LTE Technik E-Book
Die LTE-Einführung bietet auf ca. 40 Seiten einen Einstieg in die Funktionsweise der LTE-Mobilfunktechnologie und gibt einen Einblick in die Eigenschaften der Frequenzbereiche, in denen LTE genutzt wird. Auf dieser Seite findest du Auszüge und ergänzende Erklärungen zu den technischen Grundlagen.
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Das E-Book stammt aus der frühen LTE-Zeit. Es erklärt die Grundlagen und dokumentiert den damaligen Entwicklungsstand. Die Erläuterungen in diesem Artikel wurden fachlich überarbeitet; das ursprüngliche E-Book bleibt unverändert verfügbar.
Technische LTE-Daten im Überblick
LTE steht für Long Term Evolution. Die 3GPP hat die erste LTE-Ausbaustufe in Release 8 standardisiert. Das Funknetz heißt E-UTRAN, die Basisstation eNodeB. Sie verbindet das Endgerät mit dem paketorientierten Kernnetz, dem Evolved Packet Core (EPC). [5]
LTE bietet skalierbare Kanalbandbreiten von 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz und 20 MHz. Damit lässt sich die Technik an unterschiedlich große Frequenzblöcke anpassen. Welche Bandbreite eingesetzt wird, hängt vom Frequenzband, dem verfügbaren Spektrum des Betreibers und der Netzkonfiguration ab. Für die einzelnen Bandbreiten sind 6, 15, 25, 50, 75 beziehungsweise 100 Ressourcenblöcke vorgesehen. [1]
Die maximale Downlink-Datenrate hängt von der Ausstattung ab. Bei 20 MHz Kanalbandbreite erreicht die frühe LTE-Kategorie 4 rund 150 Mbit/s im Downlink und rund 50 Mbit/s im Uplink. Kategorie 5 unterstützt bis zu vier räumliche Datenströme im Downlink und höhere Spitzenwerte. Die Kategorien 3 bis 5 unterscheiden sich bei den unterstützten Datenraten und räumlichen Ebenen: [3]
| LTE-Kategorie Release 8 | Downlink | Uplink | DL-Ebenen maximal |
|---|---|---|---|
| Cat 3 | ca. 102 Mbit/s | ca. 51 Mbit/s | 2 |
| Cat 4 | ca. 151 Mbit/s | ca. 51 Mbit/s | 2 |
| Cat 5 | ca. 300 Mbit/s | ca. 75 Mbit/s | 4 |
Im Betrieb verteilt die Basisstation die verfügbaren Funkressourcen auf die aktiven Verbindungen. Wie viel davon ein Gerät erhält, hängt von Auslastung, Funkqualität und Datenbedarf ab. LTE-Advanced erweitert diese Grundlage unter anderem durch Carrier Aggregation: Ein Endgerät kann mehrere LTE-Träger gemeinsam nutzen.
Latenz, Mobilität und Zellkapazität
Ein großer Vorteil von LTE sind die geringen Latenzzeiten. Die häufig genannte Angabe „unter 5 ms“ bezeichnet ein ursprüngliches Entwicklungsziel für die einseitige Übertragung kleiner IP-Pakete über den unbelasteten Funkzugang. Ein Ping misst Hin- und Rückweg; zusätzlich fließen Kernnetz, Transportnetz und die Strecke zum Zielserver ein. [4]
Ebenfalls wichtig für eine Mobilfunktechnik sind die Mobilitätseigenschaften. LTE wurde für geringe Bewegungsgeschwindigkeiten von 0 bis 15 km/h optimiert und für den Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten ausgelegt. Die ursprünglichen Anforderungen berücksichtigen Verbindungen bis 350 km/h und, abhängig vom Frequenzband und dem Einsatzszenario, bis 500 km/h. Bei schnellen Zugfahrten spielen außerdem die Versorgung entlang der Strecke und die Wechsel zwischen Funkzellen eine große Rolle. [4]
Für die Zellkapazität sahen die frühen Anforderungen mindestens 200 aktive Teilnehmer bei einer Spektrumszuweisung bis 5 MHz vor. Diese Zahl beschreibt die Unterstützung aktiver Verbindungen. Ihre Daten teilen sich die verfügbaren Ressourcen; Anwendungen mit wenig Datenverkehr und große Downloads beanspruchen davon unterschiedlich viel. [4]
OFDMA und SC-FDMA: das Spektrum aufteilen
Zu den zentralen Techniken von LTE gehören OFDMA im Downlink und SC-FDMA im Uplink. OFDMA steht für Orthogonal Frequency Division Multiple Access. Beide Verfahren beruhen auf OFDM und teilen das vorhandene Spektrum in viele schmalbandige Träger auf, sogenannte Subcarrier oder Unterträger. [6]
OFDMA ist für den Mehrnutzerbetrieb entwickelt und kann den Nutzern ihren Anforderungen entsprechend Funkressourcen zuordnen. Die Basisstation weist Ressourcen in Zeit und Frequenz zu und berücksichtigt dabei die Funkbedingungen. Bei gewöhnlicher LTE-Datenübertragung beträgt der Abstand zwischen den Unterträgern 15 kHz. Zwölf benachbarte Unterträger bilden über einen Slot von 0,5 ms einen Ressourcenblock. [2]
Das Interessante an OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ist, dass die einzelnen Trägersignale orthogonal zueinander stehen. Ihre Spektren können sich überlappen und im Empfänger dennoch getrennt ausgewertet werden. Dafür müssen Zeit- und Frequenzsynchronisation stimmen. Ein zyklisches Präfix schafft einen Schutzbereich gegen verzögerte Signalanteile, die etwa durch Reflexionen entstehen. [2] [6]
Schmalbandige Störungen treffen einen Teil der Unterträger. Kanalcodierung und Fehlerkorrektur helfen dem Empfänger, die Nutzdaten wiederherzustellen. Ein breiterer LTE-Kanal enthält bei gleichem Unterträgerabstand mehr Unterträger und kann entsprechend mehr Funkressourcen bereitstellen.
SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) ergänzt die OFDM-Verarbeitung um eine DFT-Vorverarbeitung. Dadurch entstehen im Uplink geringere Leistungsspitzen als bei gewöhnlichem OFDMA. Der Leistungsverstärker des Mobilgeräts kann effizienter arbeiten – ein wichtiger Punkt für Akkubetrieb und Sendeleistung. [6]
In frühen Beschreibungen wurde LTE auch als HSOPA, High Speed OFDM Packet Access, bezeichnet. OFDMA wird außerdem bei WiMAX eingesetzt; der Vergleich der beiden Techniken spielte in der frühen LTE-Diskussion eine größere Rolle.
MIMO-Antennentechnik
Ein weiterer Baustein von LTE ist die MIMO-Antennentechnologie. Verfügt ein System über mehrere Eingangs- und Ausgangsgrößen, spricht man von einem MIMO-System (Multiple Input/Multiple Output). Im Zusammenhang mit Mobilfunk und LTE bedeutet das mehrere Sende- und Empfangsantennen zur drahtlosen Übertragung von Daten.
Zum einen kann dadurch die spektrale Effizienz erhöht werden, also eine höhere Datenrate auf derselben Bandbreite erreicht werden. Zum anderen lässt sich die Übertragungsqualität verbessern. Dazu befinden sich im Sender und im Empfänger mehrere Antennen. Dadurch kann neben der zeitlichen auch die räumliche Dimension der Übertragung genutzt werden.
Beim räumlichen Multiplexing überträgt das System mehrere Datenströme gleichzeitig. Der Empfänger trennt sie anhand ihrer unterschiedlichen Funkwege. Wie viele Ebenen genutzt werden, richtet sich nach den Antennen, den Eigenschaften des Funkkanals und der vom Netz gewählten Übertragung. Diversität nutzt mehrere Signalwege für einen zuverlässigeren Empfang. LTE-Advanced erweitert die Mehrantennentechnik. [5]
MIMO wurde auch bei der UMTS-Ausbaustufe HSPA+ eingesetzt, um höhere Datenraten zu erreichen.
Modulation: mehr Bits je Symbol
Ein weiteres Verfahren zur Steigerung der LTE-Datenrate ist 64QAM (Quadraturamplitudenmodulation). Dabei werden zwei um 90 Grad phasenverschobene Trägeranteile in ihrer Amplitude verändert. Aus ihrer Kombination entstehen unterscheidbare Symbolzustände. QPSK überträgt 2 Bit je Symbol, 16QAM 4 Bit und 64QAM 6 Bit, jeweils vor der Kanalcodierung. [2]
Eine höhere Modulationsordnung benötigt ein besseres Verhältnis des Nutzsignals zu Rauschen und Störungen. Das Netz passt deshalb Modulation und Coderate an die gemessene Kanalqualität an. Mit zunehmender Dämpfung oder stärkeren Störungen wählt es robustere Einstellungen; dabei sinkt die übertragene Nutzdatenmenge je Funkressource. [5]
FDD-LTE und TDD-LTE
TDD (Time Division Duplex) und FDD (Frequency Division Duplex) sind zwei unterschiedliche LTE-Varianten, die das vorhandene Spektrum auf unterschiedliche Art nutzen. Sie wurden konzipiert, um LTE in gepaartem und ungepaartem Spektrum betreiben zu können.
TDD-LTE nutzt für Uplink und Downlink denselben Frequenzbereich. Beide Richtungen werden zeitlich getrennt übertragen. FDD-LTE benötigt hingegen gepaartes Spektrum: einen Frequenzbereich für den Uplink und einen für den Downlink. Im Vollduplexbetrieb können Uplink und Downlink gleichzeitig übertragen werden. Durch diese Anpassungsfähigkeit wird LTE verschiedenen nationalen Gegebenheiten bei der Verfügbarkeit von Frequenzen gerecht. [2]
Die übertragenen Signale werden in beiden LTE-Varianten in Subframes aufgeteilt. Ein Subframe ist eine zeitliche Einheit von einer Millisekunde; zehn davon bilden einen Funkrahmen von 10 ms. Die ursprüngliche LTE-TDD-Struktur definiert sieben Uplink-Downlink-Konfigurationen, nummeriert von 0 bis 6. Sie legen die zeitliche Aufteilung der Übertragungsrichtungen fest. Die Konfigurationen unterscheiden sich damit im Zeitanteil für Uplink und Downlink. [2]
Beim Wechsel von Downlink zu Uplink liegt ein Special Subframe mit drei Feldern: DwPTS (Downlink Pilot Time Slot), GP (Guard Period) und UpPTS (Uplink Pilot Time Slot). Die Schutzzeit hält die Übertragungen beider Richtungen beim Umschalten auseinander und berücksichtigt Laufzeiten und Umschaltvorgänge. Länge und Aufteilung dieses Special Subframe werden gesondert konfiguriert. [2]
LTE-Aufrüstung und paketorientierte Netze
Technisch gesehen steht LTE in der Entwicklungslinie der 3GPP-Familie zellular aufgebauter Netze wie GSM und UMTS. Mit der Einführung von LTE erfolgte der Übergang zu einer IP-basierten, paketorientierten Architektur. Das erleichtert die gemeinsame Übertragung von Sprach-, Video- und Datendiensten und die Verbindung mit anderen IP-Netzen.
Die LTE-Basisstation übernimmt wesentliche Aufgaben des Funkzugangs und ist mit dem EPC verbunden. Das Kernnetz organisiert unter anderem Mobilität, Authentifizierung und die Verbindung zu externen Datennetzen. Telefonie über LTE wird mit VoLTE (Voice over LTE) und dem IP Multimedia Subsystem (IMS) bereitgestellt. Die Aufgaben der einzelnen Komponenten erklärt der Artikel EPC – das LTE-Kernnetz. [5] [7]
LTE wurde für das Zusammenwirken mit GSM und UMTS entwickelt. Beim Handover wird eine bestehende Verbindung an eine andere Funkzelle übergeben. Übergänge zwischen unterschiedlichen Mobilfunktechniken benötigen passende Funktionen im Netz und im Endgerät. Für den Energieverbrauch bietet LTE unter anderem DRX (Discontinuous Reception): Das Gerät kann seinen Empfang nach einem mit dem Netz abgestimmten Zeitmuster pausieren. [5]
Für rundfunkartige Dienste sieht LTE MBMS vor. Im MBSFN-Betrieb senden mehrere synchronisierte Zellen dasselbe Signal gleichzeitig. So können viele Empfänger dieselben Inhalte gemeinsam über eine Funkübertragung erhalten. [5]
LTE-Advanced entwickelt diese Grundlagen unter anderem durch Carrier Aggregation und erweiterte Mehrantennentechnik weiter. Wie LTE und 5G ein Frequenzband gemeinsam nutzen können, erklärt der Artikel zu Dynamic Spectrum Sharing (DSS).
Grafiken aus dem ursprünglichen Artikel
Die alte Datenratentabelle und die ursprüngliche FDD/TDD-Abbildung bleiben hier zur Dokumentation erhalten. Die Gerätetabelle oben und die neu beschriftete Duplex-Grafik erläutern die technischen Werte im Zusammenhang.
Ursprüngliche Datenratentabelle und FDD/TDD-Grafik öffnen
Quellen und technische Einordnung
Grundlage ist der ursprüngliche LTEmobile-Artikel „LTE Technik“. Die technischen Angaben wurden anhand der folgenden Primärquellen geprüft (Stand: 27. Oktober 2026). Die Release-8-Dokumente ordnen die im Original beschriebenen LTE-Grundlagen ein; die Systembeschreibung aus Release 10 ergänzt die weiterentwickelten Funktionen.
- [1] ETSI / 3GPP TS 36.101 V8.9.0 – LTE-Funkkanäle
- [2] ETSI / 3GPP TS 36.211 V8.9.0 – Physikalische Kanäle und Modulation
- [3] ETSI / 3GPP TS 36.306 V8.8.0 – LTE-Endgerätekategorien
- [4] ETSI / 3GPP TR 25.913 V8.0.0 – Ursprüngliche LTE-Anforderungen
- [5] ETSI / 3GPP TS 36.300 V10.4.0 – LTE-Systembeschreibung
- [6] 3GPP – LTE-Advanced, IMT-Advanced Evaluation Workshop 2009
- [7] GSMA – Voice over LTE
Weiterlesen
- LTE Advanced – Carrier Aggregation, erweiterte Mehrantennentechnik und Relay Nodes.
- EPC – das LTE-Kernnetz – wie der Funkzugang mit Datennetzen und Diensten verbunden ist.
- 5G-Frequenzen und Frequenzbänder – Frequenzlagen, Kanalbandbreiten und die Nutzung des Spektrums.
- 5G-Sendereichweiten mit unterschiedlichen Frequenzen – wie Frequenz, Standort und Funkbedingungen zusammenwirken.