Technical Innovations of LTE

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For voice transmission with LTE

Unlike previous mobile phone standards, LTE only supports packet-oriented transmission. For voice transmission, however, a connection-oriented transmission with fixed reservation of resources would be better, since a "fragmented transmission", as is the case with the packet-oriented method, is relatively complicated.

The problem of integrating voice transmission methods was one of the major challenges in the development of LTE, as voice transmission remains the largest source of revenue for network operators. There were a number of approaches, as it can be seen in the internet article   [Gut10]

(1)   A very simple and obvious method is  Circuit Switched Fallback  (CSFB). Here a wire-bound transmission is used for the voice transmission. The principle is:

• The terminal device logs on to the LTE–network and in parallel also to a GSM– or UMTS–network. When an incoming call is received, the terminal device receives a message from the  Mobile Management Entity  (MME, control node in the LTE–network for user–authentication), whereupon a wire-bound transmission via the GSM– or the UMTS–network is established.
• A disadvantage of this solution (actually it is a "problem concealment") is the greatly delayed connection establishment. In addition, CSFB prevents the complete conversion of the network to LTE.

(2)   Another possibility for the integration of voice in a packet-oriented transmission system is offered by  Voice over LTE via GAN  (VoLGA), which is based on the from  3GPP  developed by  [Generic Access Network) . In brief, the principle can be described as follows:

• GAN enables line-related services via a packet-oriented network (IP–network), for example WLAN  (Wireless Local Area Network). With compatible end devices one can register oneself in the GSM–network over a WLAN–connection and use line-based services. VoLGA uses this functionality by replacing WLAN with LTE.
• The fast implementation of VoLGA is advantageous, as no lengthy new development or changes to the core network are necessary. However, a so-called  VoLGA Access Network Controller  (VANC) must be added to the network as hardware. This takes care of the communication between the end device and the  Mobile Management Entity  or the core network.
  
  

Even though VoLGA does not need to use a GSM– or UMTS–network for voice connections like CSFB, it was considered by the majority of the mobile community as an (unsatisfactory) bridge technology due to its user-friendliness. T–Mobile has long been a proponent of the VoLGA–technology, but also stopped further development in February 2011.

In the following we describe a better solution proposal. Keywords are  IP Multimedia Subsystem  (IMS) and  Voice over LTE  (VoLTE). The operators in Germany switched to this technology relatively late:   Vodafone and O2 Telefonica at the beginning of 2015, Telekom at the beginning of 2016.

This is also the reason why the switch to LTE in Germany (and in Europe in general) was slower than in the USA. Many customers did not want to pay the higher prices for LTE as long as there was no well-functioning solution for integrating voice transmission.

VoLTE - Voice over LTE

From today's point of view (2016), the most promising approach to integrating voice services into the LTE–network, some of which are already established, is  Voice over LTE  – in short: VoLTE. This standard, officially adopted by the  GSMA,  the worldwide industry association of more than 800 mobile network operators and over 200 manufacturers of cell phones and network infrastructure, is exclusively IP–packet-oriented and is based on the  IP Multimedia Subsystem  ('IMS), which was already defined in the UMTS–Release 9 in 2010. The technical facts about IMS are:

• The IMS–basic protocol is the one from  Voice over IP  known  Session Initiation Protocol  (SIP). This is a network protocol that can be used to establish and control connections between two users.
• This protocol enables the development of a completely (for data and voice) IP-based network and is therefore future-proof.
  

The reason why the introduction of VoLTE has been delayed by four years compared to LTE–establishment in data traffic is due to the difficult interaction of "4G" with the older predecessor standards  GSM  ("2G") and  UMTS  ("3G"). Here is an example:

• If a mobile phone user leaves his LTE–cell and switches to an area without 4G–coverage, an immediate switch to the next best standard (3G) must be made.

• Language is transmitted here technically completely differently, no longer by many small data packets   ⇒   "packet-switched" but sequentially in the logical and physical channels reserved especially for the user   ⇒  "circuit-switched".
  

• This implementation must be so fast and smooth that the end customer does not notice anything. And this implementation must work for all mobile phone standards and technologies.

According to all the experts, VoLTE will have a positive impact on mobile telephony in the same way that LTE has driven the mobile Internet forward since 2011. Key benefits for users are:

• A  higher voice quality, as VoLTE  AMR–Wideband Codecs  with 12.65 or 23.85 kbit/s. Furthermore, the VoLTE–data packets are prioritized for lowest possible latencies.
  

• An enormously  accelerated connection setup within one or two seconds, whereas with  Circuit Switched Fallback (CSFB) it takes an unpleasantly long time to establish a connection.
  

• A  low battery consumption, significantly lower than "2G" and "3G", associated with a longer battery life. Also in comparison to the usual VoIP–services the power consumption is up to 40% lower.
  
  

From the provider's point of view, the following advantages result:

• A  better spectral efficiency:   Twice as many calls are possible in the same frequency band than with "3G". In other words:   More capacity is available for data services for the same number of calls.
  

• An easy implementation of  Rich Media Services  (RCS), for example for video telephony or future applications that can be used to attract new customers.
  

• A  better acceptance  of the higher provisioning costs by LTE–customers if you don't need to outsource to a "low-value" network like "2G" or "3G" for telephony.

Bandwidth flexibility

LTE can be adapted to frequency bands of different widths with relatively little effort by using  OFDM  ("Orthogonal Frequency Division Multiplex"). This fact is an important feature for various reasons, see  [Mey10], especially for network operators:

• The frequency bands for LTE may vary in size depending on the legal requirements in different countries. The outcome of the state-specific auctions of LTE–frequencies (separated into FDD and TDD) has also influenced the width of the spectrum.
  

• Often LTE is operated in the "frequency–neighborhood" established radio transmission systems, which are expected to be switched off soon. If the demand increases, LTE can be gradually expanded to the frequency range that is becoming available.
  

• For example, the migration of television channels after digitalization:   A part of the LTE–network will be located in the VHF–frequency range around 800 MHz, which has now been freed up, see  Frequency_Band_Splitting Graphic.
  

• Actually the bandwidths could be selected with a degree of fineness of up to 15 kHz (corresponding to an OFDMA–subcarrier). However, since this would unnecessarily produce overhead, a duration of  one millisecond  and a bandwidth of  180 kHz  has been specified as the smallest addressable LTE–resource. Such a block corresponds to twelve subcarriers (180 kHz divided by 15 kHz).
  
  

In order to keep the complexity and effort of hardware standardization as low as possible, a whole range of permissible bandwidths between 1.4 MHz and 20 MHz has been agreed upon. The following list – taken from  [Ges08]  – specifies the standardized bandwidths, the number of available blocks and the "overhead":

• 6 available blocks in the bandwidth 1.4 MHz   ⇒   relative overhead approx. 22.8%,
  

• 15 available blocks in the bandwidth 3 MHz   ⇒   relative overhead about 10%,
  

• 25 available blocks in the bandwidth 5 MHz   ⇒   relative overhead approx. 10%,
  

• 50 available blocks in the bandwidth 10 MHz   ⇒   relative overhead approx. 10%,
  

• 75 available blocks in the bandwidth 15 MHz   ⇒   relative overhead about 10%,
  

• 100 available blocks in the bandwidth 20 MHz   ⇒   relative overhead about 10%.
  
  

Since otherwise some LTE–specific functions would not work, at least six blocks must be provided.

• The relative overhead is comparatively high at small channel bandwidth (1.4 MHz):   (1.4 – 6 · 0.18)/1.4 ≈ 22.8%.
• From a bandwidth of 3 MHz the relative overhead is constant 10%.
• It also applies that all end devices must also support the maximum bandwidth of 20 MHz   [Ges08]

FDD, TDD und Halb–Duplex–Verfahren

Übertragungschema bei FDD (oben) bzw. TDD (unten)

Eine weitere wichtige Neuerung von LTE ist das Halb–Duplex–Verfahren, welches eine Mischung aus den beiden bereits von UMTS bekannten  Duplexverfahren  darstellt:

• Frequency Division Duplex  (FDD), und
  
• Time Division Duplex  (TDD) .
  
  

Solche Duplexverfahren sind erforderlich, damit Uplink und Downlink klar voneinander getrennt sind und die Übertragung reibungslos funktioniert. Die Grafik illustriert den Unterschied zwischen FDD– und TDD–basierter Übertragung.

Mit Hilfe der Methoden FDD und TDD kann LTE sowohl in gepaarten, als auch in ungepaarten Frequenzbereichen betrieben werden.
Die beiden Verfahren stellen gewissermaßen einen Gegensatz dar:

• FDD benötigt ein gepaartes Spektrum, also jeweils ein Frequenzband für die Übertragung von der Basisstation in Richtung Endgerät (Downlink) und eines für die Übertragung in umgekehrter Richtung (Uplink). Downlink und Uplink können dabei gleichzeitig benutzt werden.
  

• TDD wurde für ungepaarte Spektren konzipiert. Zwar benötigt man nun für Uplink und Downlink nur noch ein einziges Band. Sender und Empfänger müssen sich nun allerdings bei der Übertragung abwechseln. Das Hauptproblem von TDD ist die erforderliche Synchronität der Netze.
  
  

In obiger Grafik sind die Unterschiede zwischen FDD und TDD zu erkennen. Man sieht, dass man bei TDD beim Wechsel von Downlink zu Uplink (bzw. umgekehrt) eine Guard Period einfügen muss, damit es nicht zu einer Überlagerung der Signale kommt.

Obwohl FDD in der Praxis voraussichtlich stärker genutzt werden wird (und die FDD–Frequenzen für die Provider auch sehr viel teurer waren), gibt es durchaus auch einige Gründe, die für TDD sprechen:

• Frequenzen sind – wie sich bei der Versteigerung 2010 wieder gezeigt hat – ein rares und teures Gut. TDD benötigt aber nur die halbe Frequenzbandbreite.
  

• Die TDD–Technik ermöglicht verschiedene Modi, die festlegen, wie viel Zeit für Downlink bzw. Uplink verwendet werden soll und kann so auf individuelle Anforderungen abgestimmt werden.
  
  

Für die eigentliche Neuerung, das Halb–Duplex–Verfahren, benötigt man zwar wie bei FDD auch ein gepaartes Spektrum (siehe zweite Grafik):

Übertragungsschema bei Halb–Duplex

• Sender und Empfänger der Basisstation wechseln sich aber trotzdem wie bei TDD ab. Jedes Endgerät kann gleichzeitig entweder nur Senden oder nur Empfangen.
  
• Durch eine zweite Verbindung zu einem anderen Endgerät mit vertauschtem Downlink/Uplink–Raster kann trotzdem das gesamte zur Verfügung stehende Band voll genutzt werden.
  

• Der wesentliche Vorteil des Halb–Duplex–Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung des TDD–Konzepts die Anforderungen an die Endgeräte sinken und sich diese somit billiger produzieren lassen.
  
  

Dass dieser Aspekt bei der Standardisierung große Bedeutung hatte, lässt sich auch an der Verwendung von OFDMA im Downlink und von SC–FDMA im Uplink erkennen:

• Dadurch erreicht man eine längere Batterielaufzeit der Endgeräte und es können günstigere Bauteile verwendet werden.
• Mehr dazu finden Sie im Kapitel  Die Anwendung von OFDMA und SC-FDMA in LTE.

Mehrantennensysteme

Verwendet ein Funksystem mehrere Sende– und Empfangsantennen, so spricht man von  Multiple Input Multiple Output  (MIMO). Dabei handelt es sich nicht um eine LTE–spezifische Entwicklung. So nutzt beispielweise auch WLAN diese Technologie.

$\text{Beispiel 1:}$  Das Prinzip der Mehrantennensysteme wird in der folgenden Grafik am Beispiel von 2×2–MIMO (zwei Sende– und zwei Empfangsantennen) verdeutlicht.

Der Unterschied zwischen SISO und MIMO

Das Neue an LTE ist nicht die eigentliche Nutzung von  Multiple Input Multiple Output, sondern die besonders intensive, nämlich 2×2–MIMO im Uplink und maximal 4×4–MIMO im Downlink.

Beim Nachfolger  LTE–Advanced  ist die Nutzung von MIMO noch ausgeprägter, nämlich „4×4” im Uplink und „8×8” in Gegenrichtung.

Ein MIMO–System weist gegenüber  Single Input Single Output  (SISO, nur eine Sende– und eine Empfangsantennen) Vorteile auf. Man unterscheidet je nach Kanal zwischen mehreren Gewinnen:

• Leistungsgewinn  gemäß der Anzahl an Empfangsantennen:  
  Kombiniert man die über mehrere Antennen eintreffenden Funksignale in geeigneter Weise  (englisch:   Maximal-ratio Combining), so erhöht man die Empfangsleistung und verbessert so die Funkverbindung. Mit einer Verdoppelung der Antennen erreicht man einen Leistungsgewinn von maximal 3 dB.
  

• Diversitätsgewinn durch Raumdiversität (englisch:   Spatial Diversity):  
  Verwendet man mehrere räumlich getrennte Empfangsantennen in einer Umgebung mit starker Mehrwegeausbreitung, so ist das Fading an den einzelnen Antennen meist unabhängig voneinander und die Wahrscheinlichkeit, dass alle Antennen gleichzeitig von Fading betroffen sind, ist sehr gering.
  

• Datenratengewinn:  
  Dieser steigert die Effizienz von MIMO vor allem in einer Umgebung mit erhöhter Mehrwegeausbreitung, insbesondere dann, wenn Sender und Empfänger keine direkte Sichtverbindung haben und die Übertragung über Reflexionen erfolgt. Die Verdreifachung der Antennenzahl bei Sender und Empfänger führt etwa zu einer Verdoppelung der Datenrate.
  
  

Nicht möglich ist es jedoch, dass alle Vorteile gleichzeitig eintreten. Abhängig von der Kanalbeschaffenheit kann es auch passieren, dass man nicht einmal die Wahl hat, welchen Vorteil man nutzen will.

Neben den MIMO-Systemen gibt es auch noch folgende Zwischenstufen:

• MISO–Systeme  (nur eine Empfangsantenne, somit ist kein Leistungsgewinn möglich), und
  

• SIMO–Systeme  (nur eine Sendeantenne, nur kleiner Diversitätsgewinn).
  

$\text{Beispiel 2:}$  Der Begriff „MIMO” fasst Mehrantennenverfahren mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammen, die jeweils in gewissen Situationen von Nutzen sein können. Die folgende Beschreibung ist auf die vier hier gezeigten Schaubilder abgestimmt.

Vier Mehrantennenverfahren mit unterschiedlichen Eigenschaften

• Werden die weitgehend unabhängigen Kanäle eines MIMO–Systems einem einzigen Teilnehmer zugeteilt (Schaubild oben links), so spricht man von  Single–User MIMO. Durch 2×2–MIMO verdoppelt sich die Datenrate gegenüber dem SISO–Betrieb und mit jeweils vier Sende– und Empfangsantennen kann die Datenrate bei guten Kanalbedingungen nochmals verdoppelt werden.
  

LTE ermöglicht maximal 4×4–MIMO allerdings nur im Downlink. Als Empfänger (Endgeräte) kommen bei 4×4–MIMO aufgrund der Komplexität von Mehrantennensystemen nur Laptops mit LTE–Modems in Frage. Bei einem Handy beschränkt man sich grundsätzlich auf 2×2–MIMO.

• Im Gegensatz zum Single–User MIMO ist das Ziel beim  Multi–User MIMO  nicht die maximale Datenrate für einen Empfänger, sondern die Maximierung der Anzahl der Endgeräte, die das Netz gleichzeitig nutzen können (Schaubild oben rechts). Dabei werden verschiedene Datenströme zu unterschiedlichen Nutzern übertragen. Dies ist besonders an Orten mit hoher Nachfrage nützlich, wie zum Beispiel an Flughäfen oder in Fußballstadien.
  

• Ein Mehrantennenbetrieb dient aber nicht nur der Maximierung von Nutzerzahl oder Datenrate, sondern im Falle von schlechten Übertragungsbedingungen können mehrere Antennen auch ihre Leistung bündeln und so gezielt Daten zu einem einzigen Nutzer übertragen, um dessen Empfangsqualität zu verbessern. Man spricht dann von  Beamforming  (Schaubild unten links), wodurch auch die Reichweite einer Sendestation erhöht wird.
  

• Die vierte Möglichkeit ist  Antennendiversität  (Schaubild unten rechts). Dadurch erhöht man die Redundanz (hinsichtlich Systemauslegung) und macht die Übertragung robuster gegenüber Störungen. Ein einfaches Beispiel:   Es gibt vier Kanäle, die alle die gleichen Daten übertragen. Fällt ein Kanal aus, so sind immer noch drei Kanäle für den Informationstransport vorhanden.

Systemarchitektur

Die LTE–Architektur ermöglicht ein vollständig auf dem IP–Protokoll basierendes Übertragungssystem. Um dieses Ziel zu erreichen, musste die für UMTS spezifizierte Systemarchitektur nicht nur im Detail verändert, sondern teilweise komplett neu konzipiert werden. Dabei wurden auch andere IP–basierte Technologien wie  mobiles WiMAX  oder  WLAN  integriert, um in diese Netze problemlos wechseln zu können.

In UMTS–Netzen (linke Grafik) ist zwischen einer Basisstation (NodeB) und dem Kernnetz noch der  Radio Network Controller  (RNC) zwischengeschaltet, der für den Wechsel zwischen verschiedenen Zellen hauptverantwortlich ist und der zu Latenzzeiten von bis zu 100 Millisekunden führen kann.

Systemarchitektur bei UMTS (UTRAN) und LTE (EUTRAN)

Die Neukonzipierung der Basisstationen („eNodeB” anstelle von „NodeB”) und die Schnittstelle „X2” sind die entscheidenden Weiterentwicklungen von UMTS hin zu LTE. Die rechte Grafik illustriert insbesondere die mit der neuen Technologie einhergegangene Reduzierung der Komplexität gegenüber UMTS (linke Grafik).

Die  LTE–Systemarchitektur  lässt sich in zwei große Bereiche einteilen:

• das LTE–Kernnetz  Evolved Packet Core  (EPC),
  

• die Luftschnittstelle  Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network  (EUTRAN) – eine Weiterentwicklung von  UMTS Terrestrial Radio Access Network  (UTRAN).
  
  

EUTRAN überträgt die Daten zwischen dem Endgerät und der LTE–Basisstation („eNodeB”) über die sogenannte S1–Schnittstelle mit zwei Verbindungen, eine für die Übertragung von Nutzdaten und eine zweite für die Übertragung von Signalisierungsdaten. Aus obiger Grafik erkennt man:

• Die Basisstationen sind außer mit dem EPC auch mit den benachbarten Basisstationen verbunden. Diese Verbindungen (X2–Schnittstellen) bewirken, dass möglichst wenige Pakete verloren gehen, wenn sich das Endgerät aus dem Umkreis einer Basisstation in Richtung einer anderen bewegt.
  

• Dazu kann die Basisstation, deren Versorgungsgebiet der Nutzer gerade verlässt, eventuell noch zwischengespeicherte Daten direkt und schnell an die „neue” Basisstation weitergeben. Damit ist eine (weitgehend) durchgehende Übertragung sichergestellt.
  

• Die Funktionalität des RNC geht zum Teil in die Basisstation, zum anderen in die  Mobility Management Entity  (MME) im Kernnetz über. Diese Reduktion der Schnittstellen verkürzt die Signaldurchlaufzeit im Netzwerk und das Handover signifikant auf 20 Millisekunden.
  

• Die LTE–Systemarchitektur ist zudem so ausgelegt, dass sich zukünftig  Inter–NodeB–Verfahren  (wie  Soft–Handover  oder  Cooperative Interference Cancellation) einfach integrieren lassen.
  

LTE–Kernnetz: Backbone und Backhaul

Das LTE–Kernnetz  Evolved Packet Core  (EPC) eines Netzbetreibers – in der Fachsprache  Backbone  – besteht aus verschiedenen Netzwerkkomponenten. Das EPC ist mit den Basisstationen über das  Backhaul  (englische Bezeichnung für Rücktransport) verbunden. Darunter versteht man die Anbindung eines vorgelagerten, meist hierarchisch untergeordneten Netzknotens an einen zentralen Netzknoten.

Momentan besteht das  Backhaul  zum Großteil aus Richtfunk und sogenannten E1–Leitungen. Diese sind Kupferleitungen und erlauben einen Durchsatz von ca. 2 Mbit/s. Für GSM– und UMTS–Netzwerke waren diese Verbindungen noch ausreichend, aber bereits für großflächig konzipertes  HSDPA  reichen solche Datenraten nicht mehr. Für LTE ist ein solches  Backhaul  komplett unbrauchbar:

• Das langsame Kabelnetzwerk würde die schnellen Funkverbindungen ausbremsen; insgesamt wäre kein Geschwindigkeitszuwachs festzustellen.
  

• Aufgrund der geringen Kapazitäten der Leitungen mit E1–Standard wäre auch ein Ausbau mit weiteren baugleichen Leitungen nicht wirtschaftlich.
  
  

Im Zuge der LTE–Einführung musste also das  Backhaul  neu entworfen werden. Dabei war es wichtig, Zukunftssicherheit im Auge zu behalten, stand doch die nächste Generation  LTE–Advanced  bereits vor der Einführung. Schenkt man dem von Experten propagierten  Moore's Law  für Mobilfunkbandbreiten Glauben, so ist die teure Neuverlegung besserer Kabel der wichtigste Faktor für die Zukunftssicherheit.

Aufgrund der rein paketorientierten Übertragungstechnik bietet sich für das LTE–Backhaul der ebenfalls IP–basierte Ethernet–Standard an, der mit Hilfe von Lichtwellenleitern realisiert wird. Die Firma Fujitsu stellte 2009 in der Studie  [Fuj09]  zudem die These auf, dass die momentane Infrastruktur noch für die nächsten zehn bis fünfzehn Jahre eine wichtige Rolle für das LTE–Backhaul spielen wird.

Für den Generationenwechsel hin zu einem Ethernet–basierten  Backhaul  gibt es zwei Ansätze:

• der parallele Betrieb der Leitungen mit E1 und Ethernet–Standard,
  

• die sofortige Migration zu einem auf Ethernet basierenden  Backhaul.
  
  

Ersteres hätte den Vorteil, dass die Netzbetreiber den Sprachverkehr weiterhin über die alten Leitungen laufen lassen könnten und ausschließlich den bandbreitenintensiven Datenverkehr über die leistungsfähigeren Leitungen abwickeln müssten.

Die zweite Möglichkeit wirft einige technische Probleme auf:

• Die vorher durch die langsamen E1-Standard–Leitungen transportierten Dienste müssten sofort auf ein paketbasiertes Verfahren umgestellt werden.
  

• Ethernet bietet (anders als der jetzige Standard) bisher keine  End–to–End–Synchronisierung, was beim Funkzellenwechsel zu starken Verzögerungen bis hin zu Dienstunterbrechungen führen kann – also eine gewaltige Einbuße der Servicequalität.
• Im Konzept  Synchronous Ethernet  (SyncE) wurden jedoch von der Fa. Cisco bereits Vorschläge unterbreitet, wie die Synchronisation realisiert werden könnte.
  

Für Ballungsgebiete wäre eine direkte Umstellung des Backhauls sicher lohnenswert, da für eine vergleichsweise hohe Zahl an neuen Nutzern nur relativ wenige neue Kabel verlegt werden müssten.

Im ländlichen Raum ergäben sich aber durch größere Grabungsarbeiten schnell hohe Kosten. Dies ist aber genau der Bereich, der laut der  getroffenen Vereinbarung  zwischen der Bundesregierung und den (deutschen) Mobilfunkbetreibern als erstes abgedeckt werden muss. Hier müsste (und wird wohl) der meist vorhandene Richtfunk auf hohe Datenraten erweitert werden.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 4.2: FDD, TDD und Halb–Duplex