LTE-Entwicklung bei Nokia Networks

Wenn früher ein Konzert richtig gut war, hielten die Fans Feuerzeuge in die Luft, die schnell so heiß wurden, dass man sich die Finger verbrennen konnte. Heute haben Smartphones die Feuerzeuge ersetzt. Die Telefone bringen höchstens noch die Drähte des Backbones zum Glühen, wenn die Besucher eines Events ihre Bilder und Filme auf Facebook, Youtube oder Flickr hochladen.

Doch damit die Fans live über die lasziven Posen einer Miley Cyrus berichten können, müssen die Netzbetreiber ein schnelles Mobilfunknetz bereitstellen. Und um mit den Kundenbedürfnissen Schritt halten zu können, müssen die Entwickler von Basisstationen ihre Standards ständig weiter ausreizen.

Das tun sie etwa in Ulm, wo Nokia Networks sein größtes Technologiezentrum betreibt, mit dem Fokus auf LTE. Rund 700 Menschen arbeiten zur Zeit an dem in den 90er-Jahren von Siemens gegründeten Standort. Verteilt ist die überwiegend akademische Belegschaft auf fünf Arbeitsbereiche: Hardware-Entwicklung, Software-Entwicklung, End-to-End-Verification, System Design & Architecture und Customer Support.

Mobilfunkstationen aus dem 3-D-Printer

In der Hardware-Entwicklung etwa werden die LTE-fähigen Mobilfunkstationen entworfen und auch als Prototypen gebaut. Mechanische Teile werden zunächst mit großen 3-D-Printern ausgedruckt, um ihre Passgenauigkeit im Gesamtdesign zu überprüfen. Viele Komponenten jedoch müssen bestimmte Materialeigenschaften besitzen.

So werden Kühlkörper bevorzugt aus Aluminium gebaut, da dieses Metall die im Betrieb entstehende Verlustwärme der elektronischen Bauteile besonders gut aus dem Inneren einer Basisstation abführt. Für die ersten funktionsfähigen Prototypen werden die Kühlkörper in der Größe von Computermonitoren daher aus vollen Aluminiumblöcken gefräst. Mit der Wärmebildkamera und an neuralgischen Punkten angebrachten Temperatursensoren können die Techniker dann überprüfen, ob das thermische Design wirklich so funktioniert wie zuvor in der Simulation.

Schließlich muss eine Basisstation auch in der prallen Sonne oder unter einem aufgeheizten Dach Höchstleistungen erbringen, um viele hundert Smartphone-User zu versorgen. Läuft alles wunschgemäß, werden die Kühlkörper im Aluminium-Druckgussverfahren hergestellt, das bei großen Stückzahlen deutlich günstiger ist als das Fräsen.

Etwa alle zwei Jahre erfolgt ein komplettes Redesign der Hardware der Basisstationen, weil neue Prozessorgenerationen deutlich leistungsfähigere Mobilfunk-Implementationen ermöglichen und auch von den Netzbetreibern verlangt werden. Ein Beispiel ist die Weiterentwicklung von UMTS mit ursprünglich 384 kbit/s bis zu HSPA+ mit 42 Mbit/s und mehr.

Software-Entwicklung: Warum sie so wichtig ist

Um derartige Entwicklungssprünge hinzubekommen, sind aber nicht nur in regelmäßigen Abständen neue Prozessoren mit mehr Rechenleistung in den Basisstationen erforderlich - gerade die Software muss die verbesserten Standards realisieren.

Da ist es klar, dass die Software-Entwicklung etwa für LTE-Basisstationen ein weiteres Standbein von Nokia Networks in Ulm ist. Das umso mehr, als in den LTE-Releases zwar festgelegt ist, über welche Protokolle und Codierverfahren eine Basisstation mit einem Smartphone kommuniziert und Daten austauscht, nicht jedoch, wie ein Mobilfunknetz die Kapazitäten auf die Endgeräte verteilt.

In eine LTE-Zelle können bis zu 840 Geräte eingebucht sein und ganz unterschiedliche Dinge tun. Das eine braucht für Youtube nur eine niedrige Bandbreite bei hoher Zuverlässigkeit, das andere eine hohe Bandbreite für einen großen Download, das nächste sehr viele Datenhäppchen für den Besuch einer komplexen Webseite. Und alle haben dazu noch unterschiedliche Funkstandard- und Bandbreiten-Optionen, die durch ihre SIM-Karten festgelegt sind.

"Das Management der Funk-Ressourcen-Zuweisung der Nutzer in einer LTE-Zelle gehört zu den komplexen Aufgaben, mit denen sich die moderne Technik konfrontiert sieht", sagt Dr. Hans-Joachim Dreßler, Head of LTE System Design und Betriebsleiter des Standortes Nokia Networks Ulm im Gespräch mit connect.

Gleichzeitige Zuweisung von LTE-Frequenzblöcken

In diesem Zusammenhang spielt auch die jetzt in der Entwicklung befindliche Carrier Aggregation (CA), also die gleichzeitige Zuweisung von Frequenzblöcken aus unterschiedlichen Teilen des (LTE-)Spektrums, eine wichtige Rolle. "LTE unterstützt eine flexible Ressourcenzuordnung durch die Basisstation, bei CA sogar über mehrere Frequenzbänder hinweg. Durch schnelle Feedbackmechanismen mit einer Taktung von 1 ms wird die zur Verfügung stehende Bandbreite funktechnisch optimal ausgenutzt. Bei GSM dauerte es etwa 2 Sekunden, bis sich das Netz auf eine Änderung etwa des Standorts eines Nutzers eingestellt hatte", so Dr. Dreßler weiter.

Hier sieht sich Nokia Networks als führend und verweist stolz auf das "Busan International Fireworks Festival 2013" im LTE-Land Nummer eins Südkorea, wo nur die Mobilfunknetze mit Nokia-Networks-Technik den Ansturm der Video-Uploader ohne Ausfälle überstanden haben sollen. Damit in Zukunft den Mobilfunknetzen bei großen Events nicht die Luft ausgeht, hat Nokia Networks in Ulm nun eine "Centralized Radio Access"-Technik entwickelt, die beim Upload mit einem Algorithmus einzelne Smartphones gleichzeitig in verschiedenen Basisstationen empfangen kann. So wird vermieden, dass sich viele Geräte in einem sehr engmaschigen Netz gegenseitig stören - die Datenraten verbessern sich erheblich.

Ist der Event vorüber, kann der Netzbetreiber einen Teil der mobilen Basisstationen wieder abbauen, um sie etwa bei anderen Veranstaltungen einzusetzen. Die übriggeblieben werden dann in eine Betriebsart geschaltet, die mehr auf die gute Versorgung größerer Zellen optimiert ist.

Netzwerke aus der ganzen Welt nachgebildet

Um neue Features testen zu können, sitzt in Ulm auch ein Team für die End-to-End-Verification. Damit diese Mitarbeiter Netzwerke der verschiedensten Netzbetreiber aus aller Welt nachbilden können, ist hier außer Nokia-Networks-Komponenten auch die Hardware aller anderen Infrastruktur-Hersteller vorrätig.

Diese ist fest aufgebaut und lässt sich per Software steuern, sodass auch ein Team aus Finnland Versuche in Ulm durchführen kann. Das ist wichtig, denn mit der in Ulm vorhandenen Hardware lassen sich mehrere Tausend Netzwerkkonfigurationen nachbilden - entsprechend groß sind die Investitionen hier. Ist eine neue Technologie wie die Carrier Aggregation mit drei Bändern lauffähig, kann sie in den unterschiedlichsten nachgebildeten Mobilfunknetzen getestet werden. Danach testet dann ein Trial-and-Pilot-Team bei einzelnen Mobilfunkanbietern in den realen Netzen, bevor die neue Technik die Freigabe für die Produktion erhält.

Dass Nokia Networks mit seinem größten LTE-Entwicklungsstandort in Ulm ziemlich erfolgreich ist, lässt sich auch daran ablesen, dass neun der zehn Netzbetreiber mit den meisten LTE-Kunden auf die Technik von Nokia Networks vertrauen.