LTE-Advanced: Technik

LTE Advanced setzt ausgefeilte Techniken ein

Für hohe Daten­raten braucht man viel Bandbreite, doch Frequenz­spektrum ist knapp und kostbar. Wie LTE Advanced diese Anforderung trotz­dem realisieren kann, erläutern wir in unserem Technik-Spezial zum 4G-Mobil­funk­standard.
Von Susanne Kirchhoff
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LTE Advanced Carrier Aggregation 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

LTE Advanced Carrier Aggregation 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 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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