LTE-Advanced: Technik

LTE Advanced setzt ausgefeilte Techniken ein

Für hohe Datenraten braucht man viel Bandbreite, doch Frequenz-Spektrum ist knapp und kostbar. Wie LTE Advanced diese Anforderung trotzdem realisieren konnte, erläutern wir in unserem Ratgeber zum 4G-Mobilfunkstandard.

Von Julian Ruecker / Alexander Kuch

Eine wichtige Anforderung von IMT-Advanced, dem von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) vorgegebenen Kriterien-Katalog für Mobilfunkstandards der vierten Generation, war und ist die Verwendung von großen Bandbreiten von bis zu 40 MHz. Durch Frequenz-Versteigerungen, die Abschaltung von UMTS und die Umstellung von DVB-T auf DVB-T2 erhielten die etablierten Netzbetreiber eine ausreichende Anzahl an Lizenzen für die Nutzung des einst knappen und fragmentierten Frequenz-Spektrums für LTE (und 5G).

Zudem ist LTE Advanced abwärtskompatibel zu LTE, damit LTE-Geräte auch in LTE-Advanced-Netzen problemlos funktionieren. Doch LTE unterstützt nur eine maximale Bandbreite von 20 MHz pro Träger (Carrier). Bis zu 500 MBit/s über LTE Advanced
Foto/Grafik: teltarif.de

Carrier Aggregation für höhere Bandbreite

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 konnten bis zum Release 12 des 3GPP (3rd Generation Partnership Project) bis zu fünf Träger-Komponenten (Component Carrier) genutzt werden, seit Release 13 sind es theoretisch sogar bis zu 32. Die maximale Bandbreite für eine Träger-Komponente beträgt 20 MHz, sodass sich für die Übertragung insgesamt eine maximale aggregierte Bandbreite von 100 MHz (5 Träger) bzw. 640 MHz (32 Träger) ergibt. Angesichts der realen Frequenzzuweisungen, des technischen Aufwands und der Konzentration auf 5G oder gar 6G sind aber Aggregationen von mehr als zwei bis vier Trägern nicht überall zu erwarten.

LTE Advanced Carrier Aggregation Carrier Aggregation:
Drei Varianten für die Zusammensetzung der Träger-Komponenten
Grafik: teltarif.de 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-, 1800-MHz-, 2100-MHz- und 2600-MHz-Band an und war weltweit der erste Netzbetreiber, der Carrier Aggregation unterstützte. Dabei verwendeten die Südkoreaner drei Träger-Komponenten zu je 10 MHz Bandbreite, von denen je eine aus dem Frequenzbereich um 800 MHz, eine aus dem Frequenzbereich um 2100 MHz und eine aus dem Frequenzbereich um 2600 MHz stammte sowie jeweils eine 20 MHz Bandbreite um den Frequenzbereich um 1800 MHz und 2600 MHz, was zu einer Übertragungsrate von bis zu 700 MBit/s im Downstream führte. Mit der 3-Band-Träger-Aggregation dagegen wird im Downstream eine maximale Datenrate von 500 MBit/s erreicht. Geplant war zudem eine maximale Download-Geschwindigkeit von bis zu 1,2 GBit/s mit einer 5-Band-Träger-Aggregation, 4x4-MIMO-Technik und QAM256 (Quadratur-Amplituden-Modulation).

In Deutschland werden für LTE die Frequenzbereiche um 700, 800, 1800, 2100 und 2600 MHz verwendet - also gibt es fünf 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 100 MHz, da je 20 MHz in den genannten Frequenz-Bändern möglich sind. Hierbei sei aber zu erwähnen, dass nicht jedem Netzbetreiber für jedes Band eine 20-MHz-Bandbreite zur Verfügung steht und daher andere Kombinationen mit geringerer Bandbreite realisiert werden. Diese Betrachtung nimmt außerdem an, dass das 1800-MHz-Band zudem ausschließlich für LTE vorbehalten ist, wobei es theoretisch auch für GSM genutzt wird. In der Praxis konzentrieren sich die Netzbetreiber mittlerweile allerdings auf den Betrieb von LTE auf diesen Frequenzen. Seit Release 12 des 3GPP wird nun auch - zumindest bei Geräte-Kategorien - zwischen Downlink- und Uplink-Kategorie unterschieden, sodass hier abermals mannigfaltige Kombinationsmöglichkeiten hinzukommen.

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 (Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing) oder SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiplex Access) 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 mithilfe von mehreren Basisstationen (Coordinated Multi Point Transmission) vorgesehen. Diese ist möglich, wenn sich der Nutzer am Rand einer Mobilfunk-Zelle befindet, 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.

Zusammenarbeit der Basisstationen (CoMP) am Rand der Mobilfunk-Zelle Zusammenarbeit der Basisstationen (CoMP) am Rand der Mobilfunk-Zelle
Grafik: teltarif.de 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 Frequenz-Spektrum 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.

Ratgeber zum Thema LTE

Mobilfunk der vierten Generation

Entstanden war LTE Advanced als Teil der Spezifikation "3GPP Release 10", in der sich Mobilfunk-Netzbetreiber, Hardware-Hersteller und Regulierungsbehörden zusammengeschlossen haben. Ziel bei der Konzeption von LTE Advanced war dabei, die von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) vorgegebenen 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. Mit dem Release 13 des 3GPP kam mit LTE Advanced Pro (LTE-AP) eine Erweiterung heraus, die zeitweise auch mit 4.5G oder 4.9G bezeichnet wurde.

Die Aussagekraft des Labels "4G" war zeitweise begrenzt, da es einige Hardware-Hersteller und Netzbetreiber auch für Handys und Tarife mit HSPA+, WiMAX oder LTE einsetzten. 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.

Ratgeber zum Thema "Mobiles Internet"