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Die Kommunikationstechnik-Fibel

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Netzwerktechnik-Fibel

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LTE-Übertragungstechnik

Die LTE-Übertragungstechnik ist für einen Frequenzbereich von 700 bis 2.700 MHz ausgelegt (0,7 bis 2,7 GHz). Die Übertragungskanäle können flexibel zwischen 1,25 und 20 MHz variieren. Dadurch ist eine leichtere Anpassung an die weltweit unterschiedlichen Frequenzbereiche möglich. Damit internationales Roaming möglich ist, müssen die Endgeräte multifrequenzfähig sein.

LTE definiert eine völlig neue Funkschnittstelle. Das Übertragungsverfahren basiert auf OFDM (mit 64QAM) und SC-FDM. Der Zugriff auf die Funkschnittstelle erfolgt im Downlink mit OFDMA und im Uplink mit SC-FDMA. Zusätzlich ist MIMO (Mehrfach-Antennen-System) vorgesehen, das bereits bei HSPA+ und in WLANs nach IEEE 802.11n verwendet wird.

Frequenzbereiche in Deutschland

Frequenzbereiche in Deutschland
In Deutschland kommen für LTE drei Frequenzbänder zum Einsatz. 800, 1800 und 2600 MHz. Ein LTE-Gerät sollte in Deutschland am besten alle drei Frequenzbereiche bedienen können, damit es in allen Netzen und damit mit allen Netzbetreibern funktioniert.
Anders als bei GSM und UMTS gewohnt, muss man beim Kauf von LTE-Geräten (noch) auf die unterstützten Frequenzen achten. Denn nicht alle in Deutschland erhältlichen Geräte können mit den genannten Frequenzbändern umgehen.

Betreiber Frequenzband
0,8 GHz 1,8 GHz 2,0 GHz 2,6 GHz
E-Plus - x x x
O2 x - x x
Telekom x x - x
Vodafone x - x x

Im Frequenzbereich zwischen 790 und 862 MHz (800 MHz) waren ursprünglich analoge UHF-Fernsehkanäle (Rundfunk) untergebracht. Durch die Umstellung des terrestrischen TV-Empfangs auf DVB-T und der damit verbundenen Abschaltung der analogen Fernsehübertragung per Funk, wurde dieser Frequenzbereich frei. Man bezeichnet diesen Frequenzbereich deshalb auch als Digitale Dividende. Nach der Freiwerdung versteigerte der Gesetzgeber den Frequenzbereich um 800 MHz und um 2,6 GHz an die Mobilfunkbetreiber T-Mobile, Vodafone, O2 und E-Plus. Zusätzlich haben alle Netzbetreiber im Frequenzbereich um 1800 MHz Frequenzen aus früheren Zuteilungen zur Verfügung, die für LTE genutzt werden dürfen.

Während die Frequenzen um 2,6 GHz hauptsächlich an stark frequentierten Stellen (Hotspots) in Großstädten genutzt werden, sind die Mobilfunkbetreiber verpflichtet die weißen Flecken des Breitband-Ausbaus (nicht-versorgte Gebiete) mit dem 800 MHz Frequenzbereich zu versorgen. Je nach Bedarf und Nachfrage ist damit zu rechnen, dass dieser Frequenzbereich irgendwann überfüllt ist und auch auf dem Land die Frequenzen um 2,6 GHz zur Anwendungen kommen.
Prinzipiell wird es einen Parallelbetrieb von 800 MHz und 2,6 GHz geben, bei dem die Teilnehmer in der Nähe der Basisstation die Frequenzen um 2,6 GHz nutzen und die weiter entfernten Teilnehmer den Frequenzbereich um 800 MHz. Allerdings hat der höhere Frequenzbereich eine geringere Reichweite. Da der 800-MHz-Frequenzbereich etwas unter dem 900-MHz-GSM-Band liegt, sind die Ausbreitungsbedingungen für die Funksignale ähnlich. Das bedeutet, das 800-MHz-Band bietet von allen drei Frequenzbereichen die größte Reichweite und kommt bei der Netzabdeckung mit weniger Basisstationen aus. Die Distanz zwischen Basisstation und Endgerät darf bei LTE aber nicht mehr als 10 Kilometer betragen.

E-Plus hat keine LTE-Frequenzen bei 800 MHz ersteigert und auch kein LTE-Netz. E-Plus hat nur Frequenzen im 2600-MHz-Band zugewiesen bekommen. Doch dieser Frequenzbereich ist kaum für eine flächendeckende Mobilfunkversorgung geeignet. Dafür hat E-Plus die Möglichkeit seine umfangreichen Frequenzblöcke im 1800-MHz-Band für LTE zu nutzen. Doch auch für eine flächendeckende Versorgung ist dieses Frequenzband weniger geeignet. Weshalb E-Plus auch in Zukunft nur eine lückenhafte LTE-Versorgung bieten kann.

Weltweites Roaming mit LTE

Weltweit gibt über 40 verschiedene Frequenzbänder, die für LTE genutzt werden. Diese scheinbar großzügige Frequenzverfügbarkeit stellt Gerätehersteller vor Probleme. Der Aufwand und die Kosten steigt mit jedem einzelnen Frequenzband, das in einem Mobilfunkgerät unterstützt werden muss. Nach aktuellem Stand der Technik lassen sich nicht alle LTE-Bänder von jedem LTE-Mobilfunkgerät unterstützen, sondern jeweils nur ein paar davon. Das führt dazu, dass die Mobilfunkgeräte der Hersteller, je nach Region auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Da kann es passieren, dass ein LTE-Gerät in einem Land funktioniert und in einem anderen nicht, weil die dortigen Frequenzbänder ganz andere sind und nicht unterstützt werden.

Um das Problem zu lösen, wird das 1800-MHz-Band die Rolle als LTE-Hauptfrequenzband einnehmen. In vielen Ländern ist das 1800-MHz-Band der breiteste für LTE verfügbare Frequenzblock. Das 1800-MHz-Band liegt optimalerweise zwischen niedrigeren Frequenzen, die zur Flächendeckung eingesetzt werden, und höheren Frequenzen, die zur Kapazitätserhöhung eingesetzt werden. Sie passen sehr gut zu einer Infrastruktur in Ballungsgebieten. Da die meisten Reisenden in Ballungsgebieten unterwegs sind, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass weltweites Roaming im 1800-MHz-Band möglich ist. Zumindest entwickelt sich das in diese Richtung.
Zwar ist bei 1800 MHz oft noch GSM in Betrieb. Doch das dürfte zu Gunsten von LTE immer weniger werden. Es ist davon auszugehen, dass mit der Zeit vom GSM-Spektrum immer mehr in Richtung LTE übergeben wird. GSM und LTE stören sich auch gegenseitig kaum, so dass sie sich in benachbarten Frequenzen ohne Schutzabstand betreiben lassen. Das sind optimale Voraussetzungen für einen Wechsel von GSM auf LTE.

Damit weltweites Roaming für LTE möglich wird muss ein LTE-Mobilfunkgerät noch weitere Frequenzen unterstützen. Zu den weiteren Hauptbändern zählen 700 MHz (USA), 800 MHz (Europa), 1700 MHz (USA) und 2600 MHz (Europa, Asien, Mittlerer Osten, Afrika, Lateinamerika). Damit ein LTE-Gerät weltweit eingesetzt werden kann, muss es in Zukunft für LTE in 700, 800, 1800 und 2600 MHz, für UMTS in 850, 900, 1900 und 2100 MHz und für GSM in 850, 900, 1800 und 1900 MHz funken können.

Damit wären aber noch nicht alle Hindernisse überwunden. Die weltweite Nutzung der verschiedenen Frequenzbänder unterscheiden sich noch im Duplex-Verfahren. Damit ist gemeint, wie die Frequenz für die Sende- und Empfangsrichtung genutzt werden. Das eingesetzte Duplex-Verfahren entscheidet darüber, ob die Sende- und Empfangsrichtung in den gleichen oder in unterschiedlichen Funkblöcken zugeordnet sind. Die meisten LTE-Frequenzbänder sind für das FDD-Verfahren spezifiziert, bei dem Sende- und Empfangsrichtung eigene Frequenzbereiche haben. Die übrigen Frequenzbänder sind für den TDD-Betrieb gedacht, bei dem der Frequenzblock für beide Richtungen gilt.
Der Einsatz des Duplex-Verfahrens und das entsprechende Frequenzband führt zu unterschiedlichen Geräten. Das erschwert den Netzbetreiberwechsel und schränkt das Roaming ein. Unter Umständen lässt sich die maximal erreichbare Datenrate nicht in allen Netzen ausschöpfen.

LTE-Übertragungstechnik

Damit mehrere Mobilfunkgeräte gleichzeitig Daten übertragen können arbeitet LTE mit skalierbaren und individuellen Kanälen. Das bedeutet konkret, dass das Frequenzspektrum geteilt und einzelnen Geräten für eine bestimmte Zeit zugewiesen wird.
Für den Downlink wird OFDMA verwendet. OFDMA teilt das zur Verfügung stehende Frequenzband in viele schmale Bänder (Kanäle) auf. Das bedeutet, dass LTE mit unterschiedlich großen Frequenzbändern auskommen. Die Bandbreite wird flexibel genutzt, um das Äußerste an Übertragungsleistung aus den Frequenzen herauszuholen.

Das Frequenzband (10, 15, 20 MHz) wird in Subcarrier zu je 15 kHz aufgeteilt. Jeweils 12 Subcarrier werden zu einem Ressource-Block (RB) zusammengefasst, was die kleinste Einheit dessen ist, was einem LTE-Gerät zugewiesen werden kann. Ein Gerät kann je Richtung einen bis mehrere Ressource-Blöcke belegen. Die Anzahl hängt von der Auslastung der Zelle und der Signalgüte ab. Die Obergrenze ergibt sich aus der Breite des Frequenzblocks, den die Basisstation verwendet. Bei einem 10-MHz-Frequenzblock sind das 50 Ressource-Blöcke. Bei 20 MHz sind es 100.

Zeitlich ist die Übertragung eines Blocks auf 10 ms festgelegt (Frame). Das sind 10 Blöcke pro Sekunde. Jeder Frame besteht wiederum aus 10 Subframes. Pro Subframe lässt sich ein Transport-Block übertragen. Je nach Signalgüte ist dieser unterschiedlich groß. Die Größe des Transport-Blocks hängt im wesentlichen von der Signalgüte ab. Die Signalgüte bestimmt, welche Modulation verwendet wird, wie das Verhältnis zwischen Nutzdaten und Fehlerkorrektur (Code-Rate) ist und wie viele Ressource-Blöcke verwendet werden. Dabei hängen diese drei Parameter direkt miteinander zusammen.

Spezielle Algorithmen wählen die geeigneten Kanäle aus und berücksichtigen dabei die Einflüsse aus der Umgebung. Dabei werden nur die Träger zur Übertragung genutzt, die für den Nutzer am günstigsten sind.
Für den Uplink wird SC-FDMA verwendet (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Das ist ein Einträgerzugriffsverfahren und OFDMA sehr ähnlich. SC-FDMA weist geringer Leistungsschwankungen auf und macht einfacher Leistungsverstärker möglich. Das schont vor allem den Akku mobiler Geräte.

LTE arbeitet auch mit räumlich separierte Datenströmen. Die LTE-Spezifikation sieht 4 Antennen in der Basisstation und 2 Antennen in den Endgeräten vor. Das Sendesignal wird zur Übertragung an mehrere Sendeantennen weitergeleitet. Die Empfangssignale werden von zwei Antennen empfangen (MIMO). Aus beiden Signalen wird dann ein besseres Signal herausgerechnet. Damit erreicht man einen besseren Datendurchsatz, weil beide Sende- und Empfangspfade nicht den gleichen Störungen (Verluste und Interferenzen) unterliegen. Dieses Verfahren ist in abgewandelter Form auch in WLANs nach IEEE 802.11n spezifiziert. Zusätzlich verwendet LTE, wie HSPA auch, das gleiche Shared-Channel-Prinzip, sowie HARQ und AMC.

Übertragungsgeschwindigkeit berechnen

Geht man bei einem 10-MHz-Frequenzblock von 50 Ressource-Blöcke aus, dann beträgt die maximale Transportblockgröße 36.696 Bit. Um die Datenrate pro Sekunde zu berechnen multipliziert man das mit 1.000 Subframes pro Sekunde (10 ms x 10 x 10 Subframes = 1000 Subframes pro Sekunde).

Zusätzlich werden per Mehrantennentechnik (MIMO) auf der gleichen Frequenz unterschiedliche Signale gesendet. Bei je zwei Antennen pro Basisstation und Mobilfunkgerät ergibt das eine Verdoppelung.

Die maximale Datenrate einer LTE-Zelle bei 10 MHz pro Sekunde ergibt demnach 73,392 MBit/s. Aber, damit die Nutzdaten erfolgreich übertragen werden können, muss zusätzlich eine Fehlerkorrektur vorgenommen werden, die von der Signalgüte abhängt. Je schlechter die Signalgüte, desto höher der Fehlerkorrekturcodeanteil in der Übertragung. Ohne Fehlerkorrektur würde die Code-Rate 1 betragen. Aber ohne Fehlerkorrektur geht es in der Praxis nicht. Der niedrigste Code-Rate beträgt 0,93. Je schlechter die Signalgüte, desto mehr sinkt auch die Code-Rate.
Zusätzlich wird mit schlechterer Signalgüte auf robustere Modulationsverfahren umgeschaltet, die pro übertragenes Symbol weniger Bit umfassen. Je weiter ein Teilnehmer von der Basisstation entfernt ist, desto schlechter fällt die Signalgüte aus und desto eher werden langsamere Modulationsverfahren eingesetzt und desto niedriger ist die Code-Rate.
Zusätzlich benötigt das Netz einen Teil der Kapazität für die Signalisierung und Protokoll-Header. Geht man von einer sehr guten Verbindung in direkter Nähe zur Basisstation aus, dann erreicht man auf einem 10-MHz-Kanal eine Nettodatenrate von maximal 50 MBit/s pro Zelle. Diese Datenrate müssen sich alle Teilnehmer in der Zelle teilen.

Sprachverbindungen über LTE / VoLTE - Voice over LTE

Telefonieren über das LTE-Mobilfunknetz ist nicht möglich, weil kein Sprachprotokoll vorhanden ist. LTE ist vollständig auf die Übertragung von Daten ausgerichtet. Die Entwickler haben Notebooks, Netbooks, eBooks, Digitalkameras und Videokameras als primäre Endgeräte im Sinn. Auch die M2M-Kommunikation in der Automobil- und Transportindustrie steht im Fokus. Das bedeutet, LTE ist ein reines mobiles Datennetz.
Doch die Netzbetreiber wollen auf Sprachverbindungen nicht verzichten. Aber erst später soll eine Migration der Sprachübertragung per Voice over IP (VoIP) erfolgen. Dazu benutzen die Netzbetreiber einen Softswitch und IMS (IP Multimedia Subsystem) im Kernnetz. Probleme bereitet insbesondere die nahtlose Übergabe von Gesprächen zwischen LTE-, GSM- und UMTS-Netzen. Ein Ausweg ist Voice over LTE via Genric Access (VoLGA).

Bei Smartphones mit LTE gilt, wenn ein Anruf eingeht, dann schaltet es auf UMTS oder sogar GSM zurück, selbst wenn man den Anruf nicht annimmt. Der Grund, Telefonieren geht über LTE noch nicht. Durch den vorübergehenden Downgrade von LTE auf UMTS wird die Datenverbindung zwar langsamer, bricht aber nicht ab. Downloads werden nahtlos fortgeführt (die IP-Adresse bleibt gleich). Nach dem Telefonat wechselt das Smartphone automatisch wieder ins LTE-Netz.

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