Ultimatives Wissen zum Mobilfunkstandard LTE – ab jetzt könnt ihr mitreden

Long Term Evolution – LTE. Bereits seit 2009 dürfte dieser Begriff im Mobilfunk umherschwirren. Doch was ist LTE eigentlich? Nun, LTE ist ein von dem 3GPP (3rd Generation Partnership Project), welches auch schon für die Standardisierung von UMTS verantwortlich war, entwickeltes Verfahren zur Übertragung von Daten und läutete die vierte Generation an Mobilfunknetzen ein.

Der Standard wurde bereits 2004 von dem japanischen Mobilfunkbetreiber NTT DoCoMo als möglicher Standard vorgeschlagen und 2006 von Siemens Networks das erste Mal emuliert. In 2007 hat der schwedische Netzwerkausrüster Ericsson das erste Mal LTE unter realen Bedingungen und einer Geschwindigkeit von 144 Mbit/s demonstriert. Schließlich wurde in Stockholm von TeliaSonera, 2009 das erste kommerziell verfügbare LTE-Netzwerk gestartet. In Deutschland gingen die Netzbetreiber Deutsche Telekom und Vodafone, ein Jahr später mit der Digitalen Dividende (800 MHz) an den Start.

Inhaltsverzeichnis

• Multiple Input – Multiple Output
• Bandbreite
• Carrier Aggregation
• Modulation
• Internet of Things
  • NB-IoT
  • LTE Cat-M
• Ordnung im Chaos
• VoLTE
  • Notrufe
• LTE-Nutzung in Deutschland
  • Deutsche Telekom
  • Vodafone Deutschland
  • Telefónica O2

Multiple Input – Multiple Output

LTE ist technisch anders aufgebaut als UMTS. Während UMTS auf das sogenannte WCDMA-Verfahren zur Datenübertragung setzt, nutzt LTE das OFDMA-Verfahren. Hierbei werden mehrere Empfangs- und Sendeantennen gleichzeitig genutzt, um so die theoretisch erreichbare Datenrate zu maximieren. Im LTE-Standard werden mindestens 2×2-MIMO-Antennen genutzt, 4×4-MIMO oder gar 8×8-MIMO sind allerdings auch möglich. Durch MIMO werden mehr Bits pro Hz übertragen als ohne.

Bandbreite

Doch nicht nur die Anzahl der Antennen spielt bei der erreichbaren Geschwindigkeit eine Rolle. Auch die nutzbare Bandbreite hat eine wichtige Rolle. So sind durch die 3GPP 1,4 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz und 20 MHz breite „Carrier“ spezifiziert. Als Carrier kann man quasi die Autobahn sehen, auf der die Daten übertragen sind. Die MHz-Zahl gibt dementsprechend an, wie viele Spuren die Autobahn besitzt.

Carrier Aggregation

Zusätzlich dazu gibt es noch einen Begriff namens „Carrier Aggregation“. Bei diesem werden, analog zum „Dual-Carrier“ bei UMTS, mehrere „Datenautobahnen“ sprichwörtlich aneinander geklebt. So kann man mehrere LTE-Frequenzen kombinieren. In Deutschland ist beispielsweise die Kombination von Band 3 (1800 MHz) und Band 7 (2600 MHz) eine beliebte Kombination, um die theoretisch erreichbare Datenrate zu erhöhen.

Modulation

Bei LTE kommt eine sogenannte Quadraturamplitudenmodulation zum Einsatz, kurz QAM. Dieses Verfahren kombiniert eine Amplitudenmodulation des Trägersignals mit einer Phasenmodulation und bestimmt so ebenfalls die mögliche Datenrate. Wer genauer in die Physik des Verfahrens einsteigen möchte, findet hier weitere Informationen.

Im Großen und Ganzen kann über die Modulation des Signals entweder gegen Störungen gehärtet, oder effizienter gestaltet werden. Daher wird im Upload häufig eine kleineres Modulationsverfahren genutzt als im Download, weil die Endgeräte einfach keine so große Sendeleistung besitzen.

Aktuell ist die in Deutschland höchste Modulation 256QAM im Download und 64QAM im Upload. Damit kann mit mit 4×4 MIMO und 30 MHz Bandbreite eine Datenrate von 587 MBit/s im Download sowie 87,5 Mbit/s im Upload im Netz der Deutschen Telekom erreicht werden.

Einen praktischen Rechner zur Datenrate von LTE gibt es übrigens auf der Webseite von Cellmapper.

Internet of Things – NB-IoT und LTE Cat-M

Das Internet of Things ist aktuell im Kommen und dank des evolvierenden Charakters von LTE gibt es hierfür gleich zwei, leider zueinander inkompatible, Spezifikationen. Beginnen wir mit NB-IoT:

NB-IoT

NB-IoT steht für Narrowband-IoT, was den Charakter der Technologie bereits passend beschreibt. Eigentlich sind für LTE mindestens 1,4 MHz spezifiziert, doch NB-IoT bricht hier mit dem Standard. NB-IoT setzt auf 200 kHz breite Carrier, was der Bandbreite eines GSM-Träger entspricht. Dadurch können Netzbetreiber die Technologie gut ins Netz einbetten, ohne damit Bandbreite des restlichen LTEs zu beschneiden. Möglich sind damit Geschwindigkeiten von 250 Kbit/s und Latenzen von 1s.

Das hat zwar zur Folge, dass das Netz entsprechend langsam ist, aber auch extrem wenig Energie benötigt. Damit können Sensoren konstruiert werden, welche mit einer Batterieladung eine Lebenserwartung von bis zu 10 Jahren erreichen. Aktuell bieten die Deutsche Telekom und Vodafone NB-IoT im Bereich 900 MHz bzw. 800 MHz an.

LTE Cat-M

LTE Cat-M ist vom Standard her sehr viel näher am ursprünglichen LTE-Standard und damit am 3GPP Release 8 dran. Hier wird wie auch beim normalen LTE auf 1,4 MHz breite Träger gesetzt und man erreicht somit eine Datenrate von 1 Mbit/s und Latenzen von unter 20ms. Der Nachteil an dieser Technologie ist allerdings, dass der Energiebedarf im Vergleich zu NB-IoT etwa 1000 Mal höher ist. Dadurch eignet es sich nicht für batteriebetriebene Sensoren.

Ordnung im Chaos

Um das ganze Chaos, MIMO, Bandbreite und Carrier Aggregation unter einen Hut zu bekommen, gibt es sogenannte Kategorien, an denen man sich orientieren kann. Anhand derer wird beispielsweise bei Handys spezifiziert, welche Geschwindigkeit und welche Features des Mobilfunknetzes das Gerät nutzen kann.

So wird LTE Cat. 4 beispielsweise mit einer maximalen Downloadrate von 150 Mbit/s, 2×2 MIMO sowie 64QAM im Download spezifiziert. Wer also auf die bestmögliche LTE-Performance schielt, sollte sich ein Smartphone mit einer besonders hohen Kategorie zulegen. So kann man die beste Performance im Netz garantieren.

• LTE Cat. 4 – Maximal 150 Mbit/s Down und 50 Mbit/s Up
• LTE Cat. 6 – Maximal 300 Mbit/s Down und 50 Mbit/s Up
• LTE Cat. 9 – Maximal 450 Mbit/s Down und 50 Mbit/s Up
• LTE Cat. 12 – Maximal 600 Mbit/s Down und 150 Mbit/s Up
• LTE Cat. 15 – Maximal 800 Mbit/s Down und 225 Mbit/s Up
• LTE Cat. 16 – Maximal 1.000 Mbit/s Down
• LTE Cat. 18 – Maximal 1.200 Mbit/s Down

Auch sollte darauf geachtet werden, dass das Smartphone etwaige Carrier-Aggregation-Kombinationen beherrscht. Allerdings ist das eher zweitrangig, da die gängigsten bereits von den meisten Handys unterstützt werden. Exotische Kombinationen, die in Einzelfällen eventuell etwas mehr Geschwindigkeit bringen sind sowieso sehr selten anzutreffen.

Auch sollt ein Smartphone beziehungsweise Gerät gekauft werden, welches die lokalen Mobilfunkfrequenzen unterstützt. Bei Geräten der üblichen Verdächtigen wie Samsung, Apple, LG, Sony etc. sollten dabei eher keine Probleme aufkommen. Allerdings fehlt vielen Geräten von chinesischen Herstellern das in Europa äußerst wichtige Band 20, welches dank der niedrigen Frequenz um 800 MHz herum vor allem auf dem Land und für die In-House-Versorgung genutzt wird.

Voice over LTE

Lange Zeit war das LTE-Netz als reines Datennetzwerk konzipiert. Wollte man telefonieren, so schaltete das Gerät auf UMTS oder GSM zurück. Dieses Verfahren nennt man Circuitswitched Fallback, was in etwa bedeutet dass das Netz das Gerät zum Herunterschalten auf eine ältere Technologie zwingt. Daher war LTE auch lange Zeit gar kein echter Standard der vierten Generation, sondern wurde unter Kennern als 3,9G bezeichnet. Erst mit LTE-A und VoLTE änderte sich dies.

Vor LTE wurde die Telefonie nicht IP-basiert abgewickelt, sondern leitungsvermittelt („Circuit Switched“) abgewickelt. Das hatte zur Folge, dass Datenverbindungen währnd des Telefonats nicht mehr möglich waren. Durch den CSFB waren zusätzlich dazu die Rufaufbauzeiten extrem lahm, da der Aufbau eines Telefonates durch das zurückschalten auf eine andere Netztechnologie gebremst wurde.

Rufaufbauzeiten (getestet mit Telekom NGN Festnetzanschluss und iPhone 8 im Telekom Mobilfunk):

Bei der Telefonie über LTE wird auf das sogenannte IMS – IP Multimedia Subsystem – welches man bereits von UMTS kennt aufgesetzt. Telefonate werden dann über das SIP in abgewandelter Form initiiert und werden paketbasiert abgewickelt. Vorteil hierbei ist die extrem verringerte Rufaufbauzeit sowie, dass man die Internetverbindung nicht verliert. Durch VoLTE und die Anbindung an das IMS lässt sich auch ein Handover zum WiFi-Calling und zurück realisieren, was mit UMTS oder GSM nicht möglich wäre.

Durch VoLTE und die dadurch zusätzlich zur Verfügung stehende Bandbreite ist auch eine viel klarere und verständlichere Sprachtelefonie möglich. Codecs wie AMR-WB oder EVS bieten eine im Vergleich zur Telefonie über GSM extrem verbesserte Qualität.

Notrufe

Klassische Notrufe sind mit VoIP-Software wie beispielsweise Skype nicht möglich. Dies galt auch lange Zeit für VoLTE und WiFi-Calling, da über die IP-basierte Telefonie der Standort nicht zuverlässig ermittelt werden konnte. Mit der E112 genannten EU-Richtline ändert sich das allerdings. So unterstützt aktuell die Deutsche Telekom Notrufe über das LTE-Netz. Der erweiterte EU-Notruf E112 wird auch für den sogenannten eCall genutzt; der seit 2018 in Neuwagen verpflichtend eingebaute Autonotruf.

In einem separaten Artikel haben wir uns der Thematik von VoLTE und WiFi-Calling gesondert gewidmet.

Wie funktioniert HD-Telefonie, VoLTE und WiFi-Calling?

LTE-Nutzung in Deutschland

Allgemein kommen in Deutschland aktuell die Frequenzbänder Band 3 (1800 MHz), Band 7 (2600 MHz) und Band 20 (800 MHz) zum Einsatz. Die Deutsche Telekom baut zusätzlich noch LTE auf Band 8 (900 MHz) aus und Vodafone sowie Telefónica refarmen UMTS-Frequenzen auf Band 1 (2100 MHz) für LTE.

Auch liegt das 2015 versteigerte Frequenzband 28 (700) MHz noch brach und wird für LTE und 5G genutzt werden.

Deutsche Telekom

Die Deutsche Telekom ist bekannt dafür, in Städten primär auf Band 3 zu setzen und an Hotspots zusätzlich noch Band 7 aufzuschalten. Dadurch gibt es eine bekannte Indoor-Schwäche, bei der häufig nur ein E im Display steht. Das soll vor allem durch den Ausbau von Band 8, also auf den für GSM genutzten Frequenzen verbessert werden. Die weitläufigen Frequenzen aus Band 20 werden für das LTE-Netz in ländlichen Gegenden genutzt und vereinzelt auch in Städten.

Die Deutsche Telekom nutzt als Netzwerklieferanten im Access Network aktuell 3 Zulieferer: Huawei, Ericsson sowie Nokia. Dabei hat das Unternehmen Deutschland quasi in 2 Gebiete aufgeteilt: Huawei wird in den Gebieten Nordrhein-Westfalen, Baden-Württemberg sowie Berlin/Brandenburg eingesetzt, im übrigen Netz wird aktuell die vorhandene Nokia-Hardware im Zuge von Modernisierungen durch Ericsson-Hardware ausgetauscht.

Vodafone Deutschland

Vodafone Deutschland hingegen fuhr von Anfang an eine andere Strategie. Zum Start von LTE hatte das Düsseldorfer Unternehmen wenig Frequenzen im Bereich 1800 MHz, weswegen erstmal eine Art „Grundnetzwerk“ mit Band 20, auch in Städten, aufgebaut wurde. Das hat zur Folge, dass besonders in Städten die Geschwindigkeiten unter denen der Telekom liegen, da die Zellen insgesamt weniger Kapazität bieten, dafür aber größer sind und mehr Teilnehmer aufnehmen. Erst in den letzten Jahren hat Vodafone angefangen sein Netz zu verdichten und zusätzlich auf Band 3 und Band 7 zu setzen.

Vodafone setzt, wie auch die Telekom, auf den chinesischen Netzwerkausrüster Huawei als Hauptlieferanten.

Telefónica O2

Telefónica hat erst spät mit dem Ausbau von LTE begonnen und dementsprechend liegt die Abdeckung weit hinter den anderen beiden. Auch war das Unternehmen jahrelang mit der Netzintegration des ehemaligen E-Plus Netzes beschäftigt, weswegen nicht alle Ressourcen in den tatsächlichen Netzausbau fließen konnten. Das Netz besteht auf dem Land größtenteils aus weitläufigem Band 20 und in den Städten ebenfalls. Doch hier tut sich etwas und sobald die Netzintegration des E-Plus-Netzes an einem Standort abgeschlossen ist gibt es häufig auch Band 3 und Band 7. So sind in modernisierten Netzteilen bereits heute höhere Geschwindigkeiten als im Vodafone- und teilweise auch im Telekom-Netz möglich.

Telefónica ließ sein Netz bisher vom chinesischen Unternehmen ZTE betreiben und warten. Allerdings lies das Münchener Unternehmen diesen Vertrag zu Ende 2018 auslaufen und schloss einen neuen Vertrag mit dem Bochumer Unternehmen GfTD für den Betrieb des Netzes ab.

Für ZTE ist damit ein großer Kunde weggebrochen und daher musste sich das Unternehmen nach neuen Einnahmequellen umschauen. Gefunden wurde in Folge dessen United Internet, welches plant ein 5G Netz von ZTE errichten zu lassen.