Long Term Evolution (LTE)

Rel-8/Rel-9

UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) als System der dritten Generation, Generation, mit den Verbesserungen durch High Speed Packet Access (HSPA), sowohl für den Downlink als auch für den Uplink, wird noch mehrere Jahre lang sehr wettbewerbsfähig bleiben. Dennoch hat die Industrie, die die 3GPP-Technologien entwickelt hat, im Dezember 2004 ein Projekt mit der Bezeichnung Long Term Evolution (LTE) gestartet, um die Anforderungen an eine neue Luftschnittstelle mit der Bezeichnung Evolved UTRA (E-UTRA) zu untersuchen.

Anmerkung: Die Begriffe LTE und E-UTRA sind synonym, in den Funkspezifikationen wird jedoch eher von E-UTRA gesprochen.

Die Ergebnisse dieser Studie, d.h. die E-UTRA/LTE-Anforderungen, wurden in Rel-7 3GPP TR 25.913 dokumentiert:

• Signifikant erhöhte Spitzendatenraten, z.B. 100 Mbit/s im Downlink/50 Mbit/s im Uplink
• Erhöhte Bitraten am Zellenrand unter der Annahme aktueller Standortpositionen
• Verbesserte Spektrumeffizienz, z.B. 2-4 x Rel-6
• Verkürzte Latenzzeit
• Skalierbare Bandbreite für eine größere Flexibilität bei der Frequenzzuweisung
• Reduzierte Investitions- und Betriebskosten einschließlich Backhaul
• Akzeptable System- und Endgerätekomplexität, Kosten und Stromverbrauch
• Unterstützung der Zusammenarbeit mit bestehenden 3G-Systemen und nicht-3GPP-spezifischen Systemen
• Effiziente Unterstützung der verschiedenen Arten von Diensten, insbesondere aus dem PS-Bereich (z. B.z.B. Voice over IP, Presence)
• Optimiert für niedrige mobile Geschwindigkeiten, aber mit Unterstützung für hohe mobile Geschwindigkeiten (bis zu 500 km/h).

Nach der Definition der E-UTRA/LTE-Anforderungen wurde im Rahmen derselben Rel-7-Studie eine 3GPP TR 25.912 „Feasibility study for evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)“ erstellt, um zu beschreiben, wie der Funkteil des Systems gestaltet werden könnte. Entsprechende normative E-UTRA/LTE-Arbeiten folgten dann von September 2006 bis März 2009 in Rel-8-Spezifikationen.

Parallel zur Entwicklung der Funkarchitektur wurde eine Studie über die 3GPP-Systemarchitektur-Evolution (SAE) mit dem Ziel durchgeführt, ein Rahmenwerk für eine Evolution oder Migration des 3GPP-Systems zu einem System mit höherer Datenrate, niedrigerer Latenz und paketoptimiertem System zu entwickeln, das mehrere Funkzugangstechnologien unterstützt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der PS-Domäne mit der Annahme, dass Sprachdienste in dieser Domäne unterstützt werden.
Diese Studie führte zu Rel-8 3GPP TR 23.882 und wurde von entsprechenden normativen Rel-8 Arbeiten gefolgt.

Obwohl der Begriff „Evolved UTRA“ eine schrittweise Verbesserung des bestehenden UMTS-Systems der 3. Generation impliziert, wurde es letztendlich eine andere Funkzugangstechnologie:

• Während UMTS mit einem Fokus auf leitungsvermittelte Daten begann, die dann über Shared Channels und HSPA immer mehr in Richtung eines paketvermittelten Systems erweitert wurden, ist LTE ein rein paketvermitteltes System
• während UMTS CDMA nutzte, LTE verwendet OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) im Downlink (evolved NodeB (eNodeB) => User Equipment (UE)) und SC-FDMA (Single Carrier- Frequency Division Multiple Access) im Uplink (UE => eNodeB)
  Anmerkung 1: SC-FDMA hat ein geringeres Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung (PAPR) als OFDMA, was für ein einfacheres Design des UE-Leistungsverstärkers/eine höhere Effizienz (höhere Abdeckung/geringerer Stromverbrauch) bevorzugt wurde
  Anmerkung 2: SC-FDMA wird auch als DFT-S-OFDM bezeichnet, was darauf hinweist, dass es als Vorcodierung (durch diskrete Fourier-Transformation) plus das gleiche OFDMA verstanden werden kann, das im Downlink verwendet wird
• während UMTS (zumindest FDD und 3,84Mcps TDD) eine Kanalbandbreite von 5MHz verwendet, erlaubt LTE 6 verschiedene Kanalbandbreiten: 1,4/3/5/10/15/20MHz
• während UMTS einen RNC (radio network controler) zwischen NodeB und Kernnetz hat, sind die Funktionalitäten dieser Netzeinheit zwischen eNodeB und Kernnetz in LTE aufgeteilt => kein RNC in LTE => flache/einfache Funkarchitektur

Allerdings, Sowohl UMTS/UTRA als auch LTE/E-UTRA verwenden einen 10ms-Funkrahmen, beide haben FDD- und TDD-Modi und LTE/E-UTRA unterstützt volle Interoperabilität mit UMTS/UTRA und GSM/GERAN/EDGE.

LTE-Advanced

Rel-10/Rel-11/Rel-12

Zusätzliche Frequenzen, die auf der WRC-07 im Jahr 2007 für IMT-Systeme vorgeschlagen wurden (im 450-MHz-Band, im UHF-Band (698-960 MHz), im 2,3-2.4 GHz-Band, im C-Band (3400-4200 MHz)) sowie die Aufforderung der ITU-R zur Entwicklung einer IMT-Advanced-Funkschnittstelle (Rundschreiben vom März 2008) lösten die Entwicklung der 4. Generation von Mobilkommunikationssystemen aus.

Nach ITU-R M.1645 (overall objectives for beyond IMT-2000) und M.2134 (IMT-Advanced-Anforderungen) wurden die Hauptmerkmale für IMT-Advanced wie folgt zusammengefasst:

• ein hohes Maß an Gemeinsamkeit der Funktionalität weltweit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Flexibilität zur Unterstützung einer breiten Palette von Diensten und Anwendungen in kosteneffizienter Weise
• Kompatibilität der Dienste innerhalb von IMT und mit Festnetzen
• Fähigkeit zur Zusammenarbeit mit anderen Funkzugangssystemen
• Mobilfunkdienste von hoher Qualität
• Benutzergeräte, die für den weltweiten Einsatz geeignet sind
• benutzerfreundliche Anwendungen, Dienste und Geräte
• weltweite Roaming-Fähigkeit
• erhöhte Spitzendatenraten zur Unterstützung fortgeschrittener Dienste und Anwendungen (100 Mbit/s für hohe und 1 Gbit/s für niedrige Mobilität wurden als Forschungsziele festgelegt)

3GPP befand sich zu diesem Zeitpunkt in der Phase der Fertigstellung seiner Rel-8 LTE WI und begann im März 2008 mit einem frühen Rel-9 Studienpunkt (FS_RAN_LTEA, RP-091360), um in 3GPP TR 36.913 die Anforderungen für ein mobiles Kommunikationssystem namens LTE-Advanced unter den folgenden Bedingungen zu definieren:

• LTE-Advanced soll eine Weiterentwicklung des LTE-Systems von Release 8 sein
• Alle Anforderungen von LTE aus 3GPP TR 25.913 gelten auch für LTE-Advanced
• LTE-Advanced muss die IMT-Advanced-Anforderungen innerhalb des ITU-R-Zeitplans erfüllen oder übertreffen

Anmerkung: Die Begriffe LTE-Advanced und Advanced E-UTRA sind synonym.

3GPP TR 36.913 über „Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced)“ wurde auf der RAN #40 im Juni 2008 (noch unter Rel-8) verabschiedet.

Die folgende Abbildung aus ITU-R M.1645 veranschaulicht die Unterschiede zwischen IMT-2000 (3. Generation) und IMT-Advanced (4. Generation):

Außerdem startete im März 2008 die gleiche Studie eine 3GPP TR 36.912 zur Machbarkeitsstudie für „Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced)“, um bestimmte Bereiche zu analysieren, in denen LTE verbessert werden könnte, z.B.

• Unterstützung größerer Bandbreite: Aggregation mehrerer Komponententräger mit bis zu 20MHz Bandbreite,
• Spatial Multiplexing: DL bis zu 8 Layer, UL bis zu 4 Layer,
• Koordinierte Mehrpunktübertragung und -empfang: zur Verbesserung der Abdeckung hoher Datenraten, des Zellranddurchsatzes und/oder zur Erhöhung des Systemdurchsatzes
• Relaying-Funktionalität: zur Verbesserung z.B. die Abdeckung hoher Datenraten, die Gruppenmobilität, die temporäre Netzbereitstellung, den Zellranddurchsatz zu verbessern und/oder die Abdeckung in neuen Gebieten bereitzustellen

um die IMT-Advanced Anforderungen zu erfüllen und zu übertreffen.

Diese TR 36.912 wurde im Sep.2009 genehmigt (RAN #45) als Rel-9 TR genehmigt und bei RAN #46 und RAN #47 (März 2010) weiter aktualisiert, wo die SI vervollständigt wurde.

In Release 10 wurden einzelne Arbeitspunkte gestartet, die Verbesserungen von LTE einführen, die in dem Rel-9 Studienpunkt für LTE-Advanced diskutiert wurden:

• Carrier Aggregation for LTE (LTE_CA): Dez.09 – Juni 11; RP-100661
• UL multiple antenna transmission for LTE (LTE_UL_MIMO): Dez.09 – Juni 11; RP-100959
• Enhanced Downlink Multiple Antenna Transmission for LTE (LTE_eDL_MIMO): Dez.09 – März 11; RP-100196
• Koordinierter Mehrpunktbetrieb für LTE: nur eine Studie wurde in Rel-10 begonnen, die in Rel-11 abgeschlossen wurde und zu normativen Arbeiten in Rel-11 mit weiteren Verbesserungen in Rel-13 und Rel-15 führte
• Relais für LTE (LTE_Relay): Dez.09 – Juni 11; RP-110911
• Latenzreduktion: WI wurde gestoppt, da es nicht möglich war, dies in Rel-10 abzuschließen (es kam eine L2-Latenzreduzierung in Rel-14 zurück und wurde dort abgeschlossen)
• Weitere Verbesserungen an MBMS für LTE (MBMS_LTE_enh): Juni 10 – März 11; RP-101244
• LTE Self Optimizing Networks (SON) enhancements (SONenh_LTE): März 10 – Juni 11; RP-101004
• Minimierung von Fahrtests für E-UTRAN und UTRAN (MDT_UMTSLTE): Dez.09 – Juni 11; RP-100360

Anmerkung: Es gibt keine separate Funkzugangstechnologie „LTE-Advanced“. Alle Verbesserungen von LTE in Rel-10 und darüber hinaus sind in die LTE-Spezifikationen integriert, wie sie in Rel-8 und Rel-9 entwickelt wurden.

3GPP trug zum IMT-Advanced-Projekt der ITU-R durch einen frühen vorläufigen Beitrag von RAN #41 im Sep.2008 (RP-080763) und einer endgültigen Einreichung einschließlich der Ergebnisse der Selbstevaluierung von RAN #45 im September 2009 (RP-090939).

Anmerkung: RP-090939 schließt RP-090745 ein, das die Merkmale von LTE-Advanced in einem komprimierten Vorlagenformat bereitstellt.

Im Januar 2012 verabschiedete die Radiocommunication Assembly die ITU-R Recommendation M.2012 „Detailed specifications of the terrestrial radio interfaces of International Mobile Telecommunications-Advanced (IMT-Advanced)“ (RP-120005) und bestätigte LTE-Advanced als IMT-Advanced-Funkschnittstellentechnologie.

Anmerkung 1: Es gibt nur eine weitere IMT-Advanced-Funkschnittstellentechnologie namens „WirelessMAN-Advanced“, die von IEEE entwickelt wurde.

Anmerkung 2: Etwa alle 2 Jahre wird ITU-R M.2012 wird von 3GPP mit den neuesten Verbesserungen aktualisiert.

LTE-Advanced Pro

Rel-13 und darüber

Alle Verbesserungen von LTE von Rel-13 und darüber hinaus (wenn sie nicht mit 5G zusammenhängen) laufen unter der Marke „LTE Advanced Pro“, zum Beispiel:

Rel-13 (Sep.14-Dez.15, ASN.1 freeze: March 16):

• Narrowband Internet of Things (IOT)
• Weitere LTE Physical Layer Enhancements für MTC
• Dual Connectivity enhancements for LTE
  Extension of Dual Connectivity in E-UTRAN
• Licensed-Assisted Access (LAA) mit LTE
• Elevation Beamforming/Full-Dimension (FD) MIMO für LTE
• Erweiterungen der Indoor-Positionierung für UTRA und LTE
• Weitere Erweiterungen der Minimierung von Drive-Tests für E-UTRAN
• Erweiterte LTE Device to Device Proximity Services
• Mehrträger-Lastverteilung von UEs in LTE
• Unterstützung von Einzelzellen-Punkt-zu-Mehrpunkt-Übertragung in LTE
• Erweiterte Signalisierung für Inter-eNB Coordinated Multi-Point (CoMP) für LTE
• RAN-Erweiterungen für erweiterten DRX in LTE
• LTE-WLAN Radio Level Integration and Interworking Enhancement,
  LTE-WLAN RAN-Level-Integration zur Unterstützung von Legacy-WLAN
• RAN-Aspekte der anwendungsspezifischen Überlastungssteuerung für die Datenkommunikation
• Base Station (BS) RF-Anforderungen für Active Antenna System (AAS),
  SON für AAS-basierte Implementierungen
• Dedizierte Kernnetze
• RAN-Aspekte von RAN-Sharing-Erweiterungen für LTE
• Ausgestrahlte Anforderungen für die Verifizierung der Mehrantennen-Empfangsleistung. von UEs
• UE Kernanforderungen für Uplink 64 QAM
• LTE DL 4 Rx Antennenports

Rel-14 (Dez.15-März 17, ASN.1 freeze: June 17):

• Erweiterungen von NB-IoT
• Weiter verbesserte MTC für LTE
• Flexible eNB-ID und Cell-ID in E-UTRAN
• Erweiterte LAA für LTE
• Unterstützung für V2V-Dienste auf Basis von LTE-Sidelink, LTE-basierte V2X-Dienste
• Verbesserungen bei Full-Dimension (FD) MIMO für LTE
• Downlink Multiuser Superposition Transmission für LTE
• SRS (Sounding Reference Signal) Umschaltung zwischen LTE Komponententrägern
• Weitere Verbesserungen der Indoor Positionierung für UTRA und LTE
• Uplink-Kapazitätsverbesserungen für LTE
• eMBMS-Verbesserungen für LTE
• L2-Latenzzeitreduzierungstechniken für LTE
• Weitere Mobilitätsverbesserungen in LTE
• Sprach- und Videoverbesserungen für LTE
• Erweiterte LTE-WLAN-Aggregation (LWA), Erweiterte LTE-WLAN-Funkebenen-Integration mit IPsec-Tunnel (eLWIP)
• Erweiterungen von Dedicated Core (DECOR)-Netzen für UMTS und LTE
• Erweiterung der LTE-Messlücke
• Anforderungen für eine neue UE-Kategorie mit einem Empfänger auf Basis von Kat.1 für LTE
• Leistungsverbesserungen für das Hochgeschwindigkeitsszenario in LTE
• 4 Empfänger-(RX)-Antennenanschlüsse mit Carrier Aggregation für LTE-Downlink (DL)
• Multi-Band-Basisstationstests mit drei oder mehr Bändern
• Anforderungen an die Strahlungsleistung für die Überprüfung des Mehrantennenempfangs von UEs

Rel-15 (März 17-Juni 18, ASN.1 freeze: Sep.18):

• Weitere NB-IoT-Verbesserungen
• Weiter verbesserte MTC für LTE
• Verbesserungen für den LTE-Betrieb im unlizenzierten Spektrum
• V2X Phase 2 auf Basis von LTE
• Weitere Verbesserungen des Coordinated Multi-Point (CoMP) Operation für LTE
• UE Positioning Accuracy Enhancements for LTE
• Enhancements for high capacity stationary wireless link and intro of DL 1024 QAM
• Bluetooth/WLAN measurement collection in LTE Minimization of Drive Tests
• Quality of Experience Measurement Collection for streaming services in E-UTRAN
• UL-Datenkompression in LTE
• Erhöhte Anzahl von E-UTRAN-Datenträgern
• Weitere Videoverbesserungen für LTE
• Verkürzte TTI und Verarbeitungszeit für LTE, Ultrazuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz für LTE
• LTE-Konnektivität zu 5G-CN
• Verbesserte LTE-Unterstützung für Luftfahrzeuge
• Verbesserte LTE-CA-Auslastung
• UE-Anforderungen für netz-based CRS interference mitigation for LTE
• UE requirements for LTE DL 8Rx antenna ports
• Enhancements of BS RF and EMC requirements for Active Antenna System

Rel-16 (June 18 – June 20, ASN.1 freeze: June 20):

• Zusätzliche Verbesserungen für NB-IoT
• Zusätzliche MTC-Verbesserungen für LTE
• DL MIMO-Effizienzverbesserungen für LTE
• Weitere Mobilitätsverbesserungen im E-.UTRAN
• Unterstützung des Navigationssatellitensystems NavIC für LTE
• Weitere Leistungsverbesserungen für LTE im Hochgeschwindigkeitsszenario
• LTE-basierte terrestrische 5G-Übertragung

Und eine Reihe von Arbeitspunkten, die von LTE & NR angetrieben werden:

• 5G V2X mit NR-Sidelink
• Multi-RAT-Dual-Connectivity und Carrier Aggregation-Verbesserungen (LTE, NR)
• Optimierungen der UE-Funkfähigkeits-Signalisierung – NR/E-UTRA-Aspekte
• eNB(s) Architecture Evolution for E-UTRAN and NG-RAN
• Einführung von Capability Set(s) in Multi-Standard-Funkspezifikationen

Rel-17 (seit Juni 20):

• Zusätzliche Verbesserungen für NB-IoT und LTE-MTC
• Weitere LTE Carrier Aggregation Kombinationen

Und eine Reihe von Arbeitspunkten, die von LTE & NR angetrieben werden:

• Weitere Multi-RAT Dual-Connectivity-Verbesserungen
• Unterstützung für Multi-SIM-Geräte für LTE/NR
• Erweiterte eNB(s) Architekturentwicklung für E-UTRAN und NG-RAN
• Verbesserung der Datenerfassung für SON (Self-Organising Networks)/MDT (Minimization of Drive Tests) in NR und EN-DC
• Hochleistungs-UE (Leistungsklasse 2) für EN-DC
• Bandkombinationen für den gleichzeitigen Betrieb von NR/LTE Uu-Bändern/Bandkombinationen und einem NR/LTE V2X PC5-Band
• Weitere Bandkombinationen für Dual Connectivity LTE/NR

LTE-Spezifikationen finden sich unter: 3GPP TS 36.-Spezifikationen (wenn nur LTE betroffen ist) oder 3GPP TS 37.-Spezifikationen (wenn auch andere Funkzugangstechnologien wie UMTS oder GERAN oder NR in dieser Spezifikation behandelt werden), z.B. Stufe 2 in 3GPP TS 36.300.

3GPP TS 21.201 enthält eine Liste aller Spezifikationen, die sich auf die 4. Generation beziehen (einschließlich Kernnetz EPC (Evolved Packet Core) und Systemaspekte). Die 4G-Netzarchitektur wird in 3GPP TS 23.003

beschrieben.