LTE (Long Term Evolution)

Was ist LTE?

LTE (Long-Term Evolution) ist ein Mobilfunkstandard der vierten Generation (4G), der im Vergleich zur Technologie der dritten Generation (3G) eine höhere Netzkapazität und -geschwindigkeit für Mobiltelefone und andere Mobilfunkgeräte bietet.

LTE bietet höhere Spitzendatenübertragungsraten als 3G, zunächst bis zu 100 MBit/s im Downstream und 30 MBit/s im Upstream. Es bietet geringere Latenzzeiten, skalierbare Bandbreitenkapazitäten und Abwärtskompatibilität mit dem bestehenden Global System for Mobile Communication (GSM) und Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS). Die anschließende Entwicklung von LTE-Advanced (LTE-A) ermöglichte einen Spitzendurchsatz in der Größenordnung von 300 MBit/s.

LTE spielt eine direkte Rolle bei der Entwicklung des aktuellen 5G-Standards, der als 5G New Radio (5G NR) bezeichnet wird. Frühe 5G-Netzwerke, die als 5G Non-Standalone (5G NSA) bezeichnet werden, benötigen eine 4G LTE Control Plane, um 5G-Datensitzungen zu verwalten. Die 5G-NSA-Netze können im Rahmen des bestehenden 4G-Netzes bereitgestellt und unterstützt werden, wodurch sich die Investitions- und Betriebskosten für Betreiber verringern, die 5G einführen.

Warum heißt LTE „Long Term Evolution“?

LTE wurde vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelt. Der Standard war als nächster Schritt in der Entwicklung der mobilen Telekommunikation angedacht und folgte auf die Spezifikationen von 2G GSM und 3G UMTS. LTE wird gemeinhin als 4G LTE vermarktet.

Ursprünglich war LTE nicht als echtes 4G eingestuft. Die International Telecommunication Union (ITU) definierte 4G zunächst als einen Mobilfunkstandard, der Datenraten von 1 GBit/s für einen stationären Nutzer und 100 MBit/s für einen mobilen Nutzer bereitstellen würde. Im Dezember 2010 schwächte die ITU ihre Haltung ab und bezog 4G auf LTE sowie auf mehrere andere Mobilfunkstandards.

Wie funktioniert LTE?

Ein LTE-Netz verwendet für sein Downlink-Signal die Multiuser-Variante des OFDM-Modulationsschemas (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), genannt OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access).

OFDMA ermöglicht es dem LTE-Downlink, Daten von einer Basisstation an mehrere Nutzer mit höheren Datenraten als bei 3G zu übertragen, und das bei verbesserter spektraler Effizienz. Für das Uplink-Signal wird Single-Carrier-FDMA verwendet, was die erforderliche Sendeleistung des mobilen Endgeräts reduziert.

Die oberen Schichten von LTE basieren auf dem Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), was zu einem reinen Internetprotokoll-Netz führt, wie bei der drahtgebundenen Kommunikation. LTE unterstützt gemischten Daten-, Sprach-, Video- und Messaging-Verkehr.

LTE-A verwendet eine Antennentechnologie mit mehreren Eingängen und Ausgängen (MIMO), ähnlich wie der Standard IEEE 802.11n für WLANs. MIMO und OFDM ermöglichen ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger, was zu einer verbesserten drahtlosen Netzwerkabdeckung und einem höheren Durchsatz führt, insbesondere in dichten städtischen Gebieten.

Für LTE-A müssen die Geräte mit einem speziellen Chip ausgestattet werden. Broadcom, Nvidia und Qualcomm stellen alle Chips her, die LTE-A ermöglichen. Heute unterstützt die große Mehrheit der Smartphones LTE-A.

Wie verbreitet ist LTE auf der ganzen Welt?

Die Telefongesellschaften haben LTE in den einzelnen Ländern zu unterschiedlichen Zeiten eingeführt. Einige europäische Betreiber übernahmen den Standard bereits 2009, während nordamerikanische Mobilfunkanbieter die Spezifikation 2010 und 2011 einführten.

Laut Opensignal bot Südkorea 2019 die höchsten LTE-Geschwindigkeiten mit durchschnittlichen mobilen Downloadgeschwindigkeiten von mehr als 50 MBit/s.

Opensignal stellte fest, dass in 87 Ländern die durchschnittliche Verfügbarkeit von 4G-Netzen bei 80 Prozent lag. 4G LTE und 5G ersetzen 3G in ganz Nordamerika und Westeuropa, wobei die Abschaltung erster 3G-Netze in Deutschland 2021 startete.

Die Verbreitung von Kleinzellen-Funkknoten ist ein bemerkenswerter Teil des Übergangs zur LTE-Telekommunikation. 3GPP führte 2009 in Release 9 Femtozellen für den Einsatz zu Hause und in kleinen Unternehmen ein. Die Kleinzellentechnologie hat sich weiterentwickelt und umfasst Femtozellen für den Innenbereich mit einer Reichweite von bis zu 50 Metern, Picozellen für den Innen- und Außenbereich mit einer Reichweite von bis zu 250 Metern und Mikrozellen für den Außenbereich mit einer Reichweite von bis zu 25.000 Metern.

4G LTE-Funktionen

LTE bietet den Nutzern verschiedene Funktionen, darunter die folgenden:

• Audio- und Videostreaming: LTE bietet schnellere Download- und Upload-Geschwindigkeiten als 2G und 3G. Im Jahr 2021 betrug die durchschnittliche LTE-Download-Geschwindigkeit weltweit 17 MBit/s und die durchschnittliche Upload-Geschwindigkeit 12 MBit/s.
• Verbindung zu Diensten in Echtzeit: Mit Voice over LTE (VoLTE) können Nutzer mit anderen sprechen, ohne dass es zu Verzögerungen oder Rucklern kommt.
• Noch höhere Geschwindigkeiten mit LTE-Advanced: Die Download- und Upload-Geschwindigkeiten mit LTE-Advanced sind zwei- bis dreimal so hoch wie bei Standard-LTE. Alle LTE-Advanced-Geräte sind mit Standard-LTE abwärtskompatibel.
• Trägeraggregation: Diese LTE-Advanced-Funktion verbessert die Netzkapazität, indem sie eine Bandbreite von bis zu 100 MHz über fünf Komponententräger (Bänder) mit jeweils 20 MHz Bandbreite bereitstellt. LTE-A-Mobiltelefone kombinieren Frequenzen von mehreren Komponententrägern, um Signal, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.

LTE-Spezifikationen für das Internet der Dinge (IoT)

Im Juni 2016 stellte 3GPP Release 13 neue IoT-Mobilfunk-Konnektivitätsoptionen vor, die für den Einsatz von IoT-Machine-to-Machine (M2M) entwickelt wurden. LTE-Machine-Type-Communication (LTE-M) und Narrowband IoT (NB-IoT) basieren beide auf dem LTE-Standard, allerdings mit erheblichen Änderungen, um M2M-Betrieb in Weitverkehrsnetzen mit geringem Stromverbrauch zu ermöglichen.

LTE-M liefert Datengeschwindigkeiten von etwa 1 MBit/s, während NB-IoT bis zu 26 KBit/s im Downlink unterstützt. Diese drastisch reduzierten Datengeschwindigkeiten erhöhen die Batterielebensdauer von M2M-Geräten, die die IoT-Mobilfunkstandards nutzen. Für Sensoren und andere Geräte, die auf Mobilität im Mobilfunknetz angewiesen sind, kann NB-IoT eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren bieten. LTE-M kann mit zwei AA-Batterien eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren erreichen, allerdings nur, wenn das Gerät stationär ist und täglich für Sekunden sendet. Wenn ein Gerät eingeschaltet ist, sich in einem LTE-Netz bewegt und von LTE-M unterstützte Sprachfunktionen verwendet, verringert sich die Batterielebensdauer.

Was ist ein privates LTE-Netz?

Private LTE-Netze sind verkleinerte Versionen der öffentlichen LTE-Netze. Sie sind so konzipiert, dass sie eine private Mobilfunkabdeckung auf dem Campus eines Unternehmens, in einem Vertriebszentrum oder in Flughäfen, Stadien und an anderen Orten bieten.

Private Netze verwenden gemeinsam genutzte oder unlizenzierte Frequenzen, um Mobiltelefone und andere Geräte zu versorgen. Dazu gehören das weltweite, nicht lizenzierte 5-GHz-Band.

Um private LTE-Dienste einzurichten, benötigt ein Unternehmen eine LTE-Mikrozelle oder -Kleinzelle, Kernnetzserver und konforme Geräte mit einer SIM-Karte. Viele große Mobiltelefonhersteller unterstützen LTE-Frequenzbänder, die für private Dienste genutzt werden können.

Was ist Voice over LTE (VoLTE)?

Die VoLTE-Technologie ermöglicht es den Nutzern, über das LTE-Netz in Form von Datenpaketen zu telefonieren, anstatt klassische Sprachanrufe zu tätigen. Dies wird als Paket-Sprachübertragung bezeichnet und kann Pakete in einem Netzwerk mit mehreren Telefongesprächen gemeinsam nutzen.

VoLTE kann viele Anrufer bedienen und die dafür benötigte Bandbreite neu zuweisen. Weitere VoLTE-Funktionen sind die Optimierung der Bandbreite und die Möglichkeit für den Nutzer, zu sehen, ob das Telefon, das er anrufen möchte, besetzt oder verfügbar ist.

Geschichte und Entwicklung von LTE

Bis zur Einführung von LTE gab es keinen globalen Standard für drahtlose Breitbandverbindungen. Vor LTE hatte sich GSM in Asien und Europa durchgesetzt. Die großen Mobilfunkbetreiber in anderen Ländern, darunter die USA und Kanada, hatten jedoch Code-Division Multiple Access (CDMA) übernommen. Das Ziel von LTE war es, einen fragmentierten Markt zusammenzuführen und den Netzbetreibern ein effizienteres Netz anzubieten.

Zu den wichtigsten Meilensteinen in der Entwicklung von LTE gehören:

• 2004: NTT DoCoMo, ein japanischer Mobilfunkbetreiber, schlug vor, LTE zum nächsten internationalen Standard für drahtloses Breitband zu machen, und die Arbeit am LTE-Standard begann.
• 2006: Während einer Live-Demonstration lädt Nokia Networks über LTE gleichzeitig HD-Videos herunter und ein Spiel hoch.
• 2007: Ericsson, ein schwedisches Telekommunikationsunternehmen, demonstriert LTE mit einer Bitrate von 144 MBit/s.
• 2008: Ericsson demonstriert das erste LTE-End-to-End-Telefongespräch, und LTE wird fertiggestellt.
• 2009: TeliaSonera, ein schwedischer Mobilfunknetzbetreiber, stellt LTE in Oslo und Stockholm zur Verfügung.
• 2011: LTE-Advanced wird in 3GPP Release 10 finalisiert.
• 2016: Die 3GPP-Ingenieure beginnen mit der Entwicklung des 5G-Standards, der schließlich LTE ablösen wird.
• 2017: Die erste 5G-NSA-Spezifikation wird veröffentlicht und ist ab 2018-2019 allgemein verfügbar.
• 2021: Die Arbeit an der 5G-Spezifikation geht weiter.

Was kommt auf die Mobilfunknetze zu?

Die meisten 5G-Netze verwenden die NSA-Spezifikation, die ein 4G-LTE-Kernnetz erfordert, um 5G-Datensitzungen zu ermöglichen. 4G LTE ist immer noch der wichtigste Mobilfunkstandard auf der ganzen Welt. Er wird frühestens in den 2030er Jahren vollständig von 5G abgelöst und sich auch wahrscheinlich noch einige Jahre danach halten.

Erfahren Sie mehr über den Vergleich zwischen 5G und LTE.