Mobile Kommunikation/Bitübertragungsschicht bei LTE

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Allgemeine Beschreibung

Die physikalische Schicht (englisch: Physical Layer) ist die unterste Schicht im OSI–Schichtenmodell der Internationalen Organisation für Normung (ISO), die man auch als Bitübertragungsschicht bezeichnet. Sie beschreibt die physikalische Übertragung der Bitfolgen bei LTE und die Funktionsweise der verschiedenen Kanäle gemäß der 3GPP–Spezifikation. Alle Spezifikationen sind dabei sowohl für Frequency Division Duplex (FDD) als auch für Time Division Duplex (TDD) gültig.

Protokollarchitektur bei LTE

Die Grafik zeigt die drei Schichten der LTE–Protokollarchitektur. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten findet über drei verschiedene Arten von Kanälen statt:

• Logische Kanäle,
  
• Transportkanäle,
  
• Physikalische Kanäle.
  
  

In diesem Kapitel geht es hauptsächlich um die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger in der untersten, rot hervorgehobenen physikalischen Schicht. Grundsätzlich ist anzumerken:

• Genau wie das Internet verwendet LTE ausschließlich eine paketbasierte Übertragung, ohne einem einzelnen Nutzer spezifisch Ressourcen zuzuweisen.
  

• Das Design der LTE–Bitübertragungsschicht wird demzufolge durch das Prinzip der dynamisch zugewiesenen Netzressourcen geprägt.
  

• Die Bitübertragungsschicht spielt eine Schlüsselrolle bei der effizienten Zuordnung und Ausnutzung der vorhandenen Systemressourcen.
  

Entsprechend dieser Grafik kommuniziert die physikalische Schicht mit

• dem Block Medium Access Control  (MAC) und tauscht dabei über sogenannte Transportkanäle Informationen über die Benutzer und die Regelung bzw. Kontrolle des Netzes aus,
  

• dem Block Radio Resource Control  (RRC), wobei hier laufend Kontrollbefehle und Messungen ausgetauscht werden, um die Übertragung an die Kanalqualität anzupassen.
  
  

Die Komplexität der LTE–Übertragung soll durch die folgende Grafik angedeutet werden, die direkt vom European Telecommunications Standards Institute  (ETSI) übernommen wurde. Sie zeigt die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten (Kanälen) und gilt ausschließlich für den Downlink.

Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten im LTE-Downlink

• Auf den nächsten Seiten werden die physikalische Schicht und die physikalischen Kanäle etwas genauer betrachtet, wobei wir zwischen Uplink und Downlink unterscheiden, uns aber nur auf das Wesentliche beschränken.

• In Wirklichkeit übernehmen die einzelnen Kanäle noch eine Reihe weiterer Funktionen, deren Beschreibung aber den Umfang dieses Tutorials sprengen würde.

• Wer interessiert ist, findet zum Beispiel eine detaillierte Beschreibung in [HT09].

Physikalische Kanäle im Uplink

LTE verwendet im Uplink – Übertragung vom Endgerät zur Basisstation – das Vielfachzugriffsverfahren SC–FDMA. Dementsprechend existieren in der 3GPP–Spezifikation folgende physikalische Kanäle:

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

Die Nutzdaten werden im physikalischen Kanal PUSCH übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit hängt davon ab, wie viel Bandbreite dem jeweiligen Nutzer in diesem Moment zur Verfügung steht. Die Übertragung basiert auf dynamisch zugeordneten Ressourcen in Zeit– und Frequenzbereich mit einer Auflösung von einer Millisekunde bzw. 180 kHz. Diese Zuordnung wird durch den Scheduler in der Basisstation (eNodeB ) vorgenommen. Ohne Anweisung der Basisstation kann ein Endgerät keinerlei Daten übertragen.

Die Ausnahme bildet dabei die Verwendung des physikalischen Kanals PRACH, dem einzigen Kanal im LTE–Uplink mit nicht–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 Cyclic Prefix und einer Signatur auf dem PRACH werden Endgerät und Basisstation synchronisiert und sind damit bereit für weitere Übertragungen.

Der dritte Uplink–Kanal PUCCH wird ausschließlich zur Übertragung von Kontrollsignalen verwendet. Darunter versteht man

• positive und negative Empfangsbestätigungen (ACK/NACK),
  

• Anfragen nach wiederholter Übertragung (im Falle eines NACK), sowie
  

• den Austausch von Informationen über die Kanalqualität zwischen Endgerät und Basisstation.
  
  

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.

Eine gleichzeitige Verwendung von PUSCH und PUCCH ist aufgrund von Einschränkungen durch das Einträger–Übertragungsverfahren SC–FDMA nicht möglich. Hätte man für alle Kontrollinformationen nur einen Shared Channel gewählt, so hätte man sich entscheiden müssen zwischen

• zwischenzeitlichen Problemen bei der Nutzdatenübertragung, oder
  

• dauerhaft zu wenige Ressourcen für die Kontrollinformationen.
  
  

Die Informationen über die Kanalqualität werden mit Hilfe sogenannter Referenzsymbole gewonnen. Als Indikatoren für die Kanalqualität werden diese Informationen dann versendet

• zum Channel Quality Indicator (CQI), und
  

• zum Rank Indicator (RI).
  
  

Eine detaillierte Erklärung zur Qualitätsgewährleistung findet sich zum Beispiel in [HR09]. und [HT09].

$\text{Beispiel 1:}$  Die Referenzsymbole bzw. Kanalqualitätsinformationen sind im PUSCH entsprechend folgender Grafik verteilt.

Verteilung von Referenzsymbolen und Nutzdaten im PUSCH

Diese beschreibt die Anordnung der Nutzinformatiom und der Signalisierungsdaten in einem „virtuellen” Unterträger.

• Virtuell deshalb, weil es ja bei SC–FDMA keine Unterträger wie bei OFDMA gibt.
  

• Die Referenzsymbole sind notwendig, um die Kanalqualität zu schätzen.
  

• Auch diese Informationen werden dann als Channel Quality Indicator (CQI) bzw. als Rank Indicator (RI) über den PUSCH übertragen.

Physikalische Kanäle im Downlink

Im Gegensatz zum Uplink verwendet LTE im Downlink – also bei der Übertragung von der Basisstation zum Endgerät – das Vielfachzugriffsverfahren OFDMA. Entsprechend wurden vom 3GPP–Konsortium hierfür folgende physikalische Kanäle spezifiziert:

• 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).
  
  

Die Nutzdaten werden über den PDSCH übertragen. Die Ressourcenzuweisung geschieht sowohl im Zeitbereich (mit einer Auflösung von einer Millisekunde) als auch im Frequenzbereich (Auflösung: 180 kHz). Aufgrund der Verwendung von OFDMA als Übertragungsverfahren hängt die individuelle Geschwindigkeit jedes Nutzers von der Anzahl der zugewiesenen Ressourcenblöcke (à 180 kHz) ab. Ein eNodeB vergibt die Ressourcen bezogen auf die Kanalqualität jedes einzelnen Nutzers.

Im PDCCH sind alle Informationen bezüglich der Zuweisung von Ressourcenblöcken bzw. Bandbreite sowohl für den Uplink als auch für den Downlink enthalten. Ein Endgerät erhält dadurch Informationen, wie viele Ressourcen zur Verfügung stehen.

Aufteilung zwischen PDCCH und PDSCH im LTE-Downlink

Die Grafik zeigt beispielhaft die Aufteilung zwischen den Kanälen PDCCH und PDSCH:

• Der PDCCH kann pro Subframe bis zu vier Symbole belegen (in der Grafik: zwei).
  
• Somit verbleiben für die Nutzdaten (also für den Kanal PDSCH) zwölf Zeitschlitze.

Über den Kanal PCFICH wird dem Endgerät mitgeteilt, wie viele Symbole den Kontrollinformationen des PDCCH zuzuordnen sind. Sinn dieser dynamischen Aufteilung zwischen Kontroll– und Nutzdaten ist folgender:

• Einerseits können auf diese Weise viele Nutzer mit jeweils nur geringer Datenrate unterstützt werden. Dieses Szenario benötigt eine größere Abstimmung, das heißt, in diesem Fall müsste der PDCCH drei oder vier Symbole umfassen.
  

• Andererseits kann man den durch PDCCH bedingten Overhead reduzieren, indem bei nur wenigen gleichzeitigen Nutzern diesen eine hohe Datenrate zugewiesen wird.

Verteilung der Referenzsymbole im Downlink

Über den PDCCH hinaus werden auch im Downlink Referenzsymbole benötigt, um die Kanalqualität zu schätzen und den Channel Quality Indicator (CQI) zu berechnen. Diese Referenzsymbole sind auf die Unterträger (verschiedene Frequenzen) bzw. Symbole (unterschiedliche Zeiten) verteilt, wie die nebenstehende Grafik zeigt.
Zu den anderen physikalischen Kanäle des LTE–Downlinks ist anzumerken:

• Die einzige Aufgabe des Downlink–Kanals PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel ) ist es zu signalisieren, ob ein im Uplink verschicktes Paket angekommen ist.
  

• Über den Broadcast–Kanal PBCH (Physical Broadcast Channel ) 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.
  

• Einen ähnlichen Zweck hat der Multicast–Kanal PMCH (Physical Multicast Channel ), worüber Informationen für sogenannte Multicast–Übertragungen – zu mehreren Empfängern gleichzeitig – gesendet werden. Es kann sich dabei zum Beispiel um das in einem zukünftigen Release geplanten mobilen Fernsehen via LTE oder um Ähnliches handeln.
  

Abläufe in der physikalischen Ebene

Unter „Abläufen in der physikalischen Ebene” versteht man verschiedene Methoden und Verfahren, die in der Bitübertragungsschicht Anwendung finden. Darunter fallen unter anderem:

• Timing Advance,
  

• Paging,
  

• Random Access,
  

• Channel Feedback Reporting,
  

• Power Control,
  

• Hybrid Adaptive Repeat and Request.
  
  

Eine komplette Auflistung mit zugehöriger Beschreibung findet sich zum Beispiel in [HT09]. Genauer eingegangen werden soll nur auf die beiden letztgenannten Verfahren .

Leistungsregelung bei LTE

Unter Leistungsregelung (englisch: Power Control ) versteht man im Allgemeinen die Regelung der Übertragungsleistung mit dem Ziel,

• die Übertragungsqualität zu verbessern,
  

• die Netzkapazität zu vergrößern, und
  

• den Stromverbrauch zu verringern.
  
  

Hinsichtlich des letzten Punktes war bei der Standardisierung von LTE zu berücksichtigen:

• Einerseits sollte der Stromverbrauch in den Endgeräten minimiert werden, um für diese längere Batterielaufzeiten zu gewährleisten.
  

• Andererseits sollte verhindert werden, dass die Basisstationen eine zu große Leistungsspanne bereithalten müssen.
  
  

Bei LTE wird Power Control nur im Uplink angewandt, wobei es sich eher um eine „langsame” Leistungsregelung handelt. Damit ist gemeint, dass das in LTE spezifizierte Verfahren nicht so schnell reagieren muss wie beispielsweise bei UMTS (W–CDMA ). Der Grund ist, dass durch Verwendung des orthogonalen Trägersystems „SC–FMDA” das sogenannte Near–Far–Problem nicht existiert.

• Genau genommen wird bei LTE durch Power Control  nicht die absolute Leistung kontrolliert, sondern die spektrale Leistungsdichte, also die Leistung pro Bandbreite.
  

• Anstatt zu versuchen, Leistungsspitzen durch zeitweiliges Reduzieren der Übertragungsleistung zu glätten, können Leistungsspitzen auch zur kurzzeitigen Erhöhung der Datenrate ausgenutzt werden.
  
  

Insgesamt soll durch die LTE–Leistungsregelung die optimale Balance gefunden werden zwischen einer möglichst geringen Leistung und gleichzeitig einer für die Übertragungsqualität (QoS) noch akzeptablen Interferenz. Dies wird konkret erreicht durch Abschätzen des Verlustes bei der Übertragung sowie durch die Berechnung eines Korrekturfaktors entsprechend den momentanen Standorteigenschaften. Die hier gemachten Aussagen stammen großteils aus [DFJ08].

Hybrid Adaptive Repeat and Request

Jedes Kommunikationssystem benötigt zur Sicherstellung einer ausreichenden Übertragungsqualität ein Schema zur erneuten Übertragung verloren gegangener Daten aufgrund auftretender Übertragungsfehler. In LTE wurde hierfür Hybrid Adaptive Repeat and Request (HARQ) spezifiziert. Dieses Verfahren wird auch bei UMTS in ähnlicher Form eingesetzt.

Der auf der Stop–and–wait–Technik basierende Ablauf ist Folgender:

• Nachdem ein Endgerät ein Paket von der Basisstation erhalten hat, wird es decodiert und es wird ein Feedback über den PUCCH gesendet.
  

• Im Falle einer fehlgeschlagenen Übertragung („NACK”) wird das Paket erneut gesendet. Erst wenn die Übertragung erfolgreich war (Feedback: „ACK”), wird das nächste Paket verschickt.
  
  

Um trotz der Stop–and–wait–Prozedur eine kontinuierliche Datenübertragung zu gewährleisten, benötigt LTE mehrere gleichzeitige HARQ–Prozesse. In LTE werden sowohl im Uplink als auch im Downlink jeweils acht parallele Prozesse verwendet.

$\text{Beispiel 2:}$  Die Grafik verdeutlicht die Funktionsweise bei acht gleichzeitigen HARQ–Prozessen: Der erste Prozess scheitert in diesem Beispiel im ersten Versuch bei der Übertragung von Paket 1. Der Empfänger teilt dieses „Fail” dem Sender durch ein „NACK” mit. Dagegen ist der zweite parallel ablaufende Prozess mit seinem ersten Paket erfolgreich: „Pass”.

HARQ in LTE mit acht gleichzeitigen Prozessen

• Im nächsten Schritt (also nachdem die anderen sieben HARQ–Prozesse gesendet haben) sendet der erste HARQ aufgrund der Quittierung „NACK” sein zuletzt verschicktes Paket nochmals.
  

• Der zweite Prozess sendet hingegen aufgrund der Quittierung „ACK” nun ein neues Paket.
  
  

Ebenso verfahren die anderen Prozesse, die in diesem Beispiel außer Acht gelassen wurden.

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 bzw. je nach 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] 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], [WGM07] und [MG08] 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], deren Effektivität allerdings nur über praktische Tests überprüft werden kann. Eine ausführliche Beschreibung solcher Tests findet sich beispielsweise in [MG08].
  

• 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].

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

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 4.4: Zur Modulation bei LTE

Zusatzaufgabe 4.4Z: Physikalische Kanäle bei LTE