Was macht LTE so einzigartig?
Der Umstieg auf LTE wird durch die Nachfrage mobiler Kunden nach Broadcast-Daten vorangetrieben. Nachdem sie im Büro außergewöhnliche Nutzererlebnisse gewohnt sind, erwarten Verbraucher nun dasselbe von ihren Mobilgeräten: hohe Upload- und Downloadgeschwindigkeiten und lange Akkulaufzeiten – und das alles in einem kompakten Format. Um erfolgreich zu sein, müssen Netzbetreiber diese Anforderungen erfüllen und die verfügbaren Frequenzen effizienter nutzen, während sie gleichzeitig Investitions- und Betriebskosten senken, um wettbewerbsfähig zu bleiben.
Glücklicherweise bietet LTE Downloadgeschwindigkeiten von 100 Mbit/s und Uploadgeschwindigkeiten von 50 Mbit/s pro 20 MHz zugewiesenem Spektrum. Diese Datenraten bieten den Verbrauchern genau das, was sie suchen, und gleichzeitig die von den Betreibern benötigte Spektrumeffizienz. Noch höhere Datenraten sind möglich, beispielsweise Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 326,3 Mbit/s bei Verwendung mehrerer Antennen. Da mobile Kunden erwarten, dass ihr Dienst überall funktioniert, ist es wichtig, dass LTE – obwohl für Geschwindigkeiten von 0–15 km/h optimiert – auch bei Geschwindigkeiten von 120–250 km/h eine hohe mobile Leistungsfähigkeit ermöglicht.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal von LTE ist die Verwendung zweier unterschiedlicher Zugriffsverfahren: Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) für den Downlink (Basisstation zu Mobilgerät) und Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA) für den Uplink (Mobilgerät zu Basisstation), jeweils mit adaptiver Modulation von QSPK bis 64QAM. Die Verwendung unterschiedlicher Zugriffsverfahren verbessert die Effizienz des Leistungsverstärkers (PA) im Mobilgerät (was zu einer längeren Akkulaufzeit führt) und erhöht die spektrale Effizienz in der Basisstation. Einige LTE-Mobilgeräte unterstützen zudem FDD- und TDD-Duplexverfahren, sodass sich Nutzer dynamisch an unterschiedliche Systeme in verschiedenen Ländern anpassen können. Darüber hinaus arbeitet LTE mit einer skalierbaren Bandbreite von 1,4 bis 20 MHz für Uplink und Downlink und unterstützt sowohl mobile als auch bestehende Frequenzbänder.

Auswirkungen auf das Systemdesign:
Bei der Implementierung von OFDM in LTE bilden mehrere eng beieinander liegende orthogonale Subträger einen Ressourcenblock (RB). Die Anzahl der RBs variiert je nach Bandbreite des jeweiligen Systems (in der Regel 1 RB = 12 Subträger mit je 15 kHz). Diese Technik stellt das Empfängerdesign hinsichtlich der Nachbarkanalselektivität vor große Herausforderungen, da die LTE-Spezifikation bereits bei einem einzigen RB deutlich höhere Interferenzen im lokalen Frequenzband vorsieht. Daher hat die Wahl der Systemarchitektur (Direktmischung oder ZF-Abtastung) und des Signalverarbeitungsverfahrens (analoge vs. digitale Signalverarbeitung) einen signifikanten Einfluss auf die Erfüllung der LTE-Systemanforderungen. Generell tragen Geräte mit hoher Linearität und Isolation dazu bei, diese Herausforderung zu meistern.
Erste LTE-Basisstationen werden 2x2-Antennentechnologie nutzen und voraussichtlich schnell auf 2x4-Antennentechnologie umsteigen. Dies erhöht den Marktdruck hin zu einer stärkeren Integration, um die Anzahl der Komponenten zu reduzieren und die Materialkosten sowie die Designkomplexität zu minimieren. Beispielsweise befindet sich in einer 2x2-Konfiguration auf jedem der Sende- und Empfangspfade sowie auf dem digitalen Vorverzerrungs-Rückkopplungspfad ein digitaler Durchgangsdämpfer (DSA), was 15 DSAs pro Basisstation ergibt. Die Notwendigkeit, die Abmessungen zu reduzieren und die Geräteleistung zu steigern, ist daher ein entscheidender Faktor im Systemdesign.

Da die LTE-Netzwerkunterstützung über die aktuell verfügbaren Bandbreiten hinausgeht, ist die Bandbreitenerweiterung von entscheidender Bedeutung. Alle Geräte in LTE-Mobilfunk- und Basisstationsnetzen, einschließlich Switches, Mischer und DSAs, benötigen extrem hohe Bandbreiten, um die zusätzlichen Frequenzen zu unterstützen. Insbesondere die Schaltkapazität muss ausreichen, um eine beispiellose Anzahl von Kontaktpositionen zu realisieren – bis zu 12 oder sogar mehr in einem Single-Pole-Gerät (SP12T). Warum so hoch? Die zusätzlichen Zustände erfordern eine fortschrittliche serielle Schnittstelle, um die E/A-Last zu reduzieren und die Funktionalität zu verbessern. Darüber hinaus werden einige LTE-Implementierungen TDD (Time-Driven Delivery) integrieren, was die Anforderungen an die Anzahl der Schaltkontaktpositionen erhöht. Diese erhöhte Schaltkapazität muss mit kurzen Einrichtungszeiten und in einem möglichst kleinen Formfaktor mit kompakter Verdrahtung erreicht werden, um die erweiterte Funktionalität innerhalb des Geräts zu gewährleisten.
Schließlich erfordert LTE sehr geringe Verluste, um die für hohe Datenraten notwendigen Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) zu erreichen. Dies wird durch die zusätzlichen Betriebsbänder von LTE, die erhebliche Anforderungen an die Antenne stellen, besonders erschwert. Zusätzlich zu den übrigen Anforderungen wird wahrscheinlich eine aktive Antennenabstimmung erforderlich sein, um die gewünschte LTE-Geräteleistung zu erzielen (v).

Glücklicherweise ist der UltraCMOS-Prozess weit verbreitet und ermöglicht hohe Geschwindigkeiten, geringen Stromverbrauch, hohe Linearität und eine stärkere Integration von Schaltern, Mischern und DSAs in die LTE-Signalkette.

Hohe Geschwindigkeiten:
Eine schnelle Schaltgeschwindigkeit ist unerlässlich, um den Empfangspfad vor Beschädigungen bei starken Störsignalen zu schützen. Sie ist auch entscheidend für die Verstärkungsregelung der Basisstation. Mit zunehmender Anzahl an LTE-Kontaktpositionen gewinnt diese Spezifikation weiter an Bedeutung. Höhere Schaltgeschwindigkeiten und kürzere Einschwingzeiten führen zu einer zuverlässigeren und präziseren Leistung, und UltraCMOS bietet diese Vorteile von Natur aus. Beispielsweise ist der UltraCMOS PE43204 ein DSA mit einer typischen Schaltgeschwindigkeit von 30 ns (siehe Abbildung 1) bei einem typischen IIP3-Wert von +61 dBm, einer Einfügungsdämpfung von 0,6 dB und einer ESD-Festigkeit von 2 kV. Im Vergleich dazu weist ein GaAs-DSA eine typische Schaltgeschwindigkeit von 130 ns auf, was mehr als viermal langsamer ist als die des UltraCMOS-DSA.

Geringer Stromverbrauch

In der LTE-Spezifikation wurde SC-FDMA für den Uplink gewählt, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Ein geringerer Stromverbrauch in Mobilgeräten ermöglicht jedoch eine längere Akkulaufzeit, was für Verbraucher ein entscheidender Faktor ist. Ein SP9T-Schalter wie der UltraCMOS PE42692 eignet sich gut für LTE-Anwendungen, da er einen typischen Idd-Versorgungsstrom von 120 µA bietet.

Hohe Linearität
ist keine neue Anforderung für Mobilgeräte. Tatsächlich war das HF-Eingangsmodul lange Zeit das linearste Element in einem Mobilgerät. Da LTE-Systeme jedoch immer komplexer werden, ist es schwierig, einen Prozess zu entwickeln, der mehr Funktionen integriert und gleichzeitig eine hohe Linearität gewährleistet. Im Wesentlichen bleiben die Anforderungen an die Linearität trotz des zusätzlichen Halbleiteranteils und der damit verbundenen höheren Datenraten bei LTE gleich. Daher müssen Geräte in einem LTE-System eine bessere Linearität aufweisen als die in früheren Generationen von Mobilgeräten verwendeten.

Dank der Isolationsgatter der CMOS-Technologie und ihrer Fähigkeit, Mixed-Signal-Designtechniken zu integrieren, erfüllen UltraCMOS-ICs die Anforderungen an die Linearität, die eine monolithische Lösung erfordern. Tatsächlich wird UltraCMOS aktuell für die Entwicklung und Fertigung von Bauelementen mit hoher Linearität und Isolation eingesetzt. Der SP9T PE42692-Schalter beispielsweise weist einen Eingangs-Intercept-Point dritter Ordnung (IIP3) von +71 dBm (siehe Abbildung 2) mit einer Einfügungsdämpfung (IL) von 0,6 dB und einer Sende-Empfangs-Isolation von 43 dB (900 MHz) auf. Spezifikationen wie diese ermöglichen höhere Datenraten im System, verbessern die Störfestigkeit und optimieren die Leistung über das gesamte Frequenzspektrum.
Linearität ist eng mit hoher Isolation verknüpft, welche die Signalqualität bei Störsignalen verbessert. Hohe Isolation ist wiederum notwendig, um die anspruchsvollen Leistungsanforderungen des Duplexers zu erfüllen. Mit der Einführung neuer Betriebsfrequenzbänder durch LTE gewinnt die Isolation weiter an Bedeutung. An der Basisstation ist die digitale Vorverzerrung (DPD) ein entscheidender Faktor für die Effizienzsteigerung von Zugangspunkten (APs). Das System tastet den Übertragungspfad ab, korrigiert das Signal und führt es zurück, um die AP-Effizienz zu verbessern. Der Einsatz von Komponenten mit hoher Linearität und hoher Isolation im DPD-Rückkopplungspfad ist wichtig, um Verzerrungen und damit eine Beeinträchtigung der zu verbessernden AP-Effizienz zu vermeiden. Der PE4257 UltraCMOS SPDT-Schalter beispielsweise, der im Frequenzbereich von DC bis 3000 MHz arbeitet, eignet sich mit einer Isolation von 64 dB bei 1000 MHz (siehe Abbildung 3) hervorragend für die Anforderungen an die Rückkopplungsschleife der Basisstation. Diese hohe Isolation resultiert aus den sehr hohen Isolationseigenschaften des Saphirsubstrats in UltraCMOS.

LTE
-Dienste erfordern Geräte, die große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit über eine große Bandbreite verarbeiten können. Diese zusätzliche Funktionalität erfordert eine stärkere Integration, um eine kompakte Bauform zu gewährleisten und die prognostizierten Leistungsaufnahmewerte zu erreichen. Da es sich um einen CMOS-Prozess handelt, ermöglicht UltraCMOS einen hohen Integrationsgrad. UltraCMOS-Schalter verfügen beispielsweise über einen integrierten Decoder und benötigen daher keine zusätzlichen Steuersignale wie GaAs. Zudem entfallen Sperrkondensatoren, da die Schalter einen Negativspannungsgenerator zur Abschaltung der FETs integrieren. Um die Integration weiter zu steigern, haben die Ingenieure von Peregrine Semiconductor den MultiSwitch™ (siehe Abbildung 4) entwickelt. Dieser integriert vier unabhängige, leistungsstarke HF-Schalter mit mehreren Positionen in einem monolithischen Flip-Chip-IC, der von einem einzigartigen integrierten CMOS-Controller gesteuert wird. Dadurch wird eine Größenreduzierung von über 85 % im Vergleich zu anderen Lösungen erreicht. Der MultiSwitch misst beispielsweise 1,6 x 1,93 mm, und der SP9T UltraCMOS mit integriertem Decoder, Spannungsgenerator und ESD-Schutz misst 1,36 x 1,28 mm. Zum Vergleich: Die GaAs-basierte SP9T-Implementierung misst 3,0 x 3,5 mm und benötigt 29 Verbindungen in einem kundenspezifischen Multi-Chip-Gehäuse.
Im Gegensatz zu anderen verfügbaren Geräten bietet der MultiSwitch RF IC eine IIP3-Linearität von +71 dBm und eine Isolation von über 70 dB auf kritischen Pfaden. Das Bauteil integriert Schlüsselelemente, die normalerweise außerhalb der GaAs-Schaltung liegen, darunter drei Steuerleitungen auf zwölf unabhängigen Pfaden.
ABI Research geht davon aus, dass bis 2011 weltweit rund 34 Millionen Nutzer LTE (vi) abonnieren werden. LTE verspricht Nutzern auf ihren Mobilgeräten Geschwindigkeiten, die mit denen von Kabel- oder DSL-Anschlüssen vergleichbar sind. Da die DSAs, Mischer und SP9T-Schalter bereits in großen Stückzahlen verfügbar sind (und SP12T und höher geplant sind), ist UltraCMOS bestens geeignet, Designs für Mobilgeräte und LTE-Basisstationen zu unterstützen.

(i) ABI Research, Juli 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Abgerufen am 25. August 2009.
(ii) In-Stat Research, Juli 2009. http://www.instat.com/press.asp?ID=2577&sku=IN0904599CCM
. Abgerufen am 25. August 2009.
(iii) Telefónica führt erste LTE-Tests in Spanien durch. http://www.cellular-news.com/story/36835.php
(iv) GSA, März 2009. http://www.gsacom.com/news/gsa_265.php. Abgerufen am 25. August 2009.
(v) Ranta, Tero und Rodd Novak. „Antenna Tuning Approach Aids Cellular Handsets“, Microwaves & RF, November 2008. http://www.psemi.com/articles/2008/2008_ar_1.pdf. Abgerufen am 25. August 2009.
(vi) ABI Research, Juli 2009. http://www.abiresearch.com/research/1003359. Abgerufen am 25. August 2009.

Autoren:

Dylan Kelly und Mark Schrepferman, Peregrine Semiconductor Corp.

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