Feature Stories - Erweiterte Funktechnologien für eine gerechtere 4G-Kommunikation
"Long-Term Evolution" (LTE) ist einer der neuesten kommerziellen Standards für High-Speed-Wireless-Kommunikation, der auf den GSM / EDGE und UMTS / HSPA-Netzwerk-Technologien aufbaut. Neben einer Reihe von Verbesserung des Kernnetzes und erhöhter Funktionalität ist der größte Pluspunkt von LTE die versprochene Erhöhung der Netzkapazität und Datenübertragungsgeschwindigkeit. Theoretisch bietet LTE Download-Raten von bis zu 300 Mbps und Upload-Raten von 75 Mbps an. Damit ist er rund 10-mal schneller als die 3G-Vorgänger. Die Betreiber behaupten nicht, dass ihre Netzwerke diese Raten jetzt in der realen Welt erreichen können, aber sie versprechen den LTE-Kunden einen großen Geschwindigkeitszuwachs gegenüber 3G. Und während einige Kunden diese bereits genießen können, können andere dies noch nicht. "Die angekündigte Rate ist im Wesentlichen die Spitzenrate und die lässt sich nur erreichen, wenn Sie direkt an der Basisstation stehen, bei perfekten Funkbedingungen und niemand anderes das Netz benutzt, wenn sie unter realen Bedingungen überhaupt erreichbar ist", erklärt Alexandre Gouraud, FuE-Projektleiter bei Wireless Interfaces Orange Lab in Frankreich. "Für normale Benutzer sind die Datenraten niedriger und für diejenigen am Rande des Versorgungsbereichs ganz besonders niedrig." Gouraud weist darauf hin, dass jede Änderung bei der Version und Generation der mobilen Technologie zu einer Veränderung bei der Differenz zwischen den Spitzendatenraten und den durchschnittlichen Datenraten in einer Funkzelle (im Deckungsbereich einer Mobilfunk-Basisstation) mit dem Faktor 10 geführt habe und zu einer weiteren Divergenz vom Faktor 10 zwischen Durchschnittsraten und den Raten, die den Benutzer am Rand einer Funkzelle erreichen.Im Fall des LTE-Standards, sei dies zum Teil geschehen, weil LTE mit WiMAX als alternative High-Speed-Technologie konkurriert und Entwickler haben sich auf Spitzendatenraten konzentriert, um die Schlacht zu gewinnen. "Es war wichtig, die beste Leistung zu zeigen und jeder konzentrierte sich auf die Spitzenrate, doch der Rand der Funkzelle wurde etwas ignoriert", so Gouraud. "Offensichtlich ist dies für Betreiber nicht gut, da einige Kunden einen schlechten Empfang und viel niedrigere Datenraten haben als angekündigt." Um dieses Problem anzugehen und einen fairen Service für alle LTE-Nutzer zu gewährleisten, hat sich das Team von Orange mit 14 Partnern zusammengeschlossen, darunter andere Mobilfunkanbieter, Gerätehersteller und Forschungseinrichtungen, um Techniken zu entwickeln und zu testen, die die Leistung am Rand der Funkzelle steigern. Ihre Arbeit wurde im Rahmen des "Advanced radio interface technologies for 4G systems" (Artist4G)-Projekts durchgeführt und wird mit fast 8,7 Millionen EUR von der Europäischen Kommission finanziell unterstützt. Ihre Arbeit trägt zur des LTE-Standards bei - und wird sicherlich in naher Zukunft kommerziell genutzt werden. Im Fokus: Interferenz Der Fokus von Gourauds Team liegt auf zwei wesentlichen Aspekten zellulärer Netzwerke: Reduzierung von Interferenzen und erweiterte Signal-Weiterleitung. "Wenn man die Leistung am Rand einer Funkzelle verbessern will, gibt es zwei Möglichkeiten.Eine besteht darin, das Netzwerk durch Zugabe von mehr Antennen zu verdichten und die Funkzellen zu verkleinern, aber das ist aufwendig. Der zweite Ansatz besteht darin, mit Störungen umzugehen," erklärt der technische Leiter von Artist4G. Interferenzen in einem mobilen Netz lassen sich mit den Hintergrundgeräuschen einer Cocktailparty vergleichen.Da viele Gespräche gleichzeitig stattfinden, kann es schwierig sein, sich auf die Stimme der Person, mit der man sich unterhält, zu konzentrieren. Doch wenn sich die anderen Gespräche isolieren ließen, könnte man sie auch leicht ausschalten. So sieht ganz einfach ausgedrückt der Ansatz der Artist4G-Forscher aus, um Interferenzen auf der Empfangsseite zu löschen und damit zur Verbesserung der Datenraten und Reichweite beizutragen. Obwohl moderne mobile Netze rund um das Prinzip der "Orthogonalität", das Wort besteht aus den griechischen Wörtern für "gerade" und "Winkel" ohne Überschneidungen, angelegt sind sieht die Realität anders aus. Die übertragenen Signale werden sich immer überschneiden, wodurch ein gewisses Maß an Intereferenz entsteht. Und obwohl Interferenzen soweit möglich auf der Senderseite vermieden werden können, muss auch auf der Empfängerseite gegen diese etwas unternommen werden. "Orthogonalität existiert in der Praxis nicht, es gibt immer einige Störungen. Anstatt ein Netzwerk rund um orthogonale Signale zu entwerfen, berücksichtigen wir die Tatsache, dass es Störungen geben wird. Wenn wir das akzeptieren, dann können wir die Interferenzen auf der Empfangsseite nutzen und diese mithilfe von Systemtechnologien aufheben", erklärt Gouraud. Das Artist4G-Team entwickelte und implementierte unter anderem ein neues Framework zu "Koordinierten Mehrpunkt-Übertragung" (Coordinated multipoint transmission,COMP). Bei dieser "Multiple-Input und Multiple-Output" (MIMO)-Technologie werden mehrere Antennen verwendet, um Nutzer im Funkzellenrandbereich von zwei oder mehr Basisstationen zu bedienen. Sie arbeiteten an iterativen Empfängern, um sowohl das Kern-Signal als auch die Interferenz zu decodieren und diese aufzuheben. Das Team demonstrierte auch 3D-Strahlformung, bei der ein Signal auf den Empfänger nicht nur entlang der horizontalen Ebene wie jetzt sondern auch vertikal gerichtet ist und dadurch die Interferenz stark reduziert. Hinsichtlich der Relais arbeitete das Team an der Bewegung der Relais, die auf dem Dach eines Autos oder Bus platziert werden können, um die Deckung zu verbessern, sowie an der Bereitstellung sog. Typ-2-Relais, die Signale von einer Master-Basisstation erweitern. Diese haben eine bessere Ressourcen-Kontrolle als Typ 1 Relais, die sich selbst wie Basisstationen verhalten. "Wir entwickelten Hardware zum Nachweis der Machbarkeit und führten einen groß angelegten Feldversuch mit 15 Basisstationen in Dresden durch. Ein Teil der Technologie wurde auf dem Mobile World Congress 2012 in Barcelona gezeigt", erklärt Gouraud. "Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend." Der Projektmanager weist darauf hin, dass die Partner rund 150 Beiträge zu laufenden Revisionen des LTE-Standards geliefert haben, und ein Großteil der von ihnen entwickelten Technologie findet wahrscheinlich ihren Weg in die kommerzielle Nutzung. "Die verschiedenen Partner nutzen die Ergebnisse unserer Arbeit intern und wir versuchen auch ein Folgeprojekt zu starten, um weiter zu forschen", so Gouraud weiter. Artist4G erhält eine Forschungsförderung unter dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union (RP7). Link zu einem Projekt auf CORDIS: - RP7 auf CORDIS - Artist4G Projektdatenblatt auf CORDIS Link zur Projekt-Website: - 'Advanced radio interface technologies for 4G systems' Projektwebsite Weitere Links: - Website der Europäischen Kommission zur Digitalen Agenda