LTE Advanced setzt ausgefeilte Techniken ein
Carrier Aggregation:
Drei Varianten für die Zusammensetzung der Träger-Komponenten
Grafik: teltarif.de
Eine wichtige Anforderung von IMT-Advanced, dem von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) vorgegebenen Kriterien-Katalog für Mobilfunkstandards der vierten Generation, ist die Verwendung von großen Bandbreiten von bis zu 40 MHz. Doch das verfügbare Spektrum ist knapp und fragmentiert, so dass nur wenige Netzbetreiber Lizenzen für große kontinuierliche Bereiche im Frequenzspektrum besitzen. Zudem soll LTE Advanced abwärtskompatibel zu LTE sein, damit LTE-Geräte auch in LTE-Advanced-Netzen problemlos funktionieren. Doch LTE unterstützt nur eine maximale Bandbreite von 20 MHz pro Träger (Carrier).
Carrier Aggregation für höhere Bandbreite
Carrier Aggregation:
Drei Varianten für die Zusammensetzung der Träger-Komponenten
Grafik: teltarif.de
Um trotzdem höhere Bandbreiten - und somit auch höhere Datenraten - zu erreichen, ist es bei LTE Advanced möglich, die Bandbreite aus verschiedenen Frequenzbereichen zu kombinieren, was als Träger-Aggregation (Carrier Aggregation) bezeichnet wird. Bei dieser können bis zu fünf Träger-Komponenten (Component Carrier) genutzt werden. Die maximale Bandbreite für eine Träger-Komponente beträgt 20 MHz, so dass sich für die Übertragung insgesamt eine maximale aggregierte Bandbreite von 100 MHz ergibt. Angesichts der realen Frequenzzuweisungen und des technischen Aufwands sind in der näheren Zukunft aber nur Aggregationen von zwei bis drei Trägern zu erwarten.
Die Träger-Komponenten können getrennt oder benachbart im gleichen Frequenzband liegen - aber auch aus komplett verschiedenen Frequenzbereichen stammen. So bietet die SK Telecom ihr LTE-Mobilfunknetz in Südkorea im 800-MHz- und 1800-MHz-Band an und war weltweit der erste Netzbetreiber, der Carrier Aggregation unterstützt. Dabei verwenden die Südkoreaner zwei Träger-Komponenten zu je 10 MHz Bandbreite, von denen je eine aus dem Frequenzbereich um 800 MHz und eine aus dem Bereich um 1 800 MHz stammt. So erreichen sie im Downstream eine maximale Datenrate von 150 MBit/s.
In Deutschland werden für LTE die Frequenzbereiche um 800, 1 800 und 2 600 MHz verwendet - also gibt es drei mögliche Bänder. Ganz ungeachtet der technischen Voraussetzungen wäre es also derzeit unmöglich, Inter-Band-Aggregation mit mehr als drei verschiedenen Komponenten durchzuführen. Die theoretisch maximal erreichbare Bandbreite läge damit bei 50 MHz, da die Netzbetreiber je 10 MHz im 800-MHz-Band, 20 MHz im 1800-MHz-Band und 20 MHz im 2600-MHz-Band für jede Übertragungsrichtung (Up- und Downlink) besitzen. Diese Betrachtung nimmt an, dass das 1800-MHz-Band zudem ausschließlich für LTE vorbehalten ist, wohingegen es derzeit in der Realität auch für GSM genutzt wird.
Weitere Techniken für höhere Datenraten und bessere Netzabdeckung
Zu den weiteren Unterschieden zwischen LTE Advanced und LTE gehört die verbesserte Nutzung von Mehrantennentechniken (bis zu 8x8 MIMO im Downlink) und ein modifiziertes Übertragungsverfahren im Uplink bei LTE-A. Beide Funk-Standards setzen die sogenannte DFT-Spread-OFDM oder SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiplex) ein. Bei dieser werden die zu übertragenden Daten eigentlich auf viele Unterträger unterschiedlicher Frequenz aufgeteilt (OFDM). Eine zusätzlich ausgeführte Operation sorgt aber dafür, dass das Signal am Ende erscheint wie auf einer einzigen Trägerfrequenz (Single Carrier) moduliert. Dadurch ergeben sich weniger störende Leistungsspitzen im Signal. LTE Advanced nutzt dabei ein leicht verändertes Verfahren, welches das Signal weniger störanfällig macht. So kommen mehr Bits korrekt beim Empfänger an.
Mehr Antennen fürs Senden und Empfangen: Multiple Input + Multiple Output (MIMO)
Bei MIMO können sowohl die Basisstation als auch das Endgerät mehrere Sende- und Empfangsantennen besitzen. Diese können dafür eingesetzt werden, dass ein Sender gleichzeitig verschiedene Datenströme oder mehrmals den gleichen Datenstrom verschicken kann. Beides kann für eine höhere Datenrate und zuverlässigere Übertragung eingesetzt werden. LTE Advanced erhöht die Anzahl der Antennen und damit der parallelen Datenströme im Vergleich zu LTE noch einmal. Zudem sieht LTE Advanced auch in Endgeräten den Einsatz von mehreren Sende-Antennen vor. Diese Technik zu vertretbaren Kosten zu realisieren und gleichzeitig den Stromverbrauch beim Betrieb in Smartphones und Tablets möglichst gering zu halten, stellt die Hardware-Hersteller vor hohe Anforderungen.
Basistationen arbeiten zusammen: Coordinated Multi Point Transmission (CoMP)
Weiterhin ist für LTE Advanced auch die Übertragung zu einem Endgerät mit Hilfe von mehreren Basisstationen (Coordinated Multi Point Transmission) vorgesehen.
Diese ist möglich, wenn sich der Nutzer am Rand einer Mobilfunk-Zelle befindet,
Zusammenarbeit der Basisstationen (CoMP) am Rand der Mobilfunk-Zelle
Grafik: teltarif.de
wo sich die Sendebereiche von mehreren Basisstationen überlappen. Dabei kann ein Endgerät entweder gleichzeitig zwei identische Datenströme von zwei verschiedenen Basisstationen empfangen oder es empfängt nur Daten von einer Basisstation. Diese stimmt die Sendeparameter dann aber mit anderen Basisstationen ab, für welche das Endgerät ebenfalls "sichtbar" ist, um so die Sendequalität zu verbessern.
Sowohl die Übertragung mehrerer Datenströme über verschiedene Antennen als auch der modifizierte Uplink tragen dazu bei, dass LTE Advanced höhere Datenraten bieten kann als LTE. Das größte Potenzial für höhere Geschwindigkeiten bietet unter den neuen Techniken jedoch die Carrier Aggregation. In vollem Ausmaß kann diese jedoch nur stattfinden, wenn die Netzbetreiber auch über passende Blöcke im Frequenzspektrum verfügen. Für den Einsatz von Carrier Aggregation über verschiedene Frequenzbereiche hinweg muss der Netzbetreiber zudem nicht nur über ausreichend große Frequenzblöcke in den verschiedenen Bereichen verfügen, sondern auch über die passende Kombination. Die koordinierte Übertragung durch mehrere Basisstationen sorgt hingegen in erster Linie für eine bessere Netzabdeckung.
Mobilfunk der vierten Generation
Entstanden ist LTE Advanced als Teil der Spezifikation "3GPP Release 10" der Organisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project), in welcher sich Mobilfunk-Netzbetreiber, Hardware-Hersteller und Regulierungsbehörden zusammengeschlossen haben. Ziel bei der Konzeption von LTE Advanced war dabei, die von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) vorgebenen Kriterien für IMT-Advanced, den Mobilfunk-Standard der vierten Generation (4G), einzuhalten. Dazu zählen unter anderem im Downlink eine maximale Datenrate von mindestens 1 GBit/s bei stationärer oder nomadischer Nutzung sowie von 100 MBit/s bei hoher Geschwindigkeit des Endgeräts, wie sie etwa im fahrenden Auto oder in Fernzügen erreicht wird.
Die Aussagekraft des Labels "4G" ist heute begrenzt, da es einige Hardware-Hersteller und Netzbetreiber bereits für Handys und Tarife mit HSPA+, WiMAX oder LTE einsetzen. Strenggenommen sind diese Datenübertragungsstandards aber nicht "4G", da sie zwar einige, aber nicht alle Kriterien für IMT-Advanced erfüllen. Die ITU verzichtet daher mittlerweile weitgehend auf die Bezeichnung "4G". LTE-Advanced (nach 3GPP Release 10) und WiMAX 2 (IEEE 802.16m) sind jedoch bisher von der ITU als einzige Techniken anerkannt worden, welche die Anforderungen für IMT-Advanced vollständig erfüllen.
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