Echtes 4G und die Zukunftstechnik LTE Advanced

Unter dem Namen IMT-Advanced liegen seit November 2008 die Vorgaben für die vierte Mobilfunkgeneration vor. Die Internationale Fernmeldeunion (International  Telecommunication Union, kurz ITU) legte diese Anforderungen fest.

Seit Oktober 2009 bewerben sich zwei Technologie-Familien um den Titel der 4G-Datenfunk-Technologie der Zukunft, so die Internationale Fernmelde Union. Da ist zum einen die weiterentwickelte Technik LTE Advanced, die aus LTE herovrgegangen ist. Zweiter Bewerber ist die mit dem sperrigen Kürzel IEEE 802.16m versehene Technologie, die sich aus der Wimax-Gruppe entwickelt hat.

Umgangssprachlich werden schon LTE oder Mobile Wimax heute als 4G-Technologien bezeichnet. Im Sprachgebrauch technischer Standards sind es 3G-Systeme.

Die Vorgaben ITU: Ein Gigabit pro Sekunde ist das Ziel

Einige zentrale Anforderungen werden an Funktechniken der vierten Generation gestellt. Höhere Übertragungsraten, eine größere Bandbreite, hohe Spektraleffizienz sowie niedrige Latenzzeiten und eine bessere Versorgung der Randbereiche in den Funkzellen sind  entscheidende Kriterien.

Als Forschungsziele für die Übertragungsgeschwindigkeit nennt die Internationale Fernmeldeunion 100 Megabit pro Sekunde bei hoher und ein Gigabit pro Sekunde bei geringer Mobilität. Dazu kommen bis zu 40 Megahertz skalierbarer Bandbreite für den Übertragungskanal, doch werden die Forscher ermuntert, Bandbreiten bis 100 Megahertz in Erwägung zu ziehen. Die Spektraleffizienz wird gemessen, indem man die Übertragungsrate pro Bandbreite misst. Die ITU hat für IMT-Advanced 15 Bit pro Sekunde und pro Hertz (Bit/s/Hz) im Downlink und 6,75 Bit/s/Hz im Uplink als Effizienraten festgelegt.

Als Beispiele für verschieden hohe Spitzengeschwindigkeiten in verschieden breiten Funkkanälen werden von der ITU angeführt bei einem Funkkanal von 40 Megahertz (MHz)  600 Mbit/s und bei einem Funkkanal von 100 Megahertz  1 500 Mbit/s jeweils im Downlink.

Der 4G-Kandidat LTE Advanced

Die Bandbreite liegt bei LTE-Advanced deutlich höher als beim 3G-LTE. Statt 20 Megahertz kann LTE-Advanced mehrere Träger bündeln und somit bis zu 100 MHz gleichzeitig nutzen. Dabei können auch Frequenzbänder in unterschiedlichen Frequenzbereichen kombiniert werden, da kein Netzbetreiber bisher über ein durchgängiges Frequenzspektrum von 100 MHz verfügt. Momentan sind diese 100 MHz nur theoretisch erreichbar, in der Praxis müssen erst weitere Spektren zugewiesen werden. Dies kann erst 2015 auf der World Radio Conference (WRC) geschehen. Bis dahin werden die Bandbreiten wohl auf 40 MHz beschränkt bleiben.

Eine weitere Neuerung, die mit LTE-Advanced Einzug halten könnte, sind sogenannte „Relay Nodes“, also Relay-Stationen. Diese ermöglichen es, auch außerhalb der Reichweite einer Basisstation, deren Signal zu empfangen. Im Randbereich verstärken die Relay-Stationen das Signal. Angeschlossen sind die Relay-Stationen an die Basisstation. Somit kann auch die Signalstärke innerhalb von Gebäuden verbessert werden.

Steigerung der Spektraleffizienz

Das Konzept mehrerer Antennen (MIMO: Multiple Input/Multiple Output), das bereits jetzt teilweise zum Einsatz kommt, soll ebenfalls erweitert werden. Statt zweier Antennen bei Sender und Empfänger (2x2 Single-User MIMO) sollen bis zu acht Antennen für den Downlink eingeführt werden (8x8 Single-User MIMO). Für den Upload sollen immerhin noch vier Antennen zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz mehrerer Antennen gleichzeitig können mehrere Datenströme auf der gleichen Frequenz gesendet werden. Das erhöht nicht nur die Spektraleffizienz, sondern auch die Sendequalität.

Bei der Spektraleffizienz sollen mit LTE-Advanced sogar Spitzenwerte von bis zu 30 Bit/s/Hz im Download erreicht werden sowie 15 Bit/s/Hz im Upload. LTE kommt immerhin auf 15 Bit/s/Hz beim Empfangen und bei 3,75 Bit/s/Hz beim Senden von Daten. Daran sieht man, dass LTE zwar in Sachen Spektraleffizienz schon die Anforderungen von IMT-Advanced erfüllen kann, jedoch nur im Download. Im Upload, sowie bei der Bandbreite ist es aber Welten davon entfernt, eine 4G-Technologie zu sein.

4G: Umgangssprache und Techniksprache

Auch wenn oft LTE oder Mobile Wimax als 4G-Technologien bezeichnet werden, sind sie vom Standpunkt technischer Standards gesehen nur Weiterentwicklungen im Bereich von 3G und stellen eine Art Zwischenstufe dar. Einige Kriterien für IMT-Advanced werden zwar ansatzweise erfüllt, bei weitem nicht alle.

Trotzdem bezeichnen die Marketingabteilungen der internationalen Mobilfunkbetreiber die neue LTE-Technologie, die zunehmend auch in den USA eingesetzt wird, schon als 4G, um den Unterschied in der Geschwindigkeit bei der Datenübertragung im Vergleich zu UMTS-Netzen nac h außen zu verdeutlichen. Es zeichnet sich ab, dass dieser Sprachgebrauch sich bald durchsetzt. Dann werden LTE oder eine vergleichbare Technologie wie Mobile Wimax  allgemein als 4G-Technologie bezeichnet und lediglich in der Fachsprache technischer Standards noch als 3G-Technologien geführt.