Einflussfaktoren auf den LTE-Empfang

Welche Faktoren wirken negativ auf die Empfangsqualität & wie kann man sie verbessern?


Wenn die Wahl auf einen Internetzugang über ein Funkmedium, zum Beispiel UMTS/HSPA oder eben LTE, fiel, muss man sich genau mit den lokalen Bedingungen vertraut machen. Das schwächste Glied in der ganzen Verbindungskette ist und bleibt die sogenannte Luftschnittstelle, also die Funkverbindung zwischen dem eigenen Endgerät und der Basisstation. Die Qualität dieser Verbindung ist äußerst wichtig für die Performance der Internetverbindung, aber nicht unbedingt grundsätzlich für alle Probleme verantwortlich. Ein gewichtiges, sekundäres Problem ist, dass sich alle User in einer Zelle die Kapazität dieser Luftschnittstelle teilen müssen und es somit sehr schnell zu  Überlastungen kommen kann. Gerade um "Stoßzeiten" gegen 20:00 Uhr, kann es daher selbst bei einwandfreien Empfangsbedingungen zu starken Einschnitten kommen. Ein Grund, warum die Drosselungspraktik generell leider nötig ist. Trotzdem stellt eine gute Funkverbindung die wichtigste Grundlage für eine störungsfreie und stabile Verbindung dar.
Wer nun die Bestellung eines eigenen LTE-Anschlusses plant (oder gar schon hat), sollte von vornherein möglichst alle wichtigen Parameter einschätzten und berücksichtigen. Dazu muss bekannt sein, welche Faktoren die Funkverbindung negativ beeinflussen und welche Gegenmaßnahmen wirksam sein könnten. Im Folgenden wollen wir Ihnen detailliert aufzeigen, welches das sind. Los gehts!


1. negative Einflussfaktoren auf die Empfangsqualität

Das größte Problem bei einer Funkverbindung ist schlichtweg die Entfernung. Bereits wenige Meter nach Abstrahlung von der Antenne, nimmt die Feldstärke der abgestrahlten Welle drastisch ab, wie das folgende Diagramm zeigt.


Freiraumdämpfung in Abhängigkeit vom Abstand r

Diagramm 1: Freiraumdämpfung nach der Friis-Formel


Nach nur einem Meter sinkt die Signalstärke bereits um 30 dB. Das entspricht einer Reduzierung auf ein Tausendstel! Allerdings wird die Funkwelle mit zunehmender Entfernung immer weniger abgeschwächt, die Kurve folgt dabei einer logarithmischen Funktion. Trotzdem ist die Empfangsleistung, die letztendlich vom jeweiligen Empfänger aufgenommen und verwertet werden muss, sehr gering. Ein durchaus gängiger Empfangswert von -100 dBm entspricht einer Leistung von 0,0000000000001 W = 1-13 W = 1 pW (Pikowatt). Jetzt sollte auch jedem klar sein, warum diese empfindliche Verbindung einige Aufmerksamkeit benötigt. Eine weitere Abschwächung dieser Empfangsleistung kommt zustande, wenn die Sichtverbindung unterbrochen ist oder das Empfangsgerät in einem Gebäude (mit Isolierung & Wärmeschutzverglasung) steht. In diesem Fall müssen die Funkwellen noch ein zusätzliches Hindernis überwinden.


1.1 Problem beim Betrieb eines Endgerätes im Inneren eines (isolierten) Gebäudes

Abgesehen von der Abschwächung des LTE-Empfangsignals beim Eindringen in das Gebäude, werden die Funkwellen auch bei jedem Auftreffen auf ein weiteres Hindernis im Raum weiter absorbiert und reflektiert. Diese entstehenden Reflektionen bilden dann ein sogenanntes Interferenzmuster, dasselbe Signal tritt dann mehrfach im Raum mit unterschiedlichen Laufzeiten auf. Dabei kann es dann zu Überlagerungen der Funkwellen kommen, welche sich abwechselnd addieren oder auch auslöschen können. Das Problem bei der Addition der Wellen ist, dass es eben Signale mit unterschiedlicher Laufzeit sind, die sich überlagert haben. Im Falle einer Auslöschung gibt es dann mitten im Raum auf einmal Funklöcher.

LTE-Router am besten in Fensternähe platzieren

Das Problem mit den unterschiedlichen Laufzeiten kann auch dazu führen, dass es zu höheren Ping-Zeiten kommt, da das Endgerät immer erst prüfen muss, welches Signal "das Beste" und Aktuellste ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Empfangspegel durch die Auslöschungen schwanken, was natürlich auch zu schwankenden Datenraten führen kann, wenn der Empfangspegel einmal zu schlecht wird. Ganz besonders stark können diese Schwankungen sein, wenn sich das Interferenzmuster, was sich im Raum ausbildet, ändert. Etwa durch Modifikation der im Raum befindlichen Gegenstände oder Personen (Bewegung). Diese "Störung" bewirkt dann eine permanente Änderung der Felder. Das Öffnen einer Tür oder das Durchqueren des Raumes kann zum Beispiel eine solche Störung sein.

Wie für das Empfangssignal (Downlink), gelten diese Dinge auch für das eigene Sendesignal (Uplink). Bevor es sich in Richtung Basisstation ausbreiten kann, wird es durch das Mauerwerk gedämpft bzw. x-fach reflektiert. Dabei bilden sich genau dieselben Interferenzen, Auslöschungen und Laufzeit-verschiebungen. Gleichsam haben diese Interferenzen Auswirkung auf die Qualität der Verbindung. Da das eigene Sendesignal das schwächste Glied in der ganzen Signalkette ist (kein MIMO, geringe Sendeleistung, kleinere Antennen), können die Auswirkungen daher beim Upload noch drastischer sein.

1.2 Mehrere Basisstationen in der Nähe

Grundsätzlich ist es ja wünschenswert, wenn ein Netzanbieter für ein sehr engmaschiges Netz von Basisstationen sorgt. Das bedeutet eine gute Abdeckung und schafft Kapazitäten für viele User - die Zellauslastung wird dadurch reduziert. Mehr Senderstandorte bedeuten also nur Gutes für die Stabilität und Datenübertragungsrate eines LTE-Anschlusses!? Sie ahnen schon, das ist nur die halbe Wahrheit. Es gibt leider auch eine negative Implikationen, welche sich gerade bei den Nutzern deutlich bemerkbar macht, die eine sehr hochbitratige Datenverbindung (also 30-100 MBit/s) nutzen wollen.

2 Stationen nebeneinander

Wo liegt nun das Problem? Alle Basisstationen eines Providers nutzen dieselben Frequenzen. Wenn jetzt 2 Basisstationen ungefähr gleich weit entfernt stehen, kann das die Performance der eigenen Verbindung etwas beeinträchtigen. Zunächst einmal ist das eigene Endgerät ja immer nur mit einer Basisstation verbunden. Alle Signale dieser Station können „verstanden“ und alle "eigenen Daten" ganz normal herausgefiltert werden. Die Funksignale der anderen Station sind aber "fremd" und können vom Endgerät hingegen nicht verarbeitet werden. Somit wirken diese Signale als Störer, welche in den Frequenzkanal der eignen Verbindung fallen. Die Folge ist, dass der gemessene RSSI steigt, während der RSRP aber gleich bleibt. Also sinken der SINR und der RSRQ, wodurch in der Konsequenz die Verbindungsqualität schlechter wird. Mehr dazu hier im ersten Teil unseres Empfang-Spezials.


1.3 sonstige Einflüsse

Leider kann Ihrer LTE-Verbindung sogar sprichwörtlich das Wetter einen Strich durch die Rechnung machen. Inversionswetterlagen (Nebel), starker Schneefall oder Regen, behindern die Ausbreitung der Funkwellen teils erheblich. Selbiges gilt für Hindernisse zwischen der gedachten Sichtlinie vom Sender zum Empfänger (also Ihnen). Als ideal gilt eine ebene Sichtverbindung, was leider nur in den seltensten Fällen gegeben sein wird. Häufige Hindernisse sind Wälder, Hügel oder hohe Gebäude, wie Kirchen. Erstere sind insbesondere ein Problem, wenn die Belaubung im Frühjahr einsetzt. Dann kann tatsächlich eine sonst im Winter einwandfreie Verbindung plötzlich nur noch ein Bruchteil der Leistung aufweisen. Dass eine fehlende Sichtverbindung jedoch nicht zwingend ein Problem sein muss, zeigen wir in diesem Beitrag.


2. Empfang positiv beeinflussen und optimieren - so gehts!

2.1 Die perfekte Antennenposition

Router mit abnehmbaren Paddelantennen

interne Paddelantennen beim LTE-Router Easybox 904

Unabhängig davon, ob man eine externe Außenantenne oder die internen (z.B. Paddel am Router) Geräteantennen verwendet. Mit einem "guten" Antennenstandort kann man schon eine Menge erreichen. Doch was bedeutet gut? Grundsätzlich sollten die Antennen (bzw. das Endgerät bei Verwendung der Geräteantennen) so hoch wie möglich positioniert werden. Gerade bei fehlender Sichtverbindung, ist jeder Höhengewinn erstrebenswert. Nur so kommt man aus dem diffusen Streufeld des Wellenbeugungsbereiches heraus und in die Nähe des direkten Signals. Externe Antennen sollten immer im Freien und so hoch wie möglich angebracht werden. Bei Richtantennen muss eine genaue Ausrichtung auf die Basisstation erfolgen. Durch die MIMO-Funktionalität bei LTE, kann die maximal mögliche Datenrate im Downlink nahezu verdoppelt werden. Dazu ist es notwendig, entweder eine MIMO-fähige Antenne zu verwenden oder mit zwei einzelnen Antennen zu arbeiten. Die Einzelantennen sollten um 90° in ihrer Polarisation versetzt montiert werden. Sollte der Antennenmast der höchste Punkt am Gebäude sein, muss auf einen ausreichenden Blitzschutz geachtet werden! Generell gilt übrigens nicht die einfache Formel, dass die teuerste Antenne auch immer die Beste Lösung darstellt. Wie Sie für jeden Bedarf individuell die optimale LTE-Antenne finden, erfahren Sie hier in dieser PDF.

Vorteile bei der Verwendung einer externen  LTE-Antenne

Der größte Vorteil einer Antenne im Freien, verbirgt sich hinter der Möglichkeit einer freien Wahl des wirklich bestmöglichen Antennenstandortes. Während das einfache Endgerät mit den internen Antennen ziemlich ortsgebunden ist (zum Beispiel in Bezug auf Stromversorgung / WLAN-Reichweite), kann eine externe LTE-Antenne auch am höchsten Punkt des Gebäudes montiert werden. Dabei werden durch den besseren Standort (im Freien & in einer guten Höhe), sowie dem wahrscheinlich vorhandenen Antennengewinn, in der Regel die Verluste des Antennenkabels mehr als deutlich ausgeglichen. Selbst bei 10 bis 15 Meter Antennenkabel ist eine Empfangsverbesserung um 15 … 20 dB durchaus realistisch. Natürlich kann das durch Verwendung von qualitativ hochwertigem Antennenkabel noch weiter optimiert werden. Diese aber leider auch recht hochpreisig. » mehr zum Thema Antennengewinn


Grundsätzlich können nahezu alle Empfangsprobleme, die eingangs angesprochen wurden, mit Hilfe einer externen Antenne beseitigt werden. Durch die Montage im Freien und in einer entsprechenden Höhe, lassen sich auftretenden Probleme innerhalb des Gebäudes, in Form von Interferenzen, komplett beseitigen. Zudem arbeitet eine Antenne in dieser Position und bei fehlender Sichtverbindung deutlich besser, da mit jedem Meter Höhengewinn auch die Anteile des direkten Signals zunimmt. Bei Verwendung einer Richtantenne können zudem andere Störer die nicht im Öffnungswinkel der Antenne liegen, wie etwa andere Basisstationen, ausgeblendet werden.

Fazit

  • sorgen Sie bei Verwendung inhäusiger Empfangsgeräte für eine exponierte und fensternahe Position,
  • installieren Sie wenn möglich eine passende externe LTE-Antenne, achten aber auf kurze Kabelwege,
  • richten sie diese optimal auf den Sendemast aus -> so gehts.


Mehr Wissenswertes und Hilfen zum Thema:

» Ratgeber "Empfang verbessern mit LTE"
» Bedeutung des RSRQ-Wertes zur Interpretation der Empfangsqualität
» Speedtest durchführen

» LTE Antenne selber bauen - eine Anleitung
» Wie schnell ist LTE?




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