LTE–Advanced – eine Weiterentwicklung von LTE

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 4.2 beschrieben, sind nach derzeitiger Planung (2011) mit LTE im Downlink Datenraten bis zu 326 Mbit/s möglich und im Uplink ca. 86 Mbit/s. Dabei handelt es sich aber nur um maximal erreichbaren Werte. In der Realität wird aber die Geschwindigkeit von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Wir beziehen uns im Folgenden auf den Downlink – siehe Gutt, E.: LTE – eine neue Dimension mobiler Breitbandnutzung. PDF-Dokument im Internet, 2010:

Da LTE ein sogenanntes Shared Medium ist, müssen sich alle Teilnehmer einer Zelle die gesamte Datenrate von 326 Mbit/s 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 ihm verfügbare Datenrate sein. Ein elementarer Bestandteil der LTE–Spezifikation ist, dass für eine Mobilität bis 15 km/h jeweils die höchsten Datenraten garantiert werden und bis 300 km/h zumindest noch „gute Funktionalität”.

Die höchste theoretische Datenrate kann nur in nächster Nähe zur Basisstation erreicht werden. 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.

Eine Abschirmung durch Wände und Gebäude oder das Vorhandensein von Störquellen jeglicher Art begrenzen die erreichbare Datenrate. 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 in einem PDF–Dokument von CNN.

Darüber hinaus schien das 2011 existierende LTE–Netz 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 schreitet jedoch mit Riesenschritten voran, so dass diese Information vom Sommer 2011 nicht allzu lang aktuell sein dürfte.

Einige Systemverbesserungen durch LTE–Advanced (1)

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 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 auf der ITU–Website.

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

Die Datenrate soll bei geringer Bewegung des Teilnehmers bis zu 1 Gbit/s betragen, bei schneller Bewegung bis zu 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 100 MHz, während die LTE–Spezifizierung (nach Release 8) nur 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 (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.

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 RN 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.

Die Aufzählung der LTE–Neuerungen wird auf der nächsten Seite fortgesetzt.

Einige Systemverbesserungen durch LTE–Advanced (2)

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 LTE–Advanced von 3gpp.

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 30 bit/s/Hz und im Uplink von 3.75 bit/s/Hz auf 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 bereits 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 will nach eigenen Angaben bereits 2013 mit der kommerziellen Nutzung von LTE–Advanced beginnen. In einem Youtube–Video ist ein LTE–Test in einem fahrenden Kleinbus zu sehen, bei dem Datenraten von über 900 Mbit/s im Downlink und 300 Mbit/s im Uplink erreicht wurden.