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.

LTE - Long Term Evolution

Durch die Weiterentwicklung der Mobilfunktechnik ergeben sich Vorteile gegenüber UMTS. Dazu zählen eine bessere Netzabdeckung, weniger Stromverbrauch und schnelles mobiles Internet. Mit LTE entwickelt sich der Mobilfunk zunehmend zu einer Alternative zur Überbrückung der letzten Meile und damit als Alternative zur Kabelmodemtechnik und DSL.

Innerhalb der Mobilfunknetze gibt es einen nahtlosen Übergang von GSM, UMTS und LTE. Durch die weite Verbreitung entsprechender Endgeräte müssen alle Techniken mehrere Jahre koexistieren.

4. Mobilfunkgeneration (4G)

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

3GPP-Release mit LTE-Mobilfunktechnik

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

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-
Release		 Kategorie max. Downlink max. Uplink

CA
Downlink

(max.)

 MIMO
Downlink
(max.)		 Modulation
Downlink (max.)
12/13 0 1,0 MBit/s 1,0 MBit/s 1 - 256QAM
8 1 10 MBit/s 5 MBit/s   - 64QAM
2 50 MBit/s 25 MBit/s   2x2 64QAM
3 100 MBit/s 50 MBit/s   2x2 64QAM
4 150 MBit/s 50 MBit/s 1 2x2 64QAM
5 300 MBit/s 75 MBit/s   4x4 64QAM
10 6 300 MBit/s 50 MBit/s 2 4x4 64QAM
7 300 MBit/s 100 MBit/s   4x4 64QAM
8 3.000 MBit/s 1.500 MBit/s   8x8  
9 450 MBit/s 50 MBit/s 3 4x4 64QAM
10 450 MBit/s 100 MBit/s   4x4  
11 600 MBit/s 50 MBit/s   4x4  
12 600 MBit/s - 3 4x4 256QAM
13 - 150 MBit/s      
14 14 3.900 MBit/s 1.500 MBit/s   8x8 256QAM
15 750 MBit/s 225 MBit/s 5 4x4 256QAM
16 1.000 MBit/s - 5 4x4 256QAM
17     32    
18 1.175 MBit/s - 5 8x8 256QAM
19 6.000 MBit/s - 8   256QAM
20 2.000 MBit/s - 7   256QAM

* Die typischen Gerätekategorien und Datenraten sind grau unterlegt.

Damit ein Gerät mit der entsprechenden Kategorie die angegebene Geschwindigkeit erreichen kann, muss das Netz diese Geschwindigkeit 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 dafür 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.

Übertragungsrate in der Praxis (Netzseite)

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

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

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 Frequenzbereiche für fünf Träger haben. Außerdem mangelt es in Smartphones an Platz, Energie und Rechenleistung, um für MIMO entsprechende 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.

Internet der Dinge / Internet of Things (IoT)

Das LTE-Mobilfunknetz ist für die typischen Anforderungen des Internets der Dinge nicht geeignet. Die Einschränkungen ergeben sich aus der Komplexität der Mobilfunkmodems, dem hohen Stromverbrauch und der geringen Reichweite und Netzabdeckung.
Denkbar wäre die Nutzung niederer Gerätekategorien, wie zum Beispiel Cat. 1 oder sogar Cat. 0. Doch das löst die netzseitigen Einschränkungen nicht auf.

Die Standardisierungsorganisation 3GPP hat LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 genau auf IoT-Anwendungen zugeschnitten. Beide Spezifikationen reduzieren die Komplexität des Funkmoduls. So sind Antenne und Transceiver einfach gehalten und somit kostengünstig herzustellen. Sie kommen mit wenig Strom aus (unter 15 µA im Idle-Mode) und erzielen hohe Reichweiten (10 bis 15 km). Beides ist möglich, weil die maximale Datenrate empfangs- und sendeseitig begrenzt ist. Zur Authentifizierung dient wahlweise eine SIM-Karte oder eSIM.

  LTE Cat. 4 LTE Cat. 1 LTE Cat. 0 LTE-Cat-M1 LTE-Cat-NB1
Downlink bis zu 150 MBit/s 10 MBit/s 1 MBit/s 1 MBit/s 200 kBit/s
Uplink bis zu 50 MBit/s 5 MBit/s 1 MBit/s 1 MBit/s 144 kBit/s
Latenz       bis 15 ms bis 10 Sek.
Antennen 2 2 1 1 1
Duplex Vollduplex Vollduplex Halbduplex Halbduplex Halbduplex
Bandbreite 20 MHz 20 MHz 20 MHz 1,4 MHz 200 kHz
Reichweite       15 km
(100 km)		 15 km
(35 km)
Sendeleistung 23 dBm 23 dBm 23 dBm 20/23 dBm 20/23 dBm
Komplexität groß hoch mittel gering klein

LTE-Cat-M1 und LTE-Cat-NB1 werden weltweit als Nachfolgetechnik von 2G (GSM, GPRS und EDGE) und konkurrierender LPWAN-Lösungen positioniert. Eine flächendeckende Nutzung ist aber nur dann möglich, wenn LTE ausgebaut ist.

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

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 mit dem Smartphone per LTE kommunizieren.
Im 3GPP-Release 14 wurde D2D für die Verkehrstelematik (ITS, Intelligent Transportation System) in C-V2X (Cellular Vehicle-to-Everything) ausgegliedert.

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. Das verantwortliche Normungsgremium 3GPP fasst unter LTE Advanced Pro (LTE-AP) alle Spezifikationen zusammen, die ab dem Release 13 herausgekommen sind.

Übersicht: LTE

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