Neuer Funkstandard LTE Anforderungen an das LTE-Hardware-Design

Höhere Datenraten, kürzere Latenzzeiten und eine verbesserte spektrale Effizienz: LTE biete viele Vorteile gegenüber seinem Vorgänger UMTS. Es sind noch nicht alle Standards definiert und so muss immer wieder modifiziert werden. Wir zeigen Ihnen die Entwicklungsansätze des UMTS-Nachfolgers LTE.

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Der ursprüngliche UMTS-Standard für den terrestrischen Funkzugang basiert auf W-CDMA (Wideband - Code Division Multiple Access). Er ist ständig zu höheren Datenraten (HSPA-High-Speed Packet Access) weiterentwickelt worden. Revision 8 des 3GPP-Standards enthält ein verbessertes HSPA und die neue Funkschnittstelle E-UTRA, die auf OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) basiert. LTE bietet höhere Datenraten, kürzere Latenzzeiten, ein auf IP-basiertes Netz und eine verbesserte spektrale Effizienz (Frequenzausnutzung). Damit der Standard sein volles Potenzial entfalten kann, müssen einige Hürden beim Design angegangen werden.

LTE bietet viele Optionen

LTE ist aus der Konzeptphase heraus und es wird an der Fertigstellung der Version 8 des UMTS-Standards gearbeitet (Bild 1). LTE bietet eine große Zahl von Optionen. Diese können bei Entwicklung und Test der frühen LTE-Mobilgeräte (UE – User Equipment) vermutlich eine der höchsten Hürden darstellen. Um die vielen Optionen früh in den Griff zu bekommen, sind in der frühen Entwicklungsphase LTE-spezifische Messgeräte notwendig. Die entsprechenden Lösungen müssen eine Reihe Tests unterstützen, die im Folgenden kurz vorgestellt werden sollen:

• Basisband - HSPA kostet sehr viel Rechenleistung. Schon heute ist es nicht einfach, diese in einem Mobilgerät bereitzustellen. Aktuelle Geräte haben Schwierigkeiten mit den hohen Datenraten, wenn sie nicht aus dem Stromnetz versorgt werden können. LTE mit seinen höheren Datenraten ist deshalb kritischer. Es benötigt speziell im Basisband viel Rechenleistung, wo die gesamte Signalverarbeitung und die Fehlerbehandlung erfolgt. Deshalb werden Basisbanddesigns für die Mobilgerät- und die Netzwerkseite zunächst auf dem PC modelliert. Weiterhin ist eine Emulation von Hardwareprototypen bei verringerter Datenrate möglich.
• HF - im Standard 3GPP TR 36.803 sind elf Frequenzbandpaare für FDD, (Frequency Division Duplex) und sechs Bänder für TDD (Time Division Duplex) definiert. Diese Bänder sind auch für GSM und UMTS definiert. Momentan ist LTE noch kein bestimmtes Spektrum zugeordnet. Unklar ist außerdem, ob LTE später die benutzten Frequenzen mit W-CDMA und GSM-Systemen teilen soll oder separate Bänder neu zugewiesen bekommt. Die große Zahl denkbarer Kombinationen erschwert die Untersuchungen in Bezug auf Koexistenz, auch vervielfacht sie die Zahl der erforderlichen Tests. Das Fehlen einer konkreten Frequenzzuweisung für LTE behindert eine frühe Entwicklung. Bei GSM und UMTS (W-CDMA) war das anders, weil hier die Frequenzzuweisung zu diesem Zeitpunkt klar war.

Während die LTE-Frequenzen nicht festgelegt sind, ist die Sachlage bezüglich der Funkschnittstelle klar. LTE arbeitet im Downlink mit einem ähnlichen Frequenzmultiplexverfahren wie WiMAX: OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Wenn die ersten LTE-Mobilgeräte in den HF-Test kommen, können die Erfahrungen mit WiMAX dann LTE zugutekommen. Im Uplink arbeitet LTE anders als WiMAX.

Zur Verringerung des Unterschieds zwischen maximaler und durchschnittlicher Sendeleistung wird mit SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) gearbeitet. Das Sendeverfahren erfordert eine Reihe von spezifischen Tests. Bestehende Messverfahren für Sender nach TR 36.803 müssen daher so weiterentwickelt werden, dass eine Reihe von typischen HF-Problemen eliminiert werden: I/Q-Unsymmetrie, Verstärkernichtlinearitäten, Phasenrauschen der Oszillatoren und Hochfrequenz-Jitter in den Mischstufen.

Acht Kanalbreiten von 1,4 bis 20 MHz

Neu bei LTE ist die Anforderung an das Mobilgerät mit acht unterschiedlichen Kanalbandbreiten von 1,4 bis 20 MHz. Für Netzbetreiber bedeutet das eine höhere Flexibilität bei der Auslegung ihrer Netze. Für den Testingenieur ist sie aber mit Problemen verbunden. Das können spezifizierte Nutz- und Außerband-Kanäle, die bei Testdurchläufen unter verschiedenen Bedingungen erforderlich sind, sein oder Fragen zum Management der Funkressourcen im Betrieb (Zellenwahl, Zellenneuwahl und Zellenübergabe).

Die Sendeleistung für unbenutzte Blöcke darf ein bestimmtes, festgelegtes Maß nicht überschreiten. Grund ist die variable Kanalbandbreite von LTE und die Tatsache, dass einem Mobilgerät nur eine Untermenge der verfügbaren Blöcke im Kanal zugewiesen werden darf. Definition und Erfordernisse für diesen Nutzkanal-Test sind noch in der Diskussion. Die Kurve (Bild 2) auf dem Bildschirm des Vektorsignalanalysators erläutert das Prinzip: Ein kleiner Fehler im OFDM-Signal erzeugt gleich ein Spiegelbild von Störsignalen in einem anderen Kanal.

Zwei weitere wichtige Fragen stellen sich in LTE-Schicht 2. Es geht um die Verschlüsselung signifikanter Datenmengen im Paketdaten-Konvergenzprotokoll (PDCP) und die Umlaufzeit der Medienzugangssteuerung (MAC-Media Access Control), die mit 2 ms sechs Mal so schnell ist wie bei HSDPA. Um Problemen auf die Spur zu kommen, müssen sie im Test hoch beansprucht werden. Es sind Tests mit hohem Datendurchsatz notwendig.

Frühzeitiges Testen und ständig modifiziert

Durch die lückenhaften Spezifikationen am Anfang, laufen die Testlösungen für Basisstationsemulatoren mit Echtzeit-Protokoll-Stacks oder prozedurale skriptbasierte Lösungen ohne proprietärer Annahmen nicht sauber. Erste Testgeräte dürften innerhalb von 6 bis 12 Monaten vorliegen. Sie müssen allerdings immer wieder modifiziert werden, bis die endgültigen Spezifikationen verfügbar sind. Anders als bei früheren Funkstandards wird erwartet, dass LTE-Konformitätstests bereits im Jahr 2008 verfügbar sein werden – deutlich vor der geplanten Aufnahme des kommerziellen Einsatzes. Der Zeitvorsprung sollte helfen, die Interoperabilität gering zu halten.

Deshalb sollten die Hersteller von Testausrüstung ihre Geräte (und mit ihnen eine umfassende Testabdeckung) deutlich früher zur Verfügung stellen als sonst. Der Zeitplan wird weiterhin dafür sorgen, dass die Entwicklung von Testgeräten für LTE mit der letzten Weiterentwicklung existierender Testlösungen für Technologien wie HSPA+, EDGE Evolution und WiMAX zusammenfällt.

Die frühe Verfügbarkeit von Konformitätstest-Spezifikationen wird bei einem Teil der Grundtests und bei der Sicherstellung der Interoperabilität helfen. Es wird allein wird nicht helfen, dass die Mobilgeräte beim Kunden funktionieren. Eine Reihe weiterer Funktionstests und die Verifikation der Spezifikation sind erforderlich, um die Geräte hinreichend unter Last zu prüfen.

Theoretische Datenraten-Obergrenze bei 50 MBit/s

LTE zielt auf eine hohe Datenrate. Die theoretische Obergrenze des Systemdesigns beträgt 50 MBit/s im Uplink und anfänglich 100 MBit/s (später bis zu 170 MBit/s) im Downlink mit einer einzigen Antenne. Die tatsächliche Höhe der Datenraten zeigt sich aber erst nach Festlegen der Spezifikationen.

Sollen die theoretischen Spitzenwerte tatsächlich erreicht werden, ist dazu die Mehrantennentechnik MIMO (Multiple Input Multiple Output) notwendig. Mit MIMO sind die Leistungsvorgaben nur zu erreichen, wenn die genau spezifizierten Funkbedingungen erfüllt sind. Die Spezifikation muss neu festgelegt werden.

Im Feldeinsatz wird die Leistung wesentlich von der (unspezifizierten) Antennenleistung, der Polarisation, den Head- und Body-Verlusten oder von der Handhabung des Mobilgeräts abhängen. Weiterhin wird die tatsächlich erreichte Datenleistung von der dynamischen Änderung der Funkbedingungen im realen Funkkanal abhängen. Dass mehrere Frequenzbänder unterstützt werden müssen, wird beispielsweise die Antennenleistung beeinträchtigen.

Die Konformitätsprüfung von MIMO-Empfängern kann nach Vorgabe erfolgen. Es gibt aktuell keine Erkenntnisse darüber, inwieweit die Ergebnisse des Tests auf den echten Einsatz übertragbar sind. Ein Test der MIMO-Leistung unter realen Bedingungen wird erst zu gegebener Zeit in einem echten LTE-Netz möglich sein. Mittels Testgeräten schon in frühen Entwicklungsphasen eine reproduzierbare Netzemulation bereitzustellen, wird sich als wesentlich aufwändiger erweisen.

*Sandy Fraser ist Produktmanager für GSM, GPRS, EGPRS R&D Test Solution und Horst Aichmann arbeitet im Produktmarketing der Signal Sources Division bei Agilent Technologies.

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