Carrier Aggregation

Die essentielle Technik für die Mobilfunknetze von Morgen


LTE hat zweifelsohne vor 7 Jahren die Mobile Welt verändert und befeuert heute moderne Smartphones mit super schnellem Internet – oft sogar weit rasanter, als der heimische Breitband-Zugang. Mit dem sogenannten LTE-Advanced, öffnet sich für die Kunden sogar das Tor ins Gigabit-Zeitalter. 300 MBit werden vorerst angeboten, weit mehr sind langfristig möglich. Die wohl entschiedenste Technik für diesen Evolutionssprung bei LTE (ab Release10) stellt das sogenannte Carrier Aggregation (CA) dar. Folgend wollen wir für dieses nicht ganz einfache Verfahren verständlich erklären, worin die Bedeutung liegt und wie CA funktioniert.

Die Evolution von LTE hin zum Gigabit-Netz

Es steckt bereits im Namen! LTE bedeutet schließlich Long Term Evolution – also langfristige Entwicklung. Gemeint ist, dass es sich nicht um einen statischen Funkstandard handelt, sondern dass dieser kontinuierlich verbessert wird – gekennzeichnet mit sogenannten Release-Stufen. Das Ziel sind jeweils stabilere, günstigere und vor allem schnellere mobile Datennetze. Bei LTE-Advanced handelt es sich um eine Spezifikation ab dem Release 10, ausgelegt für Transferraten bis über 1000 MBit! Neben einigen methodischen Verbesserungen, lassen sich Kapazitäten bzw. Datenübertragungsraten aber vor allem über zwei Stellschrauben erhöhen. Einerseits durch Mehrantennen-Techniken höherer Ordnung (siehe Abschnitt zu MIMO), vor allem aber  durch mehr nutzbare Frequenzbandbreite. Doch genau da liegt ein elementares Problem für alle Provider weltweit.

Die Krux mit den Frequenzen: „Das unsichtbare Gold der Lüfte“

Um die folgende Problematik zu verstehen, sollte man sich zunächst folgendes verbildlichen. Die Übertragung von Daten erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen, wie z.B. beim Radio. Das in Frage kommende Spektrum dafür, liegt irgendwo zwischen 400 -  4000 MHz, wobei niedrige Bereiche ebenso Vor- und Nachteile aufweisen wie hohe. Damit ist der Mobilfunk aus technischen Gründen auf ein relativ enges Korsett beschränkt. National und international wird dieser enge Abschnitt wie ein Kuchen aufgeteilt. Etwa für Digital-TV (DVB-T/2), die Mobilfunkprovider und andere Gruppen. Aber auch ältere Funkstandards, wie UMTS oder GSM, benötigen jeweils eigene Bänder. Somit sind freie Funkfrequenzbereiche für LTE äußerst rar und eine extrem wertvolle Ressource. 2010 ließen sich die vier großen deutschen Mobilfunkprovider die Lizenzen für die LTE-Nutzung über 4 Milliarden kosten. Allein die Deutsche Telekom investierte rund 1.3 Mrd. Euro, davon 1.15 Milliarden nur für ein 20 MHz breites Frequenzband bei 800 MHz.

Ein weiteres Problem ist die starke Fragmentierung. Kaum ein Anbieter weltweit besitzt Bänder über 20-40 MHz am Stück. In Deutschland hat die Telekom z.B. 20 MHz für den Download bei 2600 und 1800 MHz, sowie 10 im 800 MHz-Band. Um die maximale Übertragungsrate bei LTE-Advanced zu erreichen, wären aber 100 MHz nötig!

Bündelung als Lösung

Woher sollen nun die Mobilfunkkonzerne extra Frequenz-Bandbreite zur Erhöhung der Datenrate nehmen? Die Lösung heißt Carrier Aggregation, also die Zusammenfassung mehrerer Bereiche zu einem virtuellen Frequenzband. Zum Beispiel die Aggregation von 20 MHz bei 1.8 GHz und 20 MHz bei 2.6 GHz, woraus ein virtuelles Nutzband mit 40 MHz Breite entsteht. LTE Advanced ermöglicht nun erstmals die Zusammenfassung von bis zu 5 „component carrier“ zu einem Aggregat mit maximal 100 MHz. Jeder der Komponenten-Carrier kann dabei 1.4, 3, 5, 10, 15 oder 20 MHz breit sein. Für den Upload und Download können zudem unsymmetrisch viele Carrier verwendet werden. Den Netzbetreibern stehen mit dem Verfahren 3 Wege für die Aggregation offen:

  • Intra-Band contiguous: Hierbei werden (wie bei herkömmlichen LTE) nur fortfolgende Frequenzbereiche zusammengefasst, die in einem Bandbereich liegen.
  • Intra-Band Non-contiguous: Hier werden Carrier aggregiert, die zwar in einem Bandbereich liegen, zwischen denen aber eine Lücke klafft.
  • Interband Carrier Aggregation contiguous: Die wohl wichtigste Möglichkeit, da sich hier außerdem Carrier bündeln lassen, die auf anderen Bändern liegen.

Das folgende Schemata illustriert diese drei Modell-Varianten der CA noch einmal anschaulich:



Aktueller Stand in der Praxis

Carrier-A wird momentan in Deutschland sowohl von der Telekom, als auch bei Vodafone genutzt. Die Telekom bündelt 2 Bänder für Datenraten bis 300 MBit. Entsprechende Tarife der Telekom können Sie hier einsehen. Seit Mitte 2016 experimentiert Vodafone mit der Aggregation von bis zu drei Frequenzbereichen (CAT9 oder höher) und erzielt so bis 375 MBit. Im Netz von O2 wird offiziell noch kein CA eingesetzt.


MIMO & Carrier Aggregation

Hinter diesen vier Buchstaben verbirgt sich die Abkürzung für Multiple-Input-Multiple-Output. Gemeint ist die sogenannte Mehrantennentechnik, die z.B. auch für WLANs zum Einsatz kommt. Für das Senden und Empfangen wird dabei nicht nur eine einzelne Antenne genutzt, sondern mehrere. Üblich sind zwei beim Empfänger und zwei auf Seiten des Senders - also kurz MIMO 2x2. Mit MIMO lässt sich ebenfalls die Datenübertragungsrate erheblich steigern, da so zeitgleich ja zwei Datenströme ausgetauscht werden. LTE-Advanced erlaubt zwar 4x4 und 8x8 MIMO – die Implementierung muss allerdings auf Geräteseite und bei jeder LTE-Sendstation erfolgen, was aus mehrerlei Gründen äußerst schwierig und auch kostspielig ist. In den Endgeräten steigt neben dem Platzbedarf auch erheblich der Energieverbrauch, vor allem weil der Prozessor nun wesentlich kompliziertere, mathematische Modelle bearbeiten muss, um die vielen Datenströme wieder „zusammen zu puzzeln“. Auf Anbieterseite steigen zunächst die Kosten erheblich, da sämtliche Mobilfunkmasten mit mehr (oder neuen) Antennenelementen ausgerüstet werden müssen. In den kommenden Jahren ist kaum mit einer Erweiterung in Richtung höherrangiger MIMO-Verfahren zu rechnen. Maximal realistisch wären aktuell geräteseitig 4 Antennen und beim Netzbetreiber 2 Antennen – also MIMO 4x2.

Neuer Ansatz mit FDD und TDD

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Ericsson arbeitet mit Qualcomm zusammen noch an einem weiteren Ansatz, der noch vielversprechender ist. Gebündelt werden dabei Bänder zweier unterschiedlicher Betriebstypen. In Europa ist das sogenannte FDD-Verfahren gängig, welches wir schon kennengelernt haben. Up- und Downstream werden dabei auf verschiedenen Frequenzbereichen übertragen. Es gibt aber noch den TDD-Ansatz, wo das Senden und Empfangen auf nur einem Band mit z.B. 20 MHz Breite erfolgt. Die Signale werden dabei einfach zeitversetzt übermittelt.

Die Idee ist nun, Carrier Aggregation mit FDD und TDD zu verbinden – zwei eigentlich nicht vereinbarte Systeme. Zwar sind die möglichen Datenraten nicht ganz so hoch, wie im oben beschriebenen, reinen FDD-Konzept – dafür sparen die Provider sich unter Umständen den Zukauf neuer Frequenzen. Dieses spiegelt sich früher oder später natürlich auch im Preis beim Endkunden wieder. Qualcomm hat im Oktober 2014 einen Prototyp auf Basis eines Snapdragon 810 vorgestellt, welches die neue Form beherrscht. Künftig könnten dann beispielsweise Bereiche unter 1 GHz per FDD für den ohnehin langsameren Upload aggregiert werden und ab 1,8 GHz per TDD. Laut technischem Entwickler (Ericsson), könnte so auch die Abdeckung um 70 Prozent erhöht werden.

Fazit

Carrier Aggregation ist die zentrale Schlüsseltechnik der kommenden Jahre. Einerseits können die Mobilfunkanbieter das vorhandene Frequenz-Arsenal optimal re-kombinieren und ausnutzen, andererseits lässt sich so die Geschwindigkeit für die Endkunden erheblich steigern. Mittelfristig können in Deutschland auf dieser Grundlage ca. bis 600 MBit erreicht werden. Verbraucher benötigen zur Nutzung allerdings Endgeräte ab der LTE-Gerätekategorie 6 (CAT6). Nur diese unterstützten auch Carrier Aggregation. Je nach Kategorie gibt es zudem Unterschiede in Art und Umfang, wie die folgende Tabelle auszugsweise zeigt.

Eigenschaften LTE-Rel 10-11 im Überblick

So erlauben CAT7, 8 und 10 zum Beispiel auch CA im Upstream. CAT9 wiederum ermöglicht erstmals die Aggregation von 3 Bändern a 20 MHz, während bei CAT6 nur zwei zusammengefasst werden können.

Noch bessere Möglichkeiten ab Release 12

Mit dem bereits verabschiedeten LTE Release 12, sind nochmals bessere Profile für Carrier Aggregation spezifiziert worden. Diese sind in den Hardwarekategorien (CAT) 11 bis 15 definiert. So lässt z.B. CAT11 drei Bänder beim Down- und 2 Bänder beim Upstream zu. Den Höhepunkt markiert CAT15. Hier können für beide Richtungen die maximal möglichen 5 Carrier gebündelt werden. Realistisch bzw. relevant für die Praxis sind aber vor allem CAT11 und CAT14. Die folgende Tabelle zeigt alle Daten in der Übersicht. Zum Vergrößern der Tabelle einfach drauf klicken!


Release 10-12 und CAT6-15

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