LTE Release-Versionen und Gerätekategorien

Übersicht der LTE-Entwicklungsstufen und Kategorien der Endgeräte (CAT 1 bis 9)


LTE nicht gleich LTE. So könnte man die Situation verkürzt in 4 Worte fassen. Tatsächlich gibt es zahlreiche Entwicklungslevel, wobei einige noch nicht einmal endgültig definiert sind. LTE bedeutet wortwörtlich ja „Long Term Evolution“, was grob mit „Langzeitentwicklung“ übersetzt werden kann. Was wir heute als Nutzer verkürzt mit „LTE“ beschreiben, ist vielmehr der Status quo des aktuell genutzten Entwicklungsstandes bei den Netzbetreibern und Endgeräteherstellern. Das für LTE zuständige Standardisierungs-Gremium 3GPP, hat z.B. bereits 2009 die Grundlage für die jüngste Generation namens „LTE Advanced“ festgelegt. In Techniklaboren und unter realen Bedingungen konnten die Ingenieure damit bereits Daten mit über 1000 MBit übertragen. Und selbst da ist noch lange nicht Schluss. Viele der Entwicklungen werden zudem in den ab 2020 erwarteten Folgestandard 5G einfließen. Im Folgenden wollen wir einen kurzen Überblick geben über die aktuellen und künftigen, sogenannten 3GPP Release Versionen, deren Unterschiede und die damit möglichen Gerätekategorien.

Entwicklung bis hin zu LTE-Advanced


LTE-Version (Release) vs. Geräte-Kategorie

Zunächst ist es für das Verständnis der folgenden Ausführungen wichtig, sich die Unterschiede zwischen den Begriffen der 3GPP Release-Version (Rel) und der Gerätekategorien zu verdeutlichen. Erstere legt sozusagen die kompletten technischen Rahmenbedingungen (Standard) fest. Dazu gehören z.B. die maximale Breite des nutzbaren Frequenzspektrums für Down- und Upload, deren maximale Datenübertragungsrate, MIMO-Spezifikationen, Modulationsverfahren (z.B. 64 QAM), bis hin zum kleinsten Detail der Informationsübertragung, Codierung und dem Netzaufbau. Die technischen Spezifikationen sind extrem komplex. Wer sich ein genaues Bild machen möchte, kann z.B. die technischen Spezifikationen für Release 8 hier herunterladen.


Hinter den Gerätekategorien (CAT) wiederum steckt eine Differenzierung der unterstützten „Fähigkeiten“ einzelner Endgeräte (z.B. LTE-Stick) innerhalb der Spezifikationen einer Release-Version. Der immer noch verbreitete Release 8 zum Beispiel, gliedert sich in 5 Gerätekategorien auf (CAT 1-5). Mehr dazu im übernächsten Abschnitt.


Ziele bei neuen Spezifikationen des LTE-Standards

Neue Releases umfassen stets eine Fülle von Änderungen und Verbesserungen, welche im Wesentlichen darauf abzielen die folgenden Eigenschaften bzw. Techniken zu verbessern.

  • höhere mögliche Datenraten
  • bessere Spektraleffizienz (Bits/Hertz) und somit auch höhere Kosteneffizienz für Betreiber
  • geringerer Stromverbrauch
  • geringere Störanfälligkeit der Funkübertragung
  • höhere Zellkapazität (mehr Nutzer / Zelle)
  • verbesserte Mobilitätseigenschaften
  • verbesserte MIMO-Techniken (Mehrantennenverfahren)
  • oder etwas die Unterstützung bzw. Standardisierung für neue Frequenzen,
    wie 2012 der Bereich um 3.5 GHz.

Gerätekategorien bei LTE-Release 8

Wie schon angedeutet, findet bei Release 8 eine Gliederung in 5 Kategorien (folgend CAT) statt. Wobei es, unserer Kenntnis nach, noch nie in ein Consumer-Produkt auf dem Markt gab, welches nur CAT1 unterstützt hat. Letztere spielen aber in der Industrie eine wachsende Rolle - Stichwort M2M sowie Internet of things (IoT). Die ersten LTE-Router und Sticks in Deutschland unterstützten mindestens CAT2. Höhere Kategorien sind übrigens stets abwärtskompatibel zu niedrigeren. Ein Stick der CAT4 unterstützt also auch CAT3-Fähigkeiten und so weiter. Worin liegen nun die Unterschiede zwischen CAT 1-5? Zunächst in der maximal unterstützten Datenrate für Download und Uploadspeed, also dem Faktor, der für Endverbraucher am wichtigsten ist. Des Weiteren hinsichtlich der maximal nutzbaren Frequenzbandbreite (wichtig wiederum für die Datenrate), den möglichen Modulationsarten, der Antennendiversität und in der verwendbaren MIMO-Technologie (Mehrantennentechnik).

Eigenschaften LTE-Rel 8 im Überblick


Geräte nach CAT3 unterstützten somit eine Downloadrate von bis zu 100 MBit und können Daten mit immerhin 50 MBit senden. Um dies zu erreichen, ist der Einsatz der Mehrantennentechnik MIMO vorgeschrieben, mit 2 Sende- und 2 Empfangseinheiten (2x2). 4x4 MIMO wird in der CAT3 noch nicht supported, sondern erst ab CAT5. Für die Übertragung kann ein Frequenzband mit einer Breite von maximal 20 MHz eingesetzt werden - jeweils die hinreichende Bedingung für die volle Geschwindigkeit.


Beispiele aus der Praxis

Auf dem Markt für LTE-Zuhause Endgeräte (als DSL-Alternative) dominiert heute noch Hardware der Kategorie 3 und 4. Zur CAT3 gehört z.B. die Vodafone Easybox 904 oder die Fritzbox LTE 6810 von AVM. Anfang 2013 erschien in Deutschland erstmals Endgeräte der Kategorie 4, wie z.B. der E3276 von Huawei. Seither unterstützen immer mehr Geräte CAT4, wie der Speedtick V, die FritzBox 6820 und nahezu alle LTE-Smartphones (Auswahl zeigen). Spätestens seit 2015 kommen aber immer häufiger Modelle auf den Markt, die CAT6 oder höher unterstützen. Was sich dahinter verbirgt, zeigen wir in den folgenden Abschnitten


Gerätekategorien bei Release 10 und höher

LTE Release 10 (und folgend), ist besser bekannt unter der Bezeichnung „LTE Advanced“ und wurde im März 2011 endgültig spezifiziert. Praktisch im selben Atemzug legte die 3GPP fest, dass erst LTE-A wirklich unter die Rubrik „4G“ fällt. LTE, wie wir es bis dato kannten, also mit Release < 10 wird zwar im Sprachgebrauch seit jeher auch unter 4G subsummiert. Korrekter wäre jedoch 3.9xG. Die Technik ermöglicht mittelfristig mobile Datenverbindungen, welche in der Spitze mehr als 10 Mal so schnell sind, wie die ersten LTE-Netze. Im Herbst 2014 startete die Deutsche Telekom mit dem Vertrieb erster Tarife auf Basis von LTE-Advanced. Der Konzern bietet darüber aktuell Datenraten von maximal 300 MBit an. Nötig ist dafür aber Hardware ab der Kategorie 6 (CAT6), die mittlerweile in Endgeräten recht verbreitet ist. Ab Releaser 12 verwendet man hingegen oft den Termini "LTE-Advanced Pro" (oder 4.5G), um eine weitergehende Entwicklung zu unterstreichen.


LTE CAT 6 und folgend: Gerätekategorien für LTE-Advanced

3GPP Release 10 und 11 erweitern die Geräteklassen um die Kategorien 6 bis 10. Möglich sind z.B. MIMO 4x4 und theoretisch sogar 8x8. Die maximale Frequenzbandbreite beträgt bei LTE-Advanced 100 MHz, statt „nur“ 20 MHz. Und zwar dank der sogenannten Carrier Aggregation. Durch diese und zahlreiche weitere Verbesserungen, können die enormen Speedwerte erreicht werden. Nach der IFA 2014 kamen zaghaft erste Geräte in den Handel, die CAT6-fähig waren. Wie etwa die Speedbox III und Box II mini der Telekom oder das Samsung Galaxy Alpha. Heute unterstützen nahezu alle neueren LTE-Smartphones wenigsten LTE CAT6 oder höher.

Speedbox 2 Mini mit CAT6

Speedbox II Mini - 2014 eines der ersten verfügbaren Geräte mit CAT6 LTE-Advanced Unterstützung


Freie Frequenzbänder sind auf der ganzen Welt rar, so dass zusammenhängende Abschnitte mit bis zu 100 MHz praktisch keinem Mobilfunkanbieter zur Verfügung stehen. Daher lässt der Release 10 erstmals zu, das Spektrum auf verschiedene Bereiche zu verteilen. Die maximale Bandbreite eines Trägers (Carrier) ist auch bei LTE-Advanced übrigens 20 MHz breit. Es können aber bis zu 5 Carrier für Up- und Downstream über die sogenannte Carrier Aggregation kombiniert werden. CAT10 zum Beispiel aggregiert maximal 3 Träger á 20 MHz für den Downstream, wie in der Tabelle des übernächsten Abschnittes ersichtlich.

Anmerkung zu 3GGP Release 9

Releaser 9 wurde im 4. Quartal 2009 verabschiedet und eher auf dem Papier bekannt, daher zur Vollständigkeit hier zum Schluss angesiedelt. Sie sieht einige Detailverbesserungen für LTE-Funknetze vor. Zum Beispiel optimierte Positionsbestimmung per LTE und bessere MIMO-Technik (nur 4x4) mit Dual-Layer Beamforming. Zudem sind nun spezielle „Multimedia Broadcast - Multicast Services“ (MBMS) für LTE und ein Öffentlichkeits-Warnsystem (PWS), speziell für Tsunamis und Erdbeben, fester Bestandteil der Spezifikation. Noch ein Feature sind sich „selbstorganisierende Netzwerke“ , kurz SON. Eine ausführliche Abhandlung der Neuerungen, finden Sie hier in diesem Dokument als PDF ab Seite 36.

Übersicht aller Kategorien von 3 bis 10 nach Rel. 8-11 im Vergleich:

alle Eigenschaften der Release-Stufen und Hardwarekategorien bis CAT10 | klicken zum vergrößern


3GPP 12 & beyond

Die Entwicklung von LTE als Funkstandard ist jedoch mit LTE-Advanced noch lange nicht abgeschlossen und wird irgendwann im 5G-Nachfolger enden. 2014 wurde Release 12 fertig gestellt. Neu seit Version 11 sind z.B. Verbesserte IP-Dienste. Ebenso der Serviceaustausch zwischen nationalen Netzanbieten und Serviceprovidern. Es bleibt also spannend, welche Leistungssteigerungen LTE in Zukunft noch bringen wird. Aktuell ist hier der Termini "LTE-Advanced Pro" oder 4.5G geläufig.


LTE Downlink Kategorien 12 & 13

alle Eigenschaften der Release-Stufen 12 & 13 samt Hardwarekategorien | klicken zum vergrößern


LTE Uplink Kategorien 12 & 13



Wie gehts weiter?

Die Branche forscht bereits seit einigen Jahren intensiv am 4G-Nachfolger "5G". Viele Entwicklungen werden dabei fließend mit eingehen. Man spricht auch von "Pre 5G Technologien". Bereits ab 2020 soll es mit dem LTE-Folgestandard losgehen. Neben Datenraten von weit über 1000 MBit pro Sekunde, stehen noch viele andere Vorteile und Verbesserungen im Fokus der Entwickler. Besonders die Vernetzung von Geräten untereinander für das "Internet der Dinge".

Quellen:
http://niviuk.free.fr/ue_category.php
http://www.ericsson.com/res/docs/whitepapers/150417-wp-lte-release-13.pdf



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