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LTE: Das steckt hinter der Mobilfunk-Technik

Die Mobilfunk-Technologie steht in Konkurrenz zu anderen Funktechniken. Wir zeigen, welche Vor- und Nachteile diese verschiedenen Datenübertragungsstandards haben.

Von Kai Petzke / Julian Ruecker

LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg
Foto: Telekom Wenn zwei Technologien so ähnliche Leistungsparameter und Anwendungsgebiete aufweisen wie LTE und WiMAX, ist in der Regel damit zu rechnen, dass sich eine davon gegen die andere durchsetzen wird. Hierbei war LTE deutlich als Gewinner hervorgegangen. Dies lag auch daran, dass die Entwicklung LTE-fähiger Netzwerke von den Mobilfunk-Netzbetreibern gewünscht und gefördert wurde.

LTE und WiMAX verwenden beide OFDMA ("Orthogonal Frequency-Division Multiple Access") zur Kodierung der Signale. Dabei wird das zur Verfügung stehende Frequenzband in viele Unterbänder geteilt. Deren Anzahl kann variiert werden, je nachdem wie viel Bandbreite gerade zur Verfügung steht, was zu unterschiedlich hohen Bitraten führt. Die Auswahl der Frequenzbänder stellt dabei sicher, dass sich die Signale auf den verschiedenen Unterbändern nicht gegenseitig stören. Eine spezielle Kodierung sorgt dafür, dass alle Unterbänder von einem Sender gleichzeitig moduliert und über eine Antenne übertragen bzw. vom Empfänger demoduliert werden können.

LTE als WiMAX-Konkurrent: Vorteil im Fallback

LTE-Sendemast in Kyritz/Brandenburg
Foto: Telekom Für LTE spricht dessen Einbettung in den 3GPP-Standard, der auch GSM, UMTS, HSPA und 5G umfasst. LTE-Netzwerke und -Endgeräte konnten somit relativ einfach einen Fallback zu UMTS/HSPA (vor deren Abschaltung) oder gar GSM/EDGE implementieren: Besser im LTE-Funkloch einen langsamen Datenkanal aufbauen als gar keinen.

Andererseits machen die Extra-Schaltkreise und -Antennen für den Fallback die LTE-Endgeräte auch ein Stück komplexer und teurer. Diesen Nachteil konnten die LTE-Verfechter wiederum durch größere Stückzahlen kompensieren: Schließlich werden weltweit deutlich mehr Handys als Laptops ausgeliefert. Zudem gibt es immer mehr Endgeräte, die einen Internet-Zugang per Mobilfunk nutzen, wie Tablets, Laptops und mobile Router mit integriertem LTE-/5G-Modem.

LTE bietet Mobilfunk mit Datenraten wie bei VDSL

LTE ist in der Frequenznutzung wesentlich flexibler als es UMTS war, da Funkzellen eine Bandbreite von 1,25 bis 20 MHz nutzen können, mit Zwischenstufen bei 2,5, 5 und 10 MHz. Bei den niedrigeren Bandbreiten werden natürlich auch nur geringere Bitraten erreicht.

Die variable Bandbreitenzuweisung gibt den Betreibern hohe Flexibilität. Zum Einstieg in LTE wurde weniger Bandbreite als ehemals für UMTS benötigt. Schon mit der kleinstmöglichen Frequenzausstattung sind Datentransfers in (V)DSL-Tempo möglich. Zellen, die die größtmögliche Bandbreite nutzen, können hingegen deutlich über 100 MBit/s aussenden und mehrere Nutzer gleichzeitig mit Datenraten im Bereich von VDSL und mehr versorgen.

Im Vergleich zu Verfahren wie UMTS, die das gesamte Band auf einmal belegten, bringt die bei LTE vorgesehene Nutzung der Unterbänder den Vorteil einer geringeren Anfälligkeit gegenüber Störungen. Da das einzelne Teilsignal eine niedrigere Bitrate aufweist, ist es auch unter ungünstigen Bedingungen wie diversen Reflexionen und Mehr-Wege-Ausbreitung besser rekonstruierbar als ein breitbandigeres Gesamtsignal. Das erhöht bei gleichbleibender Sendeleistung und Reichweite die maximale Bitrate, oder bei gleicher Sendeleistung und Bitrate die Reichweite. Dafür steigt der Codierungsaufwand, was zusammen mit der höheren möglichen Bandbreite den Stromverbrauch der Endgeräte nach oben treibt.

Effiziente Modulationsverfahren

Weitere Tricks zur Steigerung der Bitraten sind Modulationsverfahren, die mehrere Bits pro Signal übertragen, indem Phasenlage und Signalstärke jeweils in mehreren Stufen variiert werden. Hierzu gehören bei LTE insbesondere 16QAM und 64QAM. Mehrere Antennen in Sender und Empfänger ("Multiple Input Multiple Output", kurz MIMO) vervielfältigen die Bitrate abermals. Effiziente Modulationsverfahren und MIMO wurden auch für HSPA und HSPA+ eingesetzt.

Langfristig gute Aussichten

Doch auch die UMTS-Erweiterungen HSPA und HSPA+ konnten zig Millionen Bits pro Sekunde in die Luft pumpen. Zudem punktete HSPA aufgrund der Kompatibilität zu bestehenden 3G-Endgeräten. HSDPA und auch HSUPA gehörten bis zur Einführung von LTE und später 5G bei Smartphones zur Standardausstattung.

Die Ausbauplanungen der Netzbetreiber gehen daher in die Richtung, für den mobilen Internet-Zugang verstärkt LTE- und 5G-Netze zu betreiben bzw. weiter auszubauen. Seit 2010 wurde LTE einerseits in DSL-losen Gemeinden ausgebaut, um stationäre Internet-Zugänge zu ermöglichen. Dies gehörte zu den Bedingungen der Bundesnetzagentur für die Versteigerung der Frequenzblöcke der Digitalen Dividende. Mit der Digitalen Dividende 2 wurde 2015 diese Bedingung fortgesetzt und der Weg bereitet, 98 Prozent der Haushalte in Deutschland bis 2018 einen LTE-Zugang zu ermöglichen.

Andererseits verringert der Ausbau der LTE-Netze in Ballungsräumen die Kapazitätsengpässe bei der Versorgung mit mobilem Internet. Neben dem 700- und 800-MHz-Band für weitreichenden LTE-Empfang setzen die Netzbetreiber daher in stark frequentierten Gebieten auch auf höhere Frequenzbänder, die eine größere Leistung gewährleisten können.

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