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

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== Allgemeine Beschreibung==
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== General Description==
 
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Die physikalische Schicht (englisch: &nbsp; <i>Physical Layer</i>) ist die unterste Schicht im OSI&ndash;Schichtenmodell der&nbsp; <i>Internationalen Organisation für Normung</i>&nbsp; (ISO), die man auch als&nbsp; <i>Bitübertragungsschicht</i>&nbsp; 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&nbsp; ''Frequency Division Duplex''&nbsp; (FDD) als auch für&nbsp; ''Time Division Duplex''&nbsp; (TDD) gültig.<br>
+
The &nbsp; <i>Physical Layer</i> is the lowest layer in the OSI&ndash;layer model of the&nbsp; <i>International Organization for Standardization</i>&nbsp; (ISO), which is also called&nbsp; <i>Bit transmission layer</i>&nbsp;. It describes the physical transmission of bit sequences in LTE and the operation of the various channels according to the 3GPP&ndash;specification. All specifications are valid for&nbsp; ''Frequency Division Duplex''&nbsp; (FDD) as well as for&nbsp; ''Time Division Duplex''&nbsp; (TDD).
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S1b_v1.png|right|frame|Protokollarchitektur bei LTE|class=fit]]
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[[File:EN_LTE_T_4_4_S1b_v1.png|right|frame|Protocol Architecture for LTE|class=fit]]
Die Grafik zeigt die Schichten der LTE&ndash;Protokollarchitektur. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten findet über drei verschiedene Arten von Kanälen statt:
+
The diagram shows the layers of the LTE&ndash;protocol architecture. The communication between the individual layers takes place via three different types of channels:
*Logische Kanäle,<br>
+
*Logical channels,<br>
*Transportkanäle,<br>
+
*Transport channels,<br>
*Physikalische Kanäle.<br><br>
+
*physical channels. <br><br>
  
In diesem Kapitel geht es um die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger in der  untersten,   rot hervorgehobenen&nbsp; <i>physikalischen Schicht</i>.  
+
This chapter deals with the communication between sender and receiver in the lowest, red highlighted&nbsp; <i>physical layer</i>.  
  
Grundsätzlich ist anzumerken:
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Basically it should be noted:
*Genau wie das Internet verwendet LTE ausschließlich eine paketbasierte Übertragung, also, ohne einem einzelnen Nutzer spezifisch Ressourcen zuzuweisen.<br>
+
*Exactly like the Internet, LTE uses exclusively packet-based transmission, i.e. without specifically assigning resources to a single user.<br>
  
*Das Design der LTE&ndash;Bitübertragungsschicht wird demzufolge durch das Prinzip der dynamisch zugewiesenen Netzressourcen geprägt.<br>
+
*The design of the LTE&ndash;physical layer is therefore characterized by the principle of dynamically allocated network resources.<br>
  
*Die Bitübertragungsschicht spielt eine Schlüsselrolle bei der effizienten Zuordnung und Ausnutzung der vorhandenen Systemressourcen.<br>
+
*The physical layer plays a key role in the efficient allocation and utilization of available system resources.
  
  
Entsprechend dieser Grafik kommuniziert die physikalische Schicht mit
+
According to this graphic the physical layer communicates with
*dem Block&nbsp; <i>Medium Access Control</i>&nbsp; (MAC) und tauscht dabei über sogenannte Transportkanäle Informationen über die Benutzer und die Regelung bzw. Kontrolle des Netzes aus,<br>
+
*the block&nbsp; <i>Medium Access Control</i>&nbsp; (MAC) and exchanges information about the users and the regulation or control of the network via so-called transport channels,<br>
  
*dem Block&nbsp; <i>Radio Resource Control</i>&nbsp; (RRC), wobei hier laufend Kontrollbefehle und Messungen ausgetauscht werden, um die Übertragung an die Kanalqualität anzupassen.<br><br>
+
*the block&nbsp; <i>Radio Resource Control</i>&nbsp; (RRC), where control commands and measurements are continuously exchanged to adapt the transmission to the channel quality.<br><br>
  
Die Komplexität der LTE&ndash;Übertragung soll durch die folgende Grafik angedeutet werden, die direkt vom&nbsp; <i>European Telecommunications Standards Institute</i>&nbsp; (ETSI) übernommen wurde. Sie zeigt die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten (Kanälen) und gilt ausschließlich für den Downlink.<br>
+
The complexity of the LTE&ndash;transmission is to be indicated by the following diagram, which has been directly adopted by the&nbsp; <i>European Telecommunications Standards Institute</i>&nbsp; (ETSI). It shows the communication between the individual layers (channels) and applies exclusively to the downlink.<br>
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S1.png|right|frame|Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten im LTE-Downlink|class=fit]]
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S1.png|right|frame|Communication between the individual layers in the LTE downlink|class=fit]]
  
*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.  
+
*On the following pages 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 Wirklichkeit übernehmen die einzelnen Kanäle noch eine Reihe weiterer Funktionen, deren Beschreibung aber den Umfang dieses Tutorials sprengen würde.  
+
*In reality, the individual channels take over a number of other functions, but their description would go beyond the scope of this tutorial.  
  
  
*Wer interessiert ist, findet zum Beispiel eine detaillierte Beschreibung in&nbsp; [HT09]<ref name= 'HT09'>Holma, H.; Toskala, A.: ''LTE for UMTS OFDMA and SC–FDMA Based Radio Access.'' Wiley & Sons, 2009.</ref>.
+
*If you are interested, you can find a detailed description in&nbsp; [HT09]<ref name= 'HT09'>Holma, H.; Toskala, A.: ''LTE for UMTS - OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access.'' Wiley & Sons, 2009.</ref>.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
== Physikalische Kanäle im Uplink==
+
== Physical channels in uplink==
 
<br>
 
<br>
LTE verwendet im Uplink &ndash; Übertragung vom Endgerät zur Basisstation &ndash; das Vielfachzugriffsverfahren [[Mobile_Communications/Die_Anwendung_von_OFDMA_und_SC-FDMA_in_LTE#Funktionsweise_von_SC.E2.80.93FDMA|SC&ndash;FDMA]]. Dementsprechend existieren in der 3GPP&ndash;Spezifikation folgende physikalische Kanäle:
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LTE uses the multiple access method [[Mobile_Communications/The_Application_of_OFDMA_and_SC-FDMA_in_LTE#Functionality_of_SC.E2.80.93FDMA|SC&ndash;FDMA]] in the uplink transmission from the terminal device to the base station. Accordingly, the following physical channels exist in the 3GPP&ndash;specification:
 
*<i>Physical Uplink Shared Channel</i>&nbsp; (PUSCH),<br>
 
*<i>Physical Uplink Shared Channel</i>&nbsp; (PUSCH),<br>
 
*<i>Physical Random Access Channel</i>&nbsp; (PRACH),<br>
 
*<i>Physical Random Access Channel</i>&nbsp; (PRACH),<br>
 
*<i>Physical Uplink Control Channel</i>&nbsp; (PUCCH).<br><br>
 
*<i>Physical Uplink Control Channel</i>&nbsp; (PUCCH).<br><br>
  
Die Nutzdaten werden im physikalischen Kanal&nbsp; '''PUSCH'''&nbsp; 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&nbsp; [[Mobile_Communications/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Scheduling_bei_LTE| Scheduler]]&nbsp; in der Basisstation (<i>eNodeB</i>&nbsp;) vorgenommen. Ohne Anweisung der Basisstation kann ein Endgerät keinerlei Daten übertragen.<br>
 
  
Die Ausnahme bildet dabei die Verwendung des physikalischen Kanals&nbsp; '''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&nbsp; <i>Cyclic Prefix</i>&nbsp; und einer Signatur auf dem PRACH werden Endgerät und Basisstation synchronisiert und sind damit bereit für weitere Übertragungen.<br>
+
The user data are transmitted in the physical channel&nbsp; '''PUSH'''&nbsp;. 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&nbsp; [[Mobile_Communications/Physical_Layer_for_LTE# Scheduling for LTE| Scheduler]]&nbsp; in the base station (<i>eNodeB</i>&nbsp;).  A terminal device cannot transmit any data without instructions from the base station.<br>.
  
Der dritte Uplink&ndash;Kanal&nbsp; '''PUCCH'''&nbsp; wird ausschließlich zur Übertragung von Kontrollsignalen verwendet. Darunter versteht man
+
The exception is the use of the physical channel&nbsp; '''PRACH'', the only channel in the LTE&ndash;uplink with non&ndash;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&nbsp; <i>Cyclic Prefix</i>&nbsp; and a signature on the PRACH, the terminal and base station are synchronized and are thus ready for further transmissions.<br>
*positive und negative Empfangsbestätigungen (ACK/NACK),<br>
 
  
*Anfragen nach wiederholter Übertragung (im Falle eines NACK), sowie<br>
+
The third uplink&ndash;channel&nbsp; '''PUCCH'''&nbsp; is used exclusively for the transmission of control signals. By this one understands
 +
*positive and negative acknowledgements of receipt (ACK/NACK),<br>
  
*den Austausch von Informationen über die Kanalqualität zwischen Endgerät und Basisstation.<br><br>
+
*Requests for repeated transmission (in case of NACK), and<br>
  
Werden neben den Kontrolldaten gleichzeitig Nutzdaten vom Endgerät zur Basisstation gesendet, so kann die Übertragung solcher Kontrollsignale ebenfalls über den PUSCH erfolgen. Sind keine Nutzdaten zu übertragen, wird dagegen PUCCH verwendet.<br>
+
*the exchange of channel quality information between the terminal and the base station.<br><br>
  
Eine gleichzeitige Verwendung von PUSCH und PUCCH ist aufgrund von Einschränkungen durch das Einträger&ndash;Übertragungsverfahren SC&ndash;FDMA nicht möglich. Hätte man für alle Kontrollinformationen nur einen&nbsp; <i>Shared Channel</i>&nbsp; gewählt, so hätte man sich entscheiden müssen zwischen
+
If, in addition to the control data, user data is 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.<br>
*zwischenzeitlichen Problemen bei der Nutzdatenübertragung, oder<br>
 
  
*dauerhaft zu wenigen Ressourcen für die Kontrollinformationen.<br><br>
+
A simultaneous use of PUSCH and PUCCH is not possible due to restrictions of the SC&ndash;transmission method SC&ndash;FDMA. If only one&nbsp; <i>Shared Channel</i>&nbsp; had been selected for all control information, one would have had to choose between
 +
*intermittent problems with user data transmission, or<br>
  
Die Informationen über die Kanalqualität werden mit Hilfe sogenannter Referenzsymbole gewonnen. Als Indikatoren für die Kanalqualität werden diese Informationen dann versendet
+
*permanently too few resources for the control information.<br><br>
*zum&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI), und<br>
+
 
 +
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&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI), and<br>
 +
 
 +
*to&nbsp; <i>Rank Indicator</i>&nbsp; (RI).<br><br>
 +
 
 +
A detailed explanation of the quality guarantee can be found, for example, in&nbsp; [HR09]<ref name='HR09'>Homayounfar, K.; Rohani, B.: ''CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.''
 +
IEICE Technical Report, Vol. 108, No. 445, 2009.</ref>&nbsp; and&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>.<br>
  
*zum&nbsp; <i>Rank Indicator</i>&nbsp; (RI).<br><br>
 
  
Eine detaillierte Erklärung zur Qualitätsgewährleistung findet sich zum Beispiel in&nbsp; [HR09]<ref name='HR09'>Homayounfar, K.; Rohani, B.: ''CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.''
 
IEICE Technical Report, Vol. 108, No. 445, 2009.</ref>&nbsp; und&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>.<br>
 
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die Referenzsymbole bzw. Kanalqualitätsinformationen sind im PUSCH entsprechend folgender Grafik verteilt.  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The reference symbols or channel quality information are distributed in the PUSCH according to the following graphic.  
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S2.png|center|frame|Verteilung von Referenzsymbolen und Nutzdaten im PUSCH|class=fit]]
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S2.png|center|frame|distribution of reference symbols and user data in PUSCH|class=fit]].
  
Diese beschreibt die Anordnung der Nutzinformatiom und der Signalisierungsdaten in einem &bdquo;virtuellen&rdquo;  Unterträger.
+
This describes the arrangement of the useful information and the signaling data in a "virtual" subcarrier.
*Virtuell deshalb, weil es ja bei SC&ndash;FDMA keine Unterträger wie bei OFDMA gibt.<br>
+
*Virtual because SC&ndash;FDMA does not have subcarriers like OFDMA.
  
*Die Referenzsymbole sind notwendig, um die Kanalqualität zu schätzen.<br>
+
*The reference symbols are necessary to estimate the channel quality.<br>
  
*Auch diese Informationen werden als&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI)&nbsp; bzw. als&nbsp; <i>Rank Indicator</i>&nbsp; (RI)&nbsp; über den PUSCH übertragen.}}<br><br>
+
*This information is also transferred as&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI)&nbsp; or as&nbsp; <i>Rank Indicator</i>&nbsp; (RI)&nbsp; via the PUSCH.}}<br><br>
  
== Physikalische Kanäle im Downlink==
+
== Physical channels in downlink==
 
<br>
 
<br>
Im Gegensatz zum Uplink verwendet LTE im Downlink &ndash; also bei der Übertragung von der Basisstation zum Endgerät &ndash; das Vielfachzugriffsverfahren&nbsp; [[Mobile_Communications/Die_Anwendung_von_OFDMA_und_SC-FDMA_in_LTE#Unterschiede_zwischen_OFDMA_und_SC.E2.80.93FDMA|OFDMA]]. 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.E2.80.93FDMA|OFDMA]] in the downlink, i.e. during transmission from the base station to the terminal. Accordingly, the 3GPP&ndash;Consortium specified the following physical channels for this purpose:
 
*<i>Physical Downlink Shared Channel</i>&nbsp; (PDSCH),<br>
 
*<i>Physical Downlink Shared Channel</i>&nbsp; (PDSCH),<br>
  
Line 103: Line 106:
 
*<i>Physical Multicast Channel</i>&nbsp; (PMCH).<br><br>
 
*<i>Physical Multicast Channel</i>&nbsp; (PMCH).<br><br>
  
Die Nutzdaten werden über den&nbsp; '''PDSCH'''&nbsp; übertragen. Die Ressourcenzuweisung geschieht sowohl im Zeitbereich (mit einer Auflösung von einer Millisekunde) als auch im Frequenzbereich (Auflösung: &nbsp;180 kHz). Aufgrund der Verwendung von OFDMA als Übertragungsverfahren hängt die individuelle Geschwindigkeit eines jeden 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; '''PDSCH'''&nbsp;. The resource allocation is done both in the time domain (with a resolution of one millisecond) and in the frequency domain (resolution: &nbsp;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 <i>eNodeB</i> allocates the resources related to the channel quality of each individual user.<br>
  
Im&nbsp; '''PDCCH'''&nbsp; 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; '''PDCCH'''&nbsp; 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.<br>.
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3.png|right|frame|Aufteilung zwischen PDCCH und PDSCH im LTE-Downlink]]
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3.png|right|frame|Division between PDCCH and PDSCH in LTE downlink]]
Die Grafik zeigt beispielhaft die Aufteilung zwischen den Kanälen PDCCH und PDSCH:
+
The diagram shows an example of the division between the channels PDCCH and PDSCH:
*Der PDCCH kann pro Subframe bis zu vier Symbole belegen (in der Grafik: zwei).<br>
+
*The PDCCH can occupy up to four symbols per subframe (in the graphic: two).<br>
*Somit verbleiben für die Nutzdaten (also für den Kanal PDSCH) zwölf Zeitschlitze.
+
*This leaves twelve time slots for the user data (i.e. for the channel PDSCH).
  
  
Über den Kanal&nbsp; '''PCFICH'''&nbsp; wird dem Endgerät mitgeteilt, wie viele Symbole den Kontrollinformationen des PDCCH zuzuordnen sind. Sinn dieser dynamischen Aufteilung zwischen Kontroll&ndash; und Nutzdaten ist folgender:
+
Via channel&nbsp; '''PCFICH'''&nbsp; 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&ndash; and user data is as follows:
*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 PDCCH drei oder vier Symbole umfassen.<br>
+
*On the one hand, 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.<br>
  
*Andererseits kann man den durch PDCCH bedingten Overhead reduzieren, indem bei nur wenigen gleichzeitigen Nutzern diesen eine hohe Datenrate zugewiesen wird.
+
*On the other hand, the overhead caused by PDCCH can be reduced by assigning a high data rate to only a few concurrent users.
  
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3b.png|left|frame|Verteilung der Referenzsymbole im Downlink|class=fit]]
+
[[File:EN_LTE_T_4_4_S3b.png|left|frame|Distribution of reference symbols in the downlink|class=fit]]
 
<br><br><br><br><br><br><br>
 
<br><br><br><br><br><br><br>
Über den PDCCH hinaus werden auch im Downlink Referenzsymbole benötigt, um die Kanalqualität zu schätzen und den&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI)&nbsp; zu berechnen. Diese Referenzsymbole sind auf die Unterträger (verschiedene Frequenzen) bzw. Symbole (unterschiedliche Zeiten) verteilt, wie  die nebenstehende Grafik zeigt.
+
In addition to the PDCCH, reference symbols are also required in the downlink to estimate the channel quality and calculate the&nbsp; <i>Channel Quality Indicator</i>&nbsp; (CQI)&nbsp;. These reference symbols are distributed over the subcarriers (different frequencies) or symbols (different times) as shown in the adjacent figure.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Zu den anderen physikalischen Kanäle des LTE&ndash;Downlinks ist anzumerken:
+
Regarding the other physical channels of the LTE&ndash;Downlink is to be noted:
*Die einzige Aufgabe des Downlink&ndash;Kanals&nbsp; '''PHICH'''&nbsp; (<i>Physical Hybrid ARQ Indicator Channel</i>&nbsp;) ist es zu signalisieren, ob ein im Uplink verschicktes Paket angekommen ist.<br>
+
*The only purpose of the downlink&ndash;channel&nbsp; '''PHICH'''&nbsp; (<i>Physical Hybrid ARQ Indicator Channel</i>&nbsp;) is to signal whether a packet sent in the uplink has arrived.<br>
  
*Über den Broadcast&ndash;Kanal&nbsp; '''PBCH'''&nbsp; (<i>Physical Broadcast Channel</i>&nbsp;) 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>
+
*On the broadcast&ndash;channel&nbsp; '''PBCH'''&nbsp; (<i>Physical Broadcast Channel</i>&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>
  
*Einen ähnlichen Zweck hat der Multicast&ndash;Kanal&nbsp; '''PMCH'''&nbsp; (<i>Physical Multicast Channel</i>&nbsp;), worüber Informationen für sogenannte Multicast&ndash;Übertragungen &ndash; zu mehreren Empfängern gleichzeitig &ndash; gesendet werden. Es kann sich dabei zum Beispiel um das in einem zukünftigen Release geplanten mobilen Fernsehen via LTE oder um Ähnliches handeln.<br>
+
*The Multicast&ndash;channel&nbsp; '''PMCH'''&nbsp; (<i>Physical Multicast Channel</i>&nbsp;) has a similar purpose, information for so-called Multicast&ndash;transmissions &ndash; 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>
  
== Abläufe in der physikalischen Ebene==
+
== Processes on the physical layer==
 
<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 "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:
 
*<i>Timing Advance</i>,<br>
 
*<i>Timing Advance</i>,<br>
  
Line 145: Line 148:
 
*<i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i>.<br><br>
 
*<i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i>.<br><br>
  
Eine komplette Auflistung mit zugehöriger Beschreibung findet sich zum Beispiel in&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>. Genauer eingegangen werden soll hier nur auf die beiden letztgenannten Verfahren.<br><br>
+
A complete list with the corresponding description can be found in&nbsp; [HT09]<ref name='HT09'></ref>. Only the last two procedures will be discussed in more detail here.<br><br>.
  
== Leistungsregelung bei LTE==
+
== Power control with LTE==
 
<br>
 
<br>
Unter&nbsp; '''Leistungsregelung'''&nbsp; (englisch: &nbsp; <i>Power Control</i>&nbsp;) versteht man im Allgemeinen die Regelung der Übertragungsleistung mit dem Ziel,
+
By&nbsp; <i>Power Control</i>&nbsp; one understands generally the control of the transmission power with the goal,
*die Übertragungsqualität zu verbessern,<br>
+
*to improve the transmission quality,<br>
 +
 
 +
*to increase the network capacity, and<br>
  
*die Netzkapazität zu vergrößern, und<br>
+
*reduce the power consumption.<br><br>
  
*den Stromverbrauch zu verringern.<br><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>
  
Hinsichtlich des letzten Punktes war bei der Standardisierung von LTE zu berücksichtigen:
+
*On the other hand, it should be avoided that the base stations have to provide too much power.<br><br>
*Einerseits sollte der Stromverbrauch in den Endgeräten minimiert werden, um für diese längere Batterielaufzeiten zu gewährleisten.<br>
 
  
*Andererseits sollte verhindert werden, dass die Basisstationen eine zu große Leistungsspanne bereithalten müssen.<br><br>
+
With LTE,&nbsp; <i>Power Control</i>&nbsp; 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 (<i>W&ndash;CDMA</i>&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| Near&ndash;Far&ndash;Problem]] does not exist.
  
Bei LTE wird&nbsp; <i>Power Control</i>&nbsp; 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>&nbsp;). Der Grund ist, dass  durch Verwendung des orthogonalen Trägersystems &bdquo;SC&ndash;FMDA&rdquo; das sogenannte&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Nachrichtentechnische_Aspekte_von_UMTS#Near.E2.80.93Far.E2.80.93Effekt| Near&ndash;Far&ndash;Problem]] nicht existiert.
+
*To be precise, for LTE the <i>Power Control</i>&nbsp; does not control the absolute power, but the spectral power density, i.e. the power per bandwidth.<br>
  
*Genau genommen wird bei LTE durch <i>Power Control</i>&nbsp; nicht die absolute Leistung kontrolliert, sondern die spektrale Leistungsdichte, also die Leistung pro Bandbreite.<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>
  
*Anstatt zu versuchen, Leistungsspitzen durch zeitweiliges Reduzieren der Übertragungsleistung zu glätten, können Leistungsspitzen auch zur kurzzeitigen Erhöhung der Datenrate ausgenutzt werden.<br><br>
+
All in all, LTE&ndash;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&nbsp; [DFJ08]<ref name ='DFJ08'>Dahlman, E., Furuskär A., Jading Y., Lindström M., Parkvall, S.: ''Key Features of the LTE Radio Interface.'' Ericsson Review No. 2, 2008.</ref>.
  
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&nbsp; [DFJ08]<ref name ='DFJ08'>Dahlman, E., Furuskär A., Jading Y., Lindström M., Parkvall, S.: ''Key Features of the LTE Radio Interface.'' Ericsson Review No. 2, 2008.</ref>.
 
  
== Hybrid Adaptive Repeat and Request ==
+
=== Hybrid Adaptive Repeat and Request ==
 
<br>
 
<br>
Jedes Kommunikationssystem benötigt zur Sicherstellung einer ausreichenden Übertragungsqualität ein Schema zur erneuten Übertragung verloren gegangener Daten aufgrund aufgetretener Übertragungsfehler. In LTE wurde hierfür&nbsp; <i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i>&nbsp; (HARQ)&nbsp; spezifiziert. Dieses Verfahren wird auch bei&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Weiterentwicklungen_von_UMTS#HARQ.E2.80.93Verfahren_und_Node_B_Scheduling| UMTS]]&nbsp; in ähnlicher Form eingesetzt.<br>
+
Every communication system needs a scheme for retransmission of lost data due to transmission errors to ensure sufficient transmission quality. In LTE&nbsp; <i>Hybrid Adaptive Repeat and Request</i>&nbsp; (HARQ)&nbsp; was specified for this purpose. This procedure is also used in&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Weiterentwicklungen_von_UMTS#HARQ.E2.80.93Verfahren_und_Node_B_Scheduling| UMTS]]&nbsp; in a similar form.<br>
  
Der auf der&nbsp; <i>Stop&ndash;and&ndash;wait</i>&ndash;Technik basierende Ablauf ist Folgender:
+
The procedure based on the&nbsp; <i>stop&ndash;and&ndash;wait</i>&ndash;technique is as follows:
*Nachdem ein Endgerät ein Paket von der Basisstation erhalten hat, wird es decodiert und es wird ein Feedback über den&nbsp; [[Mobile_Communications/Bit%C3%BCbertragungsschicht_bei_LTE#Physikalische_Kan.C3.A4le_im_Uplink_.281.29| PUCCH]]&nbsp; gesendet.<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| PUCCH]].<br>
  
*Im Falle einer fehlgeschlagenen Übertragung (&bdquo;NACK&rdquo;) wird das Paket erneut gesendet. Erst wenn die Übertragung erfolgreich war (Feedback: &nbsp;&bdquo;ACK&rdquo;), wird das  nächste Paket  verschickt.<br><br>
+
*In case of a failed transmission ("NACK") the packet is resent. Only if the transmission was successful (Feedback: &nbsp;"ACK"), the next packet is sent.<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>
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In order to ensure continuous data transfer despite the stop&ndash;and&ndash;wait&ndash;procedure, LTE requires several simultaneous HARQ&ndash;processes. In LTE, eight parallel processes are used both in the uplink and in the downlink.<br>
  
 
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$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Die Grafik verdeutlicht die Funktionsweise bei acht gleichzeitigen HARQ&ndash;Prozessen:
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$\text{Example 2:}$&nbsp; The graphic illustrates how it works with eight simultaneous HARQ&ndash;processes:
  
[[File:EN_LTE_T_4_4_S4a.png|center|frame|HARQ in LTE mit acht gleichzeitigen Prozessen|class=fit]]  
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[[File:EN_LTE_T_4_4_S4a.png|center|frame|HARQ in LTE with eight simultaneous processes|class=fit]]  
*Der erste Prozess scheitert in diesem Beispiel im ersten Versuch bei der Übertragung von Paket 1.  
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*In this example, the first process fails in the first attempt to transfer packet 1.  
*Der Empfänger teilt dieses &bdquo;Fail&rdquo; dem Sender durch ein &bdquo;NACK&rdquo; mit.  
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*The receiver tells this "Fail" to the sender by a "NACK".  
*Dagegen ist der zweite parallel ablaufende  Prozess mit seinem ersten Paket erfolgreich: &nbsp; &bdquo;Pass&rdquo;.<br>
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*In contrast, the second parallel process is successful with its first packet: &nbsp; "Pass".<br>
*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>
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*In the next step (i.e. after the other seven HARQ&ndash;processes have sent) the first HARQ retransmits its last sent packet due to the acknowledgement "NACK" <br>
  
*Der zweite Prozess sendet hingegen aufgrund der Quittierung &bdquo;ACK&rdquo; nun ein neues Paket.<br><br>
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*The second process sends a new packet due to the acknowledgement "ACK" now.<br><br>
  
Ebenso verfahren die anderen Prozesse, die in diesem Beispiel außer Acht gelassen wurden.}}<br>
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The other processes, which were ignored in this example, proceed in the same way.}}<br>
  
 
== Modulation bei LTE ==
 
== Modulation bei LTE ==

Revision as of 13:46, 26 September 2020

General Description


The   Physical Layer is the lowest layer in the OSI–layer model of the  International Organization for Standardization  (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  (FDD) as well as for  Time Division Duplex  (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 sender 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  (MAC) and exchanges information about the users and the regulation or control of the network via so-called transport channels,
  • the block  Radio Resource Control  (RRC), where control commands and measurements are continuously exchanged to adapt the transmission to the channel quality.

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

Communication between the individual layers in the LTE downlink
  • On the following pages 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 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  (PUSCH),
  • Physical Random Access Channel  (PRACH),
  • Physical Uplink Control Channel  (PUCCH).


The user data are transmitted in the physical channel  PUSH . 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  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  '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  PUCCH  is used exclusively for the transmission of control signals. By this one understands

  • positive and negative acknowledgements of receipt (ACK/NACK),
  • Requests for repeated transmission (in case of NACK), and
  • the exchange of channel quality information between the terminal and the base station.

If, in addition to the control data, user data is 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 SC–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  (CQI), and
  • to  Rank Indicator  (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
.

This 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  (CQI)  or as  Rank Indicator  (RI)  via the PUSCH.



Physical channels in downlink


In contrast to the uplink, LTE uses the multiple access method  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  (PDSCH),
  • Physical Downlink Control Channel  (PDCCH),
  • Physical Control Format Indicator Channel  (PCFICH),
  • Physical Hybrid ARQ Indicator Channel  (PHICH),
  • Physical Broadcast Channel  (PBCH),
  • Physical Multicast Channel  (PMCH).

The user data are transmitted via the  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  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 LTE downlink

The diagram 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  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:

  • On the one hand, 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 downlink








In addition to the 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 adjacent figure.
Regarding the other physical channels of the LTE–Downlink is to be noted:

  • The only purpose of the downlink–channel  PHICH  (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel ) is to signal whether a packet sent in the uplink has arrived.
  • On the broadcast–channel  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  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
  • 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  Near–Far–Problem does not exist.

  • To be precise, for LTE the Power Control  does not control the absolute power, but the spectral power 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  (HARQ)  was specified for this purpose. This procedure is also used in  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  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 sender 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 bei LTE


LTE verwendet das Modulationsverfahren  Quadratur–Amplitudenmodulation  (englisch:   Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Dabei stehen sowohl im Uplink als auch im Downlink verschiedene Varianten zur Verfügung, nämlich

  • 4–QAM (identisch mit QPSK)  ⇒  2 bit pro Symbol,
  • 16–QAM  ⇒  4 bit pro Symbol,
  • 64–QAM  ⇒  6 bit pro Symbol.


Die Signalraumkonstellationen dieser Varianten zeigt die folgende Grafik.

Hinweis:   QAM ist keine LTE–spezifische Entwicklung, sondern wird auch bei vielen bereits etablierten kabelgebundenen Übertragungsverfahren verwendet, wie zum Beispiel von DSL (Digital Subscriber Line).

Mögliche QAM-Signalraumkonstellationen in LTE

Je nach Umgebungsbeschaffenheit und Entfernung zur Basisstation wählt der  Scheduler  das passende QAM–Verfahren (siehe Grafik):

Modulationsverfahren, je nach Abstand von der Basisstation
  • 64–QAM ermöglicht die besten Datenraten, ist aber auch am anfälligsten gegenüber Übertragungsstörungen und wird daher nur in der Nähe der Basisstationen verwendet.
  • Je schwächer die Verbindung ist, desto einfacher muss das Modulationsverfahren sein, desto geringer wird aber auch die spektrale Effizienz (in bit/s pro Hertz).
  • Sehr robust ist 4–QAM mit nur zwei bit pro Symbol (je eines für Real– und Imaginärteil). Diese kann man auch noch für deutlich größere Entfernungen anwenden als beispielsweise 16–QAM.
  • Aufgrund der genau gleichen Signalraumkonstellation bezeichnet man die 4–QAM häufig auch als  Quaternary Phase Shift Keying  (QPSK). Die vier Signalraumpunkte sind zum einen quadratisch angeordnet (QAM–Prinzip). Sie liegen aber auch auf einem Kreis (Kennzeichen der PSK).


Durchsatz in Abhängigkeit des SNR






Die linke Grafik aus [MG08][4] gibt folgenden Sachverhalt wieder:

  • Mit 4–QAM bzw. QPSK (zwei bit/Symbol) erreicht man im LTE–Uplink bei den in  [MG08]  getroffenen Annahmen einen Durchsatz (englisch:   Throughput ) von knapp einem Mbit/s.
  • Erst ab einer gewissen Signalstärke (englisch:   Signal–to–Noise Ratio, SNR) verwendet man eine höherstufige QAM, zum Beispiel 16–QAM (4 bit/Symbol) oder 64–QAM (8 bit/Symbol).
  • Ist das SNR hinreichend groß, so werden mit zunehmender Stufenzahl um so bessere Ergebnisse hinsichtlich des Datendurchsatzes erzielt.


Anzumerken ist, dass in den Kontrollkanälen stets die niederratige QPSK (4–QAM) verwendet wird, da diese Informationen

  • einerseits auf Grund ihrer geringen Größe keine hohen Datenraten benötigen, und
  • andererseits auf Grund ihrer Wichtigkeit (nahezu) fehlerfrei empfangen werden sollten.

Eine Ausnahme bildet der Kanal  PUSCH  im Uplink, der sowohl Nutz– als auch Kontrolldaten überträgt. Aus diesem Grund wird hier für beide Signale die gleiche Modulationsart verwendet.

Scheduling bei LTE


Alle LTE–Basisstationen enthalten einen Scheduler, der zwischen

  • einer möglichst großen Gesamtübertragungsrate
  • bei gleichzeitig ausreichend guter Übertragungsqualität (englisch:   Quality of Service, QoS)

abwägt. Ein QoS–Kriterium ist zum Beispiel die  Paketverzögerungsdauer. Der Scheduler versucht also, mit Hilfe von Algorithmen die Gesamtsituation zu optimieren.

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.

Der Scheduler kontrolliert dazu einerseits die Auswahl des Modulationsverfahrens und andererseits das Subcarrier–Mapping. Die Funktionsweise des Schedulers wird anhand der folgenden Grafik für den Uplink verdeutlicht. Für den Downlink gelten ähnliche Aussagen.

Funktionsweise des Schedulers im LTE-Uplink

$\text{Fazit:}$  Basierend auf [SABM06][5], [WGM07][6] und [MG08][4] ist zusammenfassend zu vermerken:

  • Scheduler–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 Übertragungsverzögerungen unproblematisch sind.
  • Aus diesen Randbedingungen werden mit Hilfe mathematischer Analysen verschiedene Ansätze erstellt  [WGM07][6], deren Effektivität allerdings nur über praktische Tests überprüft werden kann. Eine ausführliche Beschreibung solcher Tests findet sich beispielsweise in  [MG08][4].
  • 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.
  • 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][5].


Aufgrund vieler Vorteile ist Scheduling fester Bestandteil des vom 3GPP spezifizierten LTE–Release 8.

Aufgaben zum Kapitel


Aufgabe 4.4: Zur Modulation bei LTE

Aufgabe 4.4Z: Physikalische Kanäle bei LTE

Quellenverzeichnis

  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.