Jetzt kommt LTE!

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Die Deutsche Telekom macht beim Ausbau ihres Mobilfunknetzes Dampf. Ab sofort ist LTE als nächste Evolutionsstufe in 50 Städten verfügbar, zu denen Berlin, Bremen, Bochum und Stuttgart gehören, wie der Konzern am 3.7.2012 mitteilte. Bis zum Ende des Jahres sollen 50 weitere Städte hinzukommen. Das setzt Diskussionen über die Nutzung der neuen Mobilfunkgeneration in den Unternehmen frei.

In vielen Publikationen wurde LTE noch mit Datenraten zwischen 20 und 50 Mbit/s. für den Benutzer diskutiert. Die Telekom verwendet aber die neueste definierte Variante, LTE 10, mit bis zu 100 Mbit/s. Möglich wird dies vor allem durch den konsequenten Ausbau des Backbones. Dieser ist nach Angaben des Unternehmens grundsätzlich darauf ausgelegt, ca. 10 Millionen Benutzer in Deutschland mit jeweils mindestens 50 Mbit/s zu versorgen. Das ist die Datenrate, die ein Privathaushalt heute schon mit VDSL bekommen und z.B. für mehrere parallele HDTV-Datenströme im Rahmen von Entertain nutzen kann. Durch die Einführung von LTE ist es im Grunde genommen jetzt gleichgültig, ob der Kunde einen festen oder mobilen Anschluss benutzt. Gleichermaßen kann in Gegenden, in denen die Verlegung von Kabeln oder Glasfasern unwirtschaftlich ist, eine Versorgung auf dem Funkwege herbeigeführt werden, die in ihrer Qualität der über Kabel prinzipiell nicht nachsteht. Das war ja auch eine politische Auflage bei der Vergabe der LTE-Lizenzen.

Die Telekom ist mit ihrer Ausbauoffensive jedoch nicht alleine. Der Konkurrent Vodafone deckt nach eigenen Angaben schon heute 45 % des Landes ab, das wären umgerechnet 14,5 Millionen Haushalte. Bis 2015 soll das gesamte Netz umgerüstet werden. Auch Deutschlands kleinster Mobilfunkanbieter O2, eine Tochter der spanischen Telefonica, steigt in das LTE-Geschäft ein. Bis Jahresende sollen neun deutsche Ballungsräume, darunter Nürnberg und Dresden, mit LTE erschlossen sein. Lediglich ePlus hat bislang keine Pläne für LTE veröffentlicht.

Ein alter Satz, den jeder Referent bei der Frage berücksichtigt, ab welcher Teilnehmerzahl er einen Vortrag halten muss, lautet „Tres auditorium faciunt“, also: (mindestens) drei Zuhörer schaffen eine Zuhörerschaft. Tres certamen faciunt ist jetzt das Motto: drei Provider reichen für einen Wettbewerb, wie wir ihn schon kennen, mit permanent sinkenden Preisen für den Benutzer. Zu Beginn sollte man jedoch nicht zu viel erwarten, denn alleine für die Lizenzen hat jeder Provider über eine Milliarde Euro hinlegen müssen. Die Kosten für den Netzausbau in Deutschland sind nicht bekannt. In den USA gab es ja bereits eine Aufrüstungswelle und Provider wie Sprint oder AT&T durften jeweils bi zu 45 Mrd. US$ dafür ausgeben. Die Kosten liegen nicht so sehr bei den Antennen für die letztliche Versorgung der Benutzer, weil LTE ja eine technische Weiterentwicklung von UMTS ist und hier noch viele Teile der Infrastruktur benutzt werden können, sondern vielmehr bei den Backbones, die die Leistung zu den Versorgungseinrichtungen bringen muss.

Mit welchen Endgeräten kann man LTE nutzen? Natürlich mit den schon bekannten. Für Notebooks gibt es im einfachsten Fall LTE-Sticks, wie sie ja von Vodafone schon länger angeboten werden. Bei Pads benutzt z.B. das iPad 3 einen Chip von Qualcomm, der auch im iPhone 5 Verwendung finden wird. Die Deutsche Telekom hat aktuell noch kein Smartphone mit LTE im Angebot, aber mit der Einführung des iPhone 5 spätestens zum Herbst wird sich das ändern. Natürlich wird es auch Alternativen mit Android geben. Haushalte bekommen für den Anschluss an LTE wie gewohnt einen Router, aktuell gibt es dafür nur zwei Hersteller, nämlich Huawei und Fritz!box. Der Huawei-Router wird von allen drei Providern verteilt.

LTE ist seiner Struktur nach ein geordnetes Funknetz. Es gibt Basis-Stationen, bei denen sich die Subscriber Stationen anmelden müssen. Weiterhin sind in Up- und Downlink nicht nur unterschiedliche Datenraten, sondern auch unterschiedliche Übertragungs- und Modulationsverfahren möglich.

In 2004 startete das LTE-Projekt (Long Term Evolution) zur Verbesserung des UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) mit folgenden Basis-Zielen:

  • Drei- bis vierfacher Durchsatz für den Benutzer gegenüber HSPDA im Downlink
  • Zwei- bis dreifache Leistung gegenüber HSPUA im Uplink
  • Optimierung der Radio Access Technik von 3GPP

Mit LTE wurden Übergangsstrukturen zu bisherigen Wireless Versorgungsstrukturen ab UMTS definiert. LTE benutzt OFDMA als Downlink-Technologie. Diese Weiterentwicklung von OFDM erlaubt es, die vielen definierten orthogonalen Unterträger systematisch auf eine Vielzahl von Benutzern abzubilden, bildlich einige Unterträger pro Benutzer.

Ein wesentliches Ziel bei der Schaffung der LTE-Definitionen ist die Lösung einiger Probleme der so genannte „Altgenerationen“. EVDO, HSDPA und HSPA haben wirklich keinen ermutigenden Durchsatz. Das wirkliche Problem ist die schlechte spektrale Effizienz der alten Verfahren. Was bedeutet das? Nachrichtentechnisch gesehen wird das Fenster, in dem man eine Übertragung stattfinden lassen kann, durch die Bandbreite eines Kanals und die Dämpfung auf dem Übertragungsmedium bestimmt. Das ist immer und für alle Übertragungssysteme so, ob nun mit Kabel oder ohne. Bei metallischen Leitern oder Lichtwellenleitern hat man jedoch den Vorzug, dass die Dämpfung relativ gering ist. Bei drahtlosen Systemen ist sie an sich schon recht hoch und steigt außerdem in Abhängigkeit vom benutzten Frequenzbereich entlang zunächst unwichtig erscheinender Parameter wie die Luftfeuchtigkeit. Millimeterwellen können damit ein ernsthaftes Problem haben. Die spektrale Effizienz ist ein Maß dafür, wie viele zu übertragende Bits denn nun effektiv mittels eines Modulationsverfahrens pro Zeiteinheit durch das Übertragungsfenster geschickt werden können. Die alten Verfahren benutzen einfach simple Modulationsverfahren, die hier wenig schaffen. LTE kann das mit OFDM(A) deutlich besser.

Jetzt könnte man noch sagen, dass das ja vielleicht nicht so entscheidend ist, aber ein wesentlicher Punkt ist der, dass eine schlechte spektrale Effizienz auch dazu führt, dass man die Basis-Stationen sehr dicht aufstellen muss, damit überhaupt noch etwas passiert. Und jede Basis-Station kostet Geld, ganz abgesehen davon, dass sie ja ihrerseits wieder einen Netzwerk-Anschluss benötigt. Die Erhöhung der Sendeleistung ist hier auch keine Lösung, denn diese ist gesetzlich festgelegt, um die Grenzwerte für die Belastung der Bevölkerung durch elektromagnetische Wellen nicht zu überschreiten.

Wie es sich für eine Evolution gehört, ist LTE nichts wirklich Neues, sondern fügt der bisherigen 3G Grundstruktur zusätzliche Komponenten hinzu (die roten im Bild). Dabei gibt es auch wieder Unmengen neue Schnittstellen, was die Komplexität natürlich enorm senkt. Das Einzige, was ein Benutzer davon „zu sehen“ bekommt, ist das RAN links im Bild, das Radio Access Network. Alle anderen Komponenten dienen lediglich dazu, die LTE-Leistungen irgendwie sinnvoll in das bestehende Gesamtspektrum einzubinden. Wie man sofort sieht, kann sich das wenn überhaupt nur für solche Betreiber lohnen, die bereits hohe, noch nicht vollständig abgeschriebene Investitionen in bestehende 3G-Netze getätigt haben.

Die Eigenschaften von LTE R10 sind:

  • Hohe spektrale Effizienz, Robustheit gegenüber Interferenzen, OFDMA Downlink, Single Carrier FDMA Uplink
  • Sehr geringe Latenz
  • Unterstützung variabler Kanalbandbreiten 1,4 … 20 MHz
  • Einfache Protokollarchitektur
  • Einfache Systemarchitektur mit eNodeB als einziger Komponente
  • Kompatibilität und Zusammenarbeit mit früheren 3GPP-Releases

Auf dem Downlink benutzt LTE OFDMA. Dadurch ergeben sich zwei Organisationsalternativen für den Verkehr zwischen Base Station und Subscriber Station. Zum einen kann der OFDMA-Datenstrom wie bei WiMax ganz normal verarbeitet werden. Zum anderen bietet OFDMA aber auch eine Möglichkeit, den Downlink-Verkehr in Unterkanäle zu organisieren. Diese können dann durch eine weitere Komponente, den so genannte Home Node Broadband Controller HNB, weiter zerlegt und den angeschlossenen Endgeräten zugeführt werden. Endgeräte und HNB bilden dabei eine so genannte Femtozelle. Strukturell entspricht das der Zerlegung eines DSL-Anschlusses via eines Wireless Routers bei einer Heim-Versorgung. Der Unterschied ist aber, dass die ganze Sache letztlich von der LTE-Basis-Station gesteuert werden kann. Der HNB ist kein komplexes Gerät und kann eigentlich überall implementiert werden, wo es ein bisschen Strom gibt, also auch in einem der Endgeräte in der Femto-Zelle.

Kern aller wirklichen Fortschritte mit LTE ist die MIMO-Antennentechnologie. Sie wurde in den letzten 10 Jahren für anspruchsvolle drahtlose Übertragungssysteme entwickelt, z.B. WLAN: 802.11n, WiMAX, 3GPP UTRAN HSPA R6 und R7.

Es gibt innerhalb der 3GPP-Standards eine Reihe unterschiedlicher MIMO-Verfahren.

Es ist die Aufgabe der Basis-Station, diejenige Variante zu wählen, die am besten zu den Bedingungen rund um die Mobilen Stationen passt. Ein fundamentales MIMO-Verfahren ist der vorcodierte Raum-Multiplex (Spacial Multiplex, SM), bei dem multiple Informationsströme gleichzeitig von der Basis-Station zu einer Mobilen Station geschickt werden. In Kombination mit geeigneten Antennenkonfigurationen sind diese Verfahren für Umgebungen mit hohen Streuungen hinsichtlich des SINR (Signal-to-Interfrence-and-Noise Ratio) zwischen Basis-Station und Mobilen Stationen geeignet.

Messungen am Empfänger der Basis-Station und Feedbacks der Mobilen Stationen helfen der Basis-Station dabei, die Maximalzahl paralleler Ströme, die zwischen Basis-Station und Mobilen Stationen unterstützt werden können, zu bestimmen.

SM wird um Techniken wie Beamforming und Open Loop Transmit ergänzt, die vor allem dann verwendet werden können, wenn sich die Bedingungen für SM verschlechtern. Die Fähigkeit, ein hinsichtlich der aktuellen Bedingungen optimales MIMO-Schema dynamisch wählen zu können, ist ein wesentliches Charakteristikum von LTE.

Die Antennenbauarten an den Türmen der Base-Stations haben wesentlichen Einfluss auf die Gestaltungsmöglichkeiten der MIMO-Schemata:

  • Nah aneinander stehende Antennen sind optimal für Beamforming
  • Weit auseinander liegende Antennen sind ideal für SM und Transmit Diversity

Die Schlüsselfunktionen in Gestaltung und Modulation/Codierung dienen der Verbesserung des SINRs und der Aufteilung des SINRs.

Ein verbessertes SINR kann mit aggressiverer Modulation und höherer Code-Rate zur Übertragung mit höheren Datenraten genutzt werden. Leider kann man das nicht beliebig steigern, weil es eine Sättigung der Kurve Durchsatz vs. SINR gibt.

Bei festliegendem Verhältnis von Sendeleistung, Antennengewinn und Empfängerempfindlichkeit ergibt sich immer ein Zusammenhang zwischen Reichweite und Leistung. Das kann man nun durch Vorcodierung, Beamforming und Antennen-Array-Technik beeinflussen. Leider nutzt dies eher an der Grenze des Versorgungsbereiches als in der Nähe der Basis-Station.

Eine Leistungssteigerung der Netto-Datenrate unter Interferenzminimierung kann nur durch die Einführung multipler paralleler Kanäle erzielt werden. Dafür bieten sich folgende Kombinationen an:

  • OFDM-Multiplex (OFDMA)
  • MIMO-OFDM
  • MIMO-OFDM-Multiplex (MIMO-OFDMA)

Das Bild 4 macht das schematisch klar. Der OFDMA-Prozess kann dazu genutzt werden, schon bei der Abbildung auf die vor der Signalsynthetisierung liegenden QAM-Quadranten eine Vor-Organisation vorzunehmen.

Zusammenfassung und Ausblick
LTE kombiniert OFDM-basierten Multiplex (OFDMA) und Multi-Antennentechnik (MIMO). Daraus ergibt sich eine sehr große Anzahl von Kombinationen, Konfigurationen und Leistungsmerkmalen:

  • Vorcodierung (Gallagher, LPDC, ….)
  • Basismodulation (BPSK, QPSK, QAM, 16-QAM, 64-QAM)
  • OFDMA-Kanalorganisation (SC, MC, Femto …)
  • MIMO-Antennentechnik (2X2, 3X2, 3X3, 4X2, 4X3, 4X4, …)

LTE ist für diejenigen Provider gedacht, die bereits hohe Investitionen in 3G-Netze getätigt haben und dies weiterentwickeln wollen.

LTE ist die einzige Technologie, die einen Porsche Carrera bei ansonsten leerer Autobahn unterbrechungsfrei mit dem Internet verbinden kann. Wesentlich wichtiger für durchschnittliche Unternehmen ist aber die Tatsache, dass sie mit LTE mobile Anwendungen auch außerhalb der sonst üblichen WLAN-Abdeckung innerhalb des Unternehmens mit einer der WLAN-Versorgung vergleichbaren Qualität unterstützen können, denn die LTE-Leistung von max. 100 Mbit/s. steht jedem Benutzer individuell zur Verfügung. Ein WLAN nach IEEE 802.11ac arbeitet immer noch als Shared Medium System. Die erste ac-Generation wird günstigenfalls ca. 750 Mbit/s. unterstützen, also rund 7-8 Benutzer mit einer Qualität, die der Versorgung mit LTE vergleichbar wäre. Dies führt natürlich sofort in Diskussionen, die eine WLAN-Flächendeckung mit allen Konsequenzen wirtschaftlich einer LTE-Versorgung, die man einfach im Sinne von Gruppenlizenzen anmietet, gegenüberstellt.

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2 Kommentare zu "Jetzt kommt LTE!":

  1. K-H Lippert schreibt:

    Hallo, für mich ist die Implementierung von LTE schon wieder eine Totgeburt, da sie mit Volumentarifen verbunden wird. Ja, sie nennen sich Flatrate, sind es aber nicht. Ein bekannter Anbieter mit V., der bei mir verfügbar ist, bietet als Flatrate eine Volumenbegrenzung (wie krank) von 15 GB – super, klingt richtig toll. Wer braucht schon mehr –> wir haben 2012 und die Leute sehen Filme in HD. Letztes Wochenende habe ich ein Spiel für die PS3 geordert – einfach mal 16 GB, d.h. nach 15 GB werde ich auf 64 Kbit geschltet und der Sertver denkt, die Kommunikation ist abgebrochen – 1 Monat in den Wind geschrieben: Spiel nicht erhalten und der Monat verläuft mit 64 kbit – da gehen nicht mal Webseiten, wegen Flash und so weiter. Und dann nennt sich das Ganze noch DSL-Ersatz – na Prost Mahlzeit.
    Die Provider sind noch lange nicht in der Neuzeit angekommen – die ganzen Lobeshymnen auf neue Technologien und die Freiheit der Kommunikation ist alles noch Fiktion.
    Mit wenig Hoffnung auf Besserung
    K-H Lippert

  2. Dr.Kauffels schreibt:

    Hallo Herr Lippert

    Die Bindung von Volumina an Flatrates ist ein rein markt-technisches Instrument um den Preis scheinbar niedrig erscheinen zu lassen, vergleichbar dem Kober-Preis bei Miet-Mädels. Das Leid mit den Providern gehört zum Alltag. Ich bin z.B. nur ein Haus weiter gezogen und wollte von meinem Provider in der neuen Wohnung die gleiche Leistung mit VDSL und HDTV wie in der alten. Das hat fast 4 Wochen gedauert. Am Ende lag es nicht an der Technik, sondern am Kundenverwaltungssystem: die Zusatzleistung wird vom System nur dann gebucht, wenn vorher eine Basisleistung existiert. Also musste ich erst einen normalen Telefonanschluss mit DSL bestellen, der dann wiederum nach einiger Zeit auf einen IP-Anschluss mit VDSL hochgerüstet werden konnte. In diesem Zuge musste ich das Empfangsgerät wieder zurückschicken um ein paar Tage später ein neues identisches Gerät zu bekommen. Ich bin jetzt mal auf die Abrechnung gespannt. Aber: die Hoffnung stirbt zuletzt :-)
    Viele Grüße
    Dr.Kauffels

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