Difference between revisions of "Mobile Communications/Technical Innovations of LTE"

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*It also applies that all end devices must also support the maximum bandwidth of 20 MHz &nbsp; [Ges08]<ref name='Ges08'></ref>
 
*It also applies that all end devices must also support the maximum bandwidth of 20 MHz &nbsp; [Ges08]<ref name='Ges08'></ref>
  
== FDD, TDD und Halb–Duplex–Verfahren==
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== FDD, TDD and half duplex method==
 
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[[File:EN_Mob_T_4_2_S3a.png|right|frame|Übertragungschema bei FDD (oben) bzw. TDD (unten)|class=fit]]
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[[File:EN_Mob_T_4_2_S3a.png|right|frame|transmission scheme for FDD (top) or TDD (bottom)|class=fit]]
Eine weitere wichtige Neuerung von LTE ist das Halb&ndash;Duplex&ndash;Verfahren, welches eine Mischung aus den beiden bereits von UMTS bekannten&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_UMTS#Vollduplexverfahren|Duplexverfahren]]&nbsp; darstellt:
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Another important innovation of LTE is the half&ndash;duplex&ndash;procedure, which is a mixture of the two already known from UMTS&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_UMTS#Full Duplex Procedure|Duplex Procedure]]&nbsp;:
  
*'''Frequency Division Duplex'''&nbsp; (FDD), und<br>
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*'''Frequency Division Duplex'''&nbsp; (FDD), and<br>
*'''Time Division Duplex'''&nbsp; (TDD) .<br><br>
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*'''Time Division Duplex'''&nbsp; (TDD) .<br><br>
  
Solche Duplexverfahren sind erforderlich, damit Uplink und Downlink klar voneinander getrennt sind und die Übertragung reibungslos funktioniert. Die Grafik illustriert den Unterschied zwischen FDD&ndash; und TDD&ndash;basierter Übertragung.<br>
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Such duplexing is necessary to ensure that uplink and downlink are clearly separated from each other and that transmission runs smoothly. The diagram illustrates the difference between FDD&ndash; and TDD&ndash;based transmission.<br>.
  
Mit Hilfe der Methoden FDD und TDD kann LTE sowohl in gepaarten, als auch in ungepaarten Frequenzbereichen betrieben werden.
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Using the FDD and TDD methods, LTE can be operated in paired and unpaired frequency ranges.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Die beiden Verfahren stellen gewissermaßen einen Gegensatz dar:
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The two methods are present opposing requirements:
*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.<br>
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*FDD requires a paired spectrum, i.e. one frequency band for transmission from the base station to the terminal (downlink) and one for transmission in the opposite direction (uplink). Downlink and uplink can be used at the same time.<br>
  
*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.<br><br>
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*TDD was designed for unpaired spectra. Now only one band is needed for uplink and downlink. However, transmitter and receiver must now alternate during transmission. The main problem of TDD is the required synchronicity of the networks.<br><br>
  
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.<br>
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In the graphic above the differences between FDD and TDD can be seen. In TDD a ''Guard Period'' has to be inserted when changing from downlink to uplink (or vice versa) to avoid an overlapping of the signals.<br>
  
Obwohl FDD in der Praxis voraussichtlich stärker genutzt werden wird (und die FDD&ndash;Frequenzen für die Provider auch sehr viel teurer waren), gibt es durchaus auch einige Gründe, die für TDD sprechen:
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Although FDD is likely to be used more in practice (and FDD&ndash;frequencies were also much more expensive for the providers), there are several reasons for TDD:
*Frequenzen sind &ndash; wie sich bei der Versteigerung 2010 wieder gezeigt hat &ndash; ein rares und teures Gut. TDD benötigt aber nur die halbe Frequenzbandbreite.<br>
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*Frequencies are a rare and expensive commodity, as the 2010 auction has shown. But TDD needs only half of the frequency bandwidth.<br>
  
*Die TDD&ndash;Technik ermöglicht verschiedene Modi, die festlegen, wie viel Zeit für Downlink bzw. Uplink verwendet werden soll und kann so auf individuelle Anforderungen abgestimmt werden.<br><br>
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*The TDD technique allows different modes, which determine how much time should be used for downlink or uplink and can be adjusted to individual requirements.<br><br>
  
Für die eigentliche Neuerung, das '''Halb&ndash;Duplex&ndash;Verfahren''', benötigt man zwar wie bei FDD auch ein gepaartes Spektrum (siehe zweite Grafik):
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For the actual innovation, the '''Half&ndash;Duplex&ndash;Method''', you need a paired spectrum as with FDD (see second graphic):
[[File:P ID2276 Mob T 4 2 S4b v1.png|right|frame|Übertragungsschema bei Halb–Duplex|class=fit]]  
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[[File:P ID2276 Mob T 4 2 S4b v1.png|right|frame|Transmission scheme for half-duplex|class=fit]]  
*Sender und Empfänger der Basisstation wechseln sich aber trotzdem wie bei TDD abJedes Endgerät kann gleichzeitig entweder nur Senden oder nur Empfangen.<br>
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*Base station transmitter and receiver still alternate like TDD.  Each terminal device can either transmit or receive at a given time.
*Durch eine zweite Verbindung zu einem anderen Endgerät mit vertauschtem Downlink/Uplink&ndash;Raster kann trotzdem das gesamte zur Verfügung stehende Band voll genutzt werden.<br>
+
*Through a second connection to another end device with swapped downlink/uplink&ndash;raster, the entire available bandwidth can still be fully used.<br>
  
*Der wesentliche Vorteil des Halb&ndash;Duplex&ndash;Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung des TDD&ndash;Konzepts die Anforderungen an die Endgeräte sinken und sich diese somit billiger produzieren lassen.<br><br>
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*The main advantage of the half&ndash;duplex&ndash;process is that the use of the TDD&ndash;concept reduces the demands on the end devices and thus allows them to be produced at a lower cost.<br><br>
  
Dass dieser Aspekt bei der Standardisierung große Bedeutung hatte, lässt sich auch an der Verwendung von OFDMA im Downlink und von SC&ndash;FDMA im Uplink erkennen:  
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The fact that this aspect was of great importance in the standardization can also be seen in the use of OFDMA in the downlink and of SC&ndash;FDMA in the uplink:  
*Dadurch erreicht man eine längere Batterielaufzeit der Endgeräte und es können günstigere Bauteile verwendet werden.  
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*This results in a longer battery life of the end devices and allows the use of cheaper components.  
*Mehr dazu finden Sie im Kapitel&nbsp; [[Mobile_Communications/Die_Anwendung_von_OFDMA_und_SC-FDMA_in_LTE|Die Anwendung von OFDMA und SC-FDMA in LTE]].
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*More about this can be found in chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/The_Application_of_OFDMA_and_SC-FDMA_in_LTE | The Application of OFDMA and SC-FDMA in LTE]].
  
== Mehrantennensysteme==
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== Multiple Antenna Systems==
 
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Verwendet ein Funksystem mehrere Sende&ndash; und Empfangsantennen, so spricht man von&nbsp; '''Multiple Input Multiple Output'''&nbsp; (MIMO). Dabei handelt es sich nicht um eine LTE&ndash;spezifische Entwicklung. So nutzt beispielweise auch WLAN diese Technologie.  
+
If a radio system uses several transmitting and receiving antennas, one speaks of&nbsp; '''Multiple Input Multiple Output'''&nbsp; (MIMO). This is not an LTE&ndash;specific development. WLAN, for example, also uses this technology.  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Das Prinzip der Mehrantennensysteme wird in der folgenden Grafik am Beispiel von 2&times;2&ndash;MIMO (zwei Sende&ndash; und zwei Empfangsantennen) verdeutlicht.<br>
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$\text{Example 1:}$&nbsp; The principle of multi-antenna systems is illustrated in the following figure using the example of 2&times;2&ndash;MIMO (two transmitting and two receiving antennas).<br>
  
[[File:EN_Mob_T_4_2_S3b.png|right|frame|Der Unterschied zwischen SISO und MIMO|class=fit]]
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[[File:EN_Mob_T_4_2_S3b.png|right|frame|The difference between SISO and MIMO|class=fit]]
Das Neue an LTE ist nicht die eigentliche  Nutzung von&nbsp; <i>Multiple Input Multiple Output</i>, sondern die besonders intensive, nämlich 2&times;2&ndash;MIMO im Uplink und maximal 4&times;4&ndash;MIMO im Downlink.  
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The new thing about LTE is not the actual use of&nbsp; <i>Multiple Input Multiple Output</i>, but the particularly intensive one, namely 2&times;2&ndash;MIMO in the uplink and maximum 4&times;4&ndash;MIMO in the downlink.  
  
Beim Nachfolger&nbsp; [[Mobile_Communications/LTE%E2%80%93Advanced_%E2%80%93_eine_Weiterentwicklung_von_LTE|LTE&ndash;Advanced]]&nbsp; ist die Nutzung von MIMO noch ausgeprägter, nämlich  &bdquo;4&times;4&rdquo; im Uplink und &bdquo;8&times;8&rdquo; in Gegenrichtung.}}
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In the successor&nbsp; [[Mobile_Communications/LTE%E2%80%93Advanced_%E2%80%93_a_Further_Development_of_LTE|LTE&ndash;Advanced]]&nbsp; the use of MIMO is even more pronounced, namely "4&times;4" in the uplink and "8&times;8" in the opposite direction.}}
  
  
Ein MIMO&ndash;System weist gegenüber&nbsp; ''Single Input Single Output''&nbsp; (SISO, nur eine Sende&ndash; und eine Empfangsantennen) Vorteile auf. Man unterscheidet je nach Kanal zwischen mehreren Gewinnen:
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A MIMO&ndash;system has advantages compared to&nbsp; ''Single Input Single Output''&nbsp; (SISO, only one transmitting and one receiving antenna). A distinction is made between several gains depending on the channel:
*<b>Leistungsgewinn</b>&nbsp; gemäß der Anzahl an Empfangsantennen: &nbsp; <br>Kombiniert man die über mehrere Antennen  eintreffenden Funksignale in geeigneter Weise&nbsp; (englisch: &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Maximal-ratio_combining 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.<br>
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*<b>power gain</b>&nbsp; according to the number of receiving antennas: &nbsp; <br>If the radio signals arriving via several antennas are combined in a suitable way&nbsp; ([https://en.wikipedia.org/wiki/Maximal-ratio_combining Maximal-ratio Combining]), the reception power is increased and the radio connection is improved. By doubling the antennas, a power gain of maximum 3 dB.<br> is achieved.
  
*<b>Diversitätsgewinn</b> durch Raumdiversität (englisch: &nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_diversity Spatial Diversity]): &nbsp; <br>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.<br>
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*<b>Diversity gain</b> through spatial diversity (&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_diversity Spatial Diversity]): If several spatially separated receiving antennas are used in an environment with strong multipath propagation, the fading at the individual antennas is mostly independent from each other and the probability that all antennas are affected by fading at the same time is very low.<br>
  
*<b>Datenratengewinn</b>: &nbsp; <br>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.<br><br>
+
*<b>Data rate gain</b>: &nbsp; <br> This increases the efficiency of MIMO, especially in an environment with increased multipath propagation, especially when transmitter and receiver do not have a direct line of sight and the transmission is done via reflections. Tripling the number of antennas for the transmitter and receiver results in approximately twice the data rate.<br><br>
  
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.<br>
+
However, it is not possible for all advantages to occur simultaneously. Depending on the nature of the channel, it can also happen that one does not even have the choice of which advantage one wants to use.<br>
  
Neben den MIMO-Systemen gibt es auch noch folgende Zwischenstufen:
+
In addition to the MIMO systems there are also the following intermediate stages:
*MISO&ndash;Systeme&nbsp; (nur eine Empfangsantenne, somit ist kein Leistungsgewinn möglich), und<br>
+
*MISO&ndash;Systems&nbsp; (only one receiving antenna, therefore no power gain is possible), and<br>
  
*SIMO&ndash;Systeme&nbsp; (nur eine Sendeantenne, nur kleiner Diversitätsgewinn).<br>
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*SIMO&ndash;Systems&nbsp; (only one transmitting antenna, only small diversity gain).<br>
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Der Begriff &bdquo;MIMO&rdquo; 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.<br>
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$\text{Example 2:}$&nbsp; The term "MIMO" summarizes multi-antenna techniques with different properties, each of which can be useful in certain situations. The following description is based on the four diagrams shown here.<br>
  
[[File:EN_Mob_T_4_2_S5b.png|center|frame|Vier Mehrantennenverfahren mit unterschiedlichen Eigenschaften|class=fit]]
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[[File:EN_Mob_T_4_2_S5b.png|center|frame|Four multi-antenna procedures with different properties|class=fit]]
  
*Werden die weitgehend unabhängigen Kanäle eines MIMO&ndash;Systems einem einzigen Teilnehmer zugeteilt (Schaubild oben links), so spricht man von&nbsp; '''Single&ndash;User MIMO'''. Durch 2&times;2&ndash;MIMO verdoppelt sich die Datenrate gegenüber dem SISO&ndash;Betrieb und mit jeweils vier Sende&ndash; und Empfangsantennen kann die Datenrate bei guten Kanalbedingungen nochmals verdoppelt werden.<br>
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*If the mostly independent channels of a MIMO&ndash;system are assigned to a single user (top left diagram), one speaks of&nbsp; '''Single&ndash;User MIMO''. With 2&times;2&ndash;MIMO, the data rate is doubled compared to SISO&ndash;operation and with four transmit&ndash each; and receiving antennas, the data rate can be doubled again under good channel conditions.<br>
  
::LTE ermöglicht maximal 4&times;4&ndash;MIMO allerdings  nur im Downlink. Als Empfänger (Endgeräte) kommen bei 4&times;4&ndash;MIMO aufgrund der Komplexität von Mehrantennensystemen nur Laptops mit LTE&ndash;Modems in Frage. Bei einem Handy beschränkt man sich grundsätzlich auf 2&times;2&ndash;MIMO.<br>
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::LTE allows maximum 4&times;4&ndash;MIMO but only in the downlink. Due to the complexity of multi-antenna systems, only laptops with LTE&ndash;modems can be used as receivers (end devices) for 4&times;4&ndash;MIMO. For a cell phone, the use of 2&times;2&ndash;MIMO is generally limited to 2&times;2&ndash;MIMO.
  
*Im Gegensatz zum Single&ndash;User MIMO ist das Ziel beim&nbsp; '''Multi&ndash;User MIMO'''&nbsp; 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.<br>
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*Contrary to Single&ndash;User MIMO, the goal with the&nbsp; '''Multi&ndash;User MIMO'''&nbsp; is not the maximum data rate for a receiver, but the maximization of the number of end devices that can use the network simultaneously (top right diagram). This involves transmitting different data streams to different users. This is particularly useful in places with high demand, such as airports or soccer stadiums.<br>
  
*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&nbsp; '''Beamforming'''&nbsp; (Schaubild unten links), wodurch auch die Reichweite einer Sendestation erhöht wird.<br>
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*Multi-antenna operation is not only used to maximize the number of users or data rate, but in the event of poor transmission conditions, multiple antennas can also combine their power to transmit data to a single user to improve the quality of reception. One then speaks of&nbsp; '''Beamforming''' &nbsp; (diagram below left), which also increases the range of a transmitting station.<br>
  
*Die vierte Möglichkeit ist&nbsp; '''Antennendiversität'''&nbsp; (Schaubild unten rechts). Dadurch erhöht man die Redundanz (hinsichtlich Systemauslegung) und macht die Übertragung robuster gegenüber Störungen. Ein einfaches Beispiel: &nbsp; Es gibt vier Kanäle, die alle die gleichen Daten übertragen. Fällt ein Kanal aus, so sind immer noch drei Kanäle für den Informationstransport  vorhanden.}}
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*The fourth possibility is&nbsp; '''antenna diversity''' &nbsp; (diagram below right). This increases the redundancy (regarding system design) and makes the transmission more robust against interferences. A simple example: &nbsp; There are four channels that all transmit the same data. If one channel fails, there are still three channels for information transport.}}
  
  

Revision as of 21:36, 17 October 2020

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]

(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:

  • 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.
  • 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:

  • 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.
  • 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][2], 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][3]  – 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][3]

FDD, TDD and half duplex method


transmission scheme for FDD (top) or TDD (bottom)

Another important innovation of LTE is the half–duplex–procedure, which is a mixture of the two already known from UMTS  Duplex Procedure :

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

Such duplexing is necessary to ensure that uplink and downlink are clearly separated from each other and that transmission runs smoothly. The diagram illustrates the difference between FDD– and TDD–based transmission.
.

Using the FDD and TDD methods, LTE can be operated in paired and unpaired frequency ranges.
The two methods are present opposing requirements:

  • FDD requires a paired spectrum, i.e. one frequency band for transmission from the base station to the terminal (downlink) and one for transmission in the opposite direction (uplink). Downlink and uplink can be used at the same time.
  • TDD was designed for unpaired spectra. Now only one band is needed for uplink and downlink. However, transmitter and receiver must now alternate during transmission. The main problem of TDD is the required synchronicity of the networks.

In the graphic above the differences between FDD and TDD can be seen. In TDD a Guard Period has to be inserted when changing from downlink to uplink (or vice versa) to avoid an overlapping of the signals.

Although FDD is likely to be used more in practice (and FDD–frequencies were also much more expensive for the providers), there are several reasons for TDD:

  • Frequencies are a rare and expensive commodity, as the 2010 auction has shown. But TDD needs only half of the frequency bandwidth.
  • The TDD technique allows different modes, which determine how much time should be used for downlink or uplink and can be adjusted to individual requirements.

For the actual innovation, the Half–Duplex–Method, you need a paired spectrum as with FDD (see second graphic):

Transmission scheme for half-duplex
  • Base station transmitter and receiver still alternate like TDD. Each terminal device can either transmit or receive at a given time.
  • Through a second connection to another end device with swapped downlink/uplink–raster, the entire available bandwidth can still be fully used.
  • The main advantage of the half–duplex–process is that the use of the TDD–concept reduces the demands on the end devices and thus allows them to be produced at a lower cost.

The fact that this aspect was of great importance in the standardization can also be seen in the use of OFDMA in the downlink and of SC–FDMA in the uplink:

Multiple Antenna Systems


If a radio system uses several transmitting and receiving antennas, one speaks of  Multiple Input Multiple Output  (MIMO). This is not an LTE–specific development. WLAN, for example, also uses this technology.

$\text{Example 1:}$  The principle of multi-antenna systems is illustrated in the following figure using the example of 2×2–MIMO (two transmitting and two receiving antennas).

The difference between SISO and MIMO

The new thing about LTE is not the actual use of  Multiple Input Multiple Output, but the particularly intensive one, namely 2×2–MIMO in the uplink and maximum 4×4–MIMO in the downlink.

In the successor  LTE–Advanced  the use of MIMO is even more pronounced, namely "4×4" in the uplink and "8×8" in the opposite direction.


A MIMO–system has advantages compared to  Single Input Single Output  (SISO, only one transmitting and one receiving antenna). A distinction is made between several gains depending on the channel:

  • power gain  according to the number of receiving antennas:  
    If the radio signals arriving via several antennas are combined in a suitable way  (Maximal-ratio Combining), the reception power is increased and the radio connection is improved. By doubling the antennas, a power gain of maximum 3 dB.
    is achieved.
  • Diversity gain through spatial diversity (  Spatial Diversity): If several spatially separated receiving antennas are used in an environment with strong multipath propagation, the fading at the individual antennas is mostly independent from each other and the probability that all antennas are affected by fading at the same time is very low.
  • Data rate gain:  
    This increases the efficiency of MIMO, especially in an environment with increased multipath propagation, especially when transmitter and receiver do not have a direct line of sight and the transmission is done via reflections. Tripling the number of antennas for the transmitter and receiver results in approximately twice the data rate.

However, it is not possible for all advantages to occur simultaneously. Depending on the nature of the channel, it can also happen that one does not even have the choice of which advantage one wants to use.

In addition to the MIMO systems there are also the following intermediate stages:

  • MISO–Systems  (only one receiving antenna, therefore no power gain is possible), and
  • SIMO–Systems  (only one transmitting antenna, only small diversity gain).


$\text{Example 2:}$  The term "MIMO" summarizes multi-antenna techniques with different properties, each of which can be useful in certain situations. The following description is based on the four diagrams shown here.

Four multi-antenna procedures with different properties
  • If the mostly independent channels of a MIMO–system are assigned to a single user (top left diagram), one speaks of  'Single–User MIMO. With 2×2–MIMO, the data rate is doubled compared to SISO–operation and with four transmit&ndash each; and receiving antennas, the data rate can be doubled again under good channel conditions.
LTE allows maximum 4×4–MIMO but only in the downlink. Due to the complexity of multi-antenna systems, only laptops with LTE–modems can be used as receivers (end devices) for 4×4–MIMO. For a cell phone, the use of 2×2–MIMO is generally limited to 2×2–MIMO.
  • Contrary to Single–User MIMO, the goal with the  Multi–User MIMO  is not the maximum data rate for a receiver, but the maximization of the number of end devices that can use the network simultaneously (top right diagram). This involves transmitting different data streams to different users. This is particularly useful in places with high demand, such as airports or soccer stadiums.
  • Multi-antenna operation is not only used to maximize the number of users or data rate, but in the event of poor transmission conditions, multiple antennas can also combine their power to transmit data to a single user to improve the quality of reception. One then speaks of  Beamforming   (diagram below left), which also increases the range of a transmitting station.
  • The fourth possibility is  antenna diversity   (diagram below right). This increases the redundancy (regarding system design) and makes the transmission more robust against interferences. A simple example:   There are four channels that all transmit the same data. If one channel fails, there are still three channels for information transport.


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),

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][4]  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

Aufgabe 4.2Z: MIMO–Anwendungen bei LTE

Quellenverzeichnis

  1. Gutt, E.: LTE - a new dimension of mobile broadband use. PDF document on the Internet, 2010.
  2. Meyer, M.: Siebenmeilenfunk. c't 2010, issue 25, 2010.
  3. 3.0 3.1 Gessner, C.: UMTS Long Term Evolution (LTE): Technology Introduction. Rohde&Schwarz, 2008.
  4. Fujitsu Network Communications Inc.: 4G Impacts to Mobile Backhaul. PDF–Internetdokument.