LTE Technik

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach mobilen Internetlösungen stetig gestiegen. Vor allem der hohe Zuwachs an internetfähigen Mobilfunkgeräten hat diese Entwicklung vorangetrieben. Für die meisten Nutzer sind ihre Smartphones fester Lebensbestandteil geworden. Für die schnelle Internetrecherche lohnt es sich kaum noch, den Heimrechner zu starten. Und gerade die Mobilität macht den Reiz für viele Jugendliche aus. Sie legen großen Wert darauf, jederzeit in ihren sozialen Netzwerken mitreden zu können. Dabei darf die Lokalität keine Rolle mehr spielen. Ob zuhause, in der Schule, im Garten, im Freizeitpark oder bei Oma, die immer noch keinen Internetanschluss hat, junge Leute wollen überall mobil sein.

Die Mobilfunktechnologien der dritten Generation (3G), UMTS und HSPA, haben diese Mobilität möglich gemacht. Nicht nur Jugendliche freuen sich über die damit verbundenen neuen Möglichkeiten. Auch Geschäftsleute, Kunden und Verbraucher sind vom mobilen Internet begeistert. Wer sich schnell über die nächsten Einkaufsmöglichkeiten informieren, unterwegs Geschäftskorrespondenz erledigen oder einen Preisvergleich abrufen möchte, ist mit seinem Mobilfunkgerät perfekt ausgestattet. 3G macht es möglich. Allerdings liegt in der steigenden Beliebtheit auch das Risiko, dass die Bandbreite der 3G-Technologien in naher Zukunft nicht mehr ausreichen wird, um allen Kunden zufriedenstellende Datenraten zu gewährleisten. Gerade der Datentransfer von Videos ist beliebt, was in Zukunft zu Engpässen bei der Übertragung führen könnte. Die Long Term Evolution Technologie (LTE) kann hier Abhilfe schaffen. LTE bietet, sobald es umfassend eingerichtet ist, die Möglichkeit, jederzeit und überall mit hohen Datenraten über ein IP-basiertes Mobilfunknetz online zu gehen.

So funktioniert die LTE Technologie

Die Long Term Evolution Technologie (LTE) wurde bereits im Jahr 2004 initiiert. Zu dieser Zeit wurde vor allem noch die Entwicklung von HSPA vorangetrieben. Daher rührt auch die Bezeichnung "long term" die Entwicklung war auf lange Sicht ausgerichtet. Zielsetzung war bereits im Jahr 2004, den wachsenden Bedarf an der Breitbandübertragung zu sichern. Dabei sollten gegenüber der bisherigen 3G Technologie verschiedene Verbesserungen erreicht werden:

Das Hauptziel war es, mit LTE die maximale Datenrate auf über 100 MBit pro Sekunde (MBit/s) zu erhöhen. Auch die spektrale Effizienz sollte gegenüber HSPA eine dreifache Steigerung erfahren. Die spektrale Effizienz bezieht sich dabei auf die Bitrate pro Hertz. Um zügigere Reaktionen als bei den vorausgehenden Mobilfunktechnologien zu erreichen, sollten der Aufbau von Verbindungen beschleunigt und Antwortzeiten gesenkt werden. Damit sollten die Durchlaufzeiten von HSPA, welche zwischen 30 und 50 ms liegen, unterboten werden. Insgesamt wollte man erreichen, dass ein Datenpaket zwischen Endgerät und letztem Element des LTE-Netzes nicht länger als maximal 30 ms unterwegs sein sollte. Bei eingeschaltetem Gerät sollte der Verbindungsaufbau damit nach spätestens 100 ms anfangen. Im Vergleich dazu benötigt HSPA für den Verbindungsaufbau etwa ein bis zwei Sekunden.

Mit der LTE Technologie wurde das erste vollständig paketorientierte Mobilfunknetz realisiert. Wie auch GSM und UMTS lässt sich dieses Netz in das Kernnetz einerseits und das Funkzugangsnetz andererseits unterteilen. Für LTE wurden beide Bereiche neu konzipiert, um die geplanten Verbesserungen erzielen zu können. Das Verständnis für den Fortschritt von LTE gegenüber der HSPA Technik hängt mit dem Wissen über die Funktionsweise von Mobilfunkkanälen zusammen. Bei diesen unterliegt die Übertragungsrate starken Schwankungen, was von zwei unterschiedlichen Faktoren abhängig ist: der Zeit und der Frequenz. Übertragungsverfahren müssen diese Schwankungen zumindest tolerieren. Noch besser ist es jedoch, wenn die Verfahren diese Schwankungen sogar für sich zu nutzen wissen. Wenn mehrere Nutzer ein Netz parallel nutzen, so sind die Zeit- und Frequenzschwankungen nicht gleich, sondern unterschiedlich. Von Vorteil ist es daher, wenn es über das Übertragungsverfahren gelingt, dem Nutzer Ressourcen zuzuweisen, der gerade über eine gute Kanalqualität verfügt. Denn nur dieser Nutzer kann mit den Ressourcen jeweils etwas anfangen. So wird die Übertragung schneller abgeschlossen und es entstehen freie Kapazitäten für andere Nutzer.

Wie diese Ressourcen zugeteilt werden, man spricht dabei auch von Multiplexing, ist netzabhängig unterschiedlich. Für die LTE Technologie wird hier ein Verfahren eingesetzt, welches auch bei heute aktuellen WLAN Verbindungen zum Tragen kommt, das OFDM. Die Abkürzung OFDM steht dabei für Orthogonal Frequency Division Multiplexing und ermöglicht es, die Ressourcen auszuwählen, die im Frequenzbereich für einen Nutzer gerade günstig sind. Gearbeitet wird dabei mit zahlreichen schmalbandigen Unterträgern, wodurch Ressourcen dynamisch den jeweiligen Teilnehmern zugeordnet werden, die gerade über eine gute Kanalqualität verfügen. LTE misst dabei für den Downlink (Übertragung der Daten von der Basisstation an den Teilnehmer) über das Terminal die Leitungsqualität anhand von Referenzsymbolen. Für die Übertragung vom Teilnehmer an das Netz (Uplink) ist der Kanal durch eigene Messungen der Basisstation durch die Datenübertragung vom Terminal bekannt. Auf diese Weise können über die Basisstation mehrere Teilnehmer gleichzeitig versorgt werden. Dieses Verfahren bezeichnet man, aufbauend auf OFDM, als OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access. Der deutlichste Unterschied zwischen LTE und HSPA beziehungsweise UMTS liegt darin, dass letztere Übertragungsschwankungen nur im Bereich der Zeit, nicht jedoch in Bezug auf die Frequenz, nutzen können. Dies ist darin begründet, dass die UMTS Signale jeweils einen kompletten Frequenzblock von 5 MHz belegen.

Verschiedene Mehrantennenkonzepte tragen dazu bei, dass auch bei einer Bandbreite von 20 MHz eine Datenrate von mehr als 100 MBit/s erreichbar wird. Diese Mehrantennenkonzepte fasst man auch unter dem Kürzel MIMO zusammen, für Multiple Input Multiple Output. Insgesamt werden bei der LTE Technologie vier verschiedene Mehrantennenverfahren angewendet: Single-User MIMO und Multi-User MIMO sowie Beamforming und Antenna Diversity. Beim Single-User MIMO Verfahren werden gleichzeitig verschiedene Datenströme über unterschiedliche Sende- und Empfangsantennen übertragen. Von Multi-User MIMO spricht man bei einem räumlichen Mehrfachzugriff, also bei verschiedenen Datenströmen zu Nutzern, die räumlich getrennt sind. Die Steigerung der Empfangsqualität wird beim sogenannten Beamforming erreicht. Hier bündelt die Basisstation die Sendeleistung für die Übertragung an einen Empfänger. Das Antenna Diversity Verfahren nutzt die Möglichkeit, eine Basisstation mit bis zu vier, Empfangsgeräte mit maximal zwei Antennen auszustatten.

LTE Basisstation
Foto einer LTE Basisstation

Durch die verschiedenen Verfahren ist es den Entwicklern von LTE gelungen, einen Mobilfunkstandard zu entwickeln, der hohe Nutzeransprüche erfüllt und in Bezug auf die Geschwindigkeit und Leistung mit VDSL mithalten kann.

LTE Frequenzen

Die Frequenzen, welche für LTE genutzt werden können, sind in Deutschland abhängig von der Freigabe durch die Bundesnetzagentur. Da dies in anderen Ländern unterschiedlich geregelt ist, können sich die LTE-Frequenzbereiche unterscheiden. Im Wesentlichen wurden in Deutschland zwei Frequenzbereiche freigegeben und entsprechende Lizenzen versteigert für die durch die Netzbetreiber zum Teil extrem hohe Summen gezahlt wurden. Als Frequenzbereiche für LTE wurden dabei der Bereich von 800 MHz (umfass Frequenzen zwischen 791 und 862 MHz) und der Bereich von 2600 MHz (von 2500 - 2570 MHz und von 2620 bis 2690 MHz) festgelegt. Auch die vorherigen GSM 900er und 1800er Bereiche wurden freigegeben, jedoch nicht spezifisch für LTE, sondern auch für weitere Mobilfunktechnologien.

Da sich die Anwendungsmöglichkeiten bei LTE 800 beziehungsweise LTE 2600 unterscheiden, bieten sich unterschiedliche Einsatzbereiche. Für Mobilfunkanbieter, die ein flächendeckendes Netz mit ausreichend Kapazitäten in Ballungsgebieten zur Verfügung stellen möchten, ist die Nutzung beider Frequenzbereiche unabdingbar.

LTE 800

Der LTE 800 Frequenzbereich ist seit der Versteigerung im Jahr 2010 in Deutschland unter den Netzbetreibern Telekom, Telefonica o2 und Vodafone aufgeteilt, die Blöcke von 10 MHz gepaart erhielten. Dies bedeutet, dass je Anbieter jeweils 10 MHz für den Uplink und 10 MHz für den Downlink zur Verfügung stehen. Anbieter E-Plus erhielt keine Anteile an den LTE 800 Frequenzen. Frei geworden waren die 800er Frequenzen im Zuge der Digitalisierung des Rundfunks, weshalb dieser Frequenzbereich auch als "Digitale Dividende" bezeichnet wird. Das durch die Bundesregierung vorgegebene Ziel in diesem Bereich lautet, der Bevölkerung flächendeckend eine Breitbandversorgung mit mindestens 1 MBit/s zur Verfügung zu stellen. LTE trägt zu diesem Ziel bei.

Durch den niedrigen Frequenzbereich breiten sich die Funksignale besonders gut aus, wodurch eine flächendeckende Versorgung vereinfacht wird. So kann eine einzelne Basisstation ein größeres Gebiet erreichen, als in höheren Frequenzen. Dabei umfasst der Senderadius einen Bereich von nahezu zehn Kilometern. Die Gebäudedurchdringung ist in diesem niedrigen Frequenzbereich ebenfalls besser, das heißt es steht auch in geschlossenen Räumen eine bessere Verbindung zur Verfügung. Ein Vorteil für die Mobilfunkbetreiber sind insbesondere die Kosteneinsparungen, die durch die geringere Dichte der Basisstationen erzielt werden können.

LTE 2600

Der höhere Frequenzbereich von LTE 2600 eignet sich weniger für die flächendeckende Versorgung, dafür umso mehr für Metropolregionen mit hoher Einwohnerdichte. Die Frequenzbereiche von 2600 MHz (entspricht 2,6 GHz) sind unter den vier Mobilfunkanbietern Vodafone, Telekom, o2 und E-Plus aufgeteilt, wobei E-Plus hier einen kleineren Frequenzbereich hält, als die drei anderen Anbieter. Geeignet sind die hohen Frequenzen für dicht besiedelte Bereiche, in denen Basisstationen ohnehin dichter stehen müssen, um genügend Kapazitäten für die Vielzahl der Nutzer zur Verfügung zu stellen. Da dieser Frequenzbereich auch international vielfach für LTE genutzt wird, verfügen Endgeräte in diesem Bereich häufig über eine gute internationale Kompatibilität.

3G oder 4G - wie ist die LTE Technologie einzuordnen?

An der Frage, ob es sich bei LTE um eine Technologie der dritten (3G) oder der vierten (4G) Mobilfunkgeneration handelt, scheiden sich die Geister. Zwar wurde das UMTS-Grundgerüst beibehalten, aber die Weiterentwicklung hat entscheidende Vorteile gegenüber den 3G-Technologien. Jedoch erfällt sie nach technischen Gesichtspunkten noch nicht die Voraussetzungen, die an 4G-Technologien gestellt werden. Die Erweiterung LTE-Advanced erfällt diese und kann damit eindeutig 4G zugeordnet werden.

Diese technikbasierte Unterscheidung wird jedoch nicht in den allgemeinen Sprachgebrauch übertragen. So kommt es dazu, dass häufig LTE und 4G synonym verwendet werden. Eine mögliche Ursache ist, dass 4G-Technologie moderner wirkt und sich besser verkaufen lässt. Viele Anwender haben sich durch die Vermarktung von LTE als 4G-Technologie beeinflussen lassen. Es ist nicht damit zu rechnen, dass sich die tatsächliche technische Differenzierung noch durchsetzen wird. Somit wird die Frage, ob es sich bei LTE um eine 3G- oder eine 4G-Technologie handelt, weiterhin Diskussionen hervorrufen.

WiMAX vs. LTE - welche Mobilfunktechnologie hat die Nase vorn?

Bei WiMAX handelt es sich ebenfalls um eine Mobilfunktechnologie, die eine sehr hohe Bandbreite mit einer Übertragungsrate von bis zu 1 Gbit/s ermöglicht. Es basiert auf einem ähnlichen Standard wie WLAN. Ursprünglich für stationäre Zwecke konzipiert, wird WiMAX heute in 150 Ländern als stationärer und mobiler Zugang zum Internet genutzt. Mobile Endgeräte verbinden sich mit einer Funkzelle, wodurch mit mobile WiMAX ein stabiler, breitbandiger Zugang ermöglicht wird.

Anders als LTE baut WiMAX nicht auf den 3G-Mobilfunktechnologien auf, sondern ist in einem eigenen Standard spezifiziert. Dadurch konnte WiMAX im Mobilfunksektor nicht erfolgreich mit LTE konkurrieren. Die meisten Netzbetreiber setzen auf LTE, da die Möglichkeiten zur Aufrüstung von 3G-Medien eher gegeben sind. WiMAX wird jedoch in anderen Bereichen als solide Technologie angenommen.

LTE Standardisierung durch die 3GPP

Im Jahr 1998 gründeten fünf "Organizational Partners" das "3rd Generation Partnership Project", abgekürzt 3GPP. Dieses Projekt hat sich die weltweite Standardisierung im Mobilfunk zum Ziel gesetzt. Auf diese Weise soll erreicht werden, dass unterschiedliche Endgeräte, also zum Beispiel Smartphones und PDAs, in den bestehenden Mobilfunknetzen fehlerfrei arbeiten. Neben UMTS und GSM umfasst die Standardisierung auch die LTE Technologie. Die Organizational Partners sind ETSI für Europa, ARIB und TTC für Japan, ATIS für die USA sowie TTA für Korea. Später kam mit der CCSA auch China hinzu.