LTE Advanced mit Carrier Aggregation, MIMO & OFDM-Modulation

Die wahrhafte 4G Technologie: LTE Advanced

Was heute als LTE (Long Term Evolution) bezeichnet wird, ist nur ein Vorläufer in der Entwicklung der eigentlichen 4G-Technologie mit dem Namen "IMT Advanced". Die unter der Schirmherrschaft der 3GPP entwickelte neue Technologie wird LTE Advanced genannt. Die Entwicklung von LTE Advanced kam 2014 in Deutschland langsam in Fahrt. 4G befindet sich Ende 2015 immer noch in den Kinderschuhen, doch die Zukunft des mobilen Internets ist zum Greifen nah.

Um mit den anderen Entwicklungen in der Drahttechnik, WLAN- und Netzwerktechnik Schritt zu halten, musste auch der Mobilfunkbereich weiter ausgebaut werden. CAT6 und CAT7 bieten Übertragungsraten von 1000 MBit/s. Diese Geschwindigkeit soll auch via Mobilfunk perspektivisch erreicht werden.

 

Aus technischer Sicht kann die Entwicklung von LTE Advanced / IMT Advanced als Evolution der UMTS / W-CDMA Technologie und LTE betrachtet werden.

Wichtige Merkmale von LTE Advanced

Für den Aufbau von LTE Advanced wurden eine Reihe wichtiger Anforderungen und Schlüsselfunktionen definiert. Der Weg dorthin ist durch die LTE Spezifikation noch nicht eindeutig festgelegt. Die Ziele dagegen stehen fest.

Wie genau die Ziele umgesetzt werden, wird die Zukunft zeigen. Die Schlüsseltechnologien für die hohen Datendurchsatzraten bei LTE Advanced werden MIMO, OFDM und Carrier Aggregation sein.

MIMO

Bei der Signalübertragung in der Funktechnik gibt es zwei entscheidende Probleme. Zum einen sind es die Interferenzen zwischen zwei (oder mehr) Übertragungskanälen und zum anderen die Größe des Datendurchsatzes im Kanal selber. Der Datendurchsatz wird durch das Shannon-Gesetz, die theoretische Obergrenze der Bitrate eines Übertragungskanals in Abhängigkeit der Bandbreite, bestimmt. MIMO bietet die Möglichkeit, mehrere Signalwege zwischen Sender und Empfänger zu verwenden. Damit wird der Datendurchsatz auf ein und demselben Kanal deutlich verbessert. Bei LTE Advanced soll die MIMO Technologie wirklich eingesetzt werden. Bei dem jetzt verfügbaren LTE wird davon geredet aber noch nicht in vollem Umfang verwirklicht.

Mit dem MIMO-Raummultiplex-Verfahren werden in einem Kanal zusätzliche Übertragungspfade geschaffen. Durch dass 2x2 MIMO Verfahren verdoppelt sich die Übertragungskapazität. Bei 4x4 oder 8x8 MIMO wächst die Kapazität auf das 4- oder 8-fache an.

Für die Übertragung in den verschiedenen MIMO-Technologien müssen sowohl die Sendestationen der Netzbetreiber wie auch die Endgeräte, wie Router, Smartphones etc., in der Lage sein, die Einzelpfade zu einem Summensignal wieder zusammenzusetzen.

Für den Nutzer wird neben der Gerätetechnik die Verwendung der richtigen Sende- und Empfangsantenne ein entscheidendes Kriterium. Wenn ein Übertragungsweg wie LTE oder LTE Advanced mit MIMO-Übertragung verwendet wird, benötigt man auch eine MIMO-Antenne.

OFDM-Modulation

Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) ist eine Art der Übertragung, bei der eine große Anzahl von Trägern mit niedrigen Datenraten moduliert wird. Damit diese Träger nicht miteinander interferieren, liegen diese orthogonal zueinander. Die zu übertragenden Daten werden über alle Träger aufgeteilt. Damit wird das Signal enorm widerstandsfähig gegen Fading (Schwund) und Multi-Path-Effekte.

Carrier Aggregation – Träger oder Kanal Aggregation

Bei der Frequenzversteigerung erhielten die Netzbetreiber in unterschiedlichen Frequenzbereichen (800 MHz, 1800MHz, 2100 MHz und 2600 MHz) nur kleine Kanalpakete, die oft nur 10 MHz an Kanalbreite aufweisen. In diesem kleinen Spektrum können die gewünschen Datenraten nicht übertragen werden. Deshalb wird eine Bündelung von Kanälen im gleichen Frequenzbereich und/oder von Kanälen unterschiedlicher Frequenzbereiche notwendig. Dieser technische Vorgang wird Carrier Aggregation genannt.

Laut der Zeitschrift Telecom Handel sind die Frequenzen für die Netzbetreiber so angeordnet. Sie sehen, dass kein Netzbetreiber größere Kanalpakete zusammenhängend zur Verfügang hat. (© FTS Hennig)

Wenn Vodafone 20 MHz im 800-MHz-Bereich und 20 MHz im 2600-MHz-Bereich zu 40 MHz bündelt, können theoretisch 225MBit/s übertragen werden. Diesen Datendurchsatz konnten Vodafone und Telefonica auch schon tatsächlich realisieren. Die Telekom hat die Möglichkeit 1800er und 2600er Bereiche zu kombinieren und erreicht damit 300MBit/s mit Carrier Aggregation.

Die Graphik verdeutlicht die unterschiedlichen Möglichkeiten der Kanalbündelung für die Netzbetreiber. (© FTS Hennig)

Wie oben schon beschrieben, steht das augenblickliche Ziel bei 1000 MBit/s. Mit den 225 bzw. 300 MBit/s stehen wir immer noch fast am Anfang der Entwicklung. Es ist geplant, mit Carrier Aggregation bis zu 5 Kanäle zu bündeln. Damit würde man dem Ziel schon recht nah kommen.

E-Plus nutzt CoMP LTE

Obwohl LTE Advanced CoMP (Coordinated Multipoint) sehr komplizierte technische Verfahren voraussetzt, bringt es für die Netzbetreiber große Vorteile. Vereinfacht funktioniert es so: Der Nutzer erhält sein Datensignal nicht nur von einer Basisstation sondern auch von einer zweiten oder dritten Station in einem anderem Ort. Durch die gleichzeitige Bereitstellung von Verbindungen zu mehreren Basisstationen können zum einen mehr Daten übertragen werden und zum anderen die Ressourcen des Netzbetreibers besser verteilt und ausgelastet werden. Durch die Anwendung verschiedener Techniken können hier Interferenzen nutzbringend verwendet werden.

LTE wird bei E-Plus über CoMP LTE realisiert. (© FTS Hennig)

Zellrand-Leistung (cell edge performance)

In den Plänen zu LTE Advanced steht, die Zellrand-Leistung solle verdoppelt werden. Sehr viele meiner Kunden schlagen sich mit dem Thema herum. Hier geht es einfach um die Verbesserung der Empfangsleistung und des Datendurchsatzes in den Randgebieten von LTE Zellen. In unmittelbarer Nähe zum Sender wird es keine Probleme geben, aber je weiter Sie sich entfernen, nimmt die Signalstärke ab, die Störungen nehmen im Verhältnis zu und der Datendurchsatz schwindet dahin.

Die neuen Technologien wie MIMO, OFDM und fortschrittliche Fehlerkorrekturverfahren verbessern die Download-Geschwindigkeit, aber die Probleme in den Randgebieten werden nicht vollständig gelöst werden können. Die Netzbetreiber denken hier über die Verwendung von LTE Relais nach. Relais darf man nicht mit Repeatern verwechseln. Ein Relais demoduliert das Signal, führt die Fehlerkorrektur durch und sendet das Signal weiter. Repeater reichen das Signal nur durch und das Signal-Rauschverhältnis steigt an. Deshalb können an dieser Stelle auch keine Repeater verwendet werden. Durch die Relais kann die Netzwerkdichte, ohne zusätzliche Basisstationen aufzubauen, verbessert werden.

Wie alles begann: HUAWEI Router für bis zu 300 MBit/s

Auf der Cebit 2014 stellten Telekom und Vodafone die neue LTE Advanced Generation 6 bzw. die LTE Plus Netze vor. Im gleichen Jahre wurde mit der Carrier Aggregation begonnen. Für ihre Kunden präsentierten Vodafone und Telekom den neuen LTE-Router E5186s-22a von HUAWEI. Die Telekom gab dem (leider abgespeckten) Gerät dann für den Verkauf den Namen Speedbox LTE und bei Vodafone wurde der Router unter der Bezeichnung B4000 angeboten.

Zunächst konnten die Kunden aber nur wenige Neuerungen des Routers genießen. Aufgrund der veränderten Netzwerkkomponenten verfügten die LAN-Ports über Gigabit-Anschlüsse und WLAN auf 2,4 GHz und 5,8 GHz. Für Kunden mit Empfangsproblemen gibt es von Beginn an die Möglichkeit, externe Antennen anzuschließen. HUAWEI hatte es nun auch geschafft, die SMA-Buchsen so im Gehäuse zu integrieren, dass man problemlos die Koxialkabel anschrauben kann.

HUAWEI LTE Router E5186s-22a (© FTS Hennig)

Optimistische Pläne für das mobile Internet der Zukunft

Bei der Telekom soll letztlich mit diesem Router eine Geschwindigkeit von 300 MBit und bei Vodafone eine Geschwindigkeit von 225 MBit erreicht werden können. Dies kann unter Anwendung der MIMO-Technologie auch tatsächlich erreicht werden. Wie mir ein Mitarbeiter von HUAWEI auf der Messe berichtete, war dies in den Netzen allerdings noch gar nicht der Fall. Über den aktuellen Stand schweigt man sich aus. Die 300 MBit Netze werden mit 2×2 MIMO-Technologie ausgerüstet. Auf dem Cebit-Stand der Telekom war sogar ein Aufbau mit 4×4 MIMO-Technologie zu sehen. Das Gerät hatte noch Schuhkartongröße und es wurden Geschwindigkeiten um die 500 MBit/s erreicht.

Sowohl bei der Hardware-Entwicklung als auch bei der Tarif-Gestaltung ergeben sich aus diesen möglichen Leistungsdaten enorme Möglichkeiten und Spielräume. Die großen drei Mobilfunk-Netzbetreiber in Deutschland haben ihre Tarife bereits mehrfach angepasst und umstrukturiert, viele Hersteller bieten bereits LTE-fähige Smartphones & Tablets an und am Beispiel von Drei Austria und dem 3HuiTube sieht man, dass bei diese Entwicklungen noch lange kein Ende in Sicht ist.

Wir hatten dann, nach all diesen Ankündigungen und beeindruckenden Aussichten seit der Cebit-Messe, im Oktober 2014 voller Hoffnung die Speedbox LTE III im Test - und waren leider sehr enttäuscht.

Es wird also wohl noch eine ganze Weile dauern, bis sich leistungsstarke und wirklich überzeugende Geräte flächendeckend durchsetzen. Zum Glück wurde der Router-Zwang abgeschafft.