Was ist LTE?
LTE steht für “Long Term Evolution” und ist ein Mobilfunkstandard der vierten Generation (4G). Dieser Standard zeichnet sich durch hohe Datenübertragungsraten aus und basiert ausschließlich auf dem Internet-Protokoll (IP). Sämtliche Daten werden also in IP-Pakete verpackt – selbst Sprache bzw. Sprachanrufe. Dieser Ansatz besitzt eine vereinfachte Netzwerkarchitektur, da keine separaten Übertragungswege für Sprache und Daten benötigt werden.
LTE stellt eine Weiterentwicklung des “Universal Mobile Telecommunications System” (UMTS) dar, welches als dritte Generation des Mobilfunks gilt. In ähnlicher Weise handelt es sich bei 5G um eine Fortsetzung und Verbesserung von LTE.
Seit wann gibt es LTE?
Der Name „Long Term Evolution“ suggeriert bereits, dass diese Art von Mobilfunktechnologie für einen langen Zeitraum ausgelegt wurde. Das weltweit erste LTE-Netz war ab Dezember 2009 für die Einwohner von Stockholm und Oslo verfügbar. In Österreich konnten Kunden LTE ab 2012 nutzen, also circa 10 Jahre nach UMTS.
So funktioniert LTE: Grundlagen
LTE nutzt ein IP-basiertes Kernnetzwerk, ein rein paketvermittelndes, sprich digitales Netz. ähnlich dem Internet, zum Austausch von Nachrichten und (ab 2014) auch Telefonaten. Alle Informationen sind in Pakete aufgeteilt, die mit IP-Adressen versehen sind. Ein Teilnehmer oder ein User Equipment (UE) kommuniziert über das Radio Resource Controller (RRC) Protocol mit dem Radio Access Network (E-UTRAN). Im E-UTRAN wird festgelegt auf welche Art das Gerät das Netzwerk nutzt:
- Bandbreite, Signalstärke und Timing werden zugewiesen.
- Der RRC hat einen Zustandsautomaten, der entscheidet, ob ein Gerät im Idle-Modus (geringe Leistung, nur Kontrollverkehr, hauptsächlich Empfang) oder im Connected-Modus (hohe Leistung, Daten senden und empfangen) ist.
- Im Connected-Modus werden dem Gerät dediziert Funk-Ressourcen zugewiesen.
Die LTE-Architektur ist in mehrere Teile gegliedert, hauptverantwortlich sind:
- Das Access Network (E-UTRAN) verbindet physische Geräte mit dem Kernnetzwerk
- Die eNodeB-Basisstationen im E-UTRAN sind für die Funkkommunikation und die Aufrechterhaltung des RRC-Zustands verantwortlich.
- Das Evolved Packet Core (EPC) verbindet das Funknetzwerk mit dem öffentlichen Internet und führt traditionelles IP-Switching durch.
Die Architektur eines LTE-Netzes für den Internetzugang (also ohne Sprachdienst bzw. VoLTE) ist in Abbildung 1 dargestellt.
Der EPC (Evolved Packet Core) nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein, da er sich um die Datenweiterleitung und die Verwaltung von Netzwerkregeln kümmert. Der Ablauf sieht dabei folgendermaßen aus:
- Die Nutzdaten kommen an der Schnittstelle P-GW (Packed Data Network Gateway) an, welche den Geräten IP-Adressen zuweist und den Datenverkehr weiterleitet.
- Anschließend werden die Daten zum Vermittler S-GW (Serving Gateway) weitergeleitet. Das S-GW dient als Ankerpunkt für die Geräte im Funknetz und leitet die Datenpakete weiter an die Basisstationen, die dann mit den Endgeräten kommunizieren.
- Die MME (Mobility Management Entity) ist für die Authentifizierung des Nutzenden zuständig. Sie arbeitet mit dem HSS (Home Subscriber Server) zusammen, einer Datenbank, die Informationen über die Teilnehmer und deren Dienste enthält. Die MME führt auch die Standortverfolgung durch und stellt sicher, dass Nutzerdaten korrekt verwaltet werden.
- Währenddessen werden Routing- und Paketregeln umgesetzt, die über die Komponente Policy Control and Charging Rules Function (PCRF) geregelt werden (Netzwerkregeln wie Datenfilterung und Durchsetzung von Datenbegrenzungen).
- Sobald der Standort des Nutzers im Funknetz feststeht, werden die Daten zur entsprechenden Funkstation geleitet. Diese Stationen sind mit Antennen ausgestattet, die die Signale an die Endgeräte (UE) senden.
- Die Funkstation ordnet dann die notwendigen Ressourcen zu und verhandelt mit dem Zielgerät, um die Daten über die Funkverbindung zu übermitteln.
In späteren Entwicklungsstufen verwendet LTE zudem eine Modulationstechnik, die mit MIMO (Multiple Input, Multiple Output) arbeitet. Mehrere Antennen senden und empfangen gleichzeitig. Dadurch wird die Fehlerrate und Übertragungsrate gemeinsam optimiert und sorgt für verringerte Latenz bei höherer Datenübertragungsrate.
Vorteile von LTE
Gegenüber GSM und UMTS bietet LTE folgende Vorteile:
- Wesentlich höhere Geschwindigkeiten mit IP-Datenraten bis über 1 Gbit/s,
- Die Bandbreiten sind flexibel, von 1,4 bis 20 MB pro Band,
- Aufrechte Verbindungen auch bei Nutzer*Innen, die bei hoher Geschwindigkeit mobil sind (bis zu 500 km/h).
- Hohe Abdeckung dank Zellradius von bis zu 100 km, somit geeignet für ländliche Gebiete.
- Darüber hinaus bildet LTE die Grundlage für die Entwicklung von 5G und gilt somit als Brückentechnologie. Anders als auslaufende Technologien wie GSM und UMTS (also 2G und 3G) besteht LTE weiter und bildet das Fundament, auf dem 5G aufbaut.
- Es folgten schnellere Verbindungsraten, beispielsweise durch LTE-Advanced, LTE Advanced Pro und bei Sprachdiensten Voice over LTE.
Voice over LTE (VoLTE)
Ab 2014 wurde zusätzlich Voice over LTE (VoLTE) eingeführt. Bis dahin liefen Telefongespräche weiterhin über GSM sowie UMTS, indem das Smartphone auf das Festnetz, 3G- oder 2G-Netz des Netzbetreibers zurückgeschaltet wurde (der sogenannte Circuit Switched Fallback). Dennoch steht die Möglichkeit offen, über einen externen Dienstanbieter (WhatsApp, Skype) über das Internet via IP Anrufe zu tätigen.
VoLTE stellt den Trägerdienst zum IMS (IP Multimedia Subsystem) zur Verfügung. Dabei wird eine IP-Verbindung über den P-GW zum IMS aufgebaut. Der Verbindungsaufbau gelingt dadurch wesentlich schneller und die Sprachqualität hat sich erhöht. Die Erweiterung des LTE-Netzes um VoLTE kann folgendermaßen dargestellt werden:
LTE stellt nur den Trägerdienst zum IMS zur Verfügung, und zwar für Signalisierungs- und Sprachpakete, beides verpackt in IP-Pakete.
Funknetz und OFDM-Verfahren bei LTE
In Österreich werden LTE-Funkkanäle aus zwei Bändern verwendet: Dem 2600 MHz- und dem 800 MHz-Band. Funkkanäle sind flexibel und können verschiedene Bandbreiten haben:
- 1,4 MHz
- 3 MHz
- 5 MHz
- 10 MHz
- 15 MHz
- 20 MHz
Gegenüber GSM und UMTS weist LTE zwei weitere wichtige Unterschiede auf: Basisstation und Controller sind nicht mehr getrennt, sondern in der evolved Node B (eNB) zusammengefasst. Das vereinfacht einerseits die Netzarchitektur und macht andererseits das Funknetz wartungsfreundlicher sowie kostengünstiger.
Zudem verwendet LTE nicht eine einzige Trägerschwingung (Single Carrier), der die Bits aufmoduliert, sondern OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM findet auch im WLAN, bei xDSL-Leitungen sowie DVB-T Anwendung. Dabei werden viele schmalbändige Subträger verwendet, die alle einen Teil des Gesamtbitstroms transportieren. Das hat folgende Vorteile:
- Die Bandbreite kann besser genutzt werden und eine höhere Bitrate wird erzielt.
- OFDM ist weniger störungsanfällig
- Eine Carrier Aggregation ist möglich, bei der bis zu 5 Funkkanäle á 20 MHz gebündelt werden und die Gesamtbitrate erhöht wird.
Folgende Abbildung zeigt das bei LTE verwendete OFDM-Verfahren:
Je nach Kanalbandbreite ist die Anzahl der Subcarrier unterschiedlich. In Abbildung 2 ist die Aufteilung eines 20 MHz Kanals dargestellt. In den Schutzbändern sowie auf dem DC-Subträger findet keine Übertragung statt, d.h. die entsprechenden Subträger werden nicht übertragen.
LTE im Vergleich zu früheren Mobilfunkgenerationen
GSM stellt den Anfang für die mobile Kommunikation dar, wie wir sie heute kennen. Mit der weltweiten Ausweitung von GSM wurden die Kosten für sämtliche Verbraucher*innen tragbar, Handys waren günstig erhältlich. Zudem konnten SMS verschickt werden. UMTS brachte wesentliche Änderungen in der Funktionsweise mit sich: Das Zugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) und eine höhere Bandbreitenausnutzung führten zu höheren Datenübertragungen. Damit konnten beispielsweise Tondateien übertragen und Videocalls geführt werden. Folgende Übersicht zeichnet die Entwicklung der einzelnen Technologiegenerationen nach:
| Technologie/ Eigenschaften |
GSM | UMTS | LTE |
| Funktions-weise | Übertragungskanäle werden zur Datenübertragung in Zeitschlitze eingeteilt (TDMA: Time Division Multiple Access) | Alle Daten werden zeitgleich über denselben Kanal übertragen, allerdings in unterschiedlichen Codes (Code Division Multiple Access) | IP-basierte Netzwerkarchitektur, bei der Daten in IP-Pakete verpackt werden. OFDM-Verfahren optimiert Bandbreitennutzung. |
| Neuerungen |
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| DL-/UL-Rate | 14,4 Kbit/s Download 14,4 Kbit/s Upload |
Bis zu 42 Mbit/s Download Bis zu 5,76 Mbit/s Upload |
Initial:
Bis zu 300 Mbit/s Download |
Werden die Netzte GSM und UMTS weiterhin verwendet?
Die veralteten Technologiegenerationen scheiden nach und nach aus, damit das verfügbare Spektrum für mehr Daten genutzt werden kann. Der Funkkommunikationssektor der Internationale Fernmeldeunion (ITU-R) legt für jede neue Generation fest, welche technologischen Anforderungen erfüllt werden müssen. Das geschieht ungefähr alle zehn Jahre. Diese Anforderungen werden daraufhin von der Organisation 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als neuer Standard festgelegt und die weltweite Umsetzung vorangetrieben.
LTE nimmt eine Sonderstellung ein: Die Einführung von 5G bedeutet nicht das Ende von LTE. Vielmehr ist 5G eine Erweiterung von LTE, und der Parallelbetrieb beider Technologien ist notwendig, um die zukünftig benötigten Datenmengen und Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen. Das LTE-Netz bleibt ein integraler Bestandteil des 5G-Netzes und wird weiterhin ausgebaut und verdichtet.
Die wichtigsten Entwicklungsstufen von LTE
LTE bzw. 4G verbindet die Entwicklungen der Technologiestandards UMTS (3G) und 5G. Dabei entwickelte sich LTE mit mehreren Zwischenschritten ständig weiter (siehe Abbildung 4):
- 3G: Kam 1998 auf den Markt und kann als Wegbereiter für LTE gesehen werden, da LTE über spezifische Verbesserungen und Erweiterungen von Eigenschaften verfügt, die auf 3G basieren.
- LTE Advanced (oder auch LTE+): Weiterentwicklung von LTE mit Datengeschwindigkeit bis zu 1 Gbit/s, höherer Datenrate und effizienterer Netzwerknutzung durch Carrier Aggregation, MIMO (Multiple Input Multiple Output) und erweiterte Modulationstechniken, die eine bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums ermöglichen.
- LTE Advanced Pro: Stellt einen Zwischenschritt auf dem Weg zu 5G dar und unterstützt noch höhere Datenraten, hat geringere Latenzzeiten und ermöglicht Dienste wie das Internet der Dinge (IoT). Es wird auch 4,5G genannt.
- LTE 50: Bezieht sich auf LTE-Tarife, die besonders für ländliche Gebiete mit geringer Auslastung konzipiert wurden und, wie der Name verrät, eine maximale Geschwindigkeit von bis zu 50 Mbit/s bieten.
- LTE Band 20: Besonders wichtig für die Flächenabdeckung im ländlichen Raum, da es mit seiner niedrigen Frequenz von 800 MHz eine große Reichweite hat.
- 5G: Die fünfte Generation des Mobilfunks wurde 2019 eingeführt und baut auf LTE auf. Es erweitert dessen Möglichkeiten. 5G erweitert die Möglichkeiten von LTE durch schnellere Datenraten, geringere Latenzzeiten und die Fähigkeit, eine größere Anzahl von Geräten gleichzeitig zu unterstützen.
Quelle: The 3rd Generation Partnership Project: https://www.3gpp.org/specifications-technologies/specifications-by-series
LTE im Alltag
Die LTE-Technologie hat es erst ermöglicht, sämtliche digitale Interaktionen zu einem gleichzeitigen und effizienten Ablauf zu führen. Grund dafür sind hohe Datenraten und geringe Latenzen – aber auch die Interkonnektivität von Endgeräten. Beispiele:
- Eine Smartwatch sendet kontinuierlich Gesundheitsdaten ans Handy, um ein Gesamtbild der Person zu erstellen. Diese Datenübertragung erfolgt nahtlos und in Echtzeit dank des LTE-Empfangs.
- Hochauflösende Videostreams auf mehreren Endgeräten wie TV, Smartphone oder Tablet laufen gleichzeitig über einen Router. Das alles ohne Pufferung oder Verzögerung dank LTE-Geschwindigkeit.
- Ein Unternehmensmitarbeiter bearbeitet eine Präsentation von unterwegs am Laptop und synchronisiert die neuen Inhalte für das restliche Team über eine Cloud. LTE ermöglicht hohe Konnektivität und Echtzeit-Synchronisierung.
Die Zukunft von LTE und 5G
Die Potenziale von Industrie und Gesellschaft sind an Möglichkeiten von Technologien gekoppelt. Insofern bedeutete LTE eine immense fortschrittliche Entwicklung und änderte die Art und Weise, wie wir kommunizieren und uns vernetzen.
LTE ermöglicht es Unternehmen und Einzelpersonen von schnellen und zuverlässigen Internetverbindungen zu profitieren, was wiederum die Einführung neuer digitaler Geschäftsmodelle und Dienstleistungen erleichtert hat. Die Etablierung von Cloud-Diensten, sämtliche Automatisierungsprozesse und die Nutzung des Internet of Things wurden damit erschlossen.
Auch der laufende Ausbau und die Nutzung von 5G, für welche LTE-Technologien den Wegbereiter darstellen, wurden entscheidende Sprünge unter anderem hinsichtlich autonomen Fahrens, Smart Cities, Telemedizin sowie Augmented und Virtual Reality ermöglicht.
Der stattfindende Fortschritt ist rasant und es benötigt Expert*innen in sämtlichen Bereichen, welche die technischen Prinzipien der Informations- und Kommunikationstechnologien grundlegend verstehen und adaptieren können.
Qualifizieren Sie sich hinsichtlich Mobilfunknetzen und WLAN, Informationstechnologien, Netzwerksicherheit und Kundenorientierung mit unserer IKT Zertifizierung für Einsteiger*innen, mit der IKT Zertifizierung Advanced Level für Fortgeschrittene oder mit dem Internet of Things Webinar.
LTE ist die Weiterentwicklung von 3G (UMTS) und bietet höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten, verbesserte Netzwerkkapazitäten und geringere Latenzzeiten. LTE nutzt im Vergleich zu 3G fortschrittlichere Technologien wie OFDM für die Datenübertragung, MIMO für die Signalverarbeitung und moduliert Signale effizienter.
Die Begriffe „4G“ und „LTE“ werden oft synonym verwendet. 4G ist die Abkürzung für die vierte Generation der Mobilfunknetz-Standards und umfasst mehrere Technologien, einschließlich LTE. Es handelt sich also um einen Oberbegriff. Die 4G-Standards betreffen oft höhere Geschwindigkeiten als LTE und werden nach bestimmten (internationalen) Standards definiert, was auf LTE nicht zutrifft.
Privates LTE ist ein lokales Mobilfunknetz, das speziell für die Anforderungen eines Unternehmens oder einer Organisation eingerichtet wird. Es bietet eine dedizierte Netzwerkleistung, die unabhängig von öffentlichen Mobilfunknetzen ist und sich für Anwendungen wie Industrie 4.0, Smart Cities und IoT eignet.
LTE und WLAN nutzen ähnliche Frequenzbänder und bedienen sich der gleichen Methode der Signalübertragung, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Allerdings ist LTE ein Mobilfunkstandard, der eine breitere Abdeckung bietet, während WLAN hauptsächlich für lokale Netzwerke mit kurzer Reichweite konzipiert ist. Wi-Fi IEEE Std 802.11 WLAN (Wireless Fidelity), dieser Name Wi-Fi wurde von einer Marketingfirma kreiert, denn man suchte nach einer leichter einprägsamen Bezeichnung der Technologie IEEE 802.11, der Begriff setzte sich durch. Wi-Fi, oft auch als WiFi, wifi oder wi fi bezeichnet, wird oft als Kurzform für Wireless Fidelity angesehen, auch die Organisation, die den Marketingauftrag erteilt hat, wird manchmal als Wireless Fidelity Alliance Inc. bezeichnet.
