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

Frequenzbereiche in Deutschland
In Deutschland kommen für LTE 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.
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
800 MHz 1.800 MHz 2.000 MHz 2.600 MHz
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 2.600 MHz an die Mobilfunkbetreiber T-Mobile, Vodafone, O2 und E-Plus. Zusätzlich haben fast alle Netzbetreiber im Frequenzbereich um 1.800 MHz Frequenzen aus früheren Zuteilungen 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 2,6 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 2.600 MHz 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 2.600-MHz-Band zugewiesen bekommen. Doch dieser Frequenzbereich ist kaum für eine flächendeckende Mobilfunkversorgung geeignet. Dafür hat E-Plus die Möglichkeit seine umfangreichen Frequenzblöcke im 1.800-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

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

Weltweit gibt 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.

Um das Problem zu lösen, wird das 1.800-MHz-Band die Rolle als LTE-Hauptfrequenzband einnehmen. 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. Zumindest entwickelt sich das in diese Richtung.
Zwar ist bei 1.800 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 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.

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 = 1.000 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 (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 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.