Mobile Kommunikation/Technische Neuerungen von LTE

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Zur Sprachübertragung bei LTE

Anders als die bisherigen Mobilfunkstandards unterstützt LTE nur eine paketorientierte Übertragung. Für die Sprachübertragung wäre jedoch eine verbindungsorientierte Übertragung mit fester Reservierung der Ressourcen besser, da eine „gestückelte Übertragung” – wie es beim paketorientierten Verfahren der Fall ist – relativ kompliziert ist.

Das Problem der Einbindung von Sprachübertragungsverfahren war eine der großen Herausforderungen bei der Entwicklung von LTE, denn die Sprachübertragung ist für die Netzbetreiber weiterhin die größte Einnahmequelle. Es gab einige Ansätze, wie dem Internet–Artikel Gutt, E.: LTE – eine neue Dimension mobiler Breitbandnutzung. PDF-Dokument im Internet, 2010. entnommen werden kann.

1  Eine sehr einfache und nahe liegende Methode ist Circuit Switched Fallback (CSFB). Hier wird für die Sprachübertragung eine leitungsgebundene Übertragung verwendet. Das Prinzip ist:

• Das Endgerät meldet sich im LTE–Netz an und parallel dazu auch noch in einem GSM– oder UMTS–Netz. Bei eingehendem Anruf erhält das Endgerät von der Mobile Management Entity (MME, Kontrollknoten im LTE–Netz zur Nutzer–Authentifizierung) eine Nachricht, woraufhin eine leitungsgebundene Übertragung über das GSM– oder das UMTS–Netz aufgebaut wird.

Ein Nachteil dieser Lösung (eigentlich ist es eine „Problemverschleierung”) ist der stark verzögerte Verbindungsaufbau. Außerdem verhindert CSFB die komplette Umstellung des Netzes auf LTE.

2  Eine weitere Möglichkeit zur Integration von Sprache in ein paketorientes Übertragungssystem bietet Voice over LTE via GAN (VoLGA), die auf der von 3GPP entwickelten GAN-Technologie (Generic Access Network) basiert. In aller Kürze lässt sich das Prinzip wie folgt darstellen:

• GAN ermöglicht leitungsbezogene Dienste über ein paketorientiertes Netzwerk (IP–Netzwerk), beispielsweise WLAN (Wireless Local Area Network). Mit kompatiblen Endgeräten kann man sich so im GSM–Netz über eine WLAN–Verbindung registrieren lassen und leitungsbasierte Dienste nutzen. VoLGA nutzt diese Funktionalität, in dem es WLAN durch LTE ersetzt.
  
• Vorteilhaft ist die schnelle Implementierung von VoLGA, da keine langwierige Neuentwicklung und keine Änderungen am Kernnetz notwendig sind. Allerdings muss dem Netz als Hardware ein sogenannter VoLGA Access Network Controller (VANC) hinzugefügt werden. Dieser sorgt für die Kommunikation zwischen Endgerät und Mobile Management Entity bzw. dem Kernnetz.
  
  

Auch wenn VoLGA für Sprachverbindungen nicht auf ein GSM– oder UMTS–Netz zurückgreifen muss wie CSFB, wurde es auf Grund ihrer Benutzerunfreundlichkeit vom Großteil der Mobilfunkgemeinde auch nur als (unbefriedigende) Brückentechnologie betrachtet. T–Mobile war lange ein Verfechter der VoLGA–Technologie, beendete im Februar 2011 jedoch ebenfalls die weitere Entwicklung.

Auf der nächsten Seite beschreiben wir einen besseren Lösungsvorschlag. Stichworte sind IP Multimedia Subsystem (IMS) sowie Voice over LTE (VoLTE). Die Betreiber in Deutschland haben relativ spät auf diese Technologie umgestellt: Vodafone und O2 Telefonica Anfang 2015, die Telekom Anfang 2016. Dies ist auch der Grund dafür, dass der Umstieg auf LTE in Deutschland (und in Europa allgemein) schleppender verlief als in den USA. Viele Kunden wollten nicht die höheren Preise für LTE zahlen, so lange es keine gut funktionierende Lösung für die Integration der Sprachübertragung gab.

VoLTE – Voice over LTE

Der aus heutiger Sicht (2016) erfolgversprechendste, teilweise bereits etablierte Ansatz zur Integration der Sprachdienste in das LTE–Netz ist Voice over LTE – kurz: VoLTE. Dieser offiziell von der GSMA – die weltweite Industrievereinigung von mehr als 800 Mobilfunkanbietern und über 200 Herstellern von Mobiltelefonen und Netzinfrastruktur – verabschiedete Standard ist ausschließlich IP–paketorientiert und basiert auf dem IP Multimedia Subsystem (IMS), das bereits 2010 in der UMTS–Release 9 definiert wurde. Die technischen Fakten zu IMS sind:

• Das IMS–Basisprotokoll ist das von Voice over IP bekannte Session Initiation Protocol (SIP). Es handelt sich dabei um ein Netzprotokoll, mit dem Verbindungen zwischen zwei Teilnehmern aufgebaut und gesteuert werden können. Dieses Protokoll ermöglicht die Entwicklung zu einem vollständig (für Daten und Sprache) IP–basierten Netzwerk und bietet damit Zukunftssicherheit.
  

Der Grund, warum sich die Einführung von VoLTE gegenüber der LTE–Etablierung im Datenverkehr um vier Jahre verzögert hat, liegt im schwierigen Zusammenspiel von 4G mit den älteren Vorgängerstandards GSM (2G) und UMTS (3G). Hierzu ein Beispiel:

• Verlässt ein Mobilfunknutzer seine LTE–Zelle und wechselt in ein Gebiet ohne 4G–Versorgung, so muss ein unmittelbarer Wechsel zum nächstbesten Standard (3G) erfolgen.
  

• Sprache wird hier technisch völlig anders übermittelt, nicht mehr durch viele kleine Datenpakete  ⇒  „paketvermittelt”, sondern sequentiell in den eigens für den Teilnehmer reservierten logischen und physikalischen Kanälen  ⇒  „leitungsvermittelt”.
  

• Diese Umsetzung muss derart schnell und problemlos verlaufen, dass der Endkunde davon nichts merkt. Und diese Umsetzung muss für alle Mobilfunkstandards und Techniken funktionieren.
  
  

Nach Ansicht aller Experten wird VoLTE das mobile Telefonieren ähnlich positiv beeinflussen, wie LTE das mobile Internet seit 2011 vorangebracht hat. Wesentliche Vorteile für die Nutzer sind:

• Eine höhere Sprachqualität, da VoLTE AMR–Wideband Codecs mit 12.65 bzw. 23.85 kbit/s nutzt. Außerdem werden die VoLTE–Datenpakete für möglichst niedrige Latenzen priorisiert.
  

• Ein enorm beschleunigter Verbindungaufbau innerhalb von einer oder zwei Sekunden, während es bei Circuit Switched Fallback (CSFB) unangenehm lange dauert, bis eine Verbindung steht.
  

• Ein niedriger Akkuverbrauch, deutlich geringer als bei 2G und 3G, damit verbunden eine längere Akkulaufzeit. Auch gegenüber gängigen VoIP–Diensten ist der Energiebedarf bis zu 40% geringer.
  
  

Aus Sicht der Provider ergeben sich folgende Vorteile:

• Eine bessere Spektraleffizienz: Doppelt so viele Gespräche im gleichen Frequenzband als bei 3G. Oder: Bei gleichem Gesprächsaufkommen steht für Datendienste mehr Kapazität zur Verfügung.
  

• Eine einfache Implementierung von Rich Media Services (RCS), etwa für Videotelefonie oder zukünftige Anwendungen, durch die neue Kunden geworben werden können.
  

• Eine bessere Akzeptanz der höheren Bereitstellungskosten durch LTE–Kunden, wenn man nicht zum Telefonieren in ein „niederwertiges” Netz wie 2G oder 3G ausgelagert werden muss.
  
  

Bandbreitenflexibilität

LTE lässt sich durch die Verwendung von OFDM mit relativ wenig Aufwand an unterschiedlich breite Frequenzbänder anpassen. Diese Tatsache ist eine aus verschiedenen Gründen – siehe Meyer, M.: Siebenmeilenfunk. c't 2010, Heft 25, 2010 – wichtige Eigenschaft, insbesondere für die Netzbetreiber:

• Abhängig von den gesetzlichen Vorgaben in verschiedenen Ländern können die Frequenzbänder für LTE unterschiedlich groß sein. Auch der Ausgang der staatenspezifischen Versteigerungen der LTE–Frequenzen (getrennt nach FDD und TDD) hat die Breite der Spektren beeinflusst.
  

• Oft betreibt man LTE im Hinblick auf eine spätere Migration in der „Frequenz–Nachbarschaft” etablierter Funkübertragungssysteme, mit deren Abschaltung in Kürze gerechnet wird. Steigt die Nachfrage, so kann man LTE nach und nach auf den frei werdenden Frequenzbereich ausweiten.
  

• Als Beispiel sei die Migration der Fernsehkanäle nach der Digitalisierung genannt: Im jetzt frei gewordenen VHF–Frequenzbereich um 800 MHz wird ein Teil des LTE–Netzwerks angesiedelt – siehe Grafik im Kapitel 4.1.
  

• Eigentlich könnten die Bandbreiten mit einem Feinheitsgrad von bis zu 15 kHz (entsprechend einem OFDMA–Unterträger) gewählt werden. Da dies jedoch unnötig Overhead produzieren würde, hat man als kleinste adressierbare LTE–Ressource eine Dauer von einer Millisekunde und eine Bandbreite von 180 kHz festgelegt. Ein solcher Block entspricht zwölf Unterträgern (180 kHz geteilt durch 15 kHz).
  
  

Um die Komplexität und den Aufwand bei der Hardwarestandardisierung möglichst gering zu halten, hat man sich zudem auf eine ganze Reihe zulässiger Bandbreiten zwischen 1.4 MHz und 20 MHz geeinigt. Die folgende Auflistung – entnommen aus Gessner, C.: UMTS Long Term Evolution (LTE): Technology Introduction. Rohde&Schwarz, 2008 – gibt die standarisierten Bandbreiten, die Anzahl der verfügbaren Blöcke sowie den „Overhead” an:

• 6 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 1.4 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 22.8%,
  

• 15 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 3 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 10%,
  

• 25 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 5 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 10%,
  

• 50 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 10 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 10%,
  

• 75 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 15 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 10%,
  

• 100 verfügbare Blöcke in der Bandbreite 20 MHz  ⇒  relativer Overhead ca. 10%.
  
  

Da sonst einige LTE–spezifische Funktionen nicht funktionieren würden, müssen mindestens 6 Blöcke bereitgestellt werden. Der relative Overhead ist bei kleiner Kanalbandbreite (1.4 MHz) vergleichsweise hoch: (1.4 – 6 · 0.18)/1.4 ≈ 22.8%. Ab einer Bandbreite von 3 MHz beträgt der relative Overhead konstant 10%. Weiter gilt, dass alle Endgeräte auch die maximale Bandbreite von 20 MHz unterstützen müssen Gessner, C.: UMTS Long Term Evolution (LTE): Technology Introduction. Rohde&Schwarz, 2008.

FDD, TDD und Halb–Duplex–Verfahren (1)

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 beiden 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 sowie Uplink können dabei aber gleichzeitig übertragen 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.
  
  

FDD, TDD und Halb–Duplex–Verfahren (2)

In der Grafik auf der vorherigen Seite 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 teuerer 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. Sender und Empfänger der Basisstation wechseln sich aber trotzdem wie bei TDD ab: Jedes Endgerät kann gleichzeitig entweder nur Senden oder nur Empfangen.

Man erkennt aus dieser Grafik:

• Durch eine zweite Verbindung zu einem anderen Endgerät mit vertauschtem Downlink/Uplink–Raster kann trotzdem das gesamte zur Verfügung stehende Band voll genutzt werden.
  

• Wesentlicher Vorteil des Halb–Duplex–Verfahrens besteht aber darin, dass durch die Verwendung des TDD–Konzepts die Anforderungen an die Endgeräte stark sinken und sich diese einfacher und billiger produzieren lassen.
  
  

Dass diesem Aspekt in der Standardisierung große Bedeutung zugemessen wurde, lässt sich auch an der Verwendung von OFDMA im Downlink und 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 4.3.