LTE Gerätekategorien und Release-Versionen

Wie schnell sind die Kategorien (CAT 1 bis 20) und worin besteht der Unterschied?


LTE nicht gleich LTE! So könnte man die Situation verkürzt in vier 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 legt die Grundlage sämtliche Spezifikationen und Weiterentwicklungen, wie z.B. auch „LTE Advanced“.

Sogar Gigabit LTE (>1000 MBit) ist in greifbarer Nähe. Und selbst da ist noch lange nicht Schluss. Viele der Entwicklungen sind zudem in den seit Mitte 2019 erstmals verfügbaren Folgestandard 5G eingeflossen. 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.


Für den Verbraucher weit wichtiger ist hingegen die Kentniss der sogenannten Gerätekategorien (CAT). Dahinter verbirgt sich eine Differenzierung der unterstützten „Fähigkeiten“ einzelner Endgeräte (z.B. LTE-Router) innerhalb der Spezifikationen einer Release-Version. Der allererste in Deutschland verfügbarer LTE-Standard genügte dem Release 8, welcher sich in 5 Gerätekategorien aufgliedert (CAT 1-5).


LTE Kategorien: Was bedeutet nun z.B. CAT 4, 6, 9 oder 19?

Wer sich für ein neues Smartphone interessiert oder einen LTE-Router kaufen möchte, hat sicher schon einmal Angaben gelesen wie „unterstützt LTE CAT-9“ oder ähnlich. Wichtig für Sie als Verbraucher ist vor allem der Umstand, dass die Kategorie sozusagen die maximale Datenrate festlegt. Also die Übertragungsrate, die mit einem bestimmten 4G-fähigen Endgerät erzielbar ist. Vergleichbar mit unterschiedlichen WLAN-Generationen, die auch unterschiedlich leistungsfähig sind.

Die LTE-Kategorie (CAT) legt fest, wie hoch die Übertragungsrate von einem 4G-Gerät theoretisch sein kann.

Beherrscht Ihr Smartphone z.B. LTE CAT 6 bedeutet dass, es lassen sich Daten mit maximal 300 MBit runter und 50 MBit hochladen. Bei CAT 18 sind es 1200 MBit im Downstream und 225 MBit beim Upstream.


Tipp: Wie hoch die Leistung jeder Kategorie ist, finden Sie in der folgenden Tabelle.

LTE-Kategorie Release max. Down max. Up Carrier bis MIMO bis QAM Down/Up Kanal / Bündelung
CAT 0 12 1 MBit/s 1 MBit/s 1 ./. 16 / 16 1,08 MHz
CAT 1 8 10 MBit/s 5 MBit/s 1 ./. 64 / 16 1,08 - 18 MHz
CAT 2 8 50 MBit/s 25 MBit/s 1 2x2 64 / 16 1,4; 3;5;10;15;20
CAT 3 8 100 MBit/s 50 MBit/s 1 2x2 64 / 16 1,4; 3;5;10;15;20
CAT 4 8 150 MBit/s 50 MBit/s 1 2x2 64 / 16 1,4; 3;5;10;15;20
CAT 5 8 300 MBit/s 75 MBit/s 1 4x4 64 / 64 1,4; 3;5;10;15;20
CAT 6 10 300 MBit/s 50 MBit/s 2 4x4 64 / 16 20 - 40 MHz
CAT 7 10 300 MBit/s 100 MBit/s 2 4x4 64 / 16 20 - 40 MHz
CAT 8 10 3000 MBit/s 1500 MBit/s 5 8x8 256 / 64 20 - 100 MHz
CAT 9 11 450 MBit/s 50 MBit/s 3 4x4 64 / 16 20 - 60 Mhz
CAT 10 11 450 MBit/s 100 MBit/s 5 (3 D/2 U) 4x4 256 / 16 20 - 60 MHz

Wie Sie sehen, geht die Tabelle zunächst nur bis zur Kategorie 10. Das liegt daran, dass fortfolgend die Geräteklassen-Spezifikationen für Download und Upload getrennt wurde. Es gibt also Download-Ketegorien und Upload-Kategorien. Dabei können verschiedene Upload-Kategorien mit einer Download-Kategorie kombiniert werden. Daher listen wir zunächst folgend die Eckdaten für die neusten Down- und dann die Upload-Klassen auf.

Download-Kategorien ab Release 12:
LTE-Kat. Down Release Downloadrate max. Carrier bis MIMO bis QAM bis Kanal / Bündelung
CAT 11 12 600 MBit/s 3 4x4 256 20 - 60 MHz
CAT 12 12 600 MBit/s 3 4x4 256 20 - 60 MHz
CAT 13 12 400 MBit/s 5 4x4 256 20 - 100 MHz
CAT 14 12 4000 MBit/s 5 8x8 256 20 - 100 MHz
CAT 15 12 780 MBit/s 5 4x4 256 20 - 100 MHz
CAT 16 12 1000 MBit/s 5 4x4 256 20 - 100 MHz
CAT 17 13 25 Gbit/s 32(!) 8x8 256 20 - 640 MHz
CAT 18 13 1,21 Gbit/s 32(!) bis 8x8 256 20 - 640 MHz
CAT 19 13 1,7 Gbit/s 32(!) bis 8x8 256 20 - 640 MHz
CAT 20 14 2 Gbit/s 7 bis 8x8 256 ?
CAT 21 14 1,4 Gbit/s 4x4 256 ?

Upload-Kategorien ab Release 12:
LTE-Kat. Up Release Uploadrate max. QAM bis
CAT 3 12 51 MBit/s 16
CAT 5 12 75 MBit/s 64
CAT 7 12 102 MBit/s 16
CAT 8 12 1497 MBit/s 64
CAT 13 12 150 MBit/s 64
CAT 14 13 9585 MBit/s 64
CAT 15 13 226 MBit/s 64
CAT 16 14 105 MBit/s 256
CAT 17 14 2119 MBit/s 256
CAT 18 14 211 MBit/s 256
CAT 19 14 13563 MBit/s 256
CAT 20 14 316 MBit/s 256
CAT 21 14 301 MBit/s 64
CAT 22 15 422 MBit/s 256
CAT 23 15 527 MBit/s 256
CAT 24 15 633 MBit/s 256
CAT 25 15 738 MBit/s 256

3GPP sieht zwar vor, dass sich aber Down- und Uploadkategorien kombinieren lassen, allerdings nicht beliebig. In der folgenden Tabelle finden Sie die möglichen Paarungen. CAT 12 könnte also zum Beispiel mit der Upload-Kategorie 13, 15, 18 und 20 zusammenarbeiten.

Kombinierbare von Download und Uploadkategorien nach 3GPP ab Release 12:
LTE-Kat. Down kombinierbar mit UL Categorie
3 1
4 5
6 5, 16
7 13,18
9 15,16
10 13,18
11 5,16
12 13; 15; 18; 20
13 3; 5; 7; 13; 16; 18
14 8; 17
15 3; 7; 13; 16; 18
16 3; 5; 7; 13; 15; 16; 18; 20
17 14; 19
18 7; 13; 16; 18; 20
19 3; 5; 7 ;13; 15; 16; 18; 20; 21
20 3; 7; 13; 15; 16; 18; 20; 21
21 3; 7; 13; 15; 16; 18; 20
22 20; 21; 22; 23; 24; 25; 26
23 20; 21; 22; 23; 24; 25; 26
24 20; 22; 23; 24; 25;26
25 20; 22; 23; 24; 25; 26

Beispiele aus der Praxis

Auf dem Markt für LTE-Zuhause Endgeräte (als DSL-Alternative) dominieren heute noch Router der Kategorie 4 bis 13. Die ersten Modelle 2011 beherrschten dagegen nur CAT3 – 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. Seit 2015 kommen aber immer häufiger Router auf den Markt, die CAT6 oder höher unterstützen. Wie zum Beispiel die FritzBox 6890 oder die Speedbox 4 von der Telekom. Einige Modelle, wie dieser Gigacube-Router, beherrschen dagegen sogar schon CAT16.

LTE-Smartphones sind seit 2018 dagegen immer häufiger Gigabit-fähig, unterstützen daher Datenraten über 1000 MBit. Möglich macht dies z.B. der Support von LTE CAT16, CAT18, CAT19, CAT20 oder CAT21. Allerdings gilt hier nicht immer automatisch mehr = besser. CAT17 z.B. definiert eine Downloadrate von bis zu 25 GBit, während CAT21 „nur“ 1,4 GBit vorgibt. Welches Smartphone welchen Standard unterstützt, zeigen wie je hier im Datenblatt des jeweiligen Handys. Das LG G8 ThinQ 5 zum Beispiel beherrscht LTE bis CAT20 Down und CAT 5 Up.

LG G8 mit CAT 20 (5 Up)

Zu beachten ist jedoch, dass es sich dabei immer um theoretische Spitzenwerte handelt, welche unter idealen Bedingungen mit der Hardware möglich wären. Zudem unterstützen Netzbetreiber wie Vodafone oder die Dt. Telekom bisher nur Datenraten von 300 bis 500 MBit/s. Ein modernes Smartphone nach CAT21 ist demnach für künftige Netze gerüstet, die vielleicht einmal über 1 GBit per 4G bieten – mehr nicht!

Einige Kategorien werden zudem immer eher theoretische Natur bleiben, wie etwas CAT8, CAT14 oder die schon angesprochene CAT17. Besonders weil hier Anbieter und Endgerät der Nutzer je 8 Antennen (8x8 MIMO) benötigen würden, was bei den genutzten LTE-Frequenzen kaum praktikabel wäre.

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.


Release-Versionen und Kategorien im Detail

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.



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. Spätestens seit 2018 unterstützen praktisch alle neueren LTE-Smartphones und Router 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. 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 Release 12-17 & beyond

Die Entwicklung von LTE als Funkstandard ist jedoch mit LTE-Advanced noch lange nicht abgeschlossen und wird auch im 5G-Zeitalter nicht 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. Releaser 14 folgte 2017, Rel 15 Mitte 2019 und noch im selben Jahr Release 16 & 17. Ab Release 15 ist 5G zentraler Bestandteil der Definitionen. 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 bis CAT19

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


LTE Uplink Kategorien 12 & 13 bis CAT15



Wie gehts weiter?

Für die Branche steht seit Mitte 2019 vor allem der LTE-Nachfolger "5G" im Fokus. Viele Entwicklungen von 4G waren bereits im Vorfold des weltweiten 5G-Ausbaus hier bereits mit eingeflossen. Man spricht auch von "Pre 5G Technologien". Die ersten 5G-Stationen sind bereits online. Neben Datenraten von 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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