LTE-Advanced: Carrier Aggregation im Detail

LTE-Advanced: Carrier Aggregation im Detail

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99headk344

In diesem Artikel möchte ich den Begriff bzw. die Technik Carrier Aggregation in Zusammenhang mit LTE erklären. Carrier Aggregation, kurz CA, ist ein wichtiger Bestandteil des 3GPP Release 10 und damit von LTE-Advanced (kurz: LTE-A), welches im 3GPP Release 10 spezifiziert wurde. LTE-A besteht aus mehreren Komponenten, dazu gehören neben CA zum Beispiel auch 8×8 MIMO auch die LTE UE Kategorien 6, 7 und 8.
Neben einer im Vergleich zu normalem LTE höheren Geschwindigkeit (bis zu etwa 1,2 Gigabit pro Sekunde im Downstream bei LTE UE Kat. 8) sind auch verbesserte Datenraten am Zellrand ein Pluspunkt von LTE-A. Doch trotz diverser Optimierungen wird man in Zukunft mehr Frequenzspektrum brauchen, um die Datenraten weiter steigern zu können und dem Anstieg des weltweiten Traffic gerecht zu werden – die Spitzen-Datenraten von LTE-A können nur erreicht werden, wenn bis zu 100 MHz gebündelt werden. Und genau hier kommt Carrier Aggregation zum Einsatz.

Carrier-Aggregation
Abbildung 1: mehrere Frequenzblöcke werden zu einem gebündelt. Nur wenn das Endgerät auch CA unterstützt, ist eine Steigerung der Geschwindigkeiten möglich, ansonsten wird weiterhin nur ein Frequenzband genutzt.

Das Problem: Frequenzspektrum ist eine knappe Ressource
Diese Thematik trifft fast alle Mobilfunk-Netzbetreiber auf der Welt: sie haben nicht genügend zusammenhängendes Frequenzspektrum, um ohne weiteres die hohen Datenraten von LTE-A anbieten zu können. In Deutschland ist es zum Beispiel so, dass im Frequenzbereich um 800 MHz jedem Betreiber lediglich 20 MHz Bandbreite zur Verfügung stehen – gepaart in 4 Blöcken, d.h. 10 MHz für den Downlink und 10 MHz für den Uplink. In der aktuell eingesetzten Konfiguration (2×2 MIMO, LTE UE Kat. 3) sind damit maximal 75 MBit/s im Downstream erreichbar, wobei realistisch nicht viel mehr als 60 MBit/s möglich sind.
Glücklicherweise verfügen die Provider in Deutschland zumindest in den Frequenzbereichen um 1800 MHz und 2600 MHz über genügend Spektrum, um wenigstens LTE Kat. 4 mit bis zu 150 MBit/s ohne großen Aufwand aufschalten zu können. Schwieriger wird es dann erst, wenn höhere Geschwindigkeiten gewünscht werden. In anderen Ländern, wie zum Beispiel Südkorea, gibt es bereits heute dieses Problem, dort kommt daher Carrier-Aggregation zum Einsatz. Bevor ich zu den Details dieser Technik komme, erst mal ein kurzes Video der Firma Qualcomm, welches die Funktionsweise auf recht ansprechende Art erklärt:

Carrier Aggregation: Bündelung verschiedener Frequenzblöcke
Mit CA ist es den Netzbetreibern erstmals möglich, verschiedene Frequenzblöcke zu einem großen Block zu bündeln. Nach 3GPP Release 10 liegt die Obergrenze bei 100 MHz, wobei eine spätere Ausweitung natürlich nicht ausgeschlossen ist. Realistisch ist aber mittelfristig gesehen wohl eher eine Bündelung von 40 bis 60 MHz, wie radio-electronics.com anmerkt.
Es gibt drei verschiedene Modi zur Kanal-Bündelung, wobei nur die folgenden Carrier kombiniert werden können: 1,4 / 3 / 5 / 10 / 15 / 20 Megahertz. Wie und in welcher Weise die Kombination erfolgt, bleibt dem Netzbetreiber überlassen, aber maximal können 5 Carrier gebündelt werden:

CA-Modes

  • Intra-Band, contiguous: dies stellt das einfachste CA-Verfahren dar. Es werden zwei oder mehrere Frequenzblöcke gebündelt, die benachbart zueinander sind (contiguous) und innerhalb eines Frequenzbereiches (Intra-Band) liegen. Also zum Beispiel 2x 10 MHz im band 3 (Frequenzbereich um 1800 MHz). Das Endgerät benötigt hier keine großartigen Hardware-Änderungen, da es den aggregierten Kanal als einen großen Kanal wahrnimmt und daher weiterhin nur einen Transceiver (Sendeempfänger) benötigt.
  • Intra-Band, non-contiguous: bei diesem Verfahren werden zwei oder mehr Carrier gebündelt, wobei diese Frequenzblöcke nicht benachbart sind, aber im gleichen Frequenzbereich liegen. Auf Seiten des Endgerätes sind nun schon zwei oder mehr Transceiver nötig, um das aggregierte Band nutzen zu können.
  • Inter-band, non-contiguous: dieses CA-Verfahren wird wohl in Zukunft am meisten verwendet, da es der Realität bei den Netzbetreibern am ehesten entspricht. Es können hier Frequenzblöcke aus verschiedenen Frequenzbereichen gebündelt werden, um einen möglichst großen Frequenzblock zu schaffen. Ein mögliches Szenario wäre zum Beispiel die Kombination von Spektrum aus dem Band 20 (um 800 MHz) mit Spektrum aus dem Band 3 (1800 MHz). Wie man sich gut vorstellen kann, sind hier wieder mehrere Transceiver und weitere Optimierungen im Endgerät nötig, was sich durchaus merkbar auf den Energieverbrauch auswirken kann.

Unterschiedliche Reichweiten der einzelnen Carrier und Abwärts-Kompatibilität
Vor Allem beim Carrier-Aggregation mittels Inter-Band, non-contiguous ist es unausweichlich, dass es Unterschiede bei der Größe der einzelnen Zellen geben wird. So wird man mit einem Endgerät mit CA-Unterstützung in der Nähe eines LTE-Senders (eNodeB) womöglich sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen, da das Endgerät viel gebündeltes Spektrum nutzen kann. Einige Kilometer vom Sender entfernt ist womöglich nur noch LTE800 empfangbar und CA bringt keinen Vorteil mehr.

CA-Reichweiten-Problematik

Wie in der obigen Grafik gut ersichtlich ist, gibt es immer eine Primary Serving Cell, kurz PCC, also eine „Haupt-Zelle“, welche die Versorgung sicher stellt. Die weiteren Zellen (Secondary Serving Cells, SCC) dienen lediglich als Unterstützung für Nutzer-Daten, also zur Steigerung der Bandbreite. Je nach Endgerät kann die PCC unterschiedlich sein, hier kommt es auf diverse Faktoren an, zum Beispiel den jeweiligen Energieverbrauch im Endgerät. Das erfordert natürlich eine Menge Optimierung sowohl in der Netzplanung als auch bei den Herstellern der Modems für mobile Endgeräte.

Selbstverständlich ist CA und damit auch LTE-A abwärts-kompatibel zu „herkömmlichem“ LTE. Alte bzw. aktuell erhältliche Endgeräte sind also auch in Zukunft noch problemlos nutzbar. Dennoch gilt: wenn man die höheren Bandbreiten bzw. Carrier-Aggregation nutzen will, braucht man natürlich ein neues Endgerät. Hier gilt es wieder auf die LTE UE Kategorie zu achten, CA allein reicht nicht, um Geschwindigkeiten im Gigabit-Bereich zu erhalten.

Quelle & Grafiken: 3gpp.org