4G: LTE, LTE Advanced, MIMO Antennen & Co.

LTE 800 und LTE Advanced sind mit bis zu 300 MBit/s der Mobilfunkstandard der 4. Generation (4G). Wenn kein DSL auf dem Land verfügbar ist, wird die mobile Anwendung auch schnell zur stationären Notwendigkeit. Doch wie wird die Verbindung richtig aufgebaut und wie kann man alles aus dem Signal herausholen? FTS Hennig informiert!

Wie schnell ist LTE? Was ist eine gute LTE Geschwindigkeit? LTE 800, als Zwischenstufe zum 4G-Standard LTE Advanced, ermöglicht aktuell (Stand: Juni 2022) eine maximale LTE Geschwindigkeit von 300 MBit/s im Download und einer LTE Übertragungsrate bis zu 50 MBit/s im Upload. Dieser theoretische Wert wird in der Praxis aber nur äußerst selten erreicht. Zudem ermöglichen die bisher etablierten LTE-Tarife ohnehin häufig nur eine Geschwindigkeit LTE bis 50 MBit/s.

Die LTE Qualität variert von Netzbetreiber zu Netzbetreiber. Nach unseren Erfahrungen und laut den Berichten unserer Kunden, schaffen die deutschen Handy LTE-Netze von Telekom und Vodafone in der Praxis, wenn denn überhaupt ein Signal verfügbar ist, zwischen 2 MBit/s (schwaches LTE 800 MHz Signal in einem abgelegenen Dorf) und 30 MBit/s (Übertragung bei LTE 1800 MHz bzw. 2600 MHz) im Rahmen der 50-MBit-Verträge. Telefónica, sprich E-Plus und O₂, hat in den letzten 2 Jahren fleißig aufgeholt und versorgt seine Kunden in Städten und vielen ländlichen Regionen mittlerweile ebenfalls sehr gut.

Vor allem in deutschen Großstädten und ganz grundlegend in der Schweiz und in Österreich stehen teilweise auch tatsächlich schon 80-150 MBit/s zum Surfen zur Verfügung - vorausgesetzt ist natürlich ein entsprechender Tarif. Einen passenden Internet Tarif zum Surfen finden Sie unter folgendem Link. Zum besseren Verständnis müssen wir hier nun aber auf ein paar grundlegende Fakten zur LTE-Technik und die verwendeten LTE Frequenzen eingehen.

LTE Frequenzen in Deutschland, Österreich & der Schweiz

LTE wird in der gesamten DACH-Region auf mehrere Frequenzbänder (frequency) verteilt. In Deutschland kommen bisher LTE 800 MHz, LTE 1800 MHz und LTE 2600 MHz vor. In der letzten Frequenzauktion der Bundesnetzagentur (27.5.2015-29.06.2015) im Rahmen des "Mobiles Breitband–Projekt 2016" wurden weitere Frequenzbänder bei 700 MHz, 900 MHz und die Bänder bei 1500 MHz und LTE 1800 MHz von den Netzbetreibern ersteigert. Die Sendestationen und weitere Netzstrukturen werden also in Zukunft auf diese Frequenzen ausgeweitet bzw. die Kapazitäten erhöht.

In Österreich und der Schweiz stehen Netzbetreibern wie z.B. 3 Austria zwar ebenfalls mehrere Frequenzen zur Verfügung, doch bisher wird primär im LTE 1800 MHz Band gearbeitet.

800 MHz LTE Band für Regionen ohne Kabelanbindung

Das LTE 800 MHz Band wird in Deutschland überwiegend zur Versorgung ländlicher Regionen genutzt, in denen kein Breitband-Kabelnetz vorhanden ist. Ein nur bedingt ausgebautes Kabelnetz bedeutet übersetzt, dass aber auch die Sendemasten in den entsprechenden Regionen keine Vielzahl an Glasfaserkabeln zur Verfügung haben. Folglich sind die maximalen Datenraten technisch schon stark begrenzt. Deutsche Kunden, die LTE 800 MHz empfangen, müssen sich häufig mit 2 MBit/s bis 16 MBit/s zufrieden geben.

LTE Geschwindigkeit bei 1800 MHz & 2600 MHz

Neben dem LTE 800 MHz Band nutzt die Telekom bereits ausgiebig das LTE 1800 MHz, Vodafone ist im 2600 MHz Band sehr aktiv. Diese Frequenzen werden vor allem für die Handy LTE-Netze in Städten benutzt. Wie schnell ist LTE? Die Sendemasten verfügen in der Regel über eine leistungsstarke Anbindung und somit kommt man an eine LTE Geschwindigkeit mit Surf Speed von 50 MBit/s oder gar 150 MBit/s tatsächlich heran.

Wenn innerhalb von Städten und in den wenigen gut versorgten ländlichen Gebieten mit einem 50-MBit-Vertrag mehr als 20 MBit/s im Download erreicht werden, sind die Kunden meist auch völlig zufrieden. Alle anderen Nutzer müssen dann zur Verbesserung des Empfangs auf Tarif, LTE-Antennen und Repeater zurückgreifen.

Aktuelle LTE Versorgung & 4G Antennen

Die Netzbetreiber geben an, dass Deutschland großflächig mit UMTS und LTE 1800 versorgt sei. Im Freien trifft dies sogar in vielen Bereichen zu. Auch in der Schweiz und in Österreich sieht es außerhalb von Gebäuden teils schon sehr gut aus. Innerhalb von Wohnhäusern, Büros, Lager- und Industriehallen ist die Lage jedoch eine ganz andere.

Die nötige Anzahl an Sendemasten für eine flächendeckende Versorgung innerhalb von Gebäuden kann auch schlicht nicht errichtet und installiert werden. Da die Sendestationen also nur begrenzte Flächen mit Indoor-Energie versorgen können, konzentriert sich die breite Masse an Herstellern von Mobilfunk-Antennen für LTE (4G) auf den Outdoor-Bereich. Dementsprechend hoch ist mittlerweile die Auswahl an 4G-Außenantennen. Diese übertragen dann das gebündelte Signal über ein 50 O Koaxialkabel, versehen mit den passenden SMA Steckern, an den Mobilfunk-Router im Gebäude und ermöglichen dort einen ausreichenden Empfang.

LTE Geschwindigkeit und Ausbreitung von Mobilfunk-Signalen

Wir müssen uns immer vor Augen halten, dass sich die Mobilfunk-Strahlung, egal ob GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G) oder 5G, vom ursprünglichen Sendemast aus strahlenförmig ausbreitet - ähnlich wie das Licht der Sonne (Licht ist auch nur Strahlung mit höherer Frequenz und Lichtgeschwindigkeit).

Ganz grundlegend sorgen Hindernisse für "Empfangsschatten", durch Glas oder gar Wände schafft es das LTE-Signal nur bedingt oder gar nicht an die Geräte. Die Strahlung muss also nicht nur den Weg vom Sendemast zu Ihrem Router hinter sich bringen und erleidet dabei Verluste, sondern wird zusätzlich durch Fensterscheiben, Wände etc. enorm geschwächt.

Dies bedeutet, dass Sie den Router im Gebäude zumindest direkt am Fenster positionieren müssen. Und selbst in gut versorgten Gebieten erreichen Sie damit nicht die beste LTE Geschwindigkeit. Das trifft natürlich sowohl beim Senden als auch beim Empfangen von Internet Signalen und Daten zu. Doch zum Glück können Sie die Performance der Signalübertragung zuhause und die LTE Geschwindigkeit mit bis zu 500 MBit/s im Download mit der richtigen Hardware positiv beeinflussen.

Externe Antennen für stabilere & schnellere Mobilfunk Verbindungen

Mit einer gerichteten Außenantenne erreichen Sie eine Datendurchsatzverbesserung im Down- und Upload um 10-20%, mit zwei Antennen (MIMO) gar fast eine Verzehnfachung des Uploads. Diese Werte lieferte die Zeitung „Computer Sweden“ in einem Test und auch wir von FTS Hennig können aufgrund eigener Tests entsprechende Tendenzen bestätigen.

LTE Verbindung - von Minimum bis Optimum

Wie bereits oben beschrieben wurde, können Sie in Städten und gut versorgten Gebieten Ihren Mobilfunk-Router oft schon ohne große Mühe betreiben. Wenn das anliegende Signal aber nicht stark genug ist, müssen Sie ein wenig nachhelfen.

Minimalvariante einer LTE Verbindung

LTE Router in Fensternähe und im Idealfall sogar im Obergeschoss aufstellen. Das schwächste Signal liegt im Keller an, das beste Internet Signal empfangen Sie auf dem Dach.

LTE Verbindung ohne Bohren & ohne Montage

Wir verwenden eine kleine abgesetzte Antenne, die an der Fensterscheibe angebracht werden kann. Idealerweise sollte diese Antenne außen an der Scheibe mit Saugnäpfen montiert werden. Sie erreichen dadurch einen Zugewinn von bis zu 10 dB. Die Richtcharakteristik und damit der Upload verbessern sich deutlich. Die Sendeinformationen (Upload) können ungehindert das Haus verlassen.

Beste Installation für optimale LTE Verbindung

Hier wird eine LTE MIMO Außenantenne verwendet. Zum LTE Antenne ausrichten, sollte der Standort des nächsten Sendemasten vorab in Erfahrung gebracht werden. Diese Antenne sollte so hoch wie möglich mit freier Sicht zum Sendestandort angebracht und ausgerichtet werden. Ein Antennenmast auf dem Dach, wo Sie schon die SAT-Antenne installiert haben, bietet sich dafür an. Genauso können Sie den Tritt für den Schornsteinfeger benutzen. Der gute Mann sollte sich aber noch bewegen können.

Hauseigene LTE Breitbandantennen von FTS Hennig

Die kleine Antenne mit großer Leistung: LTE MIMO Mobil

LTE MIMO Mobil (© FTS Hennig)

Die mobilen Antennen wurden für die einfache Optimierung des Empfangs und zur mobilen Nutzung in Einsatzfahrzeugen & Co. entwickelt. Diese Antennen sind zwar keine Leistungsantennen und man darf von ihnen keine großen Gewinnsprünge erwarten, doch wer seine MIMO Mobil Antenne optimal ausrichtet, erzielt sehr gute Ergebnisse. Diese kleine Antenne ermöglicht einen flexiblen Antennenstandort und verbessert die Abstrahlungsverhältnisse.

Wenn die Fensterantennen außen montiert werden, wird zudem die komplette Strahlung aus dem Gebäude ausgeschlossen. Dies erhöht nicht nur den Datendurchsatz, sondern ist auch Ihrer Gesundheit zuträglich.

Die Omnistrahler: Omnidirektionale LTE Antennen

Rundstrahlantenne (© FTS Hennig)

Die Rundstrahlantennen leisten in Gebieten, in denen der Sendemast nicht klar definiert werden kann, gute Dienste. Durch die robuste und witterungsbeständige Bauweise können diese Antennen solide außen an der Hauswand oder auf dem Dach montiert werden. Durch die Stecker und Anschluss Konnektoren kann ein dämpfungsarmes LTE Antennenkabel mit mehreren Metern Länge angeschlossen werden. Im Bild sehen Sie eine Rundstrahlantenne von Poynting. Auch wenn die Antenne nicht wie eine klassische Rundstrahlantenne aussieht, ist es doch eine omnidirektionale LTE Antenne. Sie kann sowohl am Antennenmast montiert, an die Hauswand geschraubt oder auch mit Saugnäpfen an der Fensterscheibe installiert werden.

Die LTE Richtantennen

Diese Antennen bündeln die Energie in nur eine Richtung. Sie müssen deshalb auch relativ genau zum Sender hin ausgerichtet werden. Die Störungen werden geringer und das eigentliche LTE Signal kommt klarer am Empfänger an.

Richtantenne LAT 22 (© FTS Hennig)

Als klassische Richtantenne sehen viele die logarithmischen Antennen. Diese ähneln der Optik alter Fernsehantennen. Aber auch die Antennen in einem Gehäuse aus Plaste können die entsprechende Richtwirkung haben. Dies erkennt man auch an der Reflektor Wand, die meistens aus Aluminium gefertigt ist.

Mit diesen Antennen kann ein Gewinn von 8 bis 15 dBi erreicht werden. Bei Breitband LTE Antennen fällt der Gewinn auf Grund des großen Übertragungsbereiches geringer aus.

LTE Antenne ausrichten & richtig installieren

Es gab Zeiten, in denen wir für das Fernsehen Außenantennen verwendet haben. Im östlichen Teil Deutschlands wurden richtige Bauwerke von Antennenkonstruktionen errichtet. Vierer-Gruppen wurden auf hohen Masten oder auf dem Dach montiert. Es wäre niemandem in den Sinn gekommen, die Antenne in der Wohnung, unterm Dach oder anderswo versteckt zu installieren. Jedem war klar, die Antenne muss hoch und frei installiert werden und es war auch jedem klar, dass das Kabel eine minimale Dämpfung aufweisen muss und auf kürzestem Weg muss ein Verstärker angeschlossen werden. Haben wir das heute alles vergessen?

Auch wenn sich die Zeiten verändert haben, die Technik sich weiterentwickelt hat, die Physik folgt immer noch den gleichen Gesetzen. Wir können diese nicht ändern. Sicherlich benötigen wir diese Antennenkonstruktionen nicht mehr, aber der beste Antennenstandort ist immer noch der höchstmögliche Punkt.

Im Vorfeld der Installation und zum LTE Antenne ausrichten, sollte der Senderstandort in Erfahrung gebracht werden. Dafür gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.

Der Anruf beim LTE Anbieter

Der Netzbetreiber sollte Ihnen fachkundige Informationen zu den Sendestandorten liefern können. Die Erfahrung zeigt aber leider, dass die Damen und Herren am Telefon selbst nur bedingt informiert sind oder im schlimmsten Fall dem Kunden Fehlinformationen liefern.

Selbst ist der Mann bzw. die Frau

Bei der Erstinbetriebnahme des Routers oder bei Ihrem Smartphone mit LTE Empfang haben Sie schon intuitiv festgestellt, dass der Empfang von Raum zu Raum schwankt. Hier können Sie davon ausgehen, dass das Signal aus der Richtung kommt, in der sich der Raum mit dem besten Empfang befindet.

Genauer wird es, wenn Sie das Kartenmaterial der LTE Netzbetreiber benutzen. Unsere Erfahrung hat gezeigt, dass die Karten relativ genau sind und man sehr gut damit arbeiten kann.

Wie kann ich meine LTE Antenne ausrichten?

In diesem Vodafone-Beispiel wurde willkürlich der Standort Machern gewählt. Sie sehen in der Graphik drei farblich abgegrenzte Bereiche:

Weiß: Kein Empfang möglich

Gelb: LTE Empfang über Außenantenne möglich (Outdoor-Bereich)

Ocker: Guter bis sehr guter Empfang, hohe Strahlungsdichte (Indoor-Bereich)

Beispiel: LTE Netzausbreitung Vodafone

Die größte Strahlungsdichte haben wir in der Nähe des Antennenmastes, dem Sender. Um den Sender bilden sich kreisförmige Strahlungsblasen. Je nach geographischer Struktur (Berge & Täler) und den verwendeten Richtantennen der Netzbetreiber wird der Kreis runder oder ausgefranster. Für unser Beispiel haben wir recht homogene Ausbreitungsverhältnisse gewählt. Man sieht also, dass sich der bessere Empfang im östlichen Teil zeigt und Bennewitz sich in der Mitte befindet. Wir können daher sagen, ein Sendestandort befindet sich in der Nähe von Bennewitz. Die Überlegung ist also LTE Antenne ausrichten nach Bennewitz.

Jetzt muss geprüft werden, ob es noch weitere derartige Sendeblasen in der Nähe gibt und damit weitere potentielle Sendestandorte. In unserem Fall sehen wir zwar im Westen ein Verfügbarkeitsgebiet, aber davor (die Senkrechte um Brandis) gibt es gar keine LTE Verbindung.

Damit wissen wir, dass wir LTE Geschwindigkeit nur von Bennewitz empfangen können. Es erfolgt nun LTE Antenne ausrichten nach Bennewitz.

Wie kann ich die LTE Verfügbarkeit prüfen?

Der Anbieter cellmapper.net veranschaulicht in einer interaktiven Karte Informationen zu bestehenden LTE-Standorten der einzelnen Anbieter (Telekom, Vodafone, ect.) Zudem bietet diese Karte auch die Möglichkeit die weltweite LTE Verfügbarkeit zu prüfen. Wählen Sie einfach im oberen Feld den Netzbetreiber aus und geben Ihren Standort mit Ort oder PLZ an. Schon erscheinen die anliegenden Sendemasten. Durch Zoomen erscheinen mehr Details. Diese Karte ist relativ genau, aber jedoch noch keine offizielle Aussage.

Für die Bestimmung der exakt bestehenden LTE Verfügbarkeit, ist es ratsam vorab den jeweiligen Provider zu kontaktieren und die LTE Verfügbarkeit an der Adresse zu erfragen. Passende Tarife zum Surfen im LTE Netz verschiedener Anbieter finden Sie hier.

LTE Advanced & Carrier Aggregation

Das 3rd Generation Partnership Project und das Normungsgremium für LTE Bands legte die "Advanced" Anforderungen durch die Standardisierung der LTE Advanced Technologie im Rahmen seiner Release 10 fest. LTE Advanced umfasst dabei eine ganze Reihe von Funktionen. Eines der wichtigsten Merkmale ist die Carrier Aggregation (CA), zu Deutsch die Träger-Zusammenfassung. LTE Advanced ermöglicht die Aggregation von maximal fünf Komponententrägern bis zu 20 MHz Bandbreite, um eine Gesamtübertragungsbandbreite von bis zu 100 MHz LTE Geschwindigkeit zu erreichen. Keiner der Service-Provider besitzt ein kontinuierliches Spektrum von 100 MHz - auch nicht nach der letzten Frequenzauktion. Daher müssen mehrere Frequenzen im Verbund genutzt werden. Es gibt drei verschiedene Träger-Aggregationen:

Die Signalisierung an einem Endbenutzergerät mit Träger-Aggregation beeinflusst nur bestimmte Schichten, nicht den gesamten Protokollstapel. Zum Beispiel ist das Endkundengerät dauerhaft mit der versorgenden Primärzelle (PCell) verbunden. Non-Access-Stratum-Funktionalität (NAS) wie Sicherheit, Schlüsselaustausch-und Mobilitätsinformationen, werden von der PCell zur Verfügung gestellt. Alle Nebenkomponententräger werden als zusätzliche Übertragungsressourcen verstanden und bei Downloadaufforderungen zugeschaltet.

Carrier Aggregation ist eine wichtige Voraussetzung für LTE Advanced, um den IMT-Advanced-Anforderungen an Spitzendatenraten gerecht zu werden. Die Netzbetreiber nehmen diese Möglichkeit gerne auf, denn es ermöglicht auch die Aggregation von verschiedenen Spektrums-Fragmenten. Mit dem FDD Verfahren findet der Datenverkehr zur gleichen zeit in zwei Frequenzbändern statt.

Wie sieht Carrier Aggregation vereinfacht bei LTE Advanced aus?

Mit der Erweiterung des LTE-Netzes werden parallel zu den Netzen im LTE 800 MHz-Bereich bei der Telekom das 1800 MHz-Netz und bei Vodafone das 2600 MHz-Netz aufgebaut. Der Trick besteht nun darin, dass ein Kanal im GigaCube Router bei 800 MHz arbeitet und der andere bei 1800 bzw. 2600 MHz. Damit verdoppelt sich der Datendurchsatz. In der Zukunft wird man dann sogar 4 Kanäle benutzen. Die Netzbetreiber Vodafone und Telekom begannen laut eigenen Aussagen 2014 mit dem Ausbau. T-Mobile setzt in den USA auch auf den 600 MHz Bereich.

High-Speed-Verbindungen in völlig neuen Dimensionen sollen somit zukünftig für Vodafone LTE Router möglich sein - jenseits der üblichen DSL-Geschwindigkeiten. Man darf also hohe Erwartungen an den neuen "Long-Term-Evolution"-Standard stellen.

Cebit 2014 am Stand der Telekom mit LTE Router (© FTS Hennig)

Was bedeutet LTE Advanced für Sie als Kunden?

Mit der Einführung des neuen HUAWEI LTE-Routers werden Sie eine bessere und verlustfreiere Verteilung im Haus haben. Mit der Carrier-Aggregation wird sich die zur Verfügung stehende Bandbreite wesentlich verbessern. In den ländlichen Regionen, Randgebieten oder Häusern mit guter Isolierung und Dämmung werden Sie weiterhin mit guten Außenantennen arbeiten müssen. Die klassische Bereichsantenne hilft Ihnen nur noch bedingt weiter. Das Gerät wird sich sicherlich einbuchen, aber die gewünschte Bandbreite wird nicht anliegen, da zukünftig das verwendete Frequenzband nicht mehr genau vorhergesagt werden kann. Es werden dann bisweilen 800 MHz und 1800 MHz oder 800 MHz und 2600 MHz zugleich sein.