
*the exchange of channel quality information between the terminal and the base station.<br><br>
  
*Anfragen nach wiederholter Übertragung (im Falle eines NACK), sowie<br>
+
If, in addition to the control data, user data are sent from the terminal to the base station at the same time, such control signals can also be transmitted via the PUSCH.&nbsp; If no user data is to be transmitted, PUCCH is used instead.<br>
  
*den Austausch von Informationen über die Kanalqualität zwischen Endgerät und Basisstation.<br><br>
+
A simultaneous use of PUSCH and PUCCH is not possible due to restrictions of the transmission method&nbsp; "SC&ndash;FDMA".&nbsp; If only one&nbsp; "Shared Channel"&nbsp; had been selected for all control information, one would have had to choose between
 +
*intermittent problems with user data transmission, or<br>
 +
*permanently too few resources for the control information.<br><br>
  
Die Beschreibung der physikalischen Kanäle des LTE&ndash;Uplinks wird auf der nächsten Seite fortgesetzt.<br>
+
The information about the channel quality is obtained by means of so-called "reference symbols".&nbsp; As indicators for the channel quality this information is then sent to
 +
*&nbsp; "Channel Quality Indicator"&nbsp; $\rm (CQI)$, and<br>
  
== Physikalische Kanäle im Uplink (2) ==
+
*&nbsp; "Rank Indicator"&nbsp; $\rm (RI)$.<br><br>
<br>
 
Werden gleichzeitig Nutzdaten vom Endgerät zur Basisstation gesendet, so kann die Übertragung solcher Kontrollsignale ebenfalls über den <b>PUSCH</b> erfolgen. Sind keine Nutzdaten zu übertragen, wird dagegen <b>PUCCH</b> verwendet.<br>
 
  
Eine gleichzeitige Verwendung von <b>PUSCH</b> und <b>PUCCH</b> ist aufgrund von Einschränkungen durch das Einträger&ndash;Übertragungsschemas SC&ndash;FDMA nicht möglich. Hätte man für alle Kontrollinformationen nur einen <i>Shared Channel</i> gewählt, so hätte man sich entscheiden müssen zwischen
+
A detailed explanation of the quality guarantee can be found, for example, in&nbsp; [HR09]<ref name='HR09'>Homayounfar, K.; Rohani, B.:&nbsp; CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.&nbsp;
*zwischenzeitlichen Problemen bei der Nutzdatenübertragung, oder<br>
+
IEICE Technical Report, Vol. 108, No. 445, 2009.</ref>&nbsp; and&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>.<br>
  
*dauerhaft zu wenige Ressourcen für die Kontrollinformationen.<br><br>
 
  
Die Informationen über die Kanalqualität werden mit Hilfe sogenannter Referenzsymbolen gewonnen. Als Indikatoren für die Kanalqualität werden diese Informationen dann versendet
 
*zum <i>Channel Quality Indicator</i> (CQI), und<br>
 
  
*zum <i>Rank Indicator</i> (RI).<br><br>
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The reference symbols or channel quality information are distributed in the PUSCH according to the following graphic.  
  
Eine detaillierte Erklärung zur Qualitätsgewährleistung findet sich zum Beispiel in [HR09]<ref>Homayounfar, K.; Rohani, B.: ''CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.''
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S2.png|right|frame|Distribution of reference symbols and user data in PUSCH|class=fit]]
IEICE Technical Report, Vol. 108, No. 445, 2009.</ref>. und [HT09]<ref>Holma, H.; Toskala, A.: ''LTE for UMTS – OFDMA and SC–FDMA Based Radio Access.'' Wiley & Sons, 2009.</ref>.<br>
 
  
[[File:P ID2286 LTE T 4 4 S2 v2.png|Verteilung von Referenzsymbolen und Nutzdaten im PUSCH|class=fit]]<br>
+
The graphic describes the arrangement of the useful information and the signaling data in a "virtual subcarrier".
 +
*"Virtual" because SC&ndash;FDMA does not have subcarriers like OFDMA.
  
Die Referenzsymbole bzw. Kanalqualitätsinformationen sind im PUSCH entsprechend der obigen Grafik verteilt. Diese beschreibt die Anordnung der Nutzinformatiom und der Signalisierungsdaten in einem &bdquo;virtuellen&rdquo;  Unterträger.
+
*The reference symbols are necessary to estimate the channel quality.<br>
*Virtuell deshalb, weil es ja bei SC&ndash;FDMA keine Unterträger gibt wie bei OFDMA.<br>
 
  
*Die Referenzsymbole sind notwendig, um die Kanalqualität zu schätzen.<br>
+
*This information is also transferred as&nbsp; "Channel Quality Indicator"&nbsp; $\rm (CQI)$&nbsp; or as&nbsp; "Rank Indicator"&nbsp; $\rm (RI)$&nbsp; via the PUSCH.}}<br><br>
  
*Diese Informationen werden dann als <i>Channel Quality Indicator</i> (CQI) bzw. als <i>Rank Indicator</i> (RI) ebenfalls über den PUSCH übertragen.<br><br>
+
== Physical channels in downlink==
 
 
== Physikalische Kanäle im Downlink (1) ==
 
 
<br>
 
<br>
Im Gegensatz zum Uplink verwendet LTE im Downlink &ndash; also bei der Übertragung von der Basisstation zum Endgerät &ndash; das Vielfachzugriffsverfahren <b>OFDMA</b>. Entsprechend wurden vom 3GPP&ndash;Konsortium hierfür folgende physikalische Kanäle spezifiziert:
+
In contrast to the uplink, LTE uses the multiple access method&nbsp; [[Mobile_Communications/The_Application_of_OFDMA_and_SC-FDMA_in_LTE#Differences_between_OFDMA_and_SC-FDMA|$\rm OFDMA$]]&nbsp; in the downlink, i.e. during transmission from the base station to the terminal.&nbsp; Accordingly, the 3GPP consortium specified the following physical channels for this purpose:
*<i>Physical Downlink Shared Channel</i> (PDSCH),<br>
+
*Physical Downlink Shared Channel</i>&nbsp; $\rm (PDSCH)$,<br>
  
*<i>Physical Downlink Control Channel</i> (PDCCH),<br>
+
* Physical Downlink Control Channel</i>&nbsp; $\rm (PDCCH)$,<br>
  
*<i>Physical Control Format Indicator Channel</i> (PCFICH),<br>
+
* Physical Control Format Indicator Channel</i>&nbsp; $\rm (PCFICH)$,<br>
  
*<i>Physical Hybrid ARQ Indicator Channel</i> (PHICH),<br>
+
* Physical Hybrid ARQ Indicator Channel</i>&nbsp; $\rm (PHICH)$,<br>
  
*<i>Physical Broadcast Channel</i> (PBCH),<br>
+
* Physical Broadcast Channel</i>&nbsp; $\rm (PBCH)$,<br>
  
*<i>Physical Multicast Channel</i> (PMCH).<br><br>
+
* Physical Multicast Channel</i>&nbsp; $\rm (PMCH)$.<br><br>
  
Die Nutzdaten werden über den PDSCH übertragen. Die Ressourcenzuweisung geschieht sowohl im Zeitbereich (mit einer Auflösung von 1 ms) als auch im Frequenzbereich (Auflösung: 180 kHz). Aufgrund der Verwendung von OFDMA als Übertragungsverfahren hängt die individuelle Geschwindigkeit jedes Nutzers von der Anzahl der zugewiesenen Ressourcenblöcke (à 180 kHz) ab. Ein <i>eNodeB</i> vergibt die Ressourcen bezogen auf die Kanalqualität jedes einzelnen Nutzers.<br>
+
The user data are transmitted via the&nbsp; $\rm PDSCH$.&nbsp; The resource allocation is done both in the time domain&nbsp; (with a resolution of one millisecond)&nbsp; and in the frequency domain&nbsp; (resolution: &nbsp;180 kHz).&nbsp; Due to the use of OFDMA as transmission method, the individual speed of each user depends on the number of assigned resource blocks (à 180 kHz).&nbsp; A "eNodeB" allocates the resources related to the channel quality of each individual user.<br>
  
Im  PDCCH sind alle Informationen bezüglich der Zuweisung von Ressourcenblöcken bzw. Bandbreite sowohl für den Uplink als auch für den Downlink enthalten. Ein Endgerät erhält dadurch Informationen, wie viele Ressourcen zur Verfügung stehen.<br>
+
The&nbsp; $\rm PDCCH$&nbsp; contains all information regarding the allocation of resource blocks or bandwidth for both the uplink and the downlink.&nbsp; A terminal device thereby receives information about how many resources are available.<br>
  
{{Beispiel}}''':'''
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3.png|right|frame|Division between PDCCH and PDSCH <br>in the LTE downlink]]
[[File:P ID2287 LTE T 4 4 S3a v2.png|rahmenlos|rechts|Aufteilung zwischen PDCCH und PDSCH im LTE-Downlink]]
+
The diagram on the right shows an example of the division between the channels PDCCH and PDSCH:
 +
*The PDCCH can occupy up to four symbols per subframe&nbsp; (in the graphic:&nbsp; two).<br>
 +
*This leaves twelve time slots for the user data&nbsp; (i.e. for the channel PDSCH).
  
Die Grafik zeigt beispielhaft die Aufteilung zwischen den Kanälen PDCCH und PDSCH:
 
*Der PDCCH kann pro Subframe bis zu vier Symbole belegen (in der Grafik:  zwei).<br>
 
  
*Somit verbleiben für die Nutzdaten (also für den Kanal PDSCH) zwölf Zeitschlitze.<br><br><br><br><br><br><br><br>{{end}}<br>
+
Via channel&nbsp; $\rm PCFICH$&nbsp; the terminal device is informed how many symbols are to be assigned to the control information of the PDCCH.&nbsp; The purpose of this dynamic division between control and user data is as follows:
 +
*For example, many users can be supported in this way, each with a low data rate.&nbsp; This scenario requires more tuning, which means that in this case the PDCCH would have to contain three or four symbols.<br>
  
Die weiteren physikalischen Kanäle des LTE&ndash;Downlinks werden auf der nächsten Seite beschrieben.<br>
+
*On the other hand, the overhead caused by PDCCH can be reduced by assigning a high data rate to only a few concurrent users.
  
== Physikalische Kanäle im Downlink (2) ==
 
<br>
 
Die Beschreibung der physikalischen Kanäle des LTE&ndash;Downlinks wird fortgesetzt: Über den Kanal PCFICH wird dem Endgerät mitgeteilt, wie viele Symbole den Kontrollinformationen des <b>PDCCH</b> zuzuordnen sind. Sinn dieser dynamischen Aufteilung zwischen Kontroll&ndash; und Nutzdaten ist folgender:
 
*Einerseits können auf diese Weise viele Nutzer mit jeweils nur geringer Datenrate  unterstützt werden. Dieses Szenario benötigt eine größere Abstimmung, das heißt, in diesem Fall müsste der <b>PDCCH</b> drei oder vier Symbole umfassen.<br>
 
  
*Andererseits kann man den durch <b>PDCCH</b>  bedingten Overhead soweit reduzieren, dass bei wenigen gleichzeitigen Nutzern diesen eine hohe Datenrate gewährt werden kann.<br><br>
 
  
Über den PDCCH hinaus werden auch im Downlink Referenzsymbole benötigt, um die Kanalqualität zu schätzen und den <i>Channel Quality Indicator</i> (CQI) zu berechnen. Diese Referenzsymbole sind auf die Unterträger (verschiedene Frequenzen) bzw. Symbole (unterschiedliche Zeiten) verteilt, wie  die folgende Grafik zeigt.<br>
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3b.png|left|frame|Distribution of reference symbols in the LTE downlink|class=fit]]
 +
<br><br><br><br><br><br><br><br>
 +
In addition to the&nbsp; $\rm PDCCH$,&nbsp; reference symbols are also required in the downlink to estimate the channel quality and calculate the&nbsp; "Channel Quality Indicator"&nbsp; (CQI).&nbsp; These reference symbols are distributed over the subcarriers (different frequencies) or symbols (different times) as shown in the left graphic.
 +
<br clear=all>
 +
Regarding the other physical channels of the LTE downlink is to be noted:
 +
*The only purpose of the downlink channel&nbsp; $\rm PHICH$&nbsp; ("Physical Hybrid ARQ Indicator Channel")&nbsp; is to signal whether a packet sent in the uplink has arrived.<br>
  
[[File:P ID2288 LTE T 4 4 S3b v1.png|Verteilung der Referenzsymbole im Downlink|class=fit]]<br>
+
*On the broadcast channel&nbsp; $\rm PBCH$&nbsp; ("Physical Broadcast Channel")&nbsp; the base stations send system information with operating parameters as well as synchronization signals, which are required for registration in the network, to all mobile terminals in the radio cell approximately every 40 milliseconds.<br>
  
Zu den anderen physikalischen Kanäle des LTE&ndash;Downlinks ist anzumerken:
+
*The multicast channel&nbsp; $\rm PMCH$&nbsp; ("Physical Multicast Channel")&nbsp; has a similar purpose, information for so-called multicast transmissions is sent to several receivers simultaneously through this channel. This could be, for example, mobile television via LTE, which is planned for a future release, or something similar.<br>
*Die einzige Aufgabe des Downlink&ndash;Kanals PHICH (<i>Physical Hybrid ARQ Indicator Channel</i>) ist es zu signalisieren, ob ein im Uplink verschicktes Paket angekommen ist.<br>
 
  
*Über den Broadcast&ndash;Kanal PBCH (<i>Physical Broadcast Channel</i>) versenden die Basisstationen ungefähr alle 40 Millisekunden an alle mobilen Endgeräte in der Funkzelle Systeminformationen mit Betriebsparameter sowie Synchronisationssignale, die zur Anmeldung im Netz benötigt werden.<br>
+
== Processes on the physical layer==
 +
<br>
 +
By&nbsp; "Processes in the physical layer"&nbsp; one understands different methods and procedures, which are used in the bit transmission layer. Among them fall among other things:
 +
:*Timing Advance,<br>
 +
:*Paging,<br>
 +
:*Random Access,<br>
 +
:*Channel Feedback Reporting,<br>
 +
:*Power Control,<br>
 +
:*Hybrid Adaptive Repeat and Request.<br><br>
  
*Einen ähnlichen Zweck hat der Multicast&ndash;Kanal PMCH (<i>Physical Multicast Channel</i>), worüber Informationen für sogenannte Multicast&ndash;Übertragungen &ndash; zu mehreren Empfängern gleichzeitig &ndash; gesendet werden. Es kann sich zum Beispiel um das in einem zukünftigen Release geplanten mobilen Fernsehen via LTE oder um Ähnliches handeln.<br><br>
+
A complete list with the corresponding description can be found in&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>.&nbsp; Only the last two procedures will be discussed in more detail here.<br><br>
  
== Abläufe in der physikalischen Ebene (1) ==
+
== Power control with LTE==
 
<br>
 
<br>
Unter &bdquo;Abläufen in der physikalischen Ebene&rdquo; versteht man verschiedene Methoden und Verfahren, die in der Bitübertragungsschicht Anwendung finden. Darunter fallen unter anderem:
+
By&nbsp; "Power Control"&nbsp; one understands generally the control of the transmission power with the goal,
*<i>Timing Advance</i>,<br>
+
*to improve the transmission quality,<br>
 +
*to increase the network capacity, and<br>
 +
*to reduce the power consumption.<br><br>
  
*<i>Paging</i>,<br>
+
With regard to the last point, the standardization of LTE had to take this into account:
 +
*On the one hand, the power consumption in the end devices was to be minimized in order to guarantee longer battery runtimes for them.<br>
 +
*On the other hand, it should be avoided that the base stations have to provide too much power.<br><br>
  
*<i>Random Access</i>,<br>
+
With LTE,&nbsp; power control&nbsp; is only applied in the uplink, whereas it is more of an "slow" power control.&nbsp; This means that the procedure specified in LTE does not have to react as quickly as for example in UMTS ("W&ndash;CDMA"&nbsp;).&nbsp; The reason is that by using the orthogonal carrier system "SC&ndash;FMDA" the so-called&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Nachrichtentechnische_Aspekte_von_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt| $\text{Near&ndash;Far problem}$]] does not exist.
  
*<i>Channel Feedback Reporting</i>,<br>
+
*To be precise, for LTE the power control does not control the absolute power, but the  power-spectral density, i.e. the power per bandwidth.<br>
  
*<i>Power Control</i>,<br>
+
*Instead of trying to smooth power peaks by temporarily reducing the transmission power, power peaks can also be used to increase the data rate for a short time.<br><br>
  
*<i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i>.<br><br>
+
All in all,&nbsp; LTE power control is intended to find the optimum balance between the lowest possible power and at the same time interference that is still acceptable for the transmission quality (QoS).&nbsp; This is specifically achieved by estimating the loss during transmission and by calculating a correction factor according to the current site characteristics.&nbsp; The statements made here are largely taken from&nbsp; [DFJ08]<ref name ='DFJ08'>Dahlman, E., Furuskär A., Jading Y., Lindström M., Parkvall, S.:&nbsp; Key Features of the LTE Radio Interface.&nbsp; Ericsson Review No. 2, 2008.</ref>.
  
Eine komplette Auflistung mit zugehöriger Beschreibung findet sich zum Beispiel in [HT09]<ref>Holma, H.; Toskala, A.: ''LTE for UMTS – OFDMA and SC–FDMA Based Radio Access.'' Wiley & Sons, 2009.</ref>. Hier soll nur auf die beiden letztgenannten Verfahren genauer eingegangen werden.<br><br>
 
  
<span style="font-weight: bold;">Leistungsregelung</span> (englisch: <i>Power Control</i>)<br>
+
== Hybrid Adaptive Repeat and Request ==
 
+
<br>
Unter <i>Power Control</i> versteht man im Allgemeinen die Regelung der Übertragungsleistung mit dem Ziel,
+
Every communication system needs a scheme for retransmission of lost data due to transmission errors to ensure sufficient transmission quality.&nbsp; In LTE&nbsp; "Hybrid Adaptive Repeat and Request"&nbsp; $\rm (HARQ)$&nbsp; was specified for this purpose.&nbsp; This procedure is also used in&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Further_Developments_of_UMTS#HARQ_procedure_and_.22Node_B_Scheduling.22| $\text{UMTS}$]]&nbsp; in a similar form.<br>
*die Übertragungsqualität zu verbessern,<br>
 
 
 
*die Netzkapazität zu vergrößern, und<br>
 
 
 
*den Stromverbrauch zu verringern.<br><br>
 
  
Hinsichtlich des letzten Punktes war bei der Standardisierung von LTE zu berücksichtigen:
+
The procedure based on the&nbsp; "stop&ndash;and&ndash;wait"&nbsp; technique is as follows:
*Einerseits sollte der Stromverbrauch in den Endgeräten minimiert werden, um für diese längere Batterielaufzeiten zu gewährleisten.<br>
+
*After a terminal device has received a packet from the base station, it is decoded and feedback is sent via the&nbsp; [[Mobile_Communications/Physical_Layer_for_LTE#Physical channels in uplink| $\rm PUCCH$]].<br>
 +
*In case of a failed transmission&nbsp; ("NACK")&nbsp; the packet is resent.&nbsp; Only if the transmission was successful&nbsp; (Feedback: &nbsp;"ACK"), the next packet is sent.<br><br>
  
*Andererseits sollte verhindert werden, dass die Basisstationen eine zu große Leistungsspanne bereithalten müssen.<br><br>
+
In order to ensure continuous data transfer despite the&nbsp; "stop&ndash;and&ndash;wait"&nbsp; procedure,&nbsp; LTE requires several simultaneous HARQ processes.&nbsp; In LTE, eight parallel processes are used both in the uplink and in the downlink.<br>
  
Bei LTE wird <i>Power Control</i> nur im Uplink angewandt, wobei es sich eher um eine &bdquo;langsame&rdquo; Leistungsregelung handelt. Damit ist gemeint, dass das in LTE spezifizierte Verfahren nicht so schnell reagieren muss wie beispielsweise bei UMTS (<i>W&ndash;CDMA</i>). Der Grund ist, dass durch Verwendung des orthogonalen Trägersystems <i>SC&ndash;FMDA</i> das sogenannte [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Nachrichtentechnische_Aspekte_von_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt Near&ndash;Far&ndash;Problem] nicht existiert.
+
{{GraueBox|TEXT=  
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; The graphic illustrates how it works with eight simultaneous HARQ processes:
  
*Genau genommen wird bei LTE durch <i>Power Control</i> nicht die absolute Leistung kontrolliert, sondern die spektrale Leistungsdichte, also die Leistung pro Bandbreite.<br>
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S4a.png|right|frame|HARQ in LTE with eight simultaneous processes|class=fit]]
 +
*In this example, the first process fails in the first attempt to transfer packet&nbsp; '''1'''.
 +
*The receiver tells this "Fail" to the transmitter by a "NACK".&nbsp; In contrast, the second parallel process is successful with its first packet: &nbsp; "Pass".<br>
 +
*In the next step&nbsp; (i.e. after the other seven HARQ processes have sent)&nbsp; the first HARQ retransmits its last sent packet due to the acknowledgement "NACK". <br>
  
*Anstatt zu versuchen, Leistungsspitzen durch zeitweiliges Reduzieren der Übertragungsleistung zu glätten, können Leistungsspitzen auch zur kurzzeitigen Erhöhung der Datenrate ausgenutzt werden.<br><br>
+
*The second process sends a new packet due to the acknowledgement "ACK" now.<br><br>
  
Insgesamt soll durch die LTE&ndash;Leistungsregelung die optimale Balance gefunden werden zwischen einer möglichst geringen Leistung und gleichzeitig einer für die Übertragungsqualität (QoS) noch akzeptablen Interferenz. Dies wird konkret erreicht durch Abschätzen des Verlustes bei der Übertragung sowie durch die Berechnung eines Korrekturfaktors entsprechend den momentanen Standorteigenschaften. Die hier gemachten Aussagen stammen großteils aus [DFJ08]<ref>Dahlman, E., Furuskär A., Jading Y., Lindström M., Parkvall, S.: ''Key Features of the LTE Radio Interface.'' Ericsson Review No. 2, 2008.</ref>
+
The other processes, which were ignored in this example, proceed in the same way.}}<br>
  
== Abläufe in der physikalischen Ebene (2) ==
+
== Modulation for LTE ==
 
<br>
 
<br>
<span style="font-weight: bold;">Hybrid Adaptive Repeat and Request</span><br>
+
LTE uses the modulation method&nbsp; [[Modulation_Methods/Quadrature_Amplitude_Modulation#General_description_and_signal_space_allocation|$\text{Quadrature Amplitude Modulation}$]]&nbsp; $\rm (QAM)$.&nbsp; Different variants are available in the uplink as well as in the downlink, namely
  
Jedes Kommunikationssystem benötigt zur Sicherstellung einer ausreichenden Übertragungsqualität ein Schema zur erneuten Übertragung verloren gegangener Daten aufgrund auftretender Übertragungsfehler. In LTE wurde hierfür <i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i> (HARQ) spezifiziert. Dieses Verfahren wird auch bei [http://en.lntwww.de/Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Weiterentwicklungen_von_UMTS#HARQ.E2.80.93Verfahren_und_Node_B_Scheduling UMTS] in ähnlicher Form eingesetzt.<br>
+
[[File:P ID2290 LTE T 4 4 S5a v2.png|right|frame|Possible QAM signal space constellations in LTE|class=fit]]
  
Der auf der <i>Stop&ndash;and&ndash;wait</i>&ndash;Technik basierende Ablauf ist Folgender:
+
*4&ndash;QAM&nbsp; (identical to QPSK) &nbsp; &#8658; &nbsp; two bits per symbol,<br>
*Nachdem ein Endgerät ein Paket von der Basisstation erhalten hat, wird es decodiert und es wird ein Feedback über den [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Physikalische_Kan.C3.A4le_im_Uplink_.281.29 PUCCH] gesendet.<br>
+
*16&ndash;QAM &nbsp; &#8658; &nbsp; four bits per symbol,<br>
 +
*64&ndash;QAM &nbsp; &#8658; &nbsp; six bits per symbol.<br>
  
*Im Falle einer fehlgeschlagenen Übertragung (&bdquo;NACK&rdquo;) wird das Paket erneut gesendet. Erst wenn die Übertragung erfolgreich war (Feedback: &bdquo;ACK&rdquo;), wird das  nächste Paket  verschickt.<br><br>
 
  
Um trotz der Stop&ndash;and&ndash;wait&ndash;Prozedur eine kontinuierliche Datenübertragung zu gewährleisten, benötigt LTE mehrere gleichzeitige HARQ&ndash;Prozesse. In LTE werden sowohl im Uplink als auch im Downlink jeweils acht parallele Prozesse verwendet.<br>
 
  
{{Beispiel}}''':''' Die Grafik verdeutlicht die Funktionsweise bei acht gleichzeitigen HARQ&ndash;Prozessen. Der erste Prozess scheitert in diesem Beispiel im ersten Versuch bei der Übertragung von Paket 1. Der Empfänger teilt dieses &bdquo;Fail&rdquo; dem Sender durch ein &bdquo;NACK&rdquo; mit. Dagegen ist der zweite parallel ablaufende  Prozess mit seinem ersten Paket erfolgreich: &bdquo;Pass&rdquo;.<br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; QAM is not an LTE specific development, but is also used in many already established wired transmission methods, such as those of&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL|$\rm DSL$]]&nbsp; ("Digital Subscriber Line").
  
[[File:P ID2289 LTE T 4 4 S4a v4.png|HARQ in LTE mit acht gleichzeitigen Prozessen|class=fit]]<br>
+
[[File:P ID2291 LTE T 4 4 S5b v1.png|left|frame|Modulation method depends on distance from base station]]
 +
<br><br><br><br><br><br>
 +
The signal space constellations of these variants are shown in the left graphic.&nbsp; Depending on the environment and distance to the base station, the&nbsp; [[Mobile_Communications/Physical_Layer_for_LTE#Scheduling_for_LTE|$\text{Scheduler}$]]&nbsp; selects the appropriate QAM method:
  
*Im nächsten Schritt (also nachdem die anderen sieben  HARQ&ndash;Prozesse gesendet haben) sendet der erste HARQ aufgrund der Quittierung &bdquo;NACK&rdquo; sein zuletzt verschicktes Paket nochmals.<br>
+
*64&ndash;QAM allows the best data rates, but is also the most susceptible to interference and is therefore only used near the base stations.&nbsp; The weaker the connection, the simpler the modulation method must be, which also reduces the spectral efficiency (in bit/s per Hertz).<br>
 +
*Very robust is 4&ndash;QAM with only two bits per symbol&nbsp; (one each for real and imaginary part).&nbsp; This can be used for much larger distances than for example 16&ndash;QAM.&nbsp;
 +
*Due to the exact same signal space constellation the 4&ndash;QAM is often called&nbsp; "Quaternary Phase Shift Keying"&nbsp; $\rm (QPSK)$.&nbsp; The four signal space points are arranged in a square pattern (QAM principle).&nbsp; But they also lie on a circle (characteristic of "PSK").
 +
<br clear=all>
 +
[[File:EN_LTE_T_4_4_S5c_neu.png|right|frame|Throughput depending on SNR|class=fit]]
  
*Der zweite Prozess sendet hingegen aufgrund der Quittierung &bdquo;ACK&rdquo; nun ein neues Paket.<br><br>
+
The graphic on the right from&nbsp; [MG08]<ref name='MG08'>Myung, H.; Goodman, D.:&nbsp; Single Carrier FDMA - A New Air Interface for Long Term Evolution.&nbsp; West Sussex: John Wiley & Sons, 2008.</ref> gives the following facts:
 +
*With 4&ndash;QAM or QPSK (two bit/symbol) a throughput of almost one Mbit/s is achieved in the LTE uplink with the assumptions made in&nbsp; [MG08].
  
Ebenso verfahren die anderen Prozesse, die in diesem Beispiel außer Acht gelassen wurden.{{end}}<br>
+
*Only above a certain "Signal&ndash;to&ndash;Noise Ratio"&nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; a higher level QAM is used, for example 16&ndash;QAM&nbsp; (4&nbsp; bit/symbol)&nbsp; or 64&ndash;QAM&nbsp; (8 bit/symbol).<br>
  
== Modulation bei LTE (1) ==
+
*If the SNR is sufficiently large, increasing the number of stages will lead to better results regarding the data throughput.
<br>
 
LTE verwendet das Modulationsverfahren [http://en.lntwww.de/Modulationsverfahren/Quadratur%E2%80%93Amplitudenmodulation#Allgemeine_Beschreibung_und_Signalraumzuordnung_.281.29 Quadratur&ndash;Amplitudenmodulation] (englisch: <i>Quadrature Amplitude Modulation</i>, QAM). Dabei stehen sowohl im Uplink als auch im Downlink verschiedene Varianten zur Verfügung, nämlich
 
*4&ndash;QAM (identisch mit QPSK) &nbsp;&#8658;&nbsp; 2 bit pro Symbol,<br>
 
  
*16&ndash;QAM  &nbsp;&#8658;&nbsp; 4 bit pro Symbol,<br>
 
  
*64&ndash;QAM &nbsp;&#8658;&nbsp; 6 bit pro Symbol.<br><br>
+
It should be noted that the low-rate QPSK (4&ndash;QAM) is always used in the control channels, since,
 +
#on the one hand, this information do not require high data rates due to their small size, and,
 +
#on the other hand, should be received (almost) error-free due to their importance.<br>
  
Die folgende Grafik zeigt die Signalraumkonstellationen dieser Varianten.<br>
 
  
[[File:P ID2290 LTE T 4 4 S5a v2.png|Mögliche QAM-Signalraumkonstellationen in LTE|class=fit]]<br>
+
An exception is the channel&nbsp; [[Mobile_Communications/Physical Layer for LTE#Physical channels in uplink| $\rm PUSCH$]]&nbsp; in the uplink, which transmits both user and control data.&nbsp; For this reason, the same modulation type is used here for both signals.
 +
<br clear=all>
  
Je nach Umgebungsbeschaffenheit bzw. je nach Entfernung zur Basisstation wählt der Scheduler das passende Modulationsverfahren (siehe nachfolgende Grafik):
+
== Scheduling for LTE ==
[[File:P ID2291 LTE T 4 4 S5b v1.png|rahmenlos|rechts|Modulationsverfahren, abhängig vom Abstand von der Basisstation]]
+
<br>
*64&ndash;QAM ermöglicht die besten Datenraten, ist aber auch am anfälligsten gegenüber Übertragungsstörungen und wird daher nur in der Nähe der Basisstationen verwendet.<br>
+
[[File:LTE_T_4_4_S6_v2.png|right|frame|Functionality of the scheduler in the LTE uplink|class=fit]]
 
+
All LTE base stations contain a scheduler that can be switched between
*Je schwächer die Verbindung ist, desto einfacher muss das Modulationsverfahren sein, desto geringer wird aber auch die spektrale Effizienz (in bit/s pro Hertz).<br>
+
*a total transfer rate as high as possible<br>
 
+
*with sufficiently good Quality of Service&nbsp; $\rm (QoS)$.<br><br>
*Sehr robust ist 4&ndash;QAM. Dieses Modulationsverfahren mit nur 2 bit pro Symbol (je eines für Real&ndash; und Imaginärteil) kann man auch noch für deutlich größere Entfernungen anwenden als beispielsweise 16&ndash;QAM.<br>
 
  
*Aufgrund der genau gleichen Signalraumkonstellation  bezeichnet man die 4&ndash;QAM häufig auch als <i>Quaternary Phase Shift Keying</i> (QPSK). Die vier Signalraumpunkte sind zum einen quadratisch angeordnet (QAM&ndash;Prinzip). Sie liegen aber auch auf einem Kreis (Kennzeichen der PSK).<br><br>
+
A possible QoS criterion is for example the&nbsp; "packet delay duration".&nbsp; So the scheduler tries to optimize the overall situation by using algorithms.<br>
  
<b>Hinweis:</b> Die Quadratur&ndash;Amplitudenmodulation ist keine LTE&ndash;spezifische Entwicklung, sondern wird auch bei vielen bereits etablierten kabelgebundenen Übertragungsverfahren verwendet, wie zum Beispiel Digital Subscriber Line (DSL).
+
Scheduling is necessary to ensure a fair distribution of resources.&nbsp; A concrete example is that a user who currently has a poor channel and therefore low efficiency must still be allocated sufficient resources, otherwise the desired (and guaranteed) transmission quality cannot be maintained.<br>
  
== Modulation bei LTE (2) ==
+
The scheduler controls the selection of the modulation method and the subcarrier&ndash;mapping.&nbsp; The functionality of the scheduler is illustrated by the graphic for the uplink.&nbsp; Similar statements apply to the downlink.<br>
<br>
 
Die Grafik  aus [MG08]<ref>Myung, H.; Goodman, D.: ''Single Carrier FDMA – A New Air Interface for Long Term Evolution.''. West Sussex: John Wiley & Sons, 2008.</ref>. gibt folgenden Sachverhalt wieder:
 
*Mit 4&ndash;QAM bzw. QPSK (zwei bit/Symbol) erreicht man im LTE&ndash;Uplink bei den in [MG08] getroffenen Annahmen einen Durchsatz  (englisch: <i>Throughput</i>) von knapp einem Mbit/s.<br>
 
  
*Erst ab einer gewissen Signalstärke (englisch: <i>Signal&ndash;to&ndash;Noise Ratio</i>, SNR) verwendet man eine höherstufige QAM, zum Beispiel 16&ndash;QAM (4 bit/Symbol) oder 64&ndash;QAM (8 bit/Symbol).<br>
 
  
*Ist das SNR hinreichend groß, so werden mit zunehmender Stufenzahl um so bessere Ergebnisse hinsichtlich des Datendurchsatzes erzielt.
+
{{BlueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; Based on&nbsp; [SABM06]<ref name ='SABM06'>Schmidt, M.; Ahn, N.; Braun, V.; Mayer, H.P.:&nbsp; Performance of QoS and Channel-aware Packet Scheduling for LTE Downlink.&nbsp;  Alcatel-Lucent, 2006. </ref>,&nbsp; [WGM07]<ref name ='WGM07'>Wang, X.; Giannakis, G.B.; Marques, A.G.:&nbsp; A Unified Approach to QoS - Guaranteed Scheduling or Channel-Adaptive Wireless Networks.&nbsp; <br>Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 12, Dec. 2007.</ref>&nbsp; and&nbsp; [MG08]<ref name ='MG08'></ref>&nbsp; should be noted in summary:
 +
*Scheduler algorithms are often very complicated due to the many optimization criteria, parameters and possible scenarios.&nbsp;  Therefore, the design is usually based on an optimal system in which each base station knows the channel transmission functions sufficiently well at all times and transmission delays are unproblematic.<br>
  
:[[File:P ID2292 LTE T 4 4 S5c v2.png|Durchsatz in Abhängigkeit des SNR|class=fit]]<br>
+
*From these boundary conditions, different approaches are created with the help of mathematical analyzes&nbsp; [WGM07]<ref name ='WGM07'></ref>, whose effectiveness can only be verified by practical tests.&nbsp; A detailed description of such tests can be found in&nbsp; [MG08]<ref name ='MG08'></ref>.<br>
  
Anzumerken ist, dass in den Kontrollkanälen stets die niederratige QPSK (4&ndash;QAM) verwendet wird, da diese Informationen
+
*In principle, the overall transmission rate can be increased by channel-dependent scheduling (exploiting frequency selectivity), but this involves a large overhead, since test signals must be sent over the entire bandwidth.&nbsp; The information has to be distributed to all end devices if the full optimization potential is to be exploited.<br>
*einerseits auf Grund ihrer geringen Größe keine hohen Datenraten benötigen, und<br>
 
  
*andererseits auf Grund ihrer Wichtigkeit (nahezu) fehlerfrei empfangen werden sollten.<br><br>
+
*In various tests, the clear and significant advantages&nbsp; (doubling of throughput)&nbsp; of channel based scheduling were shown, but also the expected losses with faster moving users.&nbsp; More about this in the recommended document&nbsp; [SABM06]<ref name ='SABM06'></ref>.}}<br>
  
Eine Ausnahme bildet der Kanal [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Physikalische_Kan.C3.A4le_im_Uplink_.282.29 PUSCH] im Uplink, der sowohl Nutz&ndash; als auch Kontrolldaten überträgt. Aus diesem Grund wird hier für beide Signale die gleiche Modulationsart verwendet.<br>
+
Due to many advantages, scheduling is an integral part of the LTE Release 8, specified by 3GPP.<br>
  
== Scheduling bei LTE ==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
Alle LTE&ndash;Basisstationen enthalten einen Scheduler, der zwischen
+
[[Aufgaben:Exercise 4.4: Modulation in LTE]]
*einer möglichst großen Gesamtübertragungsrate<br>
 
  
*bei gleichzeitig ausreichend guter Übertragungsqualität (englisch: <i>Quality of Service</i>, QoS)<br><br>
+
[[Aufgaben:Exercise 4.4Z: Physical Channels in LTE]]
  
abwägt. Ein QoS&ndash;Kriterium ist zum Beispiel die <i>Paketverzögerungsdauer</i>. Der Scheduler versucht also, mit Hilfe von Algorithmen die Gesamtsituation zu optimieren.<br>
 
 
Scheduling ist notwendig, um eine faire Ressourcenverteilung zu gewährleisten. Ein konkretes Beispiel ist, dass einem Nutzer, der momentan zwar einen schlechten Kanal und damit eine geringe Effizienz besitzt, trotzdem ausreichend viele Ressourcen zugeordnet werden müssen, da sonst die angestrebte (und ihm garantierte) Übertragungsqualität nicht eingehalten werden kann.<br>
 
 
Der Scheduler kontrolliert dazu einerseits die Auswahl des Modulationsverfahrens und andererseits das Subcarrier&ndash;Mapping. Die Funktionsweise des Schedulers wird anhand der folgenden Grafik für den Uplink verdeutlicht. Für den Downlink gelten ähnliche Aussagen.<br>
 
 
[[File:P ID2293 LTE T 4 4 S6 v1.png|Funktionsweise des Schedulers im LTE-Uplink|class=fit]]<br>
 
 
Basierend auf [SABM06]<ref>Schmidt, M.; Ahn, N.; Braun, V.; Mayer, H.P.: ''Performance of QoS and Channel-aware Packet Scheduling for LTE Downlink.''  [http://www.ikr.uni-stuttgart.de/Content/itg/fg524/Meetings/2009-02-09-Aachen/05_ITG524_Aachen_Schmidt.pdf, Alcatel-Lucent, 2006. PDF-Dokument in Internet].</ref>, [WGM07]<ref>Wang, X.; Giannakis, G.B.; Marques, A.G.: ''A Unified Approach to QoS – Guaranteed Scheduling or Channel-Adaptive Wireless Networks.'' Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 12, Dec. 2007.</ref> und [MG08]<ref>Myung, H.; Goodman, D.: ''Single Carrier FDMA – A New Air Interface for Long Term Evolution..'' West Sussex: John Wiley & Sons, 2008.</ref> ist zusammenfassend zu vermerken:
 
*Scheduler&ndash;Algorithmen sind aufgrund der vielen Optimierungskriterien, Parameter und möglichen Szenarien oft sehr kompliziert. Beim Entwurf geht man daher meist von einem optimalen System aus, bei dem jede Basisstation die Kanalübertragungsfunktionen zu jeder Zeit ausreichend genau kennt und die Übertragungsverzögerung kein Problem darstellt.<br>
 
 
*Aus diesen Randbedingungen werden mit Hilfe von mathematischer Analyse verschiedene Ansätze erstellt [WGM07]<ref>Wang, X.; Giannakis, G.B.; Marques, A.G.: ''A Unified Approach to QoS – Guaranteed Scheduling or Channel-Adaptive Wireless Networks.'' Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 12, Dec. 2007.</ref>, deren Effektivität allerdings nur über praktische Tests überprüft werden kann. Eine ausführliche Beschreibung solcher Tests findet sich beispielsweise in [MG08]<ref>Myung, H.; Goodman, D.: ''Single Carrier FDMA – A New Air Interface for Long Term Evolution..'' West Sussex: John Wiley & Sons, 2008.</ref>.<br>
 
 
*Prinzipiell kann die Gesamtübertragungsrate durch kanalabhängiges Scheduling (Ausnutzen von Frequenzselektivität) erhöht werden, allerdings verbunden mit großem Overhead, da Testsignale über die komplette Bandbreite gesendet werden müssen. Die Informationen sind an alle Endgeräte zu verteilen, wenn das komplette Optimierungspotential ausgenutzt werden soll.<br>
 
 
*In verschiedenen Tests zeigten sich die eindeutigen und signifikanten Vorteile (Verdoppelung des Durchsatzes) von kanalbasiertem Scheduling, aber auch die zu erwartenden Verluste bei sich schneller bewegenden Nutzern. Mehr dazu in dem empfehlenswerten Dokument [SABM06]<ref>Schmidt, M.; Ahn, N.; Braun, V.; Mayer, H.P.: ''Performance of QoS and Channel-aware Packet Scheduling for LTE Downlink.'' [http://www.ikr.uni-stuttgart.de/Content/itg/fg524/Meetings/2009-02-09-Aachen/05_ITG524_Aachen_Schmidt.pdf PDF-Dokument in Internet] , Alcatel-Lucent, 2006.</ref>.<br><br>
 
 
Aufgrund vieler Vorteile ist Scheduling fester Bestandteil des vom 3GPP spezifizierten LTE&ndash;Release 8.<br>
 
 
==Aufgaben==
 
<br>
 
[[Aufgaben:4.4 Zur Modulation bei LTE|A4.4 Zur Modulation bei LTE]]
 
  
[[Zusatzaufgaben:4.4 Physikalische Kanäle bei LTE]]
 
  
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
  
 
<references/>
 
<references/>

Latest revision as of 14:52, 20 February 2023

General Description


The  "Physical Layer"  is the lowest layer in the OSI layer model of the  "International Organization for Standardization"  $\rm (ISO)$, which is also called  "Bit Transmission Layer".  It describes the physical transmission of bit sequences in LTE and the operation of the various channels according to the 3GPP specification.  All specifications are valid for Frequency Division Duplex  $\rm (FDD)$  as well as for Time Division Duplex  $\rm (TDD)$.

Protocol architecture for LTE

The diagram shows the layers of the LTE protocol architecture.  The communication between the individual layers takes place via three different types of channels:

  • Logical channels,
  • Transport channels,
  • Physical channels.

This chapter deals with the communication between transmitter and receiver in the lowest  (red highlighted)  "Physical Layer".  Basically it should be noted:

  • Exactly like the Internet, LTE uses exclusively packet-based transmission, i.e. without specifically assigning resources to a single user.
  • The design of the LTE physical layer is therefore characterized by the principle of dynamically allocated network resources.
  • The physical layer plays a key role in the efficient allocation and utilization of available system resources.


According to this graphic the physical layer communicates with

  • the block  "Medium Access Control"  $\rm (MAC)$  and exchanges information about the users and the regulation (control) of the network via the transport channels,
  • the block  "Radio Resource Control"  $\rm (RRC)$,  where control commands and measurements are continuously exchanged to adapt the transmission to the channel quality.

Communication between the individual layers in the LTE downlink


The complexity of the LTE transmission is to be indicated by the left diagram, which has been directly adopted by the  "European Telecommunications Standards Institute"  $\rm (ETSI)$.  It shows the communication between the individual layers (channels) and applies exclusively to the downlink.

  • In the following sections we will take a closer look at the physical layer and the physical channels.  We distinguish between uplink and downlink, but we will limit ourselves to the essentials.
  • In reality, the individual channels take over a number of other functions, but their description would go beyond the scope of this tutorial.
  • If you are interested, you can find a detailed description in  [HT09][1].


Physical channels in uplink


LTE uses the multiple access method  $\rm SC–FDMA$  in the uplink transmission from the terminal device to the base station.  Accordingly, the following physical channels exist in the 3GPP specification:

  • Physical Uplink Shared Channel  $\rm (PUSCH)$,
  • Physical Random Access Channel  $\rm (PRACH)$,
  • Physical Uplink Control Channel  $\rm (PUCCH)$.


The user data are transmitted in the physical channel  $\rm (PUSCH)$.  The transmission speed depends on how much bandwidth is available to the user at that moment.  The transmission is based on dynamically allocated resources in time and frequency range with a resolution of one millisecond or 180 kHz.  This allocation is performed by the $\text{Scheduler}$  in the base station  ("eNodeB").  A terminal device cannot transmit any data without instructions from the base station.

The exception is the use of the physical channel  $\rm PRACH$, the only channel in the LTE uplink with non–synchronized transmission.  The function of this channel is the request for permission to send data via one of the other two physical channels.  By sending a  "Cyclic Prefix"  and a signature on the PRACH, the terminal and base station are synchronized and are thus ready for further transmissions.

The third uplink channel  $\rm PUCCH$  is used exclusively for the transmission of control signals. By this one understands

  • positive and negative acknowledgements of reception  $\rm (ACK/NACK)$,
  • requests for repeated transmission  $($in case of  $\rm NACK)$, and
  • the exchange of channel quality information between the terminal and the base station.

If, in addition to the control data, user data are sent from the terminal to the base station at the same time, such control signals can also be transmitted via the PUSCH.  If no user data is to be transmitted, PUCCH is used instead.

A simultaneous use of PUSCH and PUCCH is not possible due to restrictions of the transmission method  "SC–FDMA".  If only one  "Shared Channel"  had been selected for all control information, one would have had to choose between

  • intermittent problems with user data transmission, or
  • permanently too few resources for the control information.

The information about the channel quality is obtained by means of so-called "reference symbols".  As indicators for the channel quality this information is then sent to

  •   "Channel Quality Indicator"  $\rm (CQI)$, and
  •   "Rank Indicator"  $\rm (RI)$.

A detailed explanation of the quality guarantee can be found, for example, in  [HR09][2]  and  [HT09][1].


$\text{Example 1:}$  The reference symbols or channel quality information are distributed in the PUSCH according to the following graphic.

Distribution of reference symbols and user data in PUSCH

The graphic describes the arrangement of the useful information and the signaling data in a "virtual subcarrier".

  • "Virtual" because SC–FDMA does not have subcarriers like OFDMA.
  • The reference symbols are necessary to estimate the channel quality.
  • This information is also transferred as  "Channel Quality Indicator"  $\rm (CQI)$  or as  "Rank Indicator"  $\rm (RI)$  via the PUSCH.



Physical channels in downlink


In contrast to the uplink, LTE uses the multiple access method  $\rm OFDMA$  in the downlink, i.e. during transmission from the base station to the terminal.  Accordingly, the 3GPP consortium specified the following physical channels for this purpose:

  • Physical Downlink Shared Channel  $\rm (PDSCH)$,
  • Physical Downlink Control Channel  $\rm (PDCCH)$,
  • Physical Control Format Indicator Channel  $\rm (PCFICH)$,
  • Physical Hybrid ARQ Indicator Channel  $\rm (PHICH)$,
  • Physical Broadcast Channel  $\rm (PBCH)$,
  • Physical Multicast Channel  $\rm (PMCH)$.

The user data are transmitted via the  $\rm PDSCH$.  The resource allocation is done both in the time domain  (with a resolution of one millisecond)  and in the frequency domain  (resolution:  180 kHz).  Due to the use of OFDMA as transmission method, the individual speed of each user depends on the number of assigned resource blocks (à 180 kHz).  A "eNodeB" allocates the resources related to the channel quality of each individual user.

The  $\rm PDCCH$  contains all information regarding the allocation of resource blocks or bandwidth for both the uplink and the downlink.  A terminal device thereby receives information about how many resources are available.

Division between PDCCH and PDSCH
in the LTE downlink

The diagram on the right shows an example of the division between the channels PDCCH and PDSCH:

  • The PDCCH can occupy up to four symbols per subframe  (in the graphic:  two).
  • This leaves twelve time slots for the user data  (i.e. for the channel PDSCH).


Via channel  $\rm PCFICH$  the terminal device is informed how many symbols are to be assigned to the control information of the PDCCH.  The purpose of this dynamic division between control and user data is as follows:

  • For example, many users can be supported in this way, each with a low data rate.  This scenario requires more tuning, which means that in this case the PDCCH would have to contain three or four symbols.
  • On the other hand, the overhead caused by PDCCH can be reduced by assigning a high data rate to only a few concurrent users.


Distribution of reference symbols in the LTE downlink









In addition to the  $\rm PDCCH$,  reference symbols are also required in the downlink to estimate the channel quality and calculate the  "Channel Quality Indicator"  (CQI).  These reference symbols are distributed over the subcarriers (different frequencies) or symbols (different times) as shown in the left graphic.
Regarding the other physical channels of the LTE downlink is to be noted:

  • The only purpose of the downlink channel  $\rm PHICH$  ("Physical Hybrid ARQ Indicator Channel")  is to signal whether a packet sent in the uplink has arrived.
  • On the broadcast channel  $\rm PBCH$  ("Physical Broadcast Channel")  the base stations send system information with operating parameters as well as synchronization signals, which are required for registration in the network, to all mobile terminals in the radio cell approximately every 40 milliseconds.
  • The multicast channel  $\rm PMCH$  ("Physical Multicast Channel")  has a similar purpose, information for so-called multicast transmissions is sent to several receivers simultaneously through this channel. This could be, for example, mobile television via LTE, which is planned for a future release, or something similar.

Processes on the physical layer


By  "Processes in the physical layer"  one understands different methods and procedures, which are used in the bit transmission layer. Among them fall among other things:

  • Timing Advance,
  • Paging,
  • Random Access,
  • Channel Feedback Reporting,
  • Power Control,
  • Hybrid Adaptive Repeat and Request.

A complete list with the corresponding description can be found in  [HT09][1].  Only the last two procedures will be discussed in more detail here.

Power control with LTE


By  "Power Control"  one understands generally the control of the transmission power with the goal,

  • to improve the transmission quality,
  • to increase the network capacity, and
  • to reduce the power consumption.

With regard to the last point, the standardization of LTE had to take this into account:

  • On the one hand, the power consumption in the end devices was to be minimized in order to guarantee longer battery runtimes for them.
  • On the other hand, it should be avoided that the base stations have to provide too much power.

With LTE,  power control  is only applied in the uplink, whereas it is more of an "slow" power control.  This means that the procedure specified in LTE does not have to react as quickly as for example in UMTS ("W–CDMA" ).  The reason is that by using the orthogonal carrier system "SC–FMDA" the so-called  $\text{Near–Far problem}$ does not exist.

  • To be precise, for LTE the power control does not control the absolute power, but the power-spectral density, i.e. the power per bandwidth.
  • Instead of trying to smooth power peaks by temporarily reducing the transmission power, power peaks can also be used to increase the data rate for a short time.

All in all,  LTE power control is intended to find the optimum balance between the lowest possible power and at the same time interference that is still acceptable for the transmission quality (QoS).  This is specifically achieved by estimating the loss during transmission and by calculating a correction factor according to the current site characteristics.  The statements made here are largely taken from  [DFJ08][3].


Hybrid Adaptive Repeat and Request


Every communication system needs a scheme for retransmission of lost data due to transmission errors to ensure sufficient transmission quality.  In LTE  "Hybrid Adaptive Repeat and Request"  $\rm (HARQ)$  was specified for this purpose.  This procedure is also used in  $\text{UMTS}$  in a similar form.

The procedure based on the  "stop–and–wait"  technique is as follows:

  • After a terminal device has received a packet from the base station, it is decoded and feedback is sent via the  $\rm PUCCH$.
  • In case of a failed transmission  ("NACK")  the packet is resent.  Only if the transmission was successful  (Feedback:  "ACK"), the next packet is sent.

In order to ensure continuous data transfer despite the  "stop–and–wait"  procedure,  LTE requires several simultaneous HARQ processes.  In LTE, eight parallel processes are used both in the uplink and in the downlink.

$\text{Example 2:}$  The graphic illustrates how it works with eight simultaneous HARQ processes:

HARQ in LTE with eight simultaneous processes
  • In this example, the first process fails in the first attempt to transfer packet  1.
  • The receiver tells this "Fail" to the transmitter by a "NACK".  In contrast, the second parallel process is successful with its first packet:   "Pass".
  • In the next step  (i.e. after the other seven HARQ processes have sent)  the first HARQ retransmits its last sent packet due to the acknowledgement "NACK".
  • The second process sends a new packet due to the acknowledgement "ACK" now.

The other processes, which were ignored in this example, proceed in the same way.


Modulation for LTE


LTE uses the modulation method  $\text{Quadrature Amplitude Modulation}$  $\rm (QAM)$.  Different variants are available in the uplink as well as in the downlink, namely

Possible QAM signal space constellations in LTE
  • 4–QAM  (identical to QPSK)   ⇒   two bits per symbol,
  • 16–QAM   ⇒   four bits per symbol,
  • 64–QAM   ⇒   six bits per symbol.


Note:   QAM is not an LTE specific development, but is also used in many already established wired transmission methods, such as those of  $\rm DSL$  ("Digital Subscriber Line").

Modulation method depends on distance from base station







The signal space constellations of these variants are shown in the left graphic.  Depending on the environment and distance to the base station, the  $\text{Scheduler}$  selects the appropriate QAM method:

  • 64–QAM allows the best data rates, but is also the most susceptible to interference and is therefore only used near the base stations.  The weaker the connection, the simpler the modulation method must be, which also reduces the spectral efficiency (in bit/s per Hertz).
  • Very robust is 4–QAM with only two bits per symbol  (one each for real and imaginary part).  This can be used for much larger distances than for example 16–QAM. 
  • Due to the exact same signal space constellation the 4–QAM is often called  "Quaternary Phase Shift Keying"  $\rm (QPSK)$.  The four signal space points are arranged in a square pattern (QAM principle).  But they also lie on a circle (characteristic of "PSK").


Throughput depending on SNR

The graphic on the right from  [MG08][4] gives the following facts:

  • With 4–QAM or QPSK (two bit/symbol) a throughput of almost one Mbit/s is achieved in the LTE uplink with the assumptions made in  [MG08].
  • Only above a certain "Signal–to–Noise Ratio"  $\rm (SNR)$  a higher level QAM is used, for example 16–QAM  (4  bit/symbol)  or 64–QAM  (8 bit/symbol).
  • If the SNR is sufficiently large, increasing the number of stages will lead to better results regarding the data throughput.


It should be noted that the low-rate QPSK (4–QAM) is always used in the control channels, since,

  1. on the one hand, this information do not require high data rates due to their small size, and,
  2. on the other hand, should be received (almost) error-free due to their importance.


An exception is the channel  $\rm PUSCH$  in the uplink, which transmits both user and control data.  For this reason, the same modulation type is used here for both signals.

Scheduling for LTE


Functionality of the scheduler in the LTE uplink

All LTE base stations contain a scheduler that can be switched between

  • a total transfer rate as high as possible
  • with sufficiently good Quality of Service  $\rm (QoS)$.

A possible QoS criterion is for example the  "packet delay duration".  So the scheduler tries to optimize the overall situation by using algorithms.

Scheduling is necessary to ensure a fair distribution of resources.  A concrete example is that a user who currently has a poor channel and therefore low efficiency must still be allocated sufficient resources, otherwise the desired (and guaranteed) transmission quality cannot be maintained.

The scheduler controls the selection of the modulation method and the subcarrier–mapping.  The functionality of the scheduler is illustrated by the graphic for the uplink.  Similar statements apply to the downlink.


$\text{Conclusion:}$  Based on  [SABM06][5],  [WGM07][6]  and  [MG08][4]  should be noted in summary:

  • Scheduler algorithms are often very complicated due to the many optimization criteria, parameters and possible scenarios.  Therefore, the design is usually based on an optimal system in which each base station knows the channel transmission functions sufficiently well at all times and transmission delays are unproblematic.
  • From these boundary conditions, different approaches are created with the help of mathematical analyzes  [WGM07][6], whose effectiveness can only be verified by practical tests.  A detailed description of such tests can be found in  [MG08][4].
  • In principle, the overall transmission rate can be increased by channel-dependent scheduling (exploiting frequency selectivity), but this involves a large overhead, since test signals must be sent over the entire bandwidth.  The information has to be distributed to all end devices if the full optimization potential is to be exploited.
  • In various tests, the clear and significant advantages  (doubling of throughput)  of channel based scheduling were shown, but also the expected losses with faster moving users.  More about this in the recommended document  [SABM06][5].


Due to many advantages, scheduling is an integral part of the LTE Release 8, specified by 3GPP.

Exercises for the chapter


Exercise 4.4: Modulation in LTE

Exercise 4.4Z: Physical Channels in LTE


References

  1. 1.0 1.1 1.2 Holma, H.; Toskala, A.:  LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access.  Wiley & Sons, 2009.
  2. Homayounfar, K.; Rohani, B.:  CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.  IEICE Technical Report, Vol. 108, No. 445, 2009.
  3. Dahlman, E., Furuskär A., Jading Y., Lindström M., Parkvall, S.:  Key Features of the LTE Radio Interface.  Ericsson Review No. 2, 2008.
  4. 4.0 4.1 4.2 Myung, H.; Goodman, D.:  Single Carrier FDMA - A New Air Interface for Long Term Evolution.  West Sussex: John Wiley & Sons, 2008.
  5. 5.0 5.1 Schmidt, M.; Ahn, N.; Braun, V.; Mayer, H.P.:  Performance of QoS and Channel-aware Packet Scheduling for LTE Downlink.  Alcatel-Lucent, 2006.
  6. 6.0 6.1 Wang, X.; Giannakis, G.B.; Marques, A.G.:  A Unified Approach to QoS - Guaranteed Scheduling or Channel-Adaptive Wireless Networks. 
    Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 12, Dec. 2007.