Die LTE Technik

Mit der LTE Technik wird auf internationaler Ebene eine neue Generation der Mobilfunkstandards Einzug halten. Durch die LTE Technik werden hohe Datenraten ermöglicht. Die Realisierung der Datenraten erfolgt durch die Anwendung von neuartiger Antennentechnologie. Bei ihr handelt es sich um die MIMO Antennentechnologie. Neben ihr kommen effektive Modulationsverfahren zum Einsatz. Bei den Modulationsverfahren werden Daten und Informationen, die als Nutzsignal fungieren, auf eine spezielle Art auf ein sogenanntes Trägersignal gebracht. Hierfür nutzt LTE das Orthogonal Frequency Division Mulitplex, kurz OFDM Verfahren. Der Download wird bei diesem Verfahren über OFDMA realisiert. Hingegen erfolgt der Upload über SC-FDMA (Single-carrier frequency-division multiple access).

Die OFDM Technologie ermöglicht eine sehr flexible Nutzung des Frequenzbereichs, was ein entscheidender Vorteil dieses Verfahrens ist. Das OFDM Verfahren nutzt zugleich die 20 MHz Frequenz. Dabei wird der 20 MHz Frequenzbereich in schmale Frequenzbänder geteilt. Bei diesen handelt es sich unter anderem um 1,25 MHz und 2,5 MHz. Durch diese Teilung kann LTE auf kleinen Frequenzbereichen arbeiten. Gemeinsam mit der flexiblen Gestaltung der Bandbreite kann die höchstmögliche Übertragungsgeschwindigkeit erreicht werden.

Multiple Iinput Multiple=

Multiple Iinput Multiple Output kurz MIMO ist eine Nachrichtentechnik und ermöglicht eine drahtlose Kommunikation mit mehreren Sende- und Empfangsantennen.

Durch spezielle Algorithmen steuert LTE die Auswahl der OFDM Kanäle selbst. LTE nutzt neben der OFDM Technologie auch die MIMO Antennentechnologie. Dabei ist die Bezeichnung Multiple Input Multiple Output bei dieser Antennentechnologie Programm. Um die Datenraten zu maximieren, wendet LTE eine multiple Übertragung an. Über zwei Sendeantennen wird sowohl das Empfangen als auch das Senden vollzogen. Die neue Technik verfolgt das Ziel, dass die beiden Signale nicht den gleichen Störungen unterliegen. Somit soll ein qualitativ besserer Datendurchsatz realisiert werden. LTE ermöglicht unter Einsatz dieses Verfahrens zum einen eine vergleichsweise geringe Latenzzeit und zum anderen hohe Datenraten. Somit sind mit der neuen Technik theoretisch Datenraten von bis zu 300 Mbit/s und mehr möglich. Zunächst sind jedoch Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s im Download und 50 Mbit/s im Upload wahrscheinlich. Auch bei hohen Geschwindigkeiten kann LTE die Nutzung des mobilen Internets ermöglichen. Die deutsche Telekom sowie Nortel Networks bewiesen in einem Test, dass die Durchführung einer 170 Mbit/s LTE-Verbindung bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 70km/h in einem Auto möglich ist. Theoretisch lassen sich die Verbindungen selbst bei 500 km/h aufrecht erhalten. Ob das neue 4G Netz auch die ruckelfreie Übertragung von TV- und Video-Streams in HD-Auflösung bei schnellen Fortbewegung wie in Zügen garantieren kann, wird sich zeigen.

Die LTE Frequenzen

Bei den LTE Frequenzen wird zwischen dem 800 MHz Bereich und dem 2600 MHz Bereich unterschieden. Vor allem der 800 MHz Bereich eignet sich hervorragend zum Ausbau der LTE Technik in Regionen, die aufgrund ihrer ländlichen Lage nur geringe Einwohnerzahlen haben. In der Branche wird dieser Bereich oft auch als Digitale Dividende bezeichnet. Nach der Digitalisierung des Rundfunks ist dieser Frequenzbereich frei geworden. Heute werden sämtliche Hoffnungen für eine flächendeckende Breitbandversorgung in diesen Frequenzbereich gelegt. Der Grund davor ist die Ausbreitung der Signale. Sie erfolgt in dem niedrigen Frequenzbereich besser als in den höheren Segmenten.

Mit der 800 MHz Frequenz kann die LTE Technik dank eben dieser Eigenschaften einfacher und vor allem auch günstiger über große Flächen zur Verfügung gestellt werden. Bei diesem Aspekt handelte es sich um einen wichtigen Argumentationsgrund für Mobilfunkunternehmen wie Telekom, Vodafone und Telefónica O2. Diese Unternehmen haben die 800 MHz Frequenzen ersteigert. Mit LTE lässt sich bereits mit einer Basisstation ein viel größeres Gebiet versorgen. Aufgrund von dieser Komponente gestaltet sich der LTE Netzausbau für die Mobilfunk Unternehmen wesentlich günstiger. Zugleich handelt es sich um einen Grund dafür, dass UMTS und auch UMTS Turbo HSPA in strukturschwachen und ländlichen Regionen generell nicht zur Verfügung stehen.

Durch den UMTS Standard wird die 2100 MHz Frequenz genutzt. Für die betreibenden Mobilfunkunternehmen ist eine flächendeckende Versorgung mit HSPA mit sehr hohen Kosten verbunden. Wegen der hohen Kosten wird UMTS und HSPA in ländlichen Regionen wohl auch weiterhin Zukunftsmusik bleiben. Diese Versorgungslücke, die oft als weißer Fleck bezeichnet wird, soll durch den LTE Standard geschlossen werden.

Der Frequenzbereich 2600 MHz eignet sich zur Ausbreitung des LTE Services in großen Städten, die über eine hohe Einwohnerzahl verfügen. Durch die Bevölkerungsdichte ist in großen Städten die Nachfrage höher. Demnach müssen auch mehr Basisstationen eingesetzt werden, um die Bedürfnisse von Seiten der Nutzer zu befriedigen. Es ist möglich, in diesem Frequenzbereich mit hohen Datenraten die LTE Technik zu betreiben. Künftig ist damit zu rechnen, dass der 800 MHz Frequenzbereich für die LTE Services vordergründig in ländlichen Regionen zum Einsatz kommt. Hingegen wird sich der Frequenzbereich rund um 2600 MHz auf Städte und Regionen konzentrieren, die stärker besiedelt sind.

Sprachübertragung im LTE Netz

Die Basis der LTE Technik wird durch die IP Technologie gebildet. Damit LTE zur Verfügung gestellt werden kann, muss ein LTE Netz aufgebaut werden, das IP-basiert ist. Bereits durch die Anforderung werden die Mobilfunkunternehmen mit Blick auf die neue Technik vor eine große Herausforderung gestellt. Die Mehrzahl der Mobilfunkunternehmen generiert durch die verschiedenen Telefontarife den Großteil der eigenen Umsätze. Im UMTS und GSM Netz stellt die Übertragung von Sprachpaketen kein Problem dar. Die Übertragung dieser Pakete erfolgt beim GSM und UMTS Standard leistungsgebunden. Mit LTE ist diese Form der Übermittlung von Sprachpaketen und SMS Diensten jedoch nicht möglich. Somit müssen die Mobilfunk Anbieter auf andere Standards zurückgreifen, damit auch via LTE Sprachpakete und SMS übermittelt werden können. Damit die Sprachübertragung künftig über die LTE Technik gewährleistet werden kann, gibt es mittlerweile mehrere Möglichkeiten.
Zu diesen gehört unter anderem IMS (IP Multimedia Subsystem). Bei diesem handelt es sich um einen Ansatz, der zur Übermittlung der Sprachpakete genutzt werden kann. Um eine Kommunikation im IP Netz zu ermöglichen, nutzt IMS das SIP Protokoll. Dieses konnte sich bereits bei Voice over IP etablieren. Wenn die Mobilfunkunternehmen für den Aufbau ihrer LTE Netze auf den IMS Standard setzen, würde die Entwicklung eines Netzes, das komplett auf IP basiert, fortschreiten.

Eine Übergangslösung auf dem Weg zu einem kompletten IP Netz wäre VoLGA (Voice over LTE via Generic Access). Das Kürzel steht für die Option Voice over LTE via GAN. Der VoLGA Standard bietet einen entscheidenden Kernvorteil. Dabei handelt es sich um die leichte Implementierung in das bereits vorhandene und somit bestehende Mobilfunknetz. Bei diesem Standard müssten keine Änderungen in dem Kernnetz, dem EPC, vorgenommen werden. Daneben ist der Fallback ein weiterer Vorteil des VoLGA Standards. Wird eine LTE Zelle verlassen und es kommt nicht zu einem Handover auf eine weitere Zelle, ist der Fallback möglich. Dabei erfolgt dieser in Verbindung mit dem UMTS und 2G Netz.
Als weitere Möglichkeit gilt das Circuit Switches Fallback, kurz CS Fallback. Dieses nutzt für die Übermittlung von SMS Diensten und Sprache nicht das LTE Netz, sondern bedient sich an dem UMTS oder GSM Netz. Somit wird quasi ein Fallback von dem LTE auf GSM und UMTS erzeugt. In der Praxis gestaltet sich dieser Standard vergleichsweise einfach. Ist ein Nutzer mit seinem Mobiltelefon in einer Zelle mit LTE Technik angemeldet, erfolgt synchron auch eine Anmeldung in den bereits bestehenden UMTS und 2G Netzen. In diesem Fall würden die Telefonate und SMS Dienste grundsätzlich über das 2G oder UMTS Netz stattfinden. Wie VolGA muss auch CS Fallback im Wesentlichen als Übergangslösung betrachtet werden. Allerdings würde es diese Lösung ermöglichen, vergleichsweise schnell einen LTE Service mit SMS- und Telefonoption anzubieten.

Übertragungstechnik und Funkschnittstelle

Die LTE Übertragungstechnik wurde für den Frequenzbereich von 700 bis 2700 MHz ausgelegt. Dies entspricht einem Bereich von 0,7 bis 2,7 GHz. Flexible Variationen sind in diesem Frequenzbereich zwischen 1,25 und 20 MHz möglich. Durch diese Flexibilität ist eine deutlich leichtere Anpassung an die verschiedenen Frequenzbereiche, die weltweit bestehen, möglich. Damit mit der neuen Technik ein internationales Roaming möglich ist, müssen die Endgeräte, die genutzt werden, multifrequenzfähig sein.
Durch die LTE Technik wird eine völlig neue Funkschnittstelle definiert. Dabei basiert das Übertragungsverfahren zum einen auf ODFM und zum anderen auf 64QAM. OFDMA kommt stets im Downlink zum Einsatz. Hingegen wird man sich im Uplink auf SC-FDMA konzentrieren. Neben diesen ist zusätzlich MIMO vorgesehen. Das Mehrfach-Antennen-System ist bereits bei HSPA+, sowie in WLANs nach IEEE 802.1 1n integriert. In der LTE Technik hat OFDM die Aufgabe, das Frequenzband, das zur Verfügung steht, in viele schmale Kanäle zu teilen. Dadurch wird deutlich, dass die neue Technik auch dazu in der Lage ist mit kleinen Frequenzbändern auszukommen. Damit das Äußerste an Übertragungsleistung aus den Frequenzen herausgeholt werden kann, wird die Bandbreite sehr flexibel genutzt. Die geeigneten OFDM-Kanäle werden durch spezielle Algorithmen ausgewählt. Bei der Auswahl werden stets die Einflüsse aus der unmittelbaren Umgebung berücksichtigt.

Zur Übertragung werden die Sendesignale stets an zwei Sendeantennen weitergeleitet. Auch für die Empfangssignale sind immer zwei Antennen verantwortlich. Durch diese Technik wird ein wesentlich besserer Datendurchsatz erreicht. Demnach wird LTE künftig mit individuellen und zugleich skalierbaren OFDM-Kanälen arbeiten. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der neuen Technik sind räumlich separierte Datenströme mit MIMO.

In abgewandelter Form sind die beiden Verfahren bereits aus vorhandenen Standards bekannt. Dabei handelt es sich vor allem um WLANs nach IEEE 802.1 1n. Wie HSPA setzt LTE zusätzlich auf das gleiche Shared-Channel-Prinzip, sowie auf HARW und AMC.

Die LTE Technik ist so gestaltet und ausgereift, dass sie nur sekundär für Handys gedacht ist. In erster Linie richten sich die Entwickler mit dem neuen Standard an Notebook, Netbooks und eBooks. Ebenso gehören Digitalkameras und Videokameras zu den bevorzugten Geräten. Im Fokus von LTE steht des Weiteren die M2M-Kommunikation mit Smart Metering und Smart Grids, sowie die Automobil- und Transportindustrie. Anhand dieser Schwerpunkte verdeutlicht sich, dass es sich bei LTE um ein reines, mobiles Datennetz handelt. Die Sprache wird dabei stets über Voice over IP übertragen. Damit dies möglich ist, benutzen die Netzbetreiber in ihrem Kernnetz einen sogenannten Softswitch.

Aufgrund der technischen Eigenschaften gilt die Long Term Evolution als Nachfolgetechnik von HSDPA und UMTS. Damit ist sie die Funktechnik der vierten Generation – auch kurz 4G. Die vierte Mobilfunk-Generation soll im Gegensatz zu seinen Vorgängern auch an andere elektronische Produkte gerichtet sein. Neben Spielekonsolen und Camcordern sind weitere Endgeräte vorstellbar. Allen voran handelt es sich dabei um MP3-Player.
Für die Nutzung der neuen Technik wird künftig die entsprechende LTE Hardware erforderlich sein. Welche Hardware-Lösungen dabei im Detail von den Anbietern auf den Markt gebracht werden, ist bislang unklar. Allerdings wird zwischen Modem, Sticks und Router unterschieden. Erste LTE Router wurden bereits vorgestellt.