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Mehrantennenkonzepte

Hohe Datenraten und die effiziente Nutzung des Kanals, insbesondere bei guten Bedingungen, sind sehr wichtige Eigenschaften moderner Mobilfunksysteme. Um bei einer Bandbreite von 20 MHz Datenraten von über 100 MBit/s zu erzielen, setzt man heute fortschrittliche Mehrantennenkonzepte ein, die man unter der Bezeichnung Multiple Input Multiple Output, MIMO, zusammenfasst. Die LTE-Spezifikation nutzt verschiedene Mehrantennenverfahren: Single-User MIMO, Beamforming, Multi-User MIMO und Antenna Diversity.

Mit Single-User MIMO lassen sich mittels mehreren Sende- und Empfangsantennen gleichzeitig mehrere Datenströme übertragen. Zum Beispiel erreicht LTE bei jeweils vier Antennen auf Sende- und Empfangsseite und guten Kanalbedingungen Datenraten über 300 MBit/s.

Mehrere Antennen sind allerdings auch unter weniger guten Kanalbedingungen nützlich. In solchen Fällen bündelt die Basisstation ihre Sendeleistung per Beamforming, um Daten gezielt zu einem Empfänger zu übertragen und so die Empfangsgüte zu steigern. Beim räumlichen Mehrfachzugriff, dem Multi-User MIMO, werden unterschiedliche Ströme zu räumlich getrennten Nutzern übertragen.

Schließlich kann die Übertragung durch Mehrantennensysteme auch robuster gestaltet werden – zum Beispiel durch Verfahren, die die Diversität des MIMO-Funkkanals nutzen. Laut Spezifikation darf eine Basisstation bis zu vier Antennen aufweisen. Die Endgeräte sind aus Komplexitätsgründen auf zwei Antennen eingeschränkt.

Um einen leistungsfähigen Daten-Highway zu schaffen, reicht es allerdings nicht aus, nur die maximalen Datenraten zu steigern. Gleichzeitig gilt es, die Latenz zu verringern. Im Mobilfunk ist dafür die Antwortzeit maßgeblich, die Zeit, die ein Signal von der Basisstation zum Endgerät und zurück benötigt. Diesen Eckwert kann man in Abhängigkeit von den aktuellen technischen Möglichkeiten und den gewünschten Anforderungen festlegen.

Bei LTE bestimmt die Subframe-Dauer die Latenz; einmal pro Subframe werden Ressourcen neu zugeteilt und Daten in Umlauf gebracht. Bei LTE hat man die Subframe-Dauer auf 1 ms festgelegt. HSPA ist in diesem Punkt langsamer, weil dafür seinerzeit 2 ms definiert wurden. Zudem wurde festgelegt, dass im Falle eines Übertragungsfehlers die Übertragung schon nach 8 ms wiederholt wird (HSPA 12 ms); dafür quittiert der Empfänger den Verkehr kontinuierlich und der Sender erfährt so detailliert, ob seine Daten korrekt oder fehlerhaft ankommen.

Letztlich sind mit derart geringen Verzögerungen auf der Luftschnittstelle je nach Topologie des Netzes Ende-zu-Ende-Antwortzeiten von 20 bis 30 ms erreichbar, sodass LTE selbst für zeitlich anspruchsvolle Anwendungen wie Echtzeitspiele geeignet ist.

LTE: Maximale Geschwindigkeit im Downlink
Anzahl Symbole für eine Ressourcen-Einheit	12 Unterträger, 14 OFDM Symbole, 168 Zeichen
maximale Modulationsstufe	64 QAM, 6 Bit/Symbol
damit	1008 Bit pro Ressourcen-Einheit (1 ms)
damit	Bruttodatenrate von 1,008 MBit/s für 180 kHz
20 MHz	100 Ressourcen-Einheiten	100,8 MBit/s
maximale Bruttodatenrate	4x4 MIMO	403,2 MBit/s
Davon ist abzuziehen: Overhead der Kanalkodierung, Overhead durch Protokollheader, Overhead der Referenzsymbole zur Kanalmessung, Overhead für Steuer- und Broadcast-Kanäle. Je nach Konfiguration lassen sich also maximale Datenraten von rund 330 MBit/s erreichen.