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LTE – Low-complexity Technology Evolution

6. September 2016, 9:20 Uhr | Autor: Michael Schmidt / Redaktion: Markus Kien

Das Internet der Dinge stellt den 4G-Mobilfunkstandard LTE vor neue Herausforderungen. Statt Smartphone-Anwendern, die in Echtzeit auf sozialen Plattformen kommunizieren oder HD-Videos streamen, vernetzen sich künftig Schwärme von Smart Devices

LTE kann als global einheitliche Mobilfunktechnologie sicher eine Schlüsselrolle für das Internet of Things (IoT) spielen. Allerdings verschiebt sich der Fokus von mobilem Breitband hin zu extrem kostengünstigen Funkmodulen und Übertragungsraten von einigen 100 kBit/s statt einigen 100 MBit/s. Nichts also, was man unmittelbar mit LTE verbindet.

Innerhalb des 3rd Generation Partnership Projects (3GPP) hat man daher untersucht, wie ein Funkmodul, genauer gesagt das LTE User Equipment (UE), zu den Kosten von EGPRS-Modulen (Enhanced General Packet Radio Service) realisiert werden kann. Die Stromaufnahme soll so niedrig sein, dass ein mehrjähriger Batteriebetrieb möglich ist. Zusätzlich wird eine deutlich verbesserte Netzabdeckung gefordert, um auch tief im Gebäudeinneren und in Kellerräumen kommunizieren zu können. Und schließlich soll es möglich sein, zehntausende Geräte pro Funkzelle auszubringen – bei sehr geringem Datenaufkommen pro Endgerät. All dies sind Anforderungen, die beispielsweise für Anwendungen im Bereich Smart Metering, Smart Buildings oder Smart Cities diskutiert werden. Aus einer Vielzahl von Vorschlägen wurden schließlich zwei Lösungen ausgewählt:

Unter dem Arbeitstitel „Evolved Machine-Type-Communication“ (LTE eMTC) wurde eine schmalbandige UE-Kategorie namens CAT-M1 spezifiziert.
Mit „Narrowband IoT“ (NB-IoT) entstand sogar eine komplett neue Luftschnittstelle. UEs der Kategorie CAT-NB1 senden und empfangen nur noch auf einem 180 kHz breiten Funkkanal.

CAT-M1 (LTE eMTC)

Um die Grundidee von LTE CAT-M1 zu verstehen, reicht ein kurzer Ausflug in die Funktionsweise der Luftschnittstelle in 4G-Mobilfunknetzen: LTE nutzt das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren OFDMA beziehungsweise SC-FDMA (Orthogonal beziehungsweise Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) mit 15 kHz breiten Unterträgern. Dabei werden jeweils zwölf Unterträger zu 180 kHz breiten Physical Resource Blocks (PRB) zusammengefasst. Je nach Bandbreite stehen in einer LTE-Funkzelle unterschiedlich viele PRBs zur Verfügung. Beispielsweise gibt es in einem 10 MHz breiten LTE-Funkkanal 50 PRBs und bei 20 MHz entsprechend 100 PRBs. In Zeitschlitzen von je einer Millisekunde teilt nun die Basisstation die PRBs dynamisch unter den UEs auf – ganz variabel je nach Datenaufkommen, Kanalbedingungen und Quality of Service-Anforderungen. Laut

3GPP-Standard muss jedes LTE UE in der Lage sein, pro Millisekunde einen bis 100 PRBs verarbeiten zu können.

Für UEs der Kategorie CAT-M1 macht die LTE-Spezifikation eine wichtige Ausnahme: Datenübertragung findet ausschließlich auf sechs PRB breiten Blöcken statt, den sogenannten CAT-M „Narrowbands“, unabhängig von der LTE-Bandbreite. Dadurch vereinfacht sich der Aufwand in der digitalen Signalverarbeitung auf Seiten des UE enorm. Die Übertragungsrate pro Zeitschlitz reduziert sich auf maximal 1 MBit/s. Die Narrowbands werden von der Basisstation dynamisch in das LTE Signal eingebettet, da ein schmalbandiges UE gemäß CAT-M1 mittels Frequenzverstimmung weiterhin innerhalb der gesamten Systembandbreite senden oder empfangen kann. Die Komplexität eines CAT-M1 UE sinkt ebenfalls, da nur eine einzige Empfangsantenne gefordert wird. Darüber hinaus wird in gepaartem Spektrum Half-Duplex Frequency Division Duplexing (HD-FDD) unterstützt und die maximale Sendeleistung von +23 dBm auf +20 dBm reduziert.

Um mit CAT-M1 UEs auch unter schwierigen Kanalbedingungen kommunizieren zu können, setzt der Standard in großem Stil Repetitions-Kodierung ein. Der Empfänger akkumuliert eine Vielzahl von Übertragungsversuchen, bis das Signal erfolgreich empfangen werden kann. Die Anzahl der Wiederholungen kann dabei UE-spezifisch eingestellt werden. Dadurch können auf der Funkstrecke Gewinne bis zu +15 dB im Maximum-Coupling-Loss (MCL) erzielt werden.

CAT-NB1 (Narrowband IoT)

Narrowband IoT (NB-IoT) geht noch einen Schritt weiter. Ein CAT-NB1 UE sendet und empfängt nur noch auf einer Kanalbandbreite von 180 kHz – entsprechend einem einzigen Physical Resource Block bei LTE. Die Übertragungsrate pro Zeitschlitz sinkt dadurch nochmals: es stehen maximal 225 kBit/s im Downlink und 250 kBit/s im Uplink zur Verfügung.

Die grundlegende Wahl der OFDMA- beziehungsweise SC-FDMA-Konfiguration wird beibehalten, um eine verlustfreie Einbettung des NB-IoT-Trägersignals in das breitbandigere LTE-Signal zu ermöglichen – man spricht vom In-Band-Betrieb. In der Standardisierung wurde sehr sorgfältig darauf geachtet, dass keinerlei Performance-Einbußen für UEs auftreten, weder bei LTE noch bei CAT-NB1.

Alle Vereinfachungen beim UE, wie sie für CAT-M1 eingeführt wurden, gelten auch für CAT-NB1: eine einzige Empfangsantenne, HD-FDD, eine maximale Sendeleistung von +20 dBm sowie Repetition-Kodierung zur Verbesserung der Reichweite. Darüber hinaus unterstützt ein CAT-NB1-UE aber nur noch die Modulationsform QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), setzt stark vereinfachte Kanalkodierung ein und verzichtet komplett auf Sendeleistungsregelung. Dadurch lässt sich eine weitere deutliche Kostenreduktion erzielen.