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LTE: Das steckt hinter der Mobilfunk-Technik

Die Mobil­funk-Tech­nologie steht in Konkur­renz zu anderen Funk­tech­niken. Wir zeigen, welche Vor- und Nach­teile diese verschie­denen Datenübertragungs­standards haben.

LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg
Foto: Telekom
Wenn zwei Tech­nolo­gien so ähnliche Leis­tungs­para­meter und Anwen­dungs­gebiete aufweisen wie LTE und WiMAX, ist in der Regel damit zu rechnen, dass sich eine davon gegen die andere durch­setzen wird. Hierbei war LTE deut­lich als Gewinner hervor­gegangen. Dies lag auch daran, dass die Entwick­lung LTE-fähiger Netz­werke von den Mobil­funk-Netz­betrei­bern gewünscht und geför­dert wurde.

LTE und WiMAX verwenden beide OFDMA ("Ortho­gonal Frequency-Divi­sion Multiple Access") zur Kodie­rung der Signale. Dabei wird das zur Verfü­gung stehende Frequenz­band in viele Unter­bänder geteilt. Deren Anzahl kann vari­iert werden, je nachdem wie viel Band­breite gerade zur Verfü­gung steht, was zu unter­schied­lich hohen Bitraten führt. Die Auswahl der Frequenz­bänder stellt dabei sicher, dass sich die Signale auf den verschie­denen Unter­bändern nicht gegen­seitig stören. Eine spezi­elle Kodie­rung sorgt dafür, dass alle Unter­bänder von einem Sender gleich­zeitig modu­liert und über eine Antenne über­tragen bzw. vom Empfänger demo­duliert werden können.

LTE als WiMAX-Konkur­rent: Vorteil im Fall­back

LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg
Foto: Telekom
Für LTE spricht dessen Einbet­tung in den 3GPP-Stan­dard, der auch GSM, UMTS, HSPA und 5G umfasst. LTE-Netz­werke und -Endge­räte konnten somit relativ einfach einen Fall­back zu UMTS/HSPA (vor deren Abschal­tung) oder gar GSM/EDGE imple­men­tieren: Besser im LTE-Funk­loch einen lang­samen Daten­kanal aufbauen als gar keinen.

Ande­rer­seits machen die Extra-Schalt­kreise und -Antennen für den Fall­back die LTE-Endge­räte auch ein Stück komplexer und teurer. Diesen Nach­teil konnten die LTE-Verfechter wiederum durch größere Stück­zahlen kompen­sieren: Schließ­lich werden welt­weit deut­lich mehr Handys als Laptops ausge­lie­fert. Zudem gibt es immer mehr Endge­räte, die einen Internet­zugang per Mobil­funk nutzen, wie Tablets, Laptops und mobile Router mit inte­griertem LTE-/5G-Modem.

LTE bietet Mobil­funk mit Daten­raten wie bei VDSL

LTE ist in der Frequenz­nutzung wesent­lich flexi­bler als es UMTS war, da Funk­zellen eine Band­breite von 1,25 bis 20 MHz nutzen können, mit Zwischen­stufen bei 2,5, 5 und 10 MHz. Bei den nied­rigeren Band­breiten werden natür­lich auch nur gerin­gere Bitraten erreicht.

Die variable Bandbreiten­zuweisung gibt den Betrei­bern hohe Flexi­bilität. Zum Einstieg in LTE wurde weniger Band­breite als ehemals für UMTS benö­tigt. Schon mit der kleinst­möglichen Frequenz­aus­stat­tung sind Daten­trans­fers in (V)DSL-Tempo möglich. Zellen, die die größt­mögliche Band­breite nutzen, können hingegen deut­lich über 100 MBit/s aussenden und mehrere Nutzer gleich­zeitig mit Daten­raten im Bereich von VDSL und mehr versorgen.

Im Vergleich zu Verfahren wie UMTS, die das gesamte Band auf einmal belegten, bringt die bei LTE vorge­sehene Nutzung der Unter­bänder den Vorteil einer gerin­geren Anfällig­keit gegen­über Störungen. Da das einzelne Teil­signal eine nied­rigere Bitrate aufweist, ist es auch unter ungüns­tigen Bedin­gungen wie diversen Refle­xionen und Mehr-Wege-Ausbrei­tung besser rekonstruier­bar als ein breit­ban­digeres Gesamt­signal. Das erhöht bei gleich­bleibender Sende­leistung und Reich­weite die maxi­male Bitrate, oder bei glei­cher Sende­leis­tung und Bitrate die Reich­weite. Dafür steigt der Codie­rungs­auf­wand, was zusammen mit der höheren mögli­chen Band­breite den Strom­ver­brauch der Endge­räte nach oben treibt.

Effi­ziente Modu­lati­ons­ver­fahren

Weitere Tricks zur Stei­gerung der Bitraten sind Modulations­verfahren, die mehrere Bits pro Signal über­tragen, indem Phasen­lage und Signal­stärke jeweils in mehreren Stufen vari­iert werden. Hierzu gehören bei LTE insbe­son­dere 16QAM und 64QAM. Mehrere Antennen in Sender und Empfänger ("Multiple Input Multiple Output", kurz MIMO) verviel­fäl­tigen die Bitrate aber­mals. Effi­ziente Modu­lati­ons­ver­fahren und MIMO wurden auch für HSPA und HSPA+ einge­setzt.

Lang­fristig gute Aussichten

Doch auch die UMTS-Erwei­terungen HSPA und HSPA+ konnten zig Millionen Bits pro Sekunde in die Luft pumpen. Zudem punk­tete HSPA aufgrund der Kompati­bilität zu bestehenden 3G-Endge­räten. HSDPA und auch HSUPA gehörten bis zur Einfüh­rung von LTE und später 5G bei Smart­phones zur Stan­dard­aus­stat­tung.

Die Ausbau­planungen der Netz­betreiber gehen daher in die Rich­tung, für den mobilen Internet-Zugang verstärkt LTE- und 5G-Netze zu betreiben bzw. weiter auszu­bauen. Seit 2010 wurde LTE einer­seits in DSL-losen Gemeinden ausge­baut, um statio­näre Internet-Zugänge zu ermög­lichen. Dies gehörte zu den Bedin­gungen der Bundes­netzagentur für die Verstei­gerung der Frequenz­blöcke der Digi­talen Divi­dende. Mit der Digi­talen Divi­dende 2 wurde 2015 diese Bedin­gung fort­gesetzt und der Weg bereitet, 98 Prozent der Haus­halte in Deutsch­land bis 2018 einen LTE-Zugang zu ermög­lichen.

Ande­rer­seits verrin­gert der Ausbau der LTE-Netze in Ballungs­räumen die Kapa­zitäts­eng­pässe bei der Versor­gung mit mobilem Internet. Neben dem 700- und 800-MHz-Band für weit­rei­chenden LTE-Empfang setzen die Netz­betreiber daher in stark frequen­tierten Gebieten auch auf höhere Frequenz­bänder, die eine größere Leis­tung gewähr­leisten können.

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