256QAM, 32QAM & 16QAM

Was sagen die Werte bei LTE/4G aus?


Wer sich etwas näher mit der LTE-Technik beschäftigt, zum Beispiel beim Kauf eines neuen 4G-Routers, wird wahrscheinlich auf die Angabe „64QAM“ oder "256QAM" stoßen. Aber auch bei  anderen digitalen Übertragungen, wie etwa Wifi, SAT-TV, Kabelfernsehen oder DVB-T, findet sich die Abkürzung „QAM XY“ in den technischen Spezifikationen wieder. Wir zeigen, was es damit auf sich hat und was es für LTE-Kunden in der Praxis bedeutet.



Was ist QAM?

Hinter den drei Buchstaben verbirgt sich die Abkürzung für „Quadraturamplitudenmodulation“. Ein ziemlich schwieriges Wort, hinter dem auch ein recht kompliziertes technisches Prinzip steckt. In der Mobilfunktechnik geläufig sind momentan QAM 16, QAM 32, QAM 64 und QAM 256. Die Zahlen stehen jeweils für die Anzahl an Zuständen, die gleichzeitig codiert werden können. Je höher die Dichte, desto mehr Informationen können pro Zeiteinheit übertragen werden – mit anderen Worten, die Datenübertragungsrate steigt bei sonst gleichen Bedingungen.

Vereinfacht kann man sich das wie ein Umzugsauto vorstellen, welches in einer Stunde von A nach B fährt und 100 Dinge transportiert. Dank eines neuen, ausgeklügelten Verstauraum-Systems, schafft der Transporter nun aber 150 Gegenstände in derselben Zeit, mit dem gleichen Auto und fast identischer Benzinmenge! Die Effizient nimmt also zu ...

QAM-Modulationen bei LTE in Deutschland

Beim LTE-Mobilfunknetz in Deutschland kommen verschiedene QAM-Modulationen zum Einsatz. Sowohl beim Downstream (laden von Daten) als auch beim Upstream, verwenden die Netzbetreiber unterschiedliche Varianten. Die Release-Versionen und die Hardwarekategorien geben dabei prinzipiell die möglichen Standards vor. So nutzte die Deutsche Telekom bis Herbst letzten Jahres ausschließlich 64QAM für den Download und 16QAM beim Upload. Durch die Umstellung auf 256QAM (64QAM Upload), konnte die Übertragungsrate  weiter gesteigert werden.

Gleichzeitig erhöht sich die sogenannte spektrale Effizienz um 33 Prozent (QAM 64 auf 256 QAM) bzw. um 50 Prozent beim Upload (16 auf 64QAM). Eine Steigerung der spektrale Effizienz (SE) bedeutet, dass mehr Informationen pro Zeiteinheit mit dem gleichen Frequenzband übertragen werden können. Aber wieso nimmt die SE von QAM64 auf QAM256 um 33 Prozent zu? Da, wie wir noch zeigen werden, hier 8 statt 6 Bit pro Symbol übertragen werden. So das 8 Bit / 6 Bit =1.333 -> also plus 33,3 Prozent! Wie man den Vorteil in MBit ausrechnet, zeigen wir weiter unten in diesem Ratgeber.

Voraussetzungen für QAM256

Je höher die Modulationsdichte (größere Zahl von Zuständen), desto strengere Voraussetzungen gibt es  allerdings an die Signalqualität. Man kann sich das bildlich mit verschiedenen Sprachen vorstellen. Je "höher" (höhere Ordnung) die Quadratur-Amplituden-Modulation (z.B. QAM64 statt QAM256), desto komplexer wird die Sprache. Damit wird es für das LTE-Modem immer schwieriger, diese zu verstehen, je weiter man sich von dem Sender entfernt oder gar Hindernisse dazwischen liegen. In diesem Fall wird die "Sprachkomplexität" wieder verringert, was zum besseren "Verständnis" führt. Der Preis dafür liegt dann in der niedrigeren Datenrate, zum Vorteil einer stabileren Verbindung. Prinzipiell lassen sich vier Kriterien benennen, welche nötig sind, damit QAM256 bei LTE in der Praxis funktioniert:

  • Endgerät mit 256QAM unterstützen - ab LTE-Advanced Pro (4.5G)
  • LTE-Mast muss ebenfalls ready für QAM256 sein
  • wenig Störung durch benachbarte Sender (z.B. Interferenz)
  • möglichst Sichtverbindung zum Sendemast und geringe Distanz

Gerade am letzten Kriterium wird es aber in der Praxis meist scheitern, da dies nur in den seltensten Fällen gegeben ist.

Fazit für LTE-Nutzer

Zusammenfassend lässt sich also sagen: Die höhere Modulationsdichte im LTE-Netz bei QAM256, verspricht nicht unerhebliche Vorteile für den Endkunden bezüglich der Übertragungsrate. Aber auch die Kapazität der Sendestationen nimmt signifikant zu. Aufgrund der hohen Ansprüche an die Signalqualität, profitiert man aber tendenziell nur im Nahbereich. Das setzt wiederum eine hohe Dichte im Mobilfunknetz voraus. Zudem bedarf es aktueller Endgeräte, welche mindestens LTE nach Release 12 oder 13 unterstützen.

Wie schnell ist QAM256 gegenüber QAM64?

Für die Berechnung der Datenübertragungsrate müssen wir zunächst einige Grundlagen klären. Zur Datenübertragung steht den Mobilfunkern bei LTE immer nur ein begrenzter Frequenzabschnitt zur Verfügung, die sogenannte Kanalbandbreite (mehr zu den LTE-Frequenzen in Deutschland). Am Beispiel der Telekom und bei 1800 MHz, sind das z.B. 20 MHz. Zur Informationsübertragung wird das (OFDM)-Signal auf Unterträger verteilt. Immer um 15 kHz versetzt, so dass bei 20 MHz 1333 Träger verfügbar sind. Wegen nötiger Schutzabstände, verringert sich die netto nutzbare Zahl auf 1200. Bei einem Trägerabstand von 15 kHz, beträgt die Symbolzeit also 66,7 Mikrosekunden. Macht bei 1200 Unterträgern und 8 Bit (QAM256) = 123,3 MBit/s. Hier muss noch ein „Overhead“ von rund 10 Prozent abgezogen werden, für protokollbedingte Daten seitens der Provider. Bei MIMO 2x2 verdoppelt sich diese Wert dann nochmals um Faktor 2 bzw. um 4 bei MIMO 4x4.

QAM256 bei 20 MHz Bandbreite:

  • 1200 Unterträger * 8 Bit = 9600 Bit je Symbolzeit (66,7 µs)
  • 1 Sekunde = 14.992,504 Symbolzeiten/s
  • 9600 Bit * 14.992,504 = 143928036 / 1024 (KBit) / 1024 (MBit) = 137,26 MBit/s

Noch ein Beispiel mit QAM64 bei 10 MHz Bandbreite:


  • 600 Unterträger (da nur 10 MHz) * 6 Bit = 3600 Bit je Symbolzeit (66,7 µs)
  • 1 Sekunde = 14.992,504 Symbolzeiten/s
  • 3600 Bit * 14.992,504 = 53973014,4 / 1024 (KBit) / 1024 (MBit) = 51,5 MBit/s


Und wieso steigt die spektrale Effizienz nur um 33 Prozent in diesem Beispiel? Im Rechenbeispiel für QAM256 bezogen wir uns ja auf eine Bandbreite von 20 MHz. Um dies mit dem Exempel von QAM64 vergleichen zu können, müssen wir ebenfalls von 10 MHz ausgehen, daher dividieren wir die 137,26 / 2 = 68,6 MBit. Nun bilden wir das Verhältnis: 68,6 / 51,5 = 1,33 - als 33 Prozent.


Technik hinter QAM

Auf die mathematischen Details wollen wir an dieser Stelle nicht eingehen, diese sind hier bei Wikipedia hinreichend erklärt. Für das bessere Allgemeinverständnis, ist hingegen eine grafische Darstellung des Prinzips in einem „Konstellations-Diagramm“ zielführend. Im ersten Beispiel wird bereits deutlich, warum in der Bezeichnung das Wort „Quadratur“ vorkommt.

Illustration: QAM16 links und QAM64 rechts

Jeder Punkt repräsentiert einen Zustand und kann in einem von vier Quadranten liegen. Darüber hinaus wird jeder dieser Punkte durch zwei Eigenschaften beschrieben – einmal über die Amplitude (Distanz vom Nullpunkt) und einmal über die Phase (Winkel) einer Funkwelle.

QAM: Modulation nach Amplitude und Phase

Nun gilt: Je höher die Ordnung bei QAM, desto mehr Punkte gib es auf der Konstellationskarte. Bei QAM16 sind es 4 in jedem Quadranten, also 16 insgesamt. Die Anzahl an Bits pro Symbol liegt in diesem Fall bei 4. Bei QAM64 sind es 6 Bit/Symbol – da 2^6=64. QAM256 bedeutet demnach 64 Punkte je Quadrant.

Beispiele für die Codierung


QAM: Beispiel Codierung Amplitude und Phase

QAM: Beispiel Amplitude 75% und Phase 120 Grad

QAM: Beispiel Amplitude 25% und Phase 45 Grad

Die folgende Tabelle fasst die Bits per Symbol und QAM-Modulationstyp zusammen, samt der Symbolrate.

Modulation Bit je Symbol Symbolrate
16QAM
4
4 Bit / Rate
32QAM
5
5 Bit / Rate
64QAM
6
6 Bit / Rate
256QAM
8
8 Bit / Rate


Wie schon erwähnt, nimmt nicht nur die Datenraten, sondern auch die Störanfälligkeit mit steigender Ordnung zu. Die Verbindung wird also weniger resistent gegenüber Interferenzen, Rauschen und anderen Störeinflüssen. Damit einher geht natürlich auch eine geringere Maximaldistanz zum LTE-Mast. Bei experimentellen Wifi-Verbindungen mit QAM1024 (802.11ax), muss sich der Nutzer zum Beispiel praktisch direkt neben dem Router befinden, was im Alltag natürlich kaum praktikabel ist. Daher setzt die Technik ohnehin Grenzen für die Optimierung von Funknetzen auf noch höhere QAM-Ordnungen.

Moderne Funkstandards, wie LTE-Advanced oder später auch 5G, setzten zudem auf adaptive Systeme. Dabei wird die Modulationsweise den aktuellen Bedingungen am Endgerät des Nutzers dynamisch stetig angepasst. Wenn z.B. der SINR steigt, wird auf einen niedrigeren Modus, wie QAM16 umgestellt.

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