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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 wird als natürlicher Entwicklungsschritt nach UMTS gesehen.

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.

Übersicht: LTE

LTE LTE-Advanced
Verfügbarkeit in DE Ende 2010 Sommer 2014
Max. Downlink (theoretisch) 300 MBit/s 1.000 MBit/s
Max. Uplink (theoretisch) 75 MBit/s 500 MBit/s
Max. Downlink (in DE) 150 MBit/s 300 MBit/s
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

Gründe für LTE und warum LTE im Gegensatz zu UMTS kein technischer Flop wird

Die Einführung innovativer und benutzerfreundlicher Mobiltelefone, wie z. B. das iPhone oder der Android-Smartphones, haben gezeigt, dass dadurch die Nutzung des mobilen Internets stark ansteigt. Aufgrund der Steigerungsrate der mobilen Datenübertragung ist klar, dass die Kapazitätsgrenzen der UMTS/HSPA-Netze seit 2012 erreicht sind. Die Erweiterung der Netzkapazität ist dann nur noch durch Zellteilung möglich. Dabei wird eine Zelle mit einer Basisstation in zwei Basisstationen aufgeteilt, was die Anzahl der Basisstationen erhöht und deshalb sehr kostspielig ist.
Eine Alternative ist, die existierenden Netz mit einer Mobilfunktechnik aufzurüsten, die die Netzkapazität deutlich erhöht. LTE ist diese Mobilfunktechnik. LTE erhöht die Kapazität gegenüber HSPA um Faktor 3,5 (im gleichen Frequenzspektrum) und gegenüber HSPA+ um den Faktor 2,5 (im gleichen Frequenzspektrum). Da die Kosten für eine neue Basisstation um das zehnfache einer Aufrüstung durch LTE übersteigt, ist LTE für die Netzbetreiber um einiges attraktiver.
Eine neue Technik ist auch aus anderen Gründen notwendig. Tests mit Mobilfunknutzern haben gezeigt, dass die Reaktionszeit des UMTS-Netzes mit 60 ms als "langsam" empfunden wird. LTE mit 10 ms Reaktionszeit reduziert das Warten auf Daten, so dass es für die iPhone-Generation akzeptabel ist. Denn was für den Mobiltelefonierer die Sprachqualität ist, das ist für den mobilen Internet-Surfer die Reaktionszeit auf Datenanforderungen. Zum Beispiel der Abruf von E-Mails oder Webseiten.
Im Gegensatz zu UMTS besteht für LTE keine Gefahr ein technischer Flop zu werden. Bei LTE sitzen die Mobilfunknetzbetreiber mit im Standardisierungsgremium. Schon frühzeitig wurden Tests mit der neuen Technik gemacht, insbesondere um die Zeitdifferenz zwischen Netzaufrüstung und der Verfügbarkeit von Endgeräten zu reduzieren.

Übertragungsrate in der LTE-Spezifikation

Die Geschwindigkeitsangaben beziehen sich auf das theoretische Maximum.

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
LTE Release 9 326,4 MBit/s 86,4 MBit/s 16QAM, 4x4 MIMO, 20 MHz MBMS 2009
LTE Release 10 1 GBit/s 500 MBit/s 16QAM, 8x8 MIMO, 100 MHz LTE-Advanced 2011

Übertragungsrate

LTE steht vor allem für hohe Übertragungsraten und kurze Reaktionszeiten. Beides sind die Hauptkritikpunkte an GSM, UMTS und auch an HSPA. Prinzipbedingt sind alle Mobilfunktechniken langsamer und träger, als Übertragungstechniken für Leitungen und Kabel. Viele Anwendungen und in vielen Situationen ist man deshalb immer noch auf kabelgebundene Übertragungstechniken angewiesen. Mit LTE kommt man erstmals in die Nähe, was mit DSL oder TV-Kabel schon lange möglich ist.
Die Steigerung der Übertragungsrate wird bei LTE durch bessere Modulationsverfahren, flexiblere Frequenznutzung und größere Kanalbandbreiten erreicht.

LTE erreicht laut Spezifikation pro 20-MHz-Band rechnerisch und abzüglich des Overheads eine Übertragungsrate von über 300 MBit/s im Downlink und 75 MBit/s im Uplink. Durch die Kombination der 800-MHz-, 1,8-GHz- und 2,6-GHz-Frequenzbänder könnte irgendwann eine Gesamtkanalbreite von bis zu 100 MHz entstehen, in der mit zusätzlichen übertragungstechnischen Maßnahmen eine Übertragungsrate von über 1 GBit/s möglich ist.
Zu einer beeindruckenden Übertragungsrate von über 1 GBit/s kommt man, indem man mehrere 20-MHz-Kanäle gleichzeitig nutzt (Multi-Carrier-Technik) und ein 4x4-MIMO-System (Multiple Input Multiple Output) einsetzt. Diese Techniken werden in LTE Advanced eingesetzt.

In der Praxis sind jedoch nur wenige Netzbetreiber in der Lage mehrere Kanäle zu bündeln. Die Mobilfunknetzbetreiber verfügen im 800-MHz-Band nur über 10-MHz-Blöcke (jeweils für Up- und Downlink) und erreichen damit höchstens 150 MBit/s im Downlink. In Deutschland existieren keine Frequenzbereiche mit 20 MHz oder mehr. Die nutzbaren Frequenzbereiche sind ein knappes Gut und auf mehrere Netzbetreiber verteilt.

Die Realität sieht so aus, dass die Netzbetreiber pro Sektor einer Basisstation rund 50 bis 75 MBit/s bereitstellen (Stand 2011). Später ist bis zu 100 MBit/s im Downlink und bis zu 50 MBit/s im Uplink geplant. In der Praxis liegt die Übertragungsrate weit darunter.
Die Übertragungsgeschwindigkeit von LTE ist im wesentlichen vom Frequenzbereich, der Kanalbreite, dem Abstand zur Basisstation und der Teilnehmeranzahl innerhalb der Mobilfunkzelle abhängig. Geht man von der Gesamtbandbreite aus, dann erreicht man im LTE-Netz der Deutschen Telekom im Frequenzbereich von 1.800 MHz eine Bandbreite von bis zu 100 MBit/s während bei 800 MHz nur 50 MBit/s möglich sind.
Je mehr Nutzer die Bandbreite gleichzeitig nutzen, desto geringer fällt die Übertragungsrate pro Teilnehmer aus. Es ist davon auszugehen, dass mehr als 2 bis 3 MBit/s pro Teilnehmer unter normalen Bedingungen kaum möglich ist.

Angestrebt wird eine Latenzzeit von unter 10 ms. In der Praxis ist von einer Latenzzeit unter 30 ms die Rede. Damit verhält sich ein LTE-Anschluss in etwa wie ein DSL-Anschluss. Die verfügbare Bandbreite und die Antwortzeiten sind ähnlich.
Eine kurze Latenzzeit ist eine notwendige Voraussetzung für die Virtualisierung mobiler Anwendungen. Das bedeutet, mobile Endgeräte laden und speichern ihre Daten im Netz.

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) Frequenzen Modulation Downlink Modulation Uplink
LTE
(Release 8)
0 1,0 MBit/s 1,0 MBit/s 1      
1 10,3 MBit/s 5,2 MBit/s 1      
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
LTE-A
(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      

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 Teilnehmerseite für eine Übertragungsrate von bis zu 150 MBit/s Geräte der LTE-Kategorie 4 erforderlich (LTE Cat4). Selbst wenn der Netzbetreiber durch Trägerbündelung mehr als 20 MHz zur Verfügung hat, dann erreichen Cat4-Geräte diese Übertragungsrate nicht. Für Kanalbreiten über 20 MHz bedarf es Geräte der LTE-Kategorie 6. Diese Geräte können dann auch bis zu 300 MBit/s empfangen.

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-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, 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 in Deutschland

LTE ist vollständig auf die Übertragung von Daten ausgerichtet. Deshalb gibt es für LTE spezielle Datentarife. Zur Einführung werden Sprachdienste keine Rolle spielen. Dafür sind GSM und UMTS technisch voll ausreichend. Erst später soll eine Migration der Sprachübertragung mit VoIP erfolgen.

Während GSM und UMTS zuerst in Ballungsräumen zum Einsatz kamen und nach und nach die Netzabdeckung auch auf dem geringer besiedelten Land ausgeweitet wurde, startet LTE in Deutschland in ländlichen Gebieten mit Ortschaften unter 5.000 Einwohnern. Es handelt sich dabei um eine Vorgabe der Bundesnetzagentur, die bereits bei der Versteigerung der LTE-Frequenzen festgelegt war. Damit erhofft sich die Politik vom LTE-Netzausbau eine schnelle Versorgung der Breitband-unterversorgten Gebiete.

Mobile LTE-Nutzung in der Praxis

Unabhängig von allen Einschränkungen ist LTE auf alle Fälle rasend schnell. Bei einer guten Verbindung liegen die Werte nahe dem theoretischen Maximum bei 50 oder 70 MBit/s. Auch bei schlechter Verbindung (1 bis 2 Balken) sind immer noch Werte zwischen 7 und 20 MBit/s möglich. Mehr ist zu Hause per WLAN mit IEEE 802.11n auch nicht drin.
Diese Werte sind aber nur dann erreichbar, wenn nur wenige Nutzer zur gleichen Zeit in der selben Funkzelle Daten übertragen. In stark frequentierten Regionen liegt die erreichbare Bandbreite zwischen 1 bis 3 MBit/s pro Nutzer. Vielleicht sogar darunter. Latenzzeiten von 40 bis 50 ms dürften normal sein. Bei vielen Nutzern geht es eher in die Richtung 100 bis 130 ms. Dabei kann es sogar sein, dass LTE langsamer ist als HSPA.

Die maximal mögliche Datenrate von LTE ist für die meisten mobilen Anwendungen nicht nötig. Viel wichtiger als die Übertragungsgeschwindigkeit ist eine konstant schnelle Anbindung. Denn bricht die Datenrate während einer Übertragung zu sehr ein oder sogar die Verbindung ab, dann macht die Anwendung keinen Spaß. Genau hier kann LTE im Gegensatz zu UMTS/HSPA mit größeren Reserven punkten, um störungsfrei Daten zu übertragen. Auch sind die Latenzen bei LTE geringer als bei UMTS (HSPA), wodurch die Verzögerungen beim Verbindungsaufbau geringer ausfallen. Insgesamt fühlen sich Verbindungen mit LTE flüssiger an, als mit UMTS und HSPA.

Übersicht: LTE

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