Mobilfunktechniken werden Generationen zugeordnet: Der GSM-Standard steht für die zweite Generation, UMTS für die dritte Generation. LTE folgte auf UMTS und HSDPA und wird als 4G-Technik eingeordnet.
LTE wurde für mobiles Breitband und den mobilen Internetzugang entwickelt. Im Unterschied zu älteren, stärker leitungsvermittelten Systemen behandelt LTE Sprach- und Datendienste grundsätzlich über eine paketorientierte Infrastruktur. Dadurch können Netzressourcen flexibel genutzt und Übergänge zu weiterentwickelten Mobilfunkstandards vorbereitet werden.
Standardisierung und Funkverfahren
Die grundlegende LTE-Technik wurde vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) in Release 8 festgelegt. Für die Funkübertragung kombiniert LTE mehrere Verfahren: Im Downlink wird OFDMA eingesetzt, während im Uplink SC-FDMA zum Einsatz kommt. Letzteres begrenzt Leistungsspitzen im Sendesignal und ist deshalb für mobile Endgeräte vorteilhaft.
Die tatsächlich erreichbare Datenrate hängt unter anderem von Kanalbandbreite, Modulationsart, Antennenkonfiguration, Funkbedingungen, Entfernung zur Basisstation und Auslastung der Funkzelle ab. Die erste LTE-Ausbaustufe sah unter günstigen Bedingungen theoretische Spitzenwerte von bis zu 150 Mbit/s im Downlink und 50 Mbit/s im Uplink vor.
Bandbreite und Modulation
LTE unterstützt unterschiedliche Kanalbandbreiten. Je nach Frequenzzuteilung und Netzausbau können schmale oder breite Kanäle verwendet werden; die standardisierten Größen reichen bis 20 MHz. Für die Übertragung nutzt das System unter anderem QPSK und Quadraturamplitudenmodulation. Robuste Modulationsarten helfen bei ungünstigen Funkbedingungen, während höherwertige Modulationen bei guter Signalqualität mehr Daten pro Zeiteinheit übertragen.
Brutto- und Nutzdatenrate unterscheiden
Technische Spitzenwerte beschreiben ideale Bedingungen. Protokollanteile, geteilte Funkressourcen, Endgerätefähigkeit und die jeweilige Netzsituation reduzieren die im Alltag nutzbare Geschwindigkeit.
MIMO und Antennentechnik
Multiple Input Multiple Output (MIMO) arbeitet mit mehreren Sende- und Empfangsantennen. Je nach Betriebsart lassen sich parallele Datenströme übertragen oder unterschiedlich eintreffende Signalanteile kombinieren. Damit kann MIMO die Datenrate, Empfangsqualität und Robustheit der Verbindung verbessern.
Mehrere Antennen können zu einem Antennenarray zusammengefasst werden. Der konkrete Gewinn hängt dabei von Antennenabstand, Ausbreitungsumgebung, Signalverarbeitung und unterstützter MIMO-Konfiguration ab. Eine größere Antennenzahl führt daher nicht unter allen Bedingungen automatisch zur gleichen Leistungssteigerung.
Architektur eines LTE-Netzes
Die LTE-Systemarchitektur heißt System Architecture Evolution (SAE). Sie trennt Signalisierungsaufgaben in der Control Plane vom Transport der Nutzdaten in der User Plane. Das Kernnetz wird als Evolved Packet Core (EPC) bezeichnet.
Die LTE-Basisstation stellt die Funkverbindung zum Endgerät her und koordiniert die Funkressourcen.
Die Mobility Management Entity übernimmt zentrale Steuerungs- und Mobilitätsaufgaben.
Der Home Subscriber Server verwaltet Teilnehmer- und Zugangsprofile.
Serving Gateway und PDN Gateway führen Nutzdaten durch das Kernnetz und zu externen Datennetzen.
Das mobile Endgerät wird im Standard als User Equipment (UE) bezeichnet. Während einer Bewegung zwischen Funkzellen sorgt das Netz für Mobilitätsverwaltung und Übergaben, damit eine bestehende Datenverbindung möglichst erhalten bleibt.
LTE-Frequenzen und Reichweite
LTE ist kein einzelnes Frequenzband, sondern kann in zahlreichen standardisierten Bändern betrieben werden. In Deutschland wurden unter anderem Frequenzen um 800 MHz, 1,8 GHz und 2,6 GHz für LTE genutzt. Die konkrete Belegung verändert sich mit Frequenzzuteilungen, Netzmodernisierungen und der parallelen Nutzung durch neuere Mobilfunktechniken.
Niedrigere Frequenzen breiten sich tendenziell weiter aus und dringen besser in Gebäude ein. Sie eignen sich daher besonders zur Flächenversorgung. Höhere Frequenzen ermöglichen bei verfügbarer Bandbreite mehr Kapazität, benötigen für eine vergleichbare Abdeckung jedoch häufig dichter angeordnete Standorte.
Der früh für LTE verwendete Bereich um 800 MHz stammt teilweise aus Frequenzen, die durch die Umstellung der terrestrischen Fernsehübertragung frei wurden. Dieser Vorgang wird als Digitale Dividende bezeichnet. Die gute Ausbreitung im UHF-Bereich erleichterte den breitbandigen Ausbau in weniger dicht besiedelten Regionen.
LTE im Anschlussbereich
LTE kann neben Smartphones und Tablets auch einen stationären Internetzugang bereitstellen. Dabei verbindet sich ein LTE-Router über die nächstgelegene Funkbasisstation mit dem Netz und verteilt die Verbindung innerhalb eines Gebäudes. Das war insbesondere dort ein wichtiger Ansatz, wo leitungsgebundene Breitbandanschlüsse nur eingeschränkt verfügbar waren.
Die Leistung eines solchen Anschlusses bleibt von Funkempfang und Zellenauslastung abhängig. Außenantennen, ein geeigneter Routerstandort und unterstützte Frequenzbänder können die Verbindung verbessern. Eine garantierte Datenrate lässt sich aus der nominellen LTE-Kategorie des Routers allein jedoch nicht ableiten.
Weiterentwicklung zu LTE-Advanced
Mit LTE-Advanced (LTE-A) wurde LTE technisch erweitert. Dazu zählen unter anderem die Bündelung mehrerer Frequenzblöcke, fortgeschrittene MIMO-Konfigurationen und höhere Datenraten. Solche Erweiterungen werden häufig unter Bezeichnungen wie LTE+ zusammengefasst, wobei die konkret unterstützten Funktionen vom Netz und Endgerät abhängen.