LTE Advanced (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. Allerdings kann man davon ausgehen, das die theoretische Übertragungsrate in der Praxis kaum erreichbar ist. In der Praxis muss man Abstriche durch Funkstörungen und suboptimale Position zur Basisstation hinnehmen. Außerdem müssen sich alle Teilnehmer in einer Funkzelle die maximale Datenrate teilen.
Immerhin wurden Stand 2015 in Feldversuchen brutto bis zu 600 MBit/s in einer Funkzelle im Downlink erreicht. Diese Übertragungsrate ist erforderlich, weil sich der Bedarf nach schnellen Übertragungsraten und mehr Bandbreite in den Mobilfunknetzen jedes Jahr vervielfacht.

Die Übertragungstechnik hinter LTE Advanced sieht die Trägerbündelung und einen umfassenderen Einsatz der Mehrantennen-Technik MIMO vor. Gegenüber LTE, das bis zu 150 MBit/s erreicht, resultiert der Zugewinn bei LTE-A in allen Fällen aus einer Kombination aus Trägerbündelung und Mehrantennentechnik.

  • 3,9 GBit/s im Downlink und 1,5 GBit/s im Uplink
  • Frequenzbereich von 100 MHz durch Trägerkopplung
  • MIMO mit je acht Sende- und Empfangsantennen

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 3,0 GBit/s 1,5 GBit/s 16QAM, 8x8 MIMO, 100 MHz LTE Advanced (LTE-A) 2011
LTE Release 12 3,9 GBit/s 1,5 GBit/s   LTE Advanced (LTE-A)  
LTE Release 13       LTE Advanced Pro (LTE-AP)  

CA - Carrier Aggregation / Frequenzträgerbündelung

Frequenzträgerbündelung
Bei LTE-A wird die höhere Bandbreite dadurch erreicht, indem eine Basisstation die Daten auf mehr als einem Frequenzband zum Teilnehmer schickt. Dabei werden Träger gebündelt (Carrier Aggregation).

LTE Advanced (Release 10) ermöglicht eine spektrale Bandbreite von bis zu 100 MHz und eine spektrale Effizienz von 30 Bit/s/Hz im Downlink und 15 Bit/s/Hz im Uplink.
Damit das Release 10 (LTE-A) zu Release 8 und 9 (LTE) abwärtskompatibel ist, ist die maximale Bandbreite eines einzelnen Frequenzträgers auf 20 MHz begrenzt. Doch lassen sich bis zu 5 dieser 20-MHz-Kanäle bündeln und so ein Frequenzbereich von bis zu 100 MHz erreichen. Allerdings nur im Downlink, nicht im Uplink.
Die Frequenzträgerbündelung funktioniert auch dann, wenn die Kanäle in verschiedenen Frequenzbändern liegen. Typischerweise liegen die Frequenzbänder bei 800, 2.000 und 2.600 MHz. Bei einem Träger von 10 MHz im 800-MHz- und einem 20 MHz breiten Träger im 2.600-MHz-Band wäre ein Frequenzbereich von 30 MHz möglich. Die Datenströme können flexibel auf die einzelnen Frequenzbänder verteilt werden.
Für LTE-A werden Geräte der Categorie 6 benötigt. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass der gewählte Tarif LTE-A ermöglicht, was man an der Statusleiste im Display eines Smartphones erkennen sollte.

Für Carrier Aggregation definiert LTE Advanced, um den Energieverbrauch und die Komplexität gering zu halten, einen primären Frequenzträger, den jedes Endgerät nutzt. Sollte während einer Verbindung der Bedarf für höhere Übertragungsraten zunehmen, dann werden die sekundären Frequenzträger innerhalb weniger Millisekunden dazugeschaltet. Ein solcher sekundärer Frequenzträger könnte sich auch in einem lizenzfreien Frequenzbereich befinden.

Mehrantennentechnik (MIMO)

Eine weitere Maßnahmen, um die Übertragungsrate zu steigern, ist die Mehrantennentechnik. Dazu gehört Beamforming. Dabei wird das Funksignal in Richtung des empfangenden Endgeräts gebündelt.
Eine Alternative ist Antennen-Diversität, bei der der Sender jedes modulierte Symbol doppelt überträgt. Den Empfänger erreichen verschiedene Versionen, aus dem er durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitung das Optimum herausholt. Auf diese Weise erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass auch bei ungünstigen Empfangsbedingungen ein brauchbares Signal beim Empfänger ankommt.

Eine weitere Maßnahme ist die Mehrantennentechnik MIMO. Es handelt sich dabei um einen räumlichen Vielfachzugriff, bei dem mehrere räumlich getrennte Signale gleichzeitig gesendet werden. Dadurch wird die Übertragungsrate deutlich erhöht. LTE Advanced nutzt MIMO auch im Uplink. Also vom Teilnehmer zur Basisstation.

Allerdings ist es nicht so einfach mehrere Sendemodule inkl. Antennen in Endgerät zu integrieren. Neben dem erhöhten Platzbedarf führt die zusätzliche Elektronik zu einer höheren Leistungsaufnahme, so dass nur stationäre Endgeräte mit einer eigenen Stromversorgung oder Endgeräte mit einer hohen Akkuleistung in Frage kommen.

Ob die Mehrantennentechnik in ein Smartphone eingebaut wird, hängt also von der weiteren Miniaturisierung und der Verbesserung der Akkutechnik ab. In stationären LTE-A-Geräten, wie Routern, dürfte eine 4x4-MIMO-Sende- und Empfangseinheit einfacher umzusetzen und einzubauen sein.

LTE-Relay-Basisstation (Relay Node)

LTE-Relay-Basisstation (Relay Node)
Mit LTE Advanced werden netzseitig Relay-Stationen (RelayNode) eingerichtet, die das Mobilfunksignal empfangen, dekodieren, aufbereiten und weiter übertragen. So lassen sich die Reichweiten der Basisstationen (eNodeB) erhöhen und die Netzabdeckung verbessern. Dadurch sind insbesondere an den Zellenrändern schnellere Verbindungen möglich. Zwar nehmen die Signallaufzeiten etwas zu, doch dem steht eine deutlich bessere Funkverbindung gegenüber. Die Relay-Stationen funktionieren sowohl in Downlink-, als auch in Uplink-Richtung. Für das Endgerät ist das Relay vollkommen unsichtbar.

Bei einer Relay-Basisstation handelt es sich um eine vollständige LTE-Basisstation, die über eine andere LTE-Basisstation mit dem LTE-Kernnetz verbunden ist. Mit dem Betrieb einer Relay-Basisstation erhöht sich jedoch nicht die Netzkapazität, sondern es wird ein Teil der Kapazität abgezweigt. Mit der Relay-Basisstation wird also lediglich die Kapazität einer LTE-Zelle gleichmäßiger über den Abdeckungsbereich verteilt und somit insgesamt der Empfang verbessert.

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