Mobiele 5G-netwerken lijken nog ver weg. De concepten erachter hebben al wel invloed op de ontwikkeling van komende uitbreidingsstappen voor LTE. Nieuwe LTE-netwerken leveren als opstap naar 5G niet alleen extra bandbreedte om onderweg te internetten, maar kunnen ook de meest uiteenlopende zaken met internet verbinden. Dat loopt van zelfrijdende auto’s tot apparaatjes die heel lang op een batterij kunnen werken, zoals slimme meters, sensoren en wearables.
De mobiele telecommunicatietechniek LTE is een succesverhaal. De ontwikkeling begon pas in 2004, maar in 2008 werd in Zweden al het eerste LTE-netwerk in gebruik genomen. Inmiddels zijn we acht jaar verder en internetten meer dan een miljard gebruikers over meer dan 450 LTE-netwerken wereldwijd. Zie het Ericsson Mobility Report van juni 2016.
De basis daarvoor werd gelegd door het Third Generation Partnership Project, 3GPP, met de 3GPP-specificatie LTE Release 8. Daarop volgde een snelle ontwikkeling met veel stappen voorwaarts. En een hoop nieuwe features om bestaande toepassingen beter te ondersteunen of compleet nieuwe toepassingsscenario’s mogelijk te maken.
We geven hier een overzicht van de belangrijkste features die er tot de huidige Release 13 zijn bijgekomen. We laten ook zien wat er bij 3GPP op de planning staat voor de komende Releases 14 en 15. En dat is nogal wat.
5G-projecten
De huidige ontwikkelingen op het gebied van LTE (4G) worden geïnspireerd door de vijfde generatie van de mobiele telecommunicatietechniek (5G). Die moet later eveneens in de 3GPP-specificaties terechtkomen. Zo reageert 3GPP op nieuwe eisen en slaat het een brug tussen de twee mobiele netwerktechnieken.
De initiatieven komen uit 5G-onderzoeksprojecten als METIS en uit de koker van de Next Generation Mobile Networks Alliance. Die delen toekomstige toepassingen op in drie grote categorieën. Op de eerste plaats staat mobiele breedbandtoegang (Mobile Broadband, MBB). LTE heeft met hoge datarates, hoge systeemcapaciteit en lage latency geschikte randvoorwaarden gecreëerd voor breedbandtoegang. Gebruikers zijn heel snel gewend geraakt aan mobiel internetgebruik.
Er komen apparaten op het netwerk bij die niet bedoeld zijn voor menselijke communicatie: het Internet of Things (IoT). In 3GPP-termen heet dat Machinetype Communication (MTC). Dat is weer opgedeeld in twee categorieën: critical en massive (C-MTC en M-MTC).
Machinale communicatie
M-MTC staat voor toepassingen die slechts af en toe kleine hoeveelheden data versturen. De bijbehorende apparaten zijn goedkoop te maken en gebruiken. Ze hebben genoeg aan simpele zend-ontvangmodules (transceivers) en verbruiken maar weinig stroom. Voorbeelden zijn sensoren in de landbouw en op afstand uitleesbare gas-, water- en stroommeters. Die houden het vele maanden of zelfs jaren vol op een knoopcel.
Onder C-MTC vallen toepassingen waarvoor de beschikbaarheid van mobiele netwerkdiensten en de betrouwbaarheid van de verbinding kritiek zijn. In veel gevallen moet de tijd tussen het versturen en ontvangen van signalen kort zijn (lage latency). Door de bank genomen is het datavolume bij C-MTC-apparaten vele malen hoger dan bij M-MTC-apparaten. Voorbeelden zijn de signaaloverdracht van autonome voertuigen en het op afstand bedienen van machines in gevaarlijke omgevingen.
Flexibele concepten
Op het eerste gezicht zijn de voorwaarden voor M-MTC en C-MTC tegenstrijdig. Zo is een bijzonder lange accuduur bij grote hoeveelheden data en hoge datarates niet mogelijk. Daarom heeft de 3GPP voorwaarden opgesteld voor flexibel in te stellen concepten. Fabrikanten kunnen netwerkelementen en specifieke apparaten ontwikkelen voor M-MTC en C-MTC. Netwerkproviders stellen ze dan in voor hun netwerken volgens hun voorwaarden.
Zulke toepassingen werden in eerste instantie besproken in de context van de ontwikkeling van 5G. Maar al snel ontdekte men dat deze nieuwe toepassingsscenario’s ook voor LTE gerealiseerd kunnen worden met een paar uitbreidingen. Zo kunnen providers investeringen in LTE voor nieuwe toepassingen gebruiken en wordt de weg naar 5G korter. De Releases 13 en 14 vormen daarvoor de basis. De standaardisering van Release 13 begon in september 2014 en de specificatie werd afgerond in december 2015. De standaardisering van Release 14 moet wederom 15 maanden duren. Die loopt sinds december 2015 en moet afgerond worden in maart 2017. Daarna begint het werk aan Release 15, waar ook weer 15 maanden voor staan.
Om belangrijke tussenstappen in de ontwikkeling duidelijk aan te geven, worden de 3GPP-standaarden vanaf Release 10 (juni 2011) LTE Advanced genoemd (in Nederland bekend als 4G+) en vanaf versie 13 LTE Advanced Pro (soms 4.5G genoemd).
4G zonder licenties
Releases 13 en 14 bieden veel verbeteringen voor mobiele internettoegang. Met de uitbreiding Licensed Assisted Access (LAA) combineert LTE voor het eerst kanalen uit het gelicentieerde spectrum met die uit het licentievrije spectrum op de 5GHz-band. Daardoor wordt de datarate voor de gebruiker en de netwerkcapaciteit voor de mobiele internettoegang tijdelijk verhoogd. Daarbij gebruikt LTE ‘listen before talk’. Dat is hetzelfde principe dat wifi gebruikt om alleen te zenden als een kanaal op de 5GHz-band vrij is. Release 13 specificeert LAA voor de downlink. Release 14 voegt LAA toe bij de uplink.
Parallel aan 3GPP werkt de MulteFire Alliance aan een techniek om LTE uitsluitend in het licentievrije spectrum te gebruiken. Zo kan LTE volledig onafhankelijk van spectrumlicenties gebruikt worden. Bijvoorbeeld voor het lokale draadloze bedrijfsnetwerk of om fabrieks- en kantoorgebouwen met elkaar te verbinden.
Integratie wifi en mobiel
Daarnaast bieden Release 13 en 14 methodes om wifi en mobiele netwerken te integreren. Daarbij maken providers van mobiele netwerken ook wel gebruik van het licentievrije spectrum. Maar dan op basis van de IEEE-specificatie 802.11. Omdat de wifi-interface volgens andere voorwaarden gedefinieerd is dan de 3GPPinterfaces, is de mate van integratie lager. Vooral als het gaat om het toewijzen van de communicatieresources en de dienstverlening.
Zo kan LAA resources dynamisch per milliseconde toewijzen in het gelicentieerde of licentievrije spectrum. Het netwerk kan dan snel reageren op veranderingen van de signaalkwaliteit en op interferentie. Ook is het makkelijker om richtlijnen voor dienstverlening te volgen. Daarmee vergeleken reageert wifi traag door het achterliggende concept. De integratie met LTE is dan ook niet zo krachtig.
Volgens Release 10 kunnen maximaal vijf draaggolven van elk 20 MHz breed gecombineerd worden (carrier aggregation). De maximale systeembandbreedte zit daardoor op 100 MHz. Vanaf Release 13 kunnen tot 32 carriers gecombineerd worden. De maximale breedte per carrier blijft 20 MHz, zodat de maximale systeembandbreedte uitkomt op 640 MHz.
Volgens Release 13 kan een LTE-systeem op het maximale niveau zo’n 25 Gbit/s per cel versturen. Daarmee wil 3GPP de mobiele internettoegang verder versnellen. Momenteel is er nog geen enkele netwerkprovider met een licentie voor zo veel spectrum. Er zijn er wel met reserves op de 700-, 1500- en 3500MHz-banden. Daarnaast zijn op de 5GHz-band honderden MHz aan licentievrij spectrum beschikbaar, die met LAA gecombineerd kunnen worden.
25 Gbit/s per cel
Tot Release 12 kunnen op het basisstation acht antenne-elementen effectief gebruikt worden voor parallelle verbindingen (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Daarbij kan de uitbreiding echter alleen horizontaal aangestuurd worden. Vanaf Release 13 kunnen tot 16 antenne-elementen individueel aangestuurd worden. Daarmee wordt de gerichte verbinding (beamforming) verbeterd. Bovendien kan daarmee verticale uitbreiding aangestuurd worden. Daardoor nemen het bereik en de signaalkwaliteit onder de streep toe. In stedelijke gebieden met hoogbouw kunnen afzonderlijke verdiepingen gericht dan afgedekt worden. Als meerdere apparaten tegelijkertijd bediend moeten worden, kan een cel met multiuser-MIMO elk apparaat een eigen beam geven. Dan neemt ook de netwerkcapaciteit toe.
Release 14 verhoogt het aantal aanstuurbare antenne-elementen van 16 naar 32. Zo kunnen nog meer verschillende apparaten tegelijkertijd bediend worden via aparte beams.
Geen grotere antennes
Netwerkproviders maken zich wellicht zorgen om het toenemende aantal antenne-elementen. Dat zou kunnen betekenen dat de complete antenne-installaties groter en zwaarder worden. Providers geven de voorkeur aan kleine antennes. Die zijn makkelijker te vervoeren en te monteren. Ze zijn minder gevoelig voor wind en hebben minder ruimte nodig. Ze worden beter geaccepteerd door bewoners en de verhuurders van opstelpunten.
Die zorgen zijn echter ongegrond. De huidige antenne-installaties hebben meestal al 16 antenne-elementen. Met Release 13 kunnen die individueel aangestuurd worden. Als je losse elementen gericht kunt aansturen, zijn ze efficiënter. Daarom hoeven de huidige antennes niet groter te worden en staan de gebruikte opstelpunten niet ter discussie. Een handige bijkomstigheid is dat de grootte van de antenne-elementen omgekeerd evenredig is aan de frequentie van de draaggolf. Hoe hoger de frequentie, des te kleiner de antennes. Daardoor kun je MIMO vooral makkelijker gebruiken bij hogere frequenties, bijvoorbeeld 2,6 GHz.
Communicerende machines
Onder de noemer M-MTC vallen smalbandige systemen met heel veel, meestal goedkope apparaten in een netwerk. Die werken vaak op batterijen. Zulke toepassingen zijn nog nieuw, maar netwerkproviders willen er wel graag mee aan de slag. In de huidige vorm kan LTE echter nauwelijks aan de bijbehorende eisen voldoen. De capaciteit van een LTE-cel volstaat om wel duizenden van zulke apparaten met elkaar te verbinden. De benodigde draadloze modules voor internettoegang zijn echter te duur en kosten te veel energie. Bovendien is het signaal van de nu gebruikte LTE-cellen niet sterk genoeg om overal door te dringen. Denk bijvoorbeeld aan slimme water- of gasmeters in de kelder.
Data stapelen
3GPP speelt in Release 13 daarom met twee specificaties in op de M-MTC-trend. Dat zijn Narrow-Band IoT (NB-IoT) en enhanced Machine-type Communication (eMTC). Die zorgen er allebei voor dat het bereik en de signaalsterkte sterk verbeteren. Die verbeteringen komen met name door robuustere modulaties (zoals QPSK) en een verhoogde redundantie van verstuurde data. Zo kun je garanderen dat een bericht aankomt door maximaal tweeduizend losse transfers op elkaar te stapelen. Omgerekend komt dat overeen met een honderd keer sterker signaal dan bij normale LTE.
Daarmee zijn zelfs apparaten in een kelder onder een vloer van gewapend beton bereikbaar vanaf de huidige 4G-masten. Met dezelfde techniek kun je ook het celbereik uitbreiden. Dat lukt tot een factor 3,5. Het oppervlak neemt dan ongeveer met een factor 12 toe. Je kunt het aantal opstelpunten met dezelfde signaalsterkte dan aanzienlijk terugbrengen. Zo kunnen eMTCen NB-IoT-cellen duizenden smalbandige apparaten van signaal voorzien.
Zuinig zenden
De draadloze modules kunnen minder complex zijn omdat de maximale datarates en de bandbreedte bij zenden en ontvangen dalen. Met een 1,08 MHz brede carrier levert eMTC maximaal 1 Mbit/s. NB-IoT gebruikt een 180 kHz brede carrier en haalt 200 kbit/s. Bovendien daalt de overhead omdat de gebruikte apparaten slechts één ontvangstantenne gebruiken. Bij moderne smartphones moeten dat er minstens twee zijn. Alle maatregelen bij elkaar drukken de prijs van zulke draadloze modules tot een paar euro per stuk.
Bij IoT-apparaten zijn de actieve fases waarin payload verstuurd moet worden zeldzaam. En meestal heel kort. Daarom kunnen ze tussendoor in de slaapstand blijven. Daardoor worden ze zuiniger en kunnen dus langer met een batterij doen. Als de draadloze module langere tijd vrijwel geheel uitgeschakeld blijft, kan een batterij soms tot wel tien jaar meegaan.
Spectrum opdelen
NB-IOT past prima in de nu gebruikelijke spectrumverdelingen van de netwerkproviders. De kanaalbreedte komt namelijk overeen met die van een GSM-carrier. De behoefte aan GSM-carriers neemt af. Netwerkproviders kunnen NB-IoT makkelijk toevoegen voor losse GSM-carriers die ze toch niet meer nodig hebben. Bovendien past NBIoT zelfs in zogeheten guard-bands tussen de verschillende LTE-banden. Die zijn bedoeld om storingen tussen de banden onderling te minimaliseren. Vaak zijn die guard-bands niet in de volle breedte van zo’n 10 procent van de kanaalbreedte nodig. Dat is ongeveer 1 MHz tussen 10 MHz brede LTE-kanalen. Daar kan wat van afgesnoept worden voor NB-IoT.
Zelfs inband-gebruik midden in een LTE-carrier is mogelijk. NB-IoT en LTE gebruiken dezelfde OFDM-zendtechniek. Ze zijn echter 90 graden gedraaid ten opzichte van elkaar en gaan elkaar zo uit de weg. Daarbij is het handig dat het spectrum voor het gewone breedband-LTE ook opgedeeld kan worden in stukjes van 180 kHz. Zo kunnen netwerkproviders hun zendspectrum afhankelijk van de belasting inzetten voor normaal breedband LTE of NB-IoT. Ook eMTC gebruikt OFDM en is daardoor voor inband-gebruik geschikt, maar met een kanaalbreedte van zes stukjes van 180 KHz.
Een groter bereik, minder energieverbruik en minder complexiteit hebben natuurlijk hun prijs. Vergeleken met LTE wordt bij M-MTC de maximale datarate minder en neemt de looptijd van het signaal toe. Gelukkig zijn deze kenmerken voor M-MTCtoepassingen van ondergeschikt belang.
Nieuwe firmware voor iedereen
Release 14 moet de positiebepaling van NB-IoT- en eMTC-apparaten verbeteren en multicast- en broadcast-overdracht inbouwen. Daarmee moet je bijvoorbeeld de firmware van veel IoT-apparaten in één klap kunnen updaten. Bovendien moeten de apparaten direct met elkaar kunnen communiceren (Device-to-Device, D2D). De eerste aanzetten voor LTE-D2D zitten al in Release 12, maar Release 13 dekt het toepassingsgebied pas volledig af. Daar wordt het label ‘public safety’ aan gehangen. Dat is draadloze communicatie voor hulpdiensten als politie, brandweer en ambulance.
De D2D-techniek moet inspringen op het moment dat de gewone LTE-infrastructuur faalt. In zulke situaties kunnen D2D-apparaten direct met elkaar communiceren, zonder tussenkomst van basisstations en kernnetwerken. LTE met D2D van Release 13 kun je daarom zien als alternatief voor de digitale communicatiestandaard TETRA. Die is in Nederland en België bekend van de netwerken C2000 en ASTRID.
Intelligent transport
Met Release 14 wordt D2D uitgebreid voor de verkeerstelematica (Intelligent Transport Systems, ITS). Omdat daarbij allerlei soorten voertuigen data uitwisselen, ook personenauto’s en vrachtwagens, wordt dit Vehicle-to-Vehicle-communicatie genoemd (V2V). Daarvoor zijn kortere latency’s nodig en meer celcapaciteit. Veel voertuigen moeten immers vaak en snel informatie uitwisselen die relevant is voor de veiligheid.
LTE-V2V concurreert met de iets oudere IEEE-specificatie 802.11p. Eerste onderzoeken suggereren dat de LTE-specificatie krachtiger is. Vooral het bereik en daarmee de beschikbaarheid zijn beter. Om alle ITS-toepassingen af te kunnen dekken, is er nog een Vehicle-to-Network-component nodig (V2N). De LTE-netwerkinfrastructuur is al geschikt voor ITS-diensten op basis van draadloze V2N-netwerken. Release 14 moet optimalisaties bieden voor V2Vtoepassingen.
Release 15 breidt D2D uit voor smart-wearables als smartwatches, augmented-reality-brillen en fitnessarmbanden. In de visie van de 3GPP-ontwikkelaars krijgen smart-wearables twee draadloze systemen. Een smalbandig IoT-systeem communiceert met het netwerk en een D2D-module maakt verbinding met je smartphone. Net als bij IoT streven ontwikkelaars ook hier naar energiezuinigheid. En naar het beperken van de complexiteit om kleinere apparaten voor een lagere prijs mogelijk te maken.
Nog kortere latency’s
De lagere latency ten opzichte van GSM/EDGE en UMTS was bij het oorspronkelijke LTE-design in Release 8 een groot thema. Dat kwam pas weer terug bij Release 13 omdat veel C-MTC-toepassingen kortere latency’s nodig hebben dan bij LTE-netwerken gebruikelijk is.
Een belangrijke manier voor lagere latency is het inkorten van de tijd tot gevraagde communicatieresources voor een apparaat beschikbaar zijn. Daar is een truc voor. In plaats van te wachten tot een apparaat om resources vraagt, houdt het netwerk bij in welke cellen C- MTC-apparaten verbonden zijn. Daar worden alvast resources voor gereserveerd. Dan staan ze bij tijdkritische toepassingen meteen ter beschikking. Daarmee dalen de toegangstijden voor zulke apparaten van ongeveer 10 ms tot 1 à 2 ms. De toegangstijden aan de kant van het netwerk zijn bij LTE al heel kort. Die zitten nu al op 1 à 2 ms.
Bovendien wordt in Release 14 en 15 het overdrachtsinterval (Transmission Time Interval, TTI) verkort. Vooralsnog duurt een interval 1 milliseconde (1 LTE-subframe oftewel 14 OFDM-symbolen). Release 14 specificeert een korter interval met de naam sTTI. Dat is slechts 2 OFDM-symbolen lang. Zo wordt de Round-Trip Time (RTT) op de MAC-layer korter. En bij verbindingsfouten daarmee de tijd tot de data opnieuw verstuurd worden.
Op dit moment is de RTT bij LTE gedefinieerd met een n+4-regel. Vier TTI’s na de originele overdracht moet de feedback binnenkomen. Als er een overdrachtsfout wordt vastgesteld, wordt het signaal vier TTI’s later opnieuw verstuurd. Als je deze regel ook toepast op het sTTI, dalen zowel de overdrachtstijd als de RTT met een factor zeven.
Hoogwaardige modulatie
C-MTC vergt naast kortere latency’s ook een hogere betrouwbaarheid. Release 15 zou bijvoorbeeld aan deze voorwaarde kunnen voldoen met een robuustere kanaalcodering. Of met snelle herhalingen van de pakketoverdracht.
Hoe hoogwaardiger een modulatiemethode, des te meer payload er per stap verstuurd kan worden. Daarmee nemen de spectrale efficiëntie en de maximale datarate van het systeem toe. Dat is allebei nodig voor snel mobiel internet. Hoogwaardigere modulatiemethoden lonen echter alleen bij bijzonder goede transmissiekanalen. Hoe slechter een kanaal is, des te hoger de error-rate en des te lager de doorvoersnelheid. Goede transmissiekanalen zijn echter zeldzamer naarmate de afstand tussen zender en ontvanger toeneemt.
Dat kun je compenseren door kortere afstanden en betere ontvangers. Netwerkproviders zetten steeds meer cellen met een klein bereik in. Fabrikanten verbeteren de ontvangst van mobiele apparaten en basisstations met extra antennes. Daarom verhoogt Release 13 het maximale modulatieniveau van de uplink van 16QAM naar 64QAM (4 bit/s/Hz naar 6 bit/s/Hz). Die van de downlink stijgt van 64QAM naar 256QAM (8 bit/s/Hz). Release 14 specificeert 256QAM voor de uplink. Of later ook 1024QAM voor de downlink ingezet gaat worden is nog onderwerp van discussie.
Dezelfde data voor iedereen
Met Multimedia Broadcast en Multicast Service (MBMS) kan dezelfde content naar veel gebruikers tegelijkertijd verstuurd worden. Daarmee neemt de efficiëntie toe. In de modus MBMS Single-Frequency Network (MBSFN) versturen meerdere cellen hetzelfde signaal. Dat verbetert de ontvangstkwaliteit. Tegelijkertijd neemt de interferentie tussen naburige cellen af, vooral aan de randen van de cellen. Zo wordt op de kritische punten in het netwerk de signaalvoorziening verbeterd.
Release 13 vult MBSFN aan met de methode Single-Cell Point-to-Multipoint (SC-PtM). Daarbij verstuurt één enkele cel de signalen naar alle deelnemers binnen die cel. Daarmee verbetert de ontvangst over celgrenzen heen niet. Het voorkomt wel dat een netwerk een signaal meerdere keren verstuurt terwijl alle ontvangers zich in dezelfde cel bevinden. Zo houdt SC-PtM rekening met de groepscommunicatie bij public safety waarbij een groep hulpverleners met elkaar communiceert. Bijvoorbeeld bij het blussen van een brand.
In Release 14 wordt eraan gewerkt de MBFSN-capaciteit te vergroten. Tot nu toe kunnen slechts zes van de tien LTE-subframes aan MBSFN toegewezen worden. Het doel is om alle tien de LTE-subframes voor MBSFN te gebruiken. Zo zou je een LTE-carrier beter tijdelijk of zelfs vast kunnen inzetten voor radio-uitzendingen. En LTE uiteindelijk ook geschikt maken voor televisiecontent.
Nieuwe apparaatcategorieën
De apparaatcategorieën groeperen LTE-modems in verschillende performanceklassen. Om te beginnen valt op dat de smalbandige IoT-systemen eigen categorieën hebben gekregen onderaan het performancespectrum. Daarbij staat Cat- NB1 voor NB-IoT en Cat-M1 voor eMTC. De eerste apparaten in deze categorieën kun je begin 2017 al verwachten.
Aan de bovenkant van het spectrum komen er apparaten met hoogwaardiger modulaties en 32-voudige carrier-aggregation bij. Van Cat-17-apparaten met 256QAM en 32 carriers kun je daarom topdatarates van 25 Gbit/s verwachten. Cat-14-apparaten leveren in de uplink maximaal 9,5 Gbit/s. Het duurt nog lang voor zulke apparaten op de markt geïntroduceerd worden. Maar op de middellange termijn kun je al rekenen op eerste stappen als 256QAM en het combineren van meer dan drie carriers.
(dr. Christian Hoymann, dr. Michael Meyer / hhe)
