Mobile Communications/General Information on the LTE Mobile Communications Standard

1. Mobile Communications
2. LTE – Long Term Evolution
3. General Information on the LTE Mobile Communications Standard

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# OVERVIEW OF THE FOURTH MAIN CHAPTER #

This chapter provides an overview of  Long Term Evolution  (LTE). From today's perspective (2011), LTE is a new mobile communications standard that should replace UMTS and will probably continue to shape the next few years of mobile voice and data transmission.

In the following, a rough overview of the motivation, functionality and characteristics of LTE is given first. This is followed by a more detailed system description of the technical processes involved in LTE. This chapter will deal with this in detail:

• The motivation for LTE and the frequency band allocation,
• The development of mobile communications standards towards LTE,
• some technical details about voice and data transmission,
• the transmission method SC–FDMA used in the uplink and its differences to OFDMA,
• The description and function of the different channels in the bit transmission layer,
• an outlook on the successor system LTE–Advanced.

Addendum:   The LTE chapter was written in 2011, i.e. at the time when LTE had just been introduced. During the last editorial revision in autumn 2017, some earlier statements were revised which no longer corresponded to the facts after six years of intensive use by many customers. However, most of the chapter remained unchanged compared to 2011, as the LTE principle has not changed in the meantime.

Development of mobile users until 2010

Absolute and relative number of mobile devices in the years 2004 - 2010

Since the turn of the millennium, the number of mobile connections has increased dramatically.

• The graph shows for the years 2004 to 2010 an increase from 1.8 to approx. 5 billion mobile devices worldwide in absolute numbers (red bars, left scale).
• The blue bars (left scale) show the development of the world population in the same period.

• The (percentage) number of cell phones (green curve, right scale) in relation to the world population increased from just under 30% to over 70% between 2004 and 2010.
• The statistics include users with more than one cell phone. 2010 possessed thus by no means 70% of the world population a mobile telephone.
  

• the use of mobile data services has sharply increased, especially since the introduction of flatrate tariffs.

The following statements refer to the year 2010:

• Global mobile data traffic grew by 159 percent in 2010, a much stronger increase than expected. Since then, mobile data transmission has caused more network load than voice transmission in the mobile network.
  

• Mobile data traffic alone was thus three times as large in 2010 as the entire traffic volume in 2000 (at that time mainly voice traffic).
  

• Although smartphones accounted for only 13 percent of all mobile devices in 2010, they were responsible for 78 percent of data– and voice transmission.
  

• To this development also 94 million laptop–users contributed, who used the Internet on the way over UMTS–modems.
• Such a laptop–user causes thereby on the average 22–times the data quantity of an average Smartphone–user.

Wesentliche Eigenschaften von LTE

Das Kürzel  LTE  steht für Long Term Evolution und bezeichnet den auf UMTS nachfolgenden Mobilfunkstandard. Durch die konzeptionelle Neuentwicklung sollte LTE auf lange Zeit („Long Term”) den sich immer weiter erhöhenden Bedarf an Bandbreite und nach höheren Geschwindigkeiten stillen.

Der LTE–Standard wurde erstmals 2008 als UMTS–Release 8 durch das  3GGP  (Third Generation Partnership Project) – einem Konglomerat verschiedener internationaler Telekommunikationsverbände – definiert und wird seitdem kontinuierlich durch sogenannte „Releases” fortentwickelt. Durch das Bekenntnis der größten Mobilfunkanbieter weltweit ist LTE der erste (großteils) einheitliche Standard der Mobilfunktechnologie.

Man bezeichnet LTE entsprechend der UMTS–Release 8 auch als „3.9G”, da es die von der ITU  (International Telecommunication Union)  spezifizierten Bedingungen für den Mobilfunk der vierten Generation (4G) zunächst nicht ganz erfüllte.

Das nachfolgende Release 10 (vom Juli 2011) genügt dagegen dem 4G–Standard. Im Kapitel  LTE–Advanced  sind die Features dieser LTE–Weiterentwicklung angegeben. Man bezeichnet diese Technik auch kurz als „LTE–A”.

Nachfolgend sind wichtige Systemeigenschaften von LTE stichpunktartig zusammengestellt, wobei wir uns auf die Seite  ITWissen  berufen:

• LTE basiert auf den Mehrfachzugriffsverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) im Downlink bzw. SC–FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) im Uplink. Die detaillierte Beschreibung von OFDMA und insbesondere auch dessen Unterschiede zu  OFDM  findet sich im Kapitel  Anwendung von OFDMA und SC–FDMA in LTE.

• Die Verwendung dieses Modulationsverfahrens ermöglicht Orthogonalität zwischen den einzelnen Nutzern, was in einer erhöhten Netzwerkkapazität resultiert  [HT09]. Diese Technik ermöglicht in Verbindung mit Multiple Input Multiple Output (MIMO) derzeit (2011) Spitzendatenraten von 100 Mbit/s im Downlink.
  

• Neben der gegenüber dem 3G–System UMTS deutlich höheren Datenrate nutzt die LTE–Technik die zur Verfügung stehende Bandbreite effizienter aus. Durch die Kombination des aktuellsten Stands der Technologie mit den vorhandenen Erfahrungen von GSM und UMTS ist der neue Standard damit nicht nur sehr viel schneller, sondern zudem auch einfacher und flexibler  [Mey10].

Motivation und Ziele von LTE

Das amerikanische Telekommunikationsunternehmen Cisco Systems ging 2010 in einem  White Paper  davon aus, dass im Jahre 2015

Grafik aus dem Ericsson Mobility Report 2015

• die Nutzung mobiler Daten sechsundzwanzigmal höher sein wird als noch 2010,
  
• diese Nutzung dabei pro Jahr nochmals um 92% zunimmt, und
  
• die gigantische Menge von 6.3 Exabyte (6.3 · 10¹⁸ Byte) pro Monat erreicht wird.
  
  

Es wurde außerdem vorausgesagt, dass 2015 fünf Milliarden Menschen mit dem Internet verbunden sein werden [HT09]. Darüber hinaus werden aber gleichzeitig weitere kabellose Übertragungstechnologien entwickelt, die ebenso hohe Datenübertragungsraten versprechen. Alle diese Faktoren verlangten nach einer Weiterentwicklung des 3GPP–Mobilfunkstandards „UMTS”.

Der  Ericsson Mobility Report  von 2015 zeigt inzwischen, dass die Prognose von 2010 übertroffen wurde. 2014 gab es bereits 7.1 Milliarden mobile Teilnehmer mit Internetzugang, 2020 sollen es 9.2 Milliarden sein.

Das 3GPP–Konsortium hat früh mit der Definition der LTE–Ziele begonnen, um mit der rasanten Entwicklung bei leitungsbezogenen Verbindungen mithalten zu können. Die genauen Ziele wurden dann Ende 2004 in der „LTE Release 6” vergleichend zur HSPA–Technologie (High Speed Packet Access) festgeschrieben.

Als Hauptziele wurden genannt:

• Eine rein paketorientierte Übertragung und ein hohes Maß an Beweglichkeit und Sicherheit,
  
• geringere Komplexität, Kostenreduzierung und optimierte Batterielaufzeiten der Endgeräte,
  
• Bandbreitenflexibilität zwischen 1.5 MHz und 20 MHz,
  
• eine möglichst hohe spektrale Effizienz (Datenrate pro einem Hertz Bandbreite),
  
• maximal mögliche Datenraten von 100 Mbit/s im Downlink bzw. 50 Mbit/s im Uplink,
  
• Signaldurchlaufszeiten geringer als 10 Millisekunden.
  
  

Dies bedeutet im Vergleich zu HSPA eine Erhöhung der spektralen Effizienz um den Faktor zwei bis vier, eine Reduktion der Latenz auf die Hälfte und eine Verzehnfachung der maximalen Datenrate. Auf die einzelnen Punkte, die einen Großteil der LTE–spezifischen technischen Charakteristika darstellen, wird im Kapitel  Technische Neuerungen von LTE  noch genauer eingegangen.

Entwicklung der UMTS-Mobilfunkstandards hin zu LTE

Die Entwicklung der Mobilfunkstandards der dritten Generation wurde bereits im dritten Kapitel dieses Buches ausführlich thematisiert. Aus diesem Grund wird hier nur auf die neueren Entwicklungen detailliert eingegangen.

Zunächst eine kurze unkommentierte Übersicht der UMTS Releases vor LTE aus [Hin08]:

• Release 99 (Dezember 1999):   UMTS 3G FDD und TDD; 3.84 Mchip/s; CDMA–Luftschnittstelle.
  

• Release 4 (Juli 2001):   Niedrigere Chiprate (1.28 Mchip/s) bei TDD; einige Korrekturen und kleinere Verbesserungen.
  

• Release 5 (März 2002):   IP Multimedia Subsystem (IMS); High-Speed Downlink Packet Access  (HSDPA).
  

• Release 6 (März 2005):   High-Speed Uplink Packet Access  (HSUPA); Multimedia Broadcast&Multicast Services (MBMS); Kooperation mit Wireless LAN; Push–to–Talk; Generic Access Network (GAN).
  

• Release 7 (Dezember 2007):   Verkleinerung der Latenzzeit; verbessertes Quality of Service (QoS); Echtzeitanwendungen (zum Beispiel VoIP, EDGE Evolution); MIMO bei UMTS; TDD–Option 7.68 Mchip/s.
  
  

Das Release 8 vom Dezember 2008 war gleichbedeutend mit der Einführung von Long Term Evolution (LTE) und die Basis für die erste Generation von LTE–fähigen Endgeräten. Die wichtigsten Neuerungen und Charakteristiken von Release 8 – zusammengefasst vom  3gpp  (Third Generation Partnership Project) waren:

• Eine hohe spektrale Effizienz und sehr kurze Latenzzeiten,
  

• die Unterstützung verschiedener Bandbreiten,
  

• eine einfache Protokoll– und Systemarchitektur,
  

• Rückwärtskompatibilität und Kompatibilität zu anderen Systemen wie  cdma2000,
  

• FDD (Frequency Division Duplex) und TDD (Time Division Duplex) wahlweise nutzbar,
  

• Unterstützung von Self-Organizing Networks (SON).
  
  

Auf diese Features (und einige andere mehr) wird im Abschnitt  Technische Neuerungen von LTE  noch im Detail eingegangen. Das Release 9 enthält demgegenüber nur kleinere Verbesserungen und wird hier nicht näher betrachtet. Das Release 10 vom Juli 2011 beschreibt die Weiterentwicklung  LTE–Advanced  (LTE–A).

LTE–Frequenzbandaufteilung

LTE-Frequenzen um 800 MHz und 2.6 GHz

Für LTE wurden neue Frequenzen benötigt. In Deutschland gab es 2010 eine Versteigerung zweier Frequenzbereiche, an der sich alle deutschen Mobilfunkbetreiber beteiligten.

Die Grafik veranschaulicht die Ergebnisse dieser Versteigerung der Frequenzen im

• Bereich um 800 MHz (791 ... 862 MHz):
  Hier wurden nur gepaarte Spektren für FDD vergeben:   je zweimal 10 MHz für die Telekom, O2 und Vodafone;
  

• Bereich um 2.6 GHz (2.5 ... 2.69 GHz):
  Hier wurden neben gepaarten Spektren für FDD (insgesamt 140 MHz) auch ungepaarte Spektren für TDD (50 MHz) vergeben.

Mehr über den Unterschied zwischen FDD und TDD findet man im Abschnitt  Motivation für xDSL  im Buch „Beispiele von Nachrichtensystemen”.
Die beiden versteigerten Frequenzbereiche haben unterschiedliche Systemeigenschaften, die sie jeweils interessant für verschiedene Anwendungsbereiche machen.

• Der niederfrequentere Bereich (um 800 MHz) wird auch als Digitale Dividende bezeichnet, da er durch die Umstellung der (terrestrischen) TV–Übertragung von PAL auf DVB–T („Digitalisierung”) frei wurde.

• Laut Vereinbarung der Bundesregierung mit den (deutschen) Netzbetreibern muss dieser Bereich dazu genutzt werden, bisher schlecht versorgte Regionen zu „Schnellem Internet” zu verhelfen. Definiert wurden vier Stufen für den Versorgungsgrad einer Region mit Breitbandinternet. Erst wenn in ganz Deutschland 90% der jeweilig vorangegangenen Stufe abgedeckt sein werden, darf mit der nächsten Stufe begonnen werden.

• Die Wahl für dieses Projekt fiel auf den vergleichsweise niedrigen Frequenzbereich um 800 MHz mit besseren Ausbreitungseigenschaften als bei 2600 MHz, was für die kostengünstige Versorgung ländlicher Bereiche sinnvoll und auch notwendig ist. Eine LTE–800 Basisstation erreicht einen maximalen Senderadius von etwa 10 km. Das Verhältnis Nutzer pro Fläche ist aber geringer als bei LTE–2600. Daraus ergibt sich, dass LTE–800 eher für dünn besiedelte Regionen geeignet ist.
  

• Der Frequenzbereich von 821 MHz bis 832 MHz bleibt frei, um Interferenzen zwischen dem Uplink und dem Downlink zu vermeiden. Man spricht von der Duplexlücke. Darüber hinaus kann dieser Frequenzbereich für die Veranstaltungstechnik genutzt werden, da schon vor Einführung von LTE für Funkmikrofone der Frequenzbereich um 800 MHz üblich war. In solchen Gebieten, in denen LTE flächendeckend verfügbar ist, müssen zukünftig Funkmikrofone auf die Duplexlücke ausweichen können.
  

Die unterschiedliche Bedeutung der Frequenzbereiche aus Betreibersicht werden am Ergebnis der Frequenzversteigerung von 2010 deutlich:

• Die 60 MHz um 800 MHz erbrachten knapp 3.6 Milliarden Euro (60 €/Hz), die 190 MHz um 2.6 GHz nur 344 Millionen Euro (1,80 €/Hz).
• Zum Vergleich:   Die UMTS–Versteigerung im Jahr 2000 ergab die astronomische Summe von 50 Milliarden Euro für 60 MHz   ⇒   833 €/Hz.
  
  

3GPP – Third Generation Partnership Project

Auf den letzten Seiten wurde schon mehrfach das  Third Generation Partnership Project  (oder kurz 3GPP) erwähnt. Hier soll ein kurzer Überblick über das Selbstverständnis dieser Gruppe, seine Struktur und seine Aktivitäten gegeben werden. Die Informationen sind direkt der  3GPP–Website  entnommen.

3GPP ist eine Gruppe verschiedener internationaler Normierungsorganisationen, die sich zum Zweck der Vereinheitlichkeit von Mobilfunksystemen zusammengeschlossen haben. Es wurde am 4.12.1998 von fünf Partnern gegründet:

• ARIB   (Association of Radio Industries and Businesses, Japan)
  
• ETSI   (European Telecommunication Standards Institute)
  
• ATIS   (Alliance for Telecommunications Industry Solutions, USA)
  
• TTA   (Telecommunications Technology Association, Korea)
  
• TTC   (Telecommunications Technology Committee, Japan)
  
  

Das 3GPP entwickelt, akzeptiert und pflegt einen weltweit anwendbaren Standard im Mobilfunk. Die regelmäßig und häufig abgehaltenen Konferenzen sind die wichtigsten Instanzen bei der Fortschreibung der Standardisierung der technischen Spezifikationen von LTE.

• Änderungsanträge durchlaufen einen festgesetzten Standardisierungsprozess mit drei Stufen, der hohe Qualität und eine gute Strukturierung der Arbeit des 3GPP ermöglicht.
• Hat ein Release die letzte Stufe erreicht und ist fertiggestellt, wird er von den in den Partnerorganisationen vereinigten Telekommunikationsunternehmen an den Markt weitergegeben.
  

In  [Gut10]  findet man folgende Einschätzung:
„Ziel der 3GPP–Standardisierung ist die Erstellung von technischen Spezifikationen (TS), die alle technischen Details einer Mobilfunktechnologie detailliert beschreiben. Die Spezifikationen für LTE sind extrem umfangreich. Der Detailgrad ist so hoch gewählt, damit Mobilfunkgeräte unterschiedlicher Hersteller in allen Netzen problemlos funktionieren”.

Aufgabe zum Kapitel

A4.1:  Allgemeine Fragen zu LTE