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. Das heißt, sie müssen mehrere Frequenzbereiche unterstützen.
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
In Deutschland kommen für LTE hauptsächlich drei Frequenzbänder zum Einsatz. 800, 1.800 und 2.600 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.
- Band 20: 800 MHz, Grundversorgung mit hoher Reichweite, Durchdringung von Gebäuden und Abdeckung großer Gebiete (Land).
- Band 3: 1.800 MHz, Unterstützung der Grundversorgung durch LTE-Hotspots (Stadt).
- Band 7: 2.600 MHz, Unterstützung der Grundversorgung durch LTE-Hotspots (Stadt).
Vielerorts wird der Frequenzbereich um 1.800 MHz noch für GSM verwendet. Da es immer weniger reine GSM-Mobilfunkgeräte gibt, geht der Bedarf für diese Technik langsam zurück. Der Platz im Frequenzspektrum könnte über Spectrum Refarming an LTE vergeben werden.
- Band 28: 700 MHz, Ergänzung der Grundversorgung in ländlichen Gebieten (zukünftig)
- Band 22: 3.500 MHz, Unterstützung der Grundversorgung durch Hotspots.
Im Bereich von 700, 1.500 und 3.500 MHz existieren noch Reserven. Zusätzlich existiert im 5-GHz-Band mehrere Hundert MHz unlizenziertes Spektrum, dass sich mit LAA-LTE bündeln lässt.
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/DVB-T2 und der damit verbundenen Abschaltung der analogen Fernsehübertragung per Funk, wurde dieser Frequenzbereich frei. Man bezeichnet diesen Frequenzbereich deshalb auch als Digitale Dividende.
Zusätzlich haben alle Netzbetreiber im Frequenzbereich um 1.800 MHz Frequenzen zur Verfügung, die für LTE genutzt werden dürfen.
Während die Frequenzen um 2.600 MHz 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 2.600 MHz zur Anwendungen kommen.
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.
Weltweites Roaming mit LTE
| Band | Bereich | Uplink | Downlink | Bandbreite (MHz) | Betrieb | Region |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2.100 MHz | 2.110 - 2.170 MHz | 1.920 - 1.980 MHz | 5, 10, 15, 20 | FDD | Europa, Asien |
| 2 | 1.900 MHz | 1.850 - 1.910 MHz | 1.930 - 1.990 MHz | 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 | FDD | Asien, USA |
| 3 | 1.800 MHz | 1.710 - 1.785 MHz | 1.805 - 1.880 MHz | 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 | FDD | DE, Europa, Asien, USA |
| 4 | 1.700 MHz | 1.710 - 1.755 MHz | 2.110 - 2.155 MHz | 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 | FDD | USA |
| 5 | 850 MHz | 824 - 849 MHz | 869 - 894 MHz | 1.4, 3, 5, 10 | FDD | USA, Israel |
| 7 | 2.600 MHz | 2.500 - 2.570 MHz | 2.620 - 2.690 MHz | 5, 10, 15, 20 | FDD | DE, Europa, Asien, Kanada |
| 8 | 900 MHz | 880 - 915 MHz | 925 - 960 MHz | 1.4, 3, 5, 10 | FDD | Europa, Japan |
| 12 | 700 MHz | 699 - 716 MHz | 729 - 746 MHz | 1.4, 3, 5, 10 | FDD | USA |
| 13 | 700 MHz | 777 - 787 MHz | 746 - 756 MHz | 5, 10 | FDD | USA |
| 14 | 700 MHz | 788 - 798 MHz | 758 - 768 MHz | 5, 10 | FDD | USA |
| 17 | 700 MHz | 788 - 798 MHz | 734 - 746 MHz | 5, 10 | FDD | USA |
| 19 | 850 MHz | 830 - 845 MHz | 875 - 890 MHz | 5, 10, 15 | FDD | Japan |
| 20 | 800 MHz | 832 - 862 MHz | 791 - 821 MHz | 5, 10, 15, 20 | FDD | DE, Europa |
| 22 | 3.500 MHz | 3.410 - 3.490 MHz | 3.510 - 3.590 MHz | 5, 10, 15, 20 | FDD | noch nicht im Einsatz |
| 25 | 1.900 MHz | 1.850 - 1.915 MHz | 1.930 - 1.995 MHz | 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 | FDD | USA |
| 26 | 850 MHz | 814 - 849 MHz | 859 - 894 MHz | 1.4, 3, 5, 10, 15 | FDD | USA |
| 28 | 700 MHz | 5, 10 | FDD | DE |
Weltweit gibt es über 40 verschiedene Frequenzbänder, die für LTE genutzt werden. Diese scheinbar großzügige Frequenzverfügbarkeit stellt Gerätehersteller vor Probleme. Der Aufwand und die Kosten steigen 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.
Anders als bei GSM und UMTS gewohnt, muss man beim Kauf von LTE-Geräten, die man auch im Ausland nutzen möchte, (noch) auf die unterstützten Frequenzen achten.
Das 1.800-MHz-Band gilt als LTE-Hauptfrequenzband. In vielen Ländern ist das 1.800-MHz-Band der breiteste für LTE verfügbare Frequenzblock. Das 1.800-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 1.800-MHz-Band möglich ist.
Damit weltweites Roaming für LTE möglich ist muss ein LTE-Mobilfunkgerät noch weitere Frequenzen unterstützen. Zu den weiteren Hauptbändern zählen 700 MHz (USA), 800 MHz (Europa), 1.700 MHz (USA) und 2.600 MHz (Europa, Asien, Mittlerer Osten, Afrika, Lateinamerika). Damit ein LTE-Gerät weltweit eingesetzt werden kann, muss es in Zukunft für LTE in 700, 800, 1.800 und 2.600 MHz, für UMTS in 850, 900, 1.900 und 2.100 MHz und für GSM in 850, 900, 1.800 und 1.900 MHz funken können.
Welche Frequenzbänder ein LTE-Gerät beherrscht hängt von der Ausstattung und sicherlich auch vom Preis ab. Aktuelle Mittelklasse-Geräte dürften so um die 10 Frequenzbänder beherrschen. Es gibt im High-End-Bereich auch Geräte, die 22 oder 23 Frequenzbänder beherrschen.
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 Frequenzblöcken 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 hat in der Praxis Konsequenzen. Das erschwert den Netzbetreiberwechsel und schränkt das Roaming ein. Unter Umständen lässt sich die maximal erreichbare Datenrate wegen dem Duplexverfahren nicht in allen Netzen ausschöpfen.
CA - Carrier Aggregation (Frequenzträgerbündelung)
Jede neue Mobilfunktechnik muss möglichst viele Carrier (Frequenzbereiche) zusammenzuschalten können. 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.
Um den Energieverbrauch und die Komplexität der Geräte gering zu halten, ist ein primärer Frequenzträger definiert, 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 kann sich auch in einem lizenzfreien Frequenzbereich befinden (z. B. 5 GHz).
Damit die Frequenzträgerbündelung im Release 10 zu Release 8 und 9 abwärtskompatibel ist, ist die maximale Bandbreite eines einzelnen Frequenzträgers auf maximal 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.
In der Praxis ist es so, dass nicht nur der Netzbetreiber die Frequenzbereiche zusammenschalten muss, sondern auch die Endgeräte. Für LTE-A werden Geräte ab Categorie 6 benötigt. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass der gewählte Tarif LTE-A ermöglicht, was man an der Statusleiste im Display eines Smartphones erkennen sollte. Aber, nur weil ein Gerät die Frequenzbereiche grundsätzlich unterstützt, heißt das nicht, dass dieses Gerät diese Frequenzbänder über Carrier Aggregation zusammenschalten kann.
MIMO - Multiple Input Multiple Output (Mehrantennentechnik)
Eine weitere Maßnahme ist die Mehrantennentechnik MIMO. Es handelt sich dabei um einen räumlichen Vielfachzugriff, bei dem mehrere Signale räumlich getrennt gleichzeitig gesendet werden. Den Empfänger erreichen verschiedene Signale, 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. Dadurch wird die Übertragungsrate deutlich erhöht. LTE Advanced nutzt MIMO auch im Uplink. Also vom Teilnehmer zur Basisstation.
Ob die Mehrantennentechnik in ein Smartphone eingebaut wird, hängt von der Miniaturisierung und der Verbesserung der Akkutechnik ab. In stationären Geräten, wie Routern, dürfte eine 4x4-MIMO-Sende- und Empfangseinheit einfacher umzusetzen und einzubauen sein, als in einem Smartphone. 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.
Die MIMO-Technik bringt in der Regel nur der Basisstation etwas. Nur dort ist genug Platz und die notwendige Energieversorgung vorhanden. In Smartphones finden meist nur 2x2 Sende-Empfangs-Einheiten mit Antennen Platz. Mehr geht allein schon deshalb nicht, weil der Akku-Betrieb nicht mehr zulässt. Nur in stationären Mobilfunk-Routern verfügen über genug Strom und Platz für mehr Antennen und deren Elektronik.
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 = 1.000 Subframes pro Sekunde).
- 36.696 Bit x 1.000 Subframes/s = ca. 37 MBit/s
Zusätzlich werden per Mehrantennentechnik (MIMO) auf der gleichen Frequenz unterschiedliche Signale gesendet. Bei je zwei Antennen pro Basisstation und Mobilfunkgerät ergibt das eine Verdoppelung.
- 36.696 Bit x 1.000 Subframes/s x 2 MIMO = 73,392 MBit/s
Die maximale Datenrate einer LTE-Zelle bei 10 MHz pro Sekunde ergibt demnach 73,392 MBit/s (oft als 75 MBit/s gerundet). 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 Datenrate von maximal 50 MBit/s pro Zelle. Diese Datenrate müssen sich alle Teilnehmer in der Zelle teilen.
Übersicht: LTE
- LTE - Long Term Evolution
- LTE Advanced (LTE-A)
- LTE Advanced Pro (LTE-AP)
- LTE-Netzarchitektur
- VoLTE - Voice over LTE
- LTE-U - LTE Unlicensed
- LTE-LAA - LTE License Assisted Access
- LTE C-V2X - Cellular Vehicle-to-Everything
- LTE-Cat-NB1 - NarrowBand-IoT (NB-IoT)
- LTE-Cat-M1 - Long-Term Evolution for Machines (LTE-M)
Weitere verwandte Themen:
- QAM - Quadratur-Amplituden-Modulation
- UMTS-Übertragungstechnik
- GSM-Übertragungstechnik
- Grundlagen Mobilfunk
- Datenübertragung im Mobilfunk
IoT mit dem Raspberry Pi Pico mit LoRa, LoRaWAN und The Things Network (TTN)
- Raspberry Pi Pico: Daten an das TTN-LoRaWAN mit LoRa-Modul RAK3272S senden
- Raspberry Pi Pico: Daten an das TTN-LoRaWAN mit LoRa-Modul RAK4200 senden
Elektronik-Set LoRa Edition
Leichter Einstieg in LoRa mit The Things Network (TTN)
Mit dem Elektronik-Set LoRa Edition kannst Du Dein eigenes IoT-Endgerät bauen und mit Deinem eigenen LoRaWAN oder dem LoRaWAN von The Things Network (TTN) verbinden. Als Basis dient das LoRa-Modul RAK3272S Breakout Board von RAK Wireless. Wahlweise kannst Du das LoRa-Modul mit einen Mikrocontroller oder einem PC steuern.
Frag Elektronik-Kompendium.de
Kommunikationstechnik-Fibel
Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.
Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.
Artikel-Sammlungen zum Thema Kommunikationstechnik
Kommunikationstechnik-Fibel
Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.
Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.