Long Term Evolution

Samsung LTE-Modem

Long Term Evolution (LTE) ist ein Mobilfunkstandard der vierten Generation (3,9G-Standard), der mit bis zu 300 Megabit pro Sekunde deutlich höhere Downloadraten erreichen kann. Das Grundschema von UMTS wird bei LTE beibehalten. So ist eine rasche und kostengünstige Nachrüstung der Infrastrukturen der UMTS-Technologie (3G-Standard) auf LTE-Advanced (4G-Standard) möglich. LTE-Advanced ist abwärtskompatibel zu LTE. Die benutzten Frequenzbereiche unterscheiden sich regional und variieren von ca. 800 bis 2600 MHz.

Geschichte

Ein Vorläuferkonzept zu LTE wurde von Nortel Networks unter dem Namen High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) vorgestellt. LTE verwendet Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing-Techniken (OFDM) sowie Multiple-Input/Multiple-Output-Antennentechnologie (MIMO). Damit soll es den Mobilfunkanbietern möglich sein, kostengünstig hochratige Datendienste anzubieten und so das mobile Internet zum Massenmarkt zu machen. Die geringen Latenzzeiten bei LTE erlauben die Übertragung von Sprachdiensten (VoIP) und Videotelefonie über das Internetprotokoll sowie den Einsatz zeitkritischer Anwendungen wie zum Beispiel Online-Spielen.

Logo des NGMN-Projekts

Bereits jetzt sind mit UMTS sehr hohe Datenraten möglich. Es wird erwartet, dass der Bedarf an mobilen Internetdiensten weiter steigt. Im Gegensatz zur alternativen Technologie WiMAX soll LTE den Mobilfunkanbietern einen kostengünstigen evolutionären Migrationspfad von UMTS über HSDPA und HSUPA zu LTE ermöglichen. LTE unterstützt im Gegensatz zu UMTS verschiedene Bandbreiten (1,4; 3; 5; 10; 15 und 20 MHz) und kann so flexibel in unterschiedlichen zukünftigen Spektren eingesetzt werden. OFDM ermöglicht dabei durch eine größere Anzahl an Unterträgern, die Bandbreite einfach zu skalieren. Bei 20 MHz (entspricht laut Standard der Benutzung von 1200 Unterträgern) sollen Spitzendatenraten von 300 Mbps im Downlink und 75 Mbps im Uplink mit Latenzzeiten unter 5 ms erreicht und so die langfristige Konkurrenzfähigkeit von UMTS-Systemen gesichert werden. Im Uplink wird mit SC-FDMA (DFTS-OFDMA) ein OFDMA-ähnliches Zugriffsverfahren verwendet, das sich durch eine geringe Peak-to-Average-Ratio (PAR) auszeichnet und so den Energieverbrauch der Mobiltelefone verringert.

In der ersten Version von LTE (Release 8) werden fünf Terminalklassen mit unterschiedlichen Datenraten zur Verfügung stehen. Obwohl die höchste Klasse mit 4x4 MIMO und 64-QAM-Modulation die erwarteten Datenraten von 300 Mbps im Downlink und 75 Mbps im Uplink erfüllt, werden die ersten Terminals wohl deutlich geringere Datenraten zur Verfügung stellen und nur mit 2x2 MIMO im Downlink und ohne 64 QAM im Uplink arbeiten. Alle Terminals müssen eine Bandbreite von 20 MHz unterstützen.

Siemens Networks, heute Nokia Siemens Networks, hat bereits im September 2006 zusammen mit der Nomor Research GmbH erstmals einen Emulator eines LTE-Netzwerks mit Live-Applikationen gezeigt. Im Downlink wurden dabei zwei Nutzer mit einer HDTV-Anwendung vorgeführt, während im Uplink eine Live-Gaming-Anwendung gezeigt wurde. Im Dezember 2006 wurde dann auf der ITU TELECOM WORLD in Hongkong der weltweit erste LTE-Demonstrator gezeigt. Nach Erweiterung des Demonstrators wurden im Mai 2007 in einem Experiment in der Münchner Niederlassung von Nokia Siemens Networks erfolgreich Daten mit bis zu 108 MBit/s im Upstream über ein LTE-Netz übertragen. Diese Datenrate konnte durch die Verwendung von „Virtual MIMO“- beziehungsweise SDMA-Technologien erreicht werden. Dabei konnten 2 kooperierende LTE-Endgeräte, bestückt mit je einer Sendeantenne, gleichzeitig im selben Frequenzband Daten im Uplink übertragen. Unter Verwendung entsprechender MIMO-Algorithmen können die überlagerten Datenströme durch ihre räumliche „Distanz“ separiert werden. Mit Einsatz dieser Technologie hält das Unternehmen Nokia Siemens Networks den Geschwindigkeitsrekord im Downlink von 1,3 GBit/s.

Auf dem GSMA Mobile World Congress in Barcelona zeigte Ericsson 2008 erstmals eine Ende-zu-Ende-Verbindung mit LTE auf kompakten Mobilgeräten. Es wurden Datenraten von 25 MBit/s im Uplink und Downlink demonstriert. Im März 2008 wurden in einem Feldtest von NTT DoCoMo 250 Mbps demonstriert. Ende 2008 wurde von LG ein LTE-Chip vorgeführt, welcher Datenraten von 60 Mbps erreicht, was etwa dem achtfachen der HSDPA-Cat8-Datenrate von 7,2 Mbps entspricht.

Der Plan der 3GPP-Standardisierung ist es, Ende 2009 den endgültigen Standard zu verabschieden. Nach Inter-Operability-Tests und weiteren Feldtests 2009 wird für 2010 der Aufbau der ersten Netze erwartet.

Am 14. Dezember 2009 wurden die ersten kommerziellen LTE-Netzwerke von TeliaSonera in Stockholm und Oslo in Betrieb genommen. In der ersten Ausbaustufe erreichen sie eine Downstream-Datenrate von 100 MBit/s und eine Upstream-Datenrate von 50 MBit/s. Im Laufe des Jahres 2010 sollen durch TeliaSonera die 25 größten schwedischen und vier größten norwegischen Städte mit LTE-Netzen versorgt werden. Im März 2012 versorgte TeliaSonera bereits 100.000 Nutzer mit LTE.

In Deutschland ging die Versteigerung der zur Nutzung für LTE geplanten Frequenzlizenzen Ende Mai 2010 zu Ende. Die deutschen Netzbetreiber haben insgesamt 4,4 Milliarden Euro für die Lizenzen ausgegeben. Die drei Netzbetreiber Telekom Deutschland, Vodafone und Telefónica Germany (O₂) starteten anschließend Tests, um Erfahrungen mit dem Betrieb von LTE zu gewinnen.

Am 30. August 2010 hat die Deutsche Telekom den ersten LTE-Sendemast in Kyritz (Landkreis Ostprignitz-Ruppin) in Betrieb genommen. In Österreich hat die Mobilkom Austria am 19. Oktober 2010 in Wien sowie T-Mobile Austria in Innsbruck den kommerziellen LTE-Betrieb aufgenommen.

Vodafone bietet seit dem 1. Dezember 2010 als erster deutscher Mobilfunk-Netzbetreiber LTE für Endkunden in Kombination mit einem LTE-Surfstick an. Seit dem 15. März 2011 bietet Vodafone auch LTE-Tarife mit Telefonie / Telefonanschluss an, es handelt sich dabei um Voice-over-IP (Internettelefonie). Bei der Telekom hingegen wird LTE als Ergänzung zum bestehenden Festnetz-Telefonanschluss geschaltet (also keine Internettelefonie wie bei Vodafone). Vodafone und die Deutsche Telekom veröffentlichen seit April 2011 detaillierte Informationen über die mit LTE versorgten Gebiete in ihren LTE-Netzabdeckungskarten. Die Einführung von LTE in Ballungsgebieten und Großstädten ist ab Sommer / Herbst 2011 geplant. Köln wird als erste Stadt seit Juli, Düsseldorf seit September 2011 mit LTE versorgt. Die Telefónica Germany startete mit der Marke O₂ sein Angebot Anfang Juli 2012 in den ersten Großstädten Dresden und Nürnberg.

Ende Dezember 2012 hat die Deutsche Telekom mit LTE um 1800 MHz wie geplant 100 Städte in Deutschland erschlossen. In diesen Gebieten ist es möglich mit bis zu 100 Mbit/s mobil im Internet zu surfen. Zusätzlich zum Ausbau im 1800-Megahertz-Spektrum, versorgt die Telekom mit ihren Frequenzen um 800 MHz herum bereits weite Teile der Bundesrepublik. Hierbei verwendet die Telekom wie bereits beschrieben ihre Frequenzen um 1800 MHz herum für städtische Gebiete, während mit 800 MHz die ländlichen Gebiete versorgt werden.

Vodafone hingegen hat 120 größere Städte mit LTE im 800-Megahertz-Spektrum versorgt. Weiterhin erschließt sich das Vodafone LTE-Netz bereits auf 20 Millionen Haushalte in ganz Deutschland. Hierzu sind 4500 Basisstationen, welche mit LTE ausgerüstet sind, nötig. Durch diese bereits installierte Technik kann Vodafone Ende 2012 bereits 60 Prozent der Fläche Deutschlands abdecken.

O₂ hat bis Mitte 2013 etwa 11 größere Ballungsräume flächendeckend mit LTE versorgt. o2 benutzt dabei die Frequenzen um 800 MHz, die vereinzelt um LTE-Zellen im 2600MHz-Bereich ergänzt werden. Mittelfristig möchte O₂ ein deutschlandweites LTE-Netz auf 800MHz aufbauen. Noch im Jahr 2013 wird die Einführung von Voice over LTE (VoLTE) geplant. O₂ nutzt das Glasfasernetz der Telekom, um die angefallenen Daten aus dem LTE-Netz abzutransportieren.

Für das Jahr 2013 planen sowohl die Deutsche Telekom, Vodafone als auch O₂ ihr LTE-Netz weiter auszubauen. E-Plus gab im Januar 2013 bekannt, dass auch der vierte verbliebene Mobilfunknetzbetreiber seinen LTE-Rollout im Jahr 2013 anstrebt. Anschließend will das Unternehmen unter anderem in den E-Plus-LTE-Testregionen Düsseldorf, Wachtendonk, Cloppenburg, Bonn und Chemnitz anbieten. Darüber hinaus plant E-Plus die Städte Aschaffenburg und Landau mit LTE zu versorgen. 2015 strebt Vodafone an, LTE nahezu flächendeckend in Deutschland anbieten zu können.

Umrüstung

Mobilfunknetze bestehen aus Funkzellen, in denen die Verbindungen aufgebaut werden. Wird ein Mobiltelefon oder ein anderes Gerät, wie zum Beispiel ein Notebook mit UMTS-Karte, eingeschaltet, so meldet sich dieses Gerät aufgrund der auf der SIM-Karte gespeicherten Daten über die Netzdatenbank am Mobilfunknetz an. Das Gerät meldet sich zunächst an einer lokalen Datenbank an, die auch mehrere „Waben“ umfassen kann. Ändert sich der Standort des Gerätes, so bemerkt dies die Software des mobilen Kommunikationsgerätes und meldet sich automatisch an der nächsten lokalen Vermittlungsstelle an. Das Signalaufbauschema änderte sich in seinem groben Aufbau auch nicht, als die Netze um die zur „Third Generation“ zählende UMTS-Technologie erweitert wurden. Wenn die bestehenden Netze innerhalb der nächsten zehn Jahre, wie der Handyhersteller Nokia vermutet, auf LTE umgerüstet werden, wird auch hier das Grundschema beibehalten werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise: Es kann die bereits vorhandene Infrastruktur verwendet werden, die lediglich um die benötigten technischen Komponenten erweitert werden müssen. Das heißt also, dass man – vereinfacht ausgedrückt – die LTE-Komponenten an die bereits vorhandenen Funkmasten installiert.

LTE setzt auf den aktuell vorherrschenden Infrastrukturen der UMTS-Technologie auf, um so eine rasche und relativ kostengünstige Erweiterung vom 3G-Standard zum 4G-Standard zu erreichen. Einer der größten Vorteile gegenüber den aktuell bestehenden UMTS-Netzen ist die mit bis zu 100 Megabit pro Sekunde deutlich höhere Downloadrate. Endgeräte sollen im LTE-Standard permanent mit dem Internet verbunden sein können. Der Vorteil hierbei: Abhängig vom Mobilfunkanbieter könnte man permanent online mit einem Instant Messenger Videotelefonie betreiben. „Anytime-anywhere“, also immer und überall mobile Kommunikation betreiben zu können, dafür soll 4G stehen. Primär soll das heißen: ortsunabhängiger drahtloser Breitband-Internetzugang. Multimedia Messaging Service (MMS), Video Chat, High Definition Radio (HD-Radio), mobile TV, High Definition TV content (HDTV), DVB und normales Telefonieren soll in diesem Netz möglich sein. Fachleute bezeichnen letztere Eigenschaft auch als „minimal service like voice and data“.

Erweiterung LTE-Advanced

→ Hauptartikel: LTE-Advanced

Ähnlich wie bei UMTS mit seinen Protokollerweiterungen wie HSPA+ für höhere Übertragungsgeschwindigkeiten gibt es auch bei LTE eine Protokollerweiterung namens LTE-Advanced.

LTE ist ein 3,9G-Standard im Rahmen des 3GPP, der die 4G-Definitionen des Telecommunication Standardization Sector (ITU-T) nicht vollkommen erfüllt, aus Marketing-Gründen dennoch als 4G beworben wird. Der geplante Nachfolger von LTE ist der in Standardisierung befindliche IMT-Advanced 4G-Mobilfunkstandard namens LTE-Advanced. Der Nachfolger wurde auf der GSMA Mobile World Congress 2011 in Barcelona vorgestellt und soll durch Nokia Siemens Networks (NSN) realisiert werden. LTE-Advanced wird voraussichtlich in Deutschland in der ersten Hälfte des Jahres 2013 realisiert.

LTE-Situation verschiedener Länder

Deutschland

Frequenzversteigerung 2010

Die Bundesnetzagentur versteigerte vom 12. April 2010 bis zum 20. Mai 2010 Frequenzen in den Bereichen 800 MHz, 1,8 GHz (bisher durch die Bundeswehr genutzt), 2 GHz (ehemalige Quam- und Mobilcom-Lizenzen für UMTS) und 2,6 GHz für den drahtlosen Netzzugang zum Angebot von Telekommunikationsdiensten. Die Frequenzen in den Bereichen 800 MHz und 2,6 GHz werden aller Voraussicht nach von den vier deutschen Mobilfunkanbietern für LTE genutzt werden. Die Deutsche Telekom benutzt abweichend davon auch 1800 MHz.

Am 30. August 2010 wurden die bis dahin abstrakt zugewiesenen Frequenzen in den Bereichen 800 MHz und 2,6 GHz zugeordnet.

1800-MHz-Frequenzband (E-UTRA Band 3)

Die Deutsche Telekom und E-Plus verwenden auch das 1800-MHz-Band für LTE.

800-MHz-Frequenzband (E-UTRA Band 20, Digitale Dividende der EU)

Nutzer	Uplink	Downlink	Preis
Deutsche Telekom	852–862 MHz	811–821 MHz	1,153 Mrd. €
Vodafone	842–852 MHz	801–811 MHz	1,210 Mrd. €
O₂	832–842 MHz	791–801 MHz	1,212 Mrd. €

Da Frequenzen im 800-MHz-Bereich für die Fernsehübertragung und z. B. auch drahtlose Mikrofone verwendet werden oder wurden, war die Vergabe der Frequenzen in diesem Bereich umstritten. So kollidierte in München ein gemischter privater sowie in Nürnberg ein RTL-Multiplex des digitalen Antennenfernsehens mit LTE. Während der gemischte private Multiplex auf einen anderen Kanal umzog, beendete RTL seine DVB-T-Ausstrahlung in Nürnberg. Siehe auch Digitale Dividende.

2,6-GHz-Frequenzband (E-UTRA Band 7)

Nutzer	Frequenzduplex (FDD)			Zeitduplex (TDD)
	Uplink	Downlink	Preis	Uplink+Downlink	Preis
Deutsche Telekom	2520–2540 MHz	2640–2660 MHz	76,228 Mio. €	2605–2610 MHz	8,598 Mio. €
Vodafone	2500–2520 MHz	2620–2640 MHz	73,464 Mio. €	2580–2605 MHz	44,96 Mio. €
E-Plus	2540–2550 MHz	2660–2670 MHz	36,67 Mio. €	2570–2580 MHz	16,502 Mio. €
O₂	2550–2570 MHz	2670–2690 MHz	71,415 Mio. €	2610–2620 MHz	16,458 Mio. €

Österreich

2,6-GHz-Frequenzband

Am 20. September 2010 wurde die Frequenzauktion der RTR abgeschlossen. Dabei wurden Frequenzen im 2,6-GHz-Bereich wie folgt vergeben:

Nutzer	Frequenzduplex (FDD)		Zeitduplex (TDD)	Preis 2010
	Uplink	Downlink	Uplink+Downlink
Mobilkom Austria (A1)	2500–2520 MHz	2620–2640 MHz	2595 - 2620 MHz	13,248 Mio. €
T-Mobile Austria	2520–2540 MHz	2640–2660 MHz	-	11,247 Mio. €
Orange Austria	2540–2550 MHz	2660–2670 MHz	-	4 Mio. €
3	2550–2570 MHz	2670–2690 MHz	2570 - 2595 MHz	11,03 Mio. €

800-MHz-Frequenzband

Die Versteigerung der Frequenzen im 800-MHz-Frequenzband wird in Österreich im Jahr 2013 erwartet.

Schweiz

Im September 2010 schaltete Swisscom in der Stadt Grenchen erstmals ein LTE-Testnetz im Frequenzband 2600 MHz auf. Nach erfolgreich verlaufenem Feldversuch startete Swisscom im November 2011 mit einem LTE-Pilotprojekt im Frequenzband 1800 MHz in der Alpenstadt Davos. Im Dezember 2011 kamen Grindelwald, Gstaad, Leukerbad, Montana, Saas-Fee und St. Moritz/Celerina als weitere Pilotprojekte hinzu. Ab Januar 2012 konnte LTE auch in ausgewählten Swisscom-Shops im Frequenzband 2600 MHz getestet werden.

Im Februar 2012 wurden in einer einzigartigen Auktion sämtliche bestehenden und neuen Mobilfunkfrequenzen neu vergeben. Die Konzessionen wurden technologieneutral erteilt, womit in der Schweiz folgende Frequenzbänder potenziell für den Einsatz von LTE geeignet sind:

Frequenz	E-UTRA Band	Bandbreite	Duplexverfahren	Ab LTE-Release	Swisscom	Sunrise	Orange
800 MHz	XX (20)	2×30 MHz	FDD	Rel. 9	2x10 MHz	2x10 MHz	2x10 MHz
900 MHz	VIII (8)	2×35 MHz	FDD	Rel. 8	2x15 MHz	2x15 MHz	2x5 MHz
1800 MHz	III (3)	2×75 MHz	FDD	Rel. 8	2x30 MHz	2x20 MHz	2x25 MHz
2100 MHz	XXXIII (33) I (1) XXXIV (34)	1×20 MHz 2×60 MHz 1×15 MHz	TDD FDD TDD	Rel. 8	- 2x30 MHz -	- 2x10 MHz -	- 2x20 MHz -
2600 MHz	VII (7) XXXVIII (38)	2×70 MHz 1×50 MHz	FDD TDD	Rel. 8	2x20 MHz 1x45 MHz	2x25 MHz -	2x20 MHz -
3400–3800 MHz	XLII (42) XLIII (43)	400 MHz	teils FDD, teils TDD	Rel. 10	-	-	-

Die neuen Mobilfunkfrequenzen wurden den Unternehmen Swisscom, Sunrise und Orange zugeteilt und brachten dem Bund rund eine Milliarde Schweizer Franken ein. Die Frequenzen in den Bereichen 800 MHz (E-UTRA Band 20), 1800 MHz (E-UTRA Band 3) und 2600 MHz (E-UTRA Band 7) werden aller Voraussicht nach von den drei Schweizer Mobilfunkanbietern für LTE genutzt werden. Seit dem 29. November 2012 ist LTE in der Schweiz kommerziell verfügbar.

Swisscom hat ihr LTE-Netz am 29. November 2012 als erstes Netz der Schweiz kommerziell in Betrieb genommen. Der Mobilnetzbetreiber verwendet die Frequenzen in den Bereichen 800 MHz, 1800 MHz und 2600 MHz (E-UTRA Bänder 20, 3 und 7). Im Mai 2013 erhöhte Swisscom die maximale Downloadgeschwindigkeit auf 150 Mbit/s und kündigte an, LTE im Juli 2013 auch für Prepaid-Kunden freizuschalten. Das LTE-Netz von Swisscom steht zurzeit (Mai 2013) in 170 Orten zur Verfügung und versorgt 50 % der Bevölkerung; bis Ende 2013 sollen 70 % der Schweizer Bevölkerung erschlossen sein.

Am 28. Mai 2013 startete Orange als zweiter Mobilnetzbetreiber mit seinem LTE-Netz in 113 Orten und einer Abdeckung von 35 % der Bevölkerung. Als erster Anbieter im Schweizer Mobilfunkmarkt bietet Orange LTE auch für Prepaid-Kunden an. Bis Ende 2013 plant Orange eine Bevölkerungsabdeckung von 71%; die Downloadgeschwindigkeit soll von derzeit 100 Mbit/s auf 150 Mbit/s erhöht werden.

Die LTE-Pläne von Sunrise sehen vor, LTE im Juni 2013 einzuführen. Das Netz soll von Beginn weg nicht nur Datendienste, sondern auch Sprachdienste ermöglichen. Laut dem Mobilfunkbetreiber eignet sich für die Versorgung von ländlichen Regionen das Frequenzband 800 MHz; in großen Ballungszentren sollen die ersteigerten Frequenzen im 2600 MHz-Band die nötige Kapazität sicherstellen. Weiter sollen auch im Frequenzband 1800 MHz LTE-Dienste erbracht werden können.

Weltweit

Weltweit werden unterschiedliche Frequenzbänder genutzt:

• Nordamerika: 700 MHz und 2100 MHz, Sprint Nextel und T-Mobile auch auf 1900 MHz
• Westeuropa, Mittlerer Osten und Afrika: 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz und 2600 MHz
• Osteuropa: 800 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2300 MHz und 2600 MHz
• Asia-Pazifik: 850 MHz, 1500 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz, 2300 MHz, 2500 MHz

Siehe auch

• Liste von LTE-Netzwerken
• 3rd Generation Partnership Project (3GPP)
• Evolved Packet System, die Netzarchitektur von LTE
• Next Generation Mobile Networks (NGMN)

Literatur

•  Khaled Fazel, Stefan Kaiser: Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems: From OFDM and MC-CDMA to LTE and WiMAX. 2. Auflage. Wiley & Sons, Chichester 2008, ISBN 978-0-4709-9821-2.
•  Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld, Per Beming: 3G Evolution - HSPA and LTE for Mobile Broadband. 2. Auflage. Academic Press, Oxford 2008, ISBN 978-0-12-374538-5.
•  Dan Forsberg, Günther Horn, Wolf-Dietrich Moeller, Valtteri Niemi: LTE Security. 2. Auflage. John Wiley & Sons Ltd, Chichester 2013, ISBN 978-1-118-35558-9.

Weblinks

 Commons: LTE – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• 3GPP Seite zu LTE/SAE (englisch)
• LTE-Informationsseite der Landesanstalt für Medien NRW
• LTE Mobile Informationen zu Ausbau und Technik
• LTE eine technische Einführung (Pdf, 717 KB)
• Herausforderungen beim LTE Netzausbau 2012/2013 Technische Problemstellung bei LTE Telefonie und CSFB als Interimslösung

Einzelnachweise

Mobilfunknetze in Deutschland

A-Netz (ca. 1952–1977) | B-Netz (1972–1994) | C-Netz (1985–2000) | D-Netz (seit 1991) | E-Netz (seit 1994) | UMTS (seit 2004) | LTE (seit 2010)