Mobile Kommunikation/LTE–Advanced – eine Weiterentwicklung von LTE

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Wie schnell ist LTE wirklich?

Von bereits etablierten kabelbasierten Diensten wie  DSL  ("Digital Subscriber Line")  ist der Verbraucher gewöhnt, die angebotene Geschwindigkeit (zumindest weitgehend) auch nutzen zu können.

• Wie verhält es sich jedoch bei LTE?
  

• Welche Datenraten kann der einzelne LTE–Nutzer tatsächlich erreichen?
  
  

Für die Provider von Mobilfunksystemen ist es sehr viel schwieriger, konkrete Angaben zur Datenrate zu machen, da bei einer Funkverbindung viele schwer vorhersagbare Einflüsse zu berücksichtigen sind.

Wie bereits im Kapitel  Technische Neuerungen von LTE  beschrieben, sind nach der Planung von 2011 im LTE–Downlink Datenraten bis zu  $\text{326 Mbit/s}$  möglich und im Uplink ca.  $\text{ 86 Mbit/s}$.  Bei diesen Zahlen handelt es sich nur um maximal erreichbare Werte. 

In der Realität wird aber die Geschwindigkeit von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst.  Wir beziehen uns im Folgenden auf den Downlink – siehe  [Gut10]:

• Da LTE ein sogenanntes  Shared Medium  ist, müssen sich alle Teilnehmer einer Zelle die gesamte Datenrate teilen.  Zu beachten ist, dass Sprachübertragung oder eine normale Nutzung des Internets weniger Verkehr erzeugt als zum Beispiel  Filesharing  oder Ähnliches.
  

• Je schneller sich ein Nutzer bewegt, desto geringer wird die verfügbare Datenrate sein.  Elementarer Bestandteil der LTE–Spezifikation ist, dass für eine Mobilität bis 15 km/h die höchsten Datenraten garantiert werden und bis 300 km/h zumindest noch „gute Funktionalität”.
  

• Die höchste Datenrate wird in nächster Nähe zur Basisstation erreicht.  Je weiter ein Teilnehmer von dieser entfernt ist, desto geringer wird die ihm zugewiesene Datenrate, was u. a. auf das Umschalten von 64–QAM bzw. 16–QAM auf 4–QAM  (QPSK)  zu erklären ist.
  

• Abschirmung durch Wände und Gebäude oder Störquellen jeglicher Art begrenzen die erreichbare Datenrate enorm.  Optimal wäre eine Sichtverbindung zwischen Empfänger und Basisstation  (englisch:   Line of Sight, LoS), ein Szenario, das eher selten anzutreffen ist.
  
  

Die Realität sah im Sommer 2011 wie folgt aus:  LTE ist bereits in einigen Ländern (zumindest testweise) verfügbar. Dazu gehören außer dem LTE–Vorreiter Schweden auch die USA und Deutschland.  In verschiedenen Tests wurden Download–Geschwindigkeiten zwischen 5 und 12 Mbit/s erreicht, bei sehr guten Bedingungen bis zu 40 Mbit/s.  Details finden Sie im Internetartikel  [Gol11].

Darüber hinaus schien das LTE–Netz von 2011 aufgrund von zu hohen Verzögerungszeiten und den daraus resultierenden gelegentlichen Verbindungsunterbrechungen noch nicht bereit, die etablierten kabelgebundenen Internetanschlüsse zu ersetzen.  Die Entwicklung auf diesem Gebiet schritt jedoch mit Riesenschritten voran, so dass diese Information vom Sommer 2011 nicht allzu lang aktuell waren.

Einige Systemverbesserungen durch LTE–Advanced

Während im Sommer 2011 die ersten LTE–Systeme entsprechend dem Release 8 vom Dezember 2008 langsam auf den Markt kamen, stand der Nachfolger bereits vor der Tür.  Das im Juni 2011 fertig gestellte Release 10 des „3GPP” ist  Long Term Evolution–Advanced,  oder kurz  $\rm LTE-A$.  Es erfüllt als erste Technologie die Anforderungen der ITU  (International Telecommunication Union)  an einen 4G–Standard.  Eine Zusammenstellung dieser Anforderungen – auch "IMT–Advanced" genannt – finden Sie sehr detailliert in einem  ITU–Artikel  (PDF).

Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden hier einige Eigenschaften von LTE–Advanced genannt:

• Die Datenrate soll bei geringer Bewegung des Teilnehmers bis zu  $\text{1 Gbit/s}$  betragen, bei schneller Bewegung bis zu  $\text{100 Mbit/s}$.  Um diese hohen Datenraten zu erreichen, wurden einige neue technische Spezifikationen getroffen, auf die hier kurz eingegangen werden soll.
  

• LTE–Advanced unterstützt Bandbreiten bis maximal  $\text{100 MHz}$, während die LTE–Spezifizierung (nach Release 8) nur  $\text{20 MHz}$ vorsieht.  Dabei müssen die FDD–Spektren nicht mehr symmetrisch zwischen Uplink und Downlink aufgeteilt sein.  Es kann also zum Beispiel für den Downlink eine höhere Kanalbandbreite verwendet werden als für den Uplink, was der normalen Nutzung des mobilen Internets mit einem Smartphone entspricht.
  

• Im Uplink von LTE–Advanced wird ebenfalls  SC–FDMA  verwendet.  Da das 3GPP–Konsortium mit der SC–FDMA–Übertragung bei LTE nicht zufrieden war, wurden aber einige wesentliche Verbesserungen im Ablauf erarbeitet .
  

• Eine weitere interessante Neuheit stellt die Einführung sogenannter „Relay Nodes” dar.  Ein solches  Relay Node  $\rm (RN)$  wird am Rand einer Zelle aufgestellt, um für bessere Übertragungsqualität an den Grenzen einer Zelle zu sorgen und so die Reichweite der Zelle zu erhöhen.
  
  

Funktionsweise der Relay Nodes

Ein  Relay Node  sieht für ein Endgerät aus wie eine normale Basisstation  (eNodeB ).  Sie muss aber nur ein relativ kleines Einsatzgebiet versorgen und muss deshalb nicht aufwändig an das Backbone angeschlossen werden.  In den meisten Fällen ist ein Relay Node über Richtfunk mit der nächsten Basisstation verbunden.

Auf diese Art und Weise werden ohne großen Aufwand hohe Datenraten und gute Übertragungsqualität ohne Unterbrechungen gewährleistet.  Durch Erhöhen der räumlichen Nähe zu den Basisstationen wird damit auch die Empfangsqualität in Gebäuden verbessert.

Ein weiteres bei  LTE–A  hinzugekommenes Feature ist unter der Bezeichnung  Coordinated Multiple Point Transmission and Reception  (CoMP) bekannt.  Damit versucht man, den störenden Einfluss von Interzellinterferenzen zu reduzieren.  Mit intelligentem Scheduling über mehrere Basisstationen hinweg gelingt es sogar, Interzellinterferenz nutzbar zu machen.  Dabei steht die Information für ein Endgerät an zwei benachbarten Basisstationen zur Verfügung und kann gleichzeitig übertragen werden.  Details zur CoMP–Technik finden sich zum Beispiel in dem Internet–Artikel  [Wan13]  von 3gpp.

$\text{Zwischenstand von 2011:}$ 

• Durch die genannten Maßnahmen in Kombination mit vielen weiteren Verbesserungen – in erster Linie die Einführung von 4×4–MIMO für den Uplink und 8×8–MIMO im Downlink – gelingt es, die spektrale Effizienz  (darunter versteht man den übertragbaren Informationsfluss in einem Hertz Bandbreite innerhalb einer Sekunde)  von LTE–A gegenüber LTE signifikant zu erhöhen, und zwar im Downlink von  15 bit/s/Hz  auf  $\text{30 bit/s/Hz}$  und im Uplink von  3.75 bit/s/Hz  auf  $\text{15 bit/s/Hz}$.
  

• Natürlich muss zusätzlich auch die Rückwärtskompatibilität zum vorangegangenen Standard LTE und zu früheren Mobilfunksystemen gewährleistet werden.  Auch mit einem UMTS–Handy sollte man sich in ein LTE–Netz einwählen können, auch wenn man die LTE–spezifischen Features nicht nutzen kann.
  

• Anfang Juni 2011 gab es die ersten Tests zu LTE–Advanced. Schweden, das bereits das erste kommerzielle LTE–Netz aufgebaut hat, übernahm auch hier wieder die Vorreiterrolle. Die Fa. Ericsson demonstrierte erstmals ein Testsystem mit praxistauglichen, handelsüblichen Endgeräten und begann 2013 mit der kommerziellen Nutzung von LTE–Advanced.
• In einem Youtube–Video ist ein LTE–Test in einem fahrenden Kleinbus zu sehen, bei dem Datenraten von über  $\text{900 Mbit/s}$  im Downlink und  $\text{300 Mbit/s}$  im Uplink erreicht wurden.

Standards in Konkurrenz zu LTE bzw. LTE–Advanced

Neben dem vom 3GPP–Konsortium spezifizierten LTE gibt es weitere Standards, die der schnellen mobilen Datenübertragung dienen sollen.  Hier wird kurz auf die zwei wichtigsten eingegangen:

$\rm cdma2000$  (oder  IS–2000)  und dessen Weiterentwicklung  $\rm UMB$  (Ultra Mobile Broadband):

Hierbei handelt es sich um einen Mobilfunkstandard der dritten Generation, der vom  3GPP2  ("Third Generation Partnership Project 2") spezifiziert und weiterentwickelt wurde.  Weitere Informationen zu  "cdma2000"  finden Sie im Abschnitt  IMT–2000–Standard  des Buches „Beispiele von Nachrichtensystemen”.

Über die Weiterentwicklung dieses Standards ist weitaus weniger bekannt als zu LTE.  Erwähnenswert ist, dass es für  cdma2000  und  UMB  einen ausschließlich für die Datenübertragung spezifizierten Substandard gibt.  Der Kölner Telekommunikationsanbieter  NetCologne  hat seit 2011 auf dieser Basis mobiles Internet im Bereich um  $\text{450 MHz}$  angeboten.  Darüber hinaus ist cdma2000 in Deutschland unbedeutend.

Anmerkung:   Das „3GPP2” wurde nahezu zeitgleich mit dem fast namensgleichen  3GPP  im Dezember 1998 gegründet, offenbar aufgrund von ideologischen Differenzen.

$\rm WiMAX$  (Worldwide Interoperability for Microwave Access):

Unter dieser Bezeichnung versteht man eine auf dem  IEEE–Standard 802.16  basierende drahtlose Übertragungstechnik.  Sie gehört damit wie auch  WLAN  (802.11)  und  Ethernet  (802.3)  zur Familie der 802–Standards.  Es gibt zwei verschiedene Unterspezifikationen zu WiMAX, nämlich

• einen für den Betrieb einer statischen Verbindung, die kein Handover erlaubt, und
  

• einen für den mobilen Betrieb, der UMTS und LTE Konkurrenz machen soll.
  
  

Das Potential der statischen WiMAX–Verbindungen liegt hauptsächlich in der der großen Reichweite bei trotzdem vergleichsweise hoher Datenrate.  Aus diesem Grund wurde statisches WiMAX zunächst als DSL–Alternative für dünn besiedelte Gebiete gehandelt.  So sind bei einer Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ("Line of Sight", LoS) über 15 Kilometer etwa  $\text{4.5 Mbit/s}$ möglich.  In urbanem Gebiet ohne Sichtverbindung wird für WiMAX immerhin noch eine Reichweite von ca. 600 Meter angegeben, ein deutlich besserer Wert als die 100 Meter, die WLAN typischerweise bietet.

Momentan (2011) wird auch an einer Weiterentwicklung namens „WiMAX2” gearbeitet.  Nach Aussage der Initiatoren ist WiMAX2 in der mobilen Version ein 4G–Standard, der genau wie LTE–Advanced Datenraten bis zu  $\text{1 Gbit/s}$  erreichen kann.  Ende 2011 soll WiMAX2 in die Praxis umgesetzt werden.  Ob es zu diesem Termin und mit der prognostizierten Datenrate klappt, wird sich zeigen.

In Deutschland spielt WiMAX (derzeit noch) keine große Rolle, da sowohl die Bundesregierung in ihrer Breitbandoffensive als auch alle großen Mobilfunkbetreiber  "Long Term Evolution"  (LTE bzw. LTE–A)  als Zukunft der mobilen Datenübertragung ausgerufen haben.

Meilensteine der Entwicklung von LTE und LTE–Advanced

Abschließend noch ein kurzer Überblick über einige Meilensteine bei der Entwicklung hin zu LTE aus Sicht des Jahres 2011:

• 2004    Das japanische Telekommunikationsunternehmen  NTT DoCoMo  schlägt LTE als neuen internationalen Mobilfunkstandard vor.
  

• 09/2006    Nokia Siemens Networks (NSN) stellt zusammen mit  Nomor Research  erstmals einen Emulator eines LTE–Netzes vor. Zur Demonstration wird ein HD–Video übertragen und zwei Nutzer spielen ein interaktives Onlinespiel.
  

• 02/2007    Auf dem  3GSM World Congress, der weltweit größten Mobilfunkmesse, demonstriert das schwedische Unternehmen  Ericsson  ein LTE–System mit 144 Mbit/s.
  

• 04/2008    DoCoMo  demonstriert eine LTE–Datenrate von 250 Mbit/s. Nahezu zeitgleich erreicht  Nortel Networks Corp.  (Kanada) bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 100 km/h immerhin 50 Mbit/s.
  

• 10/2008    Test des ersten funktionsfähigen LTE–Modems durch Ericsson in Stockholm. Dieser Termin ist der Startschuss für die kommerzielle Nutzung von LTE.
  

• 12/2008    Fertigstellung der Release 8 des 3GPP, gleichbedeutend mit LTE. Das Unternehmen  LG Electronics  entwickelt den ersten LTE–Chip für Mobiltelefone.
  

• 03/2009    Auf der CeBIT in Hannover zeigt  T–Mobile  Videokonferenzen und Onlinespiele aus einem fahrenden Auto heraus.
  

• 12/2009    Das weltweit erste kommerzielle LTE–Netz startet in der Stockholmer Innenstadt, nur 14 Monate nach Beginn der Testphase.
  

• 04/2010    3GPP beginnt mit der Spezifikation von Release 10, gleichbedeutend mit LTE–A.
  

• 05/2010    Die LTE–Frequenzauktion in Deutschland endet.  Der Erlös ist mit 4.4 Milliarden Euro deutlich geringer, als von den Experten erwartet und von Politikern erhofft.
  

• 08/2010    T-Mobile baut in Kyritz die erste kommerziell nutzbare LTE–Basisstation Deutschlands.  Für einen funktionierenden Betrieb fehlen noch passende Endgeräte.
  

• 12/2010    In Deutschland laufen die ersten größeren Pilottests in den Netzen von Telekom,  O2  und  Vodafone.  Inzwischen sind entsprechende LTE–Router verfügbar.
  

• 02/2011    In Südkorea werden erste erfolgreiche Tests mit dem Nachfolger LTE–Advanced durchgeführt.
  

• 03/2011    Das 3GPP Release 10 ist fertiggestellt.
  

• 06/2011    Start des ersten deutschen LTE–Netzes in Köln.  Bis Mitte 2012 sorgt die Telekom in 100 weiteren Städten für eine großflächige Verbreitung von LTE.
  

Aufgabe zum Kapitel

Aufgabe 4.5: LTE vs. LTE–Advanced