LTE - Long Term Evolution

Long Term Evolution, kurz LTE, ist die erste weltweit gültige Mobilfunktechnik für Nordamerika, Europa und Asien. LTE ist Teil der Initiative IMT-Advanced, dem Nachfolger von IMT-2000, zu dem auch UMTS gehört. LTE ist eine Weiterentwicklung von UMTS und HSPA. Der damit einhergehende Entwicklungssprung ist mit dem von GSM auf UMTS vergleichbar. LTE ist ein natürlicher Entwicklungsschritt nach UMTS.
Durch die Weiterentwicklung der Mobilfunktechnik ergeben sich Vorteile gegenüber UMTS. Dazu zählen eine bessere Netzabdeckung, weniger Stromverbrauch und schnelles mobiles Internet.

LTE - Long Term Evolution

LTE wird die bisherigen GSM-, UMTS- und HSPA-Mobilfunknetze nicht ersetzen, sondern ergänzen. Es wird ein nahtloser Übergang von der UMTS-Technik zu LTE geben. Durch die weite Verbreitung von UMTS- und HSPA-Endgeräten werden beide Techniken mehrere Jahre koexistieren. Mit LTE entwickelt sich der Mobilfunk zunehmend zu einer Alternative zur Überbrückung der letzten Meile und damit als Alternative zur Kabelmodemtechnik und DSL.

Bei LTE handelt es sich nicht, wie so oft zu lesen, um die vierte Mobilfunk-Generation (4G). Diese Mobilfunk-Generationen werden von der ITU-T definiert. Die Einteilung ist in einer Spezifikation festgelegt. Demnach ist LTE ein 3.9G-Mobilfunknetz. Der Grund, LTE setzt die 4G-Definition nicht vollständig um. Leider kam die Spezifikation erst nach dem sich jeder an die willkürliche Festlegung gewöhnt hat. Deshalb findet man immer wieder Aussagen, dass LTE 4G sei. Doch erst LTE Advanced (LTE-A) entspricht der 4G-Definition. LTE Advanced Pro (LTE-AP) ist die letzte Ausbau- und Entwicklungsstufe vor der 5G-Mobilfunktechnik.

Übersicht: LTE

LTE LTE Advanced (LTE-A) LTE Advanced Pro (LTE-AP)
Verfügbarkeit in DE Ende 2010 Ende 2015 Ende 2016  
Max. Downlink (theoretisch) 300 MBit/s 600 MBit/s 1.000 MBit/s
Max. Uplink (theoretisch) 75 MBit/s 500 MBit/s 500 MBit/s
Max. Downlink (in DE) 150 MBit/s 300 MBit/s (Dt. Telekom)
225 MBit/s (Vodafone)
500 MBit/s (Dt. Telekom)
500 MBit/s (Vodafone)
 
Max. Uplink (in DE) 50 MBit/s 50 MBit/s
Bandbreite Downlink 20 MHz bis 100 MHz
Bandbreite Uplink 20 MHz bis 40 MHz
Spektraleffizienz bis 16,3 Bit/s je Hertz bis 30 Bit/s je Hertz
spektrale Bandbreite 1,4, 3, 5, 10, 15 und 20 MHz 20 bis 100 MHz
Kapazität 200 Nutzer pro Zelle pro 5 MHz 600 Nutzer pro Zelle pro 5 MHz

LTE-Release

Das Normungsgremium 3GPP erweitert die jeweils aktuelle Mobilfunktechnik um ergänzende Spezifikationen, die Release genannt werden. Es dauert allerdings ein bis zwei Jahre, bis neue Endgeräte erscheinen und noch einmal ein Jahr, bis fast alle Geräte die entsprechenden Leistungsmerkmale haben. Die Umrüstung und Erweiterung bei den Netzbetreibern ist sehr unterschiedlich.

Spezifikation Downstream Upstream Leistung Anmerkung Normiert
LTE Release 8 172,8 MBit/s 57,6 MBit/s 16QAM, 2x2 MIMO, 20 MHz Netzelemente und Endgeräte 2008
Release 9 326,4 MBit/s 86,4 MBit/s 16QAM, 4x4 MIMO, 20 MHz MBMS 2009
LTE-A Release 10 3,0 GBit/s 1,5 GBit/s 16QAM, 8x8 MIMO, 100 MHz   2011
Release 12 3,9 GBit/s 1,5 GBit/s 256QAM, 8x8 MIMO, 100 MHz   2013
LTE-AP Release 13     256QAM, 16x16 MIMO LAA-Downlink 2015
Release 14     1024QAM, 32x32 MIMO LAA-Uplink 2017
Release 15         2018

Die Geschwindigkeitsangaben beziehen sich auf das rechnerische Maximum. Diese Werte sind in der Praxis nicht zu erreichen.

Übertragungsrate in der Praxis

  • LTE: 150 MBit/s (Downstream)
  • LTE mit CA2: 300 MBit/s
  • LTE mit CA3: 450 MBit/s
  • LTE mit CA3+Mod: 600 MBit/s

Wie ist es möglich, dass im Zusammenhang mit LTE von Übertragungsrate von über 1 GBit/s gesprochen wird? In der Theorie bündelt man fünf Träger (Carrier Aggregation, CA) und funkt die Daten über vier Sende-Empfangseinheiten mit räumlich separaten Übertragungswegen (4x4 MIMO). So entsteht rechnerisch eine Übertragungsrate von über 1 GBit/s. In der Praxis scheitert das daran, dass die Netzbetreiber nicht genug Frequenzbereich für fünf Träger haben. Außerdem mangelt es in Smartphones an Platz, Energie und Rechenleistung, um vier Sende- und Empfangseinrichtungen zu nutzen. Und dann kommt noch hinzu, dass diese Bandbreite für die gesamte Zelle unter besten Bedingungen gilt. In der Praxis müssen sich alle Teilnehmer diese Bandbreite teilen und müssen mit erschwerten Empfangsbedingungen kämpfen, was auf die Übertragungsrate drückt.

LTE-Netzarchitektur

Um den wachsenden Datenverkehr im Mobilfunknetz abwickeln zu können ist eine breitbandige Anbindung der Basisstationen an das Kernnetz erforderlich. Hierfür setzt man bevorzugt Richtfunk und Glasfaser ein. Das Transportnetz, das die Basisstationen mit dem Kernnetz verbindet besteht hauptsächlich aus Routern und Switche, wie sie üblicherweise in der Netzwerktechnik eingesetzt werden. Damit das möglich ist, sind in LTE gängige Netzwerktechniken und -protokolle zusammengeführt. Die Systemarchitektur von GSM und UMTS bestand hauptsächlich noch aus teurer Spezialhardware.

Um die Übertragungskapazität zu erhöhen wird beim Informationsaustausch zwischen Basisstation und dem Kernnetz gespart. Angestrebt wird eine einfache Integration in das bestehende Mobilfunknetz und eine einfache Architektur mit sich selbst konfigurierenden Basisstationen.
LTE arbeitet gemäß einem Self-organizing Network (SON). Die Inbetriebnahme einer LTE-Basisstation erfolgt nach dem Anschließen der Energieversorgung und der IP-Verbindung automatisch. Die Basisstation registriert sich selber und verbindet sich mit dem Kernnetz per VPN.

Die LTE-Basisstationen sind kleiner als GSM- und UMTS-Basisstationen. So können die Netzbetreiber die LTE-Basisstationen an Orten installieren, die sich für GSM- und UMTS-Basisstationen weniger eignen. Das erlaubt die Funkversorgung von Orten, die sonst nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.

LTE-Gerätekategorie

Je nach Gerät, zum Beispiel Smartphone, USB-Stick oder Mobilfunk-Router, stehen unterschiedlich viel Platz für die Energieversorgung und Rechenleistung zur Verfügung. Dafür gibt es unterschiedliche Mobilfunkchips, die unterschiedlichen Gerätekategorien mit verschiedenen Downlink und Uplink-Datenraten zugeordnet sind.
Neuere Geräte haben in der Regel auch eine höhere Gerätekategorie.

LTE (Spezifikation) Kategorie max. Downlink max. Uplink MIMO (DL) Bandbreite Modulation Downlink Modulation Uplink
Release 12/13 0 1,0 MBit/s 1,0 MBit/s 1 200 kHz bis 1,4 MHz QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM QPSK, 16QAM, 64QAM
Release 8 1 10,3 MBit/s 5,2 MBit/s 1 bis 20 MHz    
2 51,0 MBit/s 25,5 MBit/s 2    
3 102,0 MBit/s 51,0 MBit/s 2 bis 20 MHz ohne
Carrier Aggregation
QPSK, 16QAM, 64QAM QPSK, 16QAM
4 150,8 MBit/s 51,0 MBit/s 2
5 299,6 MBit/s 75,4 MBit/s 4 QPSK, 16QAM, 64QAM
Release 10 6 301,5 MBit/s 51,0 MBit/s 2 oder 4 20 bis 100 MHz mit
Carrier Aggregation
64QAM 16QAM
7 301,5 MBit/s 102,0 MBit/s 2 oder 4 64QAM
8 2.998,6 MBit/s 1.497,8 MBit/s 8
9 452,2 MBit/s 51,0 MBit/s 2 oder 4    
10 452,2 MBit/s 102,0 MBit/s 2 oder 4      
11 603,0 MBit/s 51,0 MBit/s 2 oder 4      
Release 14 14   9,5 GBit/s       256QAM
17     32      

Im Folgenden die typischen Gerätekategorien:

  • LTE: Cat 3 (100 MBit/s)
  • LTE: Cat 4 (150 MBit/s)
  • LTE-A: Cat 6 bündelt zwei Träger (300 MBit/s)
  • LTE-A: Cat 9 bündelt drei Träger (450 MBit/s)
  • LTE-AP: Cat 11 bündelt drei Träger (600 MBit/s)

Die Kategorien 7, 10 und 12 bündeln Frequenzträger auch im Upstream, was aber weltweit keine Bedeutung hat.

Damit ein Geräte mit der entsprechenden Kategorie die angegebene Bandbreite nutzen kann und eine entsprechend schnelle Datenübertragung möglich ist, muss das Netz diese Bandbreite zur Verfügung stellen, der gebuchte Mobilfunktarif muss es ermöglichen und das Gerät muss die kombinierbaren Frequenzbereiche des Netzbetreibers unterstützen. In Deutschland sind die Frequenzbereiche bei 800 MHz, 1.800 MHz und 2.600 MHz üblich. Wenn ein Gerät aber nur zwei dieser Frequenzbereiche unterstützt, dann ist die Bandbreite und damit auch die Geschwindigkeit beschränkt. Das liegt dann nicht am Netz, sondern am Endgerät.
Leider findet man nicht bei allen Hersteller und Geräten Informationen, welche Frequenzbereiche sich zusammenschalten lassen, um eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen.

Auch sind die Angaben zur Downlink- und Uplink-Geschwindigkeit je nach Gerät und Land Schall und Rauch. Beispielsweise sind auf der Teilnehmerseite für eine Übertragungsrate von bis zu 150 MBit/s Geräte der LTE-Kategorie 4 erforderlich (LTE Cat-4). Selbst wenn der Netzbetreiber durch Trägerbündelung mehr als 20 MHz zur Verfügung hat, dann erreichen Cat-4-Geräte diese Übertragungsrate nicht. Für Kanalbreiten über 20 MHz bedarf es Geräte der LTE-Kategorie 6 (LTE-A). Diese Geräte können dann auch bis zu 300 MBit/s empfangen.
Endgeräte der Gerätekategorie Cat-5 würden insgesamt 4 Antennen vorsehen, was eine höhere Stromentnahme und Platz erforderlich macht und in Smartphones eher selten ist. Das macht höchstens in stationären Routern mit fester Stromversorgung Sinn.

Sprachverbindungen über LTE

Die Mobilfunktechnik LTE wurde ursprünglich vollständig auf die Übertragung von Daten ausgerichtet. Deshalb konnte lange Zeit nicht über LTE telefoniert werden. Ausschließlich schnelle Datenverbindungen waren möglich.
Bei ein- und ausgehenden Anrufen wurde deshalb auf UMTS oder sogar GSM zurückgeschaltet. Nach dem Telefonat wechselt das Smartphone automatisch wieder ins LTE-Netz zurück.
Um auch über das LTE-Netz telefonieren zu können wurde mit VoLTE eine Systemerweiterung entwickelt, bei der die Sprachübertragung per Voice over IP (VoIP) erfolgt. Bei VoLTE handelt es sich um IP-Telefonie über das LTE-Mobilfunknetz.

LTE-D2D und LTE-V2V

Bereits in den 3GPP-Releases 12 und 13 wurden Ansätze entwickelt, dass Endgeräte direkt miteinander kommunizieren können.

  • D2D - Device-to-Device-Kommunikation
  • V2V - Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation

Device-to-Device-Kommunikation: Die D2D-Technik kann zum Einsatz kommen, wenn die LTE-Infrastruktur fehlt. In solchen Situationen kommen D2D-Geräte ohne Basisstation und Kernnetz aus. Beispielsweise für Public Safety (Polizei, Feuerwehr und Rettungsdienste). Damit stellt LTE-D2D eine Alternative zum digitalen Bündelfunk TETRA dar.
Die Flexibilität von LTE-D2D sieht auch Wearables, wie Smart-Watches, Augmented-Reality-Brillen und Fitness-Tracker vor, die einerseits mit einem LTE-IoT-Funksystem und dem Smartphone per LTE kommunizieren.
Im 3GPP-Release 14 wurde D2D um für die Verkehrstelematik (ITS, Intelligent Transportation System).

Vehicle-to-Vehicle-Kommunikation: LTE-V2V konkurriert mit dem älteren IEEE 802.11p. Beide Spezifikatioien sehen die Kommunikation zwischen Fahrzeugen vor. Die LTE-Spezifikation gilt als leistungsfähiger bezüglich Reichweite und Verfügbarkeit.

LTE-LAA - LTE License Assisted Access

Oftmals reichen die für LTE-Mobilfunk reservierten Frequenzbänder nicht aus, um den steigenden Anforderungen der Nutzer gerecht zu werden. LTE-LAA ist eine Erweiterung für LTE-Advanced-Funkzellen, um die Mobilfunkversorgung auf das lizenzfreie 5-GHz-Band auszuweiten.

LTE-A - LTE Advanced

LTE Advanced, kurz LTE-A, ist eine Erweiterung von LTE und zählt als die 4. Mobilfunkgeneration (4G). Laut Spezifikation soll LTE Advanced im Endausbau eine Übertragungsrate auf Gigabit-Niveau haben. Diese Übertragungsrate ist erforderlich, weil sich der Bedarf nach schnellen Übertragungsraten und mehr Bandbreite in den Mobilfunknetzen jedes Jahr vervielfacht.

LTE-AP - LTE Advanced Pro

LTE Advanced Pro ist die Erweiterung zu LTE Advanced auf Basis der LTE-Mobilfunktechnik. Das verantwortliche Normungsgremium 3GPP fasst unter LTE Advanced Pro (LTE-AP) alle Spezifikationen zusammen, die ab dem 3GPP-Release 13 herauskommen.

Übersicht: LTE

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