LTE-U Spezial
Alles zur neuen Mobilfunk-Innovation 'LTE im unlizenzierten Spektrum'
Während sich die Mobilfunkanbieter sich schon längst an den Nachfolgestandard 5G machten, wurde parallel fleißig weiter versucht, 4G zu verbessern. Dabei ist auch eine Diskussion um das sogenannte "LTE-U" entbrannt. Dahinter verbirgt sich der Betrieb von LTE-Mobilfunk im unlizenzierten Spektrum. Der Ansatz könnte für Entlastung der LTE-Netze sorgen, sich aber auch negativ auf alle WLAN-Netz - auch Ihres - auswirken. LTE-Abieter.info beleuchtet die "LTE-U" Technik und das Pro und Contra.
Innovationen rund um LTE
Die Mobilfunkanbieter prognostizieren für die kommenden Jahre wie immer einen stetig steigenden Datenhunger ihrer Kunden, gepaart mit einer ebenso schnell wachsenden Anzahl an vernetzten Geräten. Um dem zu begegnen, versuchen die Unternehmen immer mehr aus den verfügbaren Frequenzen herauszuholen, mit Technologien wie Carrier Aggregation, Vollduplexverfahren, LTE-Broadcast, MU-MIMO oder IS-MIMO. Ein anderer Weg wäre, bislang ungenutztes Frequenzspektrum für den Mobilfunk zu aktivieren. Doch ist das so einfach, wie es zunächst klingt?
Lizenziertes vs. unlizenziertes Spektrum
Beim Begriff LTE-U steht das "U" für unlizenziertes Spektrum. Im lizenzierten Funkspektrum ist die internationale Fernmeldeunion ITU zuständig für die weltweite Zuweisung und Registrierung von Sende- und Empfangsfrequenzen. National vergibt beispielsweise die Bundesnetzagentur, laut Frequenznutzungsplan, die Lizenzen an die Netzbetreiber. Im Gegensatz dazu, ist das unlizenzierte Spektrum frei nutzbar und vor allem für Privatpersonen gedacht. Hier kann jeder funken, wie er möchte, solange er sich an Mindeststandards hält, die vor allem sicherstellen sollen, dass parallellaufende Verbindungen nicht gestört werden. Dazu gehört beispielsweise auch das heimische WLAN-Netz.
Wer alles die freien Frequenzen nutzt
Die freien Frequenzen, für die keine (teuren) Lizenzen erforderlich sind, verteilen sich unterschiedlich auf das gesamte Spektrum. Am bekanntesten dürften die Bereiche um 2,4 und 5 Gigahertz sein: Hier funken WLAN-Router und alle mit ihnen verbundenen Endgeräte wie Smartphones, Tablets, Laptops oder auch Fernseher und vernetzte Heimkinoanlagen. Zwischen 2,4 und 2,5 GHz sind aber auch Deutschlands Mikrowellenherde sowie der weit verbreitete Standard Bluetooth unterwegs. Zusätzlich gibt es beispielsweise noch den Amateurfunk bei 433 MHz oder ferngesteuerte Spielzeuge, die bei 27 MHz funken. Und bald könnten in diesen Bereichen auch noch Daten per LTE über den Äther funken.
Wie funktioniert LTE-U?
Für LTE-U sollen nun im Bereich von 5 GHz lizenzierte und unlizenzierte Frequenzen mittels Bündelung (Carrier Aggregation) miteinander kombiniert werden. Das herkömmliche LTE soll dabei als eine Art Anker zur Kontrolle und Steuerung der Signale zuständig sein. Das internationale Standardisierungsgremium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) nennt das dann "Licensed Assisted Access", kurz LAA. Also ein vom lizenzierten LTE-Spektrum assistierter Zugriff. Die Grundlage für LTE-U bildet der vom 3GPP im Release 10, 11 und 12 festgelegte 4G-LTE-Standard. Das LTE-U-Netzwerk soll dabei ausschließlich aus "Small Cells", also sogenannten Femto- oder Picozellen, bestehen. Diese kleinen Funkzellen können als Sende- und Empfangsstationen in Gebäuden installiert werden, um das Mobilfunknetz zu erweitern. In ihnen ist sowohl eine LTE- als auch eine LTE-U-Antenne eingebaut. Beide Frequenzbänder werden dann bei Bedarf gebündelt zu einer Verbindung - allerdings nur, wenn die unlizenzierte Frequenz "frei" ist und keine Störung beispielsweise eines WLAN-Hotspots zu befürchten ist. WLAN-Betreiber können also vorerst aufatmen.
Funktionsweise Schemata | Quelle: Qualcomm
Die Vorteile von LTE-U
Das Ziel der Nutzung unlizenzierter Frequenzen ist für die Netzbetreiber, Datenkapazitäten von ihren Mobilfunknetzen auszulagern und diese so zu entlasten bzw. insgesamt eine höhere Netzkapazität zu bekommen. Natürlich profitieren sie dabei auch davon, dass für unlizenziertes Spektrum keine Lizenzgebühren gezahlt werden müssen. Dem Endnutzer soll LTE-U vor allem höhere Bandbreiten und eine bessere Netzabdeckung bringen. Wenn durch Carrier Aggregation mehr Frequenzkanäle gebündelt werden können, erhöht sich auch die Datenübertragungsrate - eine Technik, die bei WLAN zum Beispiel nicht funktioniert. Während der Nutzer sich mit seinem Smartphone im gewohnten LTE-Netz befindet, wird bei Bedarf - sobald verfügbar - das zusätzliche LTE-U-Netz automatisch hinzugeschaltet und erhöht so die Kapazität. Qualcomm verspricht eine doppelt so hohe Kapazität und Abdeckung von LTE-U im Vergleich zu WLAN.
Wo wird LTE-U eingesetzt?
Potenzielle LTE-U-Geräte unterliegen den gleichen Einschränkungen bezüglich der maximalen Sendeleistung wie WLAN-Geräte. Experten zufolge, schafft LTE im lizenzfreien Spektrum aber bei gleicher Leistung die doppelte Reichweite von WLAN. Außerdem kann bei einer LTE-Verbindung, im Gegensatz zu WLAN, die Effizienz des Netzwerks bei hohen Nutzerzahlen in einer Zelle verwaltet werden. Die Sicherheit der Verbindung ist ebenfalls höher. Eingesetzt werden soll LTE-U vornehmlich in Bereichen mit hoher Auslastung, etwa in Stadien, Einkaufszentren, Universitäten, Hotels oder Flug- und Bahnhöfen.
Diskussion um LTE-Unlicensed
Die meist privat genutzten Geräte, welche in unlizenzierten Bändern via WLAN oder Bluetooth senden, haben die Auflage, ihre Sendeleistung soweit zu beschränken, dass sie andere Geräte mit ihrem Signal nicht stören können. Das funktioniert nicht immer, aber Großen und Ganzen recht gut. Da nun mit dem LTE-U-Mobilfunk eine unüberschaubare Menge an Smartphones und Tablets in den 5-GHz-Bereich drängt, macht man sich von verschiedenen Seiten Sorgen, ob LTE-U die vorhandenen WLAN-Netze negativ beeinträchtigen wird.
Störung von WLAN-Verbindungen befürchtet
Hersteller und Anbieter von WLAN-Technik und -Hotspots befürchten, dass es im 5-GHz-Band ebenso eng werden könnte wie bereits bei 2,4 GHz. Auch Google ist skeptisch: Der Internetgigant stellte im Sommer eine Studie1 vor, die belegen soll, dass LTE-U in bestimmten Szenarien sehr wohl parallel laufende WLAN-Übertragungen stören kann, sobald es aktiviert wird. Während bei WLAN die "Listen-before-talk"-Regel gelte, nach der eine Frequenz erst genutzt wird, wenn geprüft wurde, ob sie auch wirklich frei ist, ist LTE-U laut Google deutlich rücksichtsloser. Der "WLAN-Lobby" geht es bei der Diskussion natürlich auch darum, möglichst wenig vom Frequenz-Kuchen abgeben zu müssen. So warnte die Wi-Fi Alliance, der neben Google alle Größen der Branche wie Apple, Samsung, Sony oder Microsoft angehören, die US-Regulierungsbehörde FCC, LTE-U gefährde ihren Status Quo. Dabei kommt es mitunter auch zu Interessenskonflikten, sind doch sämtliche Mitglieder des LTE-U-Forums auch in der Wi-Fi Alliance engagiert.
Qualcomm argumentiert pro LTE-U
Qualcomm, einer der Antreiber der LTE-U-Technologie, will diese Bedenken zerstreuen. Zunächst einmal sei man selbst Hersteller von WLAN-Technik und daher daran interessiert, dass beide Technologien friedlich nebeneinander existieren. Deshalb habe man Verfahren erdacht, die Interferenzen beider Technologien vermeiden sollen. Ohnehin nutze LTE-U nur einen kleinen Teil des 5-GHz-Spektrum und lasse den Bereich um 2,4 GHz unangetastet. LTE-U prüfe ebenfalls, ob ein Kanal frei sei und suche anderenfalls nach einem anderen LTE-U- oder WLAN-Kanal. Zudem limitiere die Technik dauerhafte Übertragungen auf 50 Millisekunden, um beispielsweise Voice-over-WLAN im benachbarten Netzwerk nicht zu stören. Ohnehin werde LTE-U nicht beansprucht, wenn das reguläre LTE-Band noch ausreichend Kapazitäten biete.
Koexistenz der Funkverfahren im gleichen Spektrum | Quelle: Qualcomm
Unlicensed ein besserer Nachbar für WLAN als WLAN selbst?
Außerdem könne LTE-U eine WLAN-Verbindung sogar besser machen, heißt es seitens des Chipherstellers. Qualcomm versucht, dies anhand eines Videos zu verdeutlichen. Es zeigt ein LTE-Modem der Kategorie 12, das mit Qualcomms neuestem, LTE-U-fähigen High-End-Chip Snapdragon 820 ausgestattet ist, und daneben zwei WLAN-Router.
Alle drei Geräte funken bei 5 GHz. Zuerst wird WLAN 1 eingeschaltet, dann WLAN 2 dazu geschaltet. Die Bandbreitenmessung bei WLAN 1 zeigt eine deutliche Abnahme. Anschließend wird erst WLAN 1 und dann LTE-U eingeschaltet; die Bandbreite sinkt weniger stark. Wie das Video verdeutlichen soll, erreicht das erste WLAN-Netz höhere Kapazitäten im Zusammenspiel mit einem LTE-U-Netz als mit einem zweiten WLAN-Netz.
Geschwindigkeitswettrennen
Für LTE-U spricht, dass LTE wegen der höheren Effizienz bei der Nutzung einer Frequenz tatsächlich ein besserer "Nachbar" eines WLAN-Netzes sein kann als ein weiteres WLAN-Netz. Und: LTE-U ist potenziell schneller als WLAN-n bei 5 GHz. Während hier schon bei 450 Mbit/s Schluss ist (bei optimaler Hardware und gleichzeitiger Nutzung des 2,4-GHz-Bandes), hat der koreanische Konzern LG in einem Test mit LTE-U schon 600 Mbit/s geschafft - allerdings bei 5,8 GHz. WLAN-ac bleibt dennoch Spitzenreiter, hier erreichen aktuelle Router bis zu 1,3 Gbit/s bei 5 GHz.
Das LTE-U-Forum
Wie immer, wenn eine Technologie-Innovation vor der Tür steht, bilden sich Gruppierungen aus Unternehmen und Institutionen, um als erste einen einheitlichen Standard zu definieren. Der US-Netzbetreiber Verizon beispielsweise, gründete 2014 zusammen mit den französischen und schwedischen Konkurrenten Alcatel-Lucent und Ericsson sowie mit dem Chiphersteller Qualcomm und dem Elektronikkonzern Samsung das LTE-U-Forum. Die Gruppe diskutierte beispielsweise technische Spezifikationen betreffend der minimalen Leistungsfähigkeit einer LTE-U-Basisstation und von Endgeräten, die auf unlizenzierten Frequenzen im 5-GHz-Band funken. Auch die Koexistenz von LTE-U und WLAN ist ein Schwerpunkt des Forums.
Evolve
Vier der fünf Unternehmen (mit Ausnahme von Samsung) sind außerdem in einer Koalition namens Evolve zusammengeschlossen, zu der auch die US-Mobilfunkanbieter T-Mobile und AT&T sowie die Organisationen CTIA (Cellular Telephone Industries Association) und CCA (Competitive Carriers Association) gehören. Die Gruppe betreibt Lobbyarbeit, um die Vorzüge der Nutzung von LTE-U für den Kunden hervorzuheben. Man pocht auf das Recht der freien Nutzung des unlizenzierten Spektrums, ohne die anderen dort bereits aktiven Technologien zu beeinträchtigen.
Hürden vor der Markteinführung
Vor allem die Mobilfunkanbieter wollten LTE-U am liebsten schon 2016 flächendeckend einsetzen. Zuvor galt es aber noch, einige Hürden zu überstehen. Im November desselben Jahres tagte der Kongress der internationalen Fernmeldeunion ITU, wo die Kontroverse in Punkto Sicherheit auf dem Plan stand. Vor allem aber das 3GPP-Gremium muss letztendlich seinen Segen geben. Außerdem benötigen Interessenten kompatible Endgeräte.
Dies ist z.B. bei Qualcomm ab dem SoC Snapdragon 820 der Fall. Die Entwicklung schreitet unaufhaltsam voran: Schon forscht Qualcomm auch am nächsten Schritt namens MuLTEfire. Hier ist kein reguläres LTE als "Anker" nötig, sodass auch andere Unternehmen, wie beispielsweise Internetprovider, LTE-U anbieten könnten.
Fazit
Bei der Diskussion um LTE-U vs. WLAN kann man die Argumente beider Seiten nachvollziehen. Die Mobilfunkbetreiber reizt verständlicherweise die Aussicht, Teile des von den Kunden verursachten Datenvolumens ins unlizenzierte Spektrum auszulagern, zumal dieses kostenfrei nutzbar ist. Auf Nutzerseite sprechen erhöhte Geschwindigkeiten und bessere Verfügbarkeit vor allem in Bereichen mit hoher Auslastung für den Einsatz im unlizenzierten Spektrum. Aber auch die Unternehmen, die mit WLAN-Diensten und -Geräten bislang ein ausgezeichnetes Geschäft gemacht haben, haben berechtigterweise erst einmal die Sorge, ob LTE-U negative Auswirkungen auf WLAN und damit ihre Angebote haben wird.
Nun ist es an den Befürwortern zu beweisen, dass ihre Technologie reibungslos neben WLAN, Bluetooth & Co. existieren kann sowie die Nutzererfahrung verbessert und nicht einschränkt. Man sollte dennoch eines nicht vergessen: Jede Innovation, die dazu dienen könnte, den stetig wachsenden Datenhunger der Konsumenten zu befriedigen, ist es wert, auf ihre Alltagstauglichkeit getestet zu werden. WLAN und Bluetooth konnten sich schließlich auch irgendwie arrangieren. Dem Endnutzer ist es letztendlich egal, wie seine gewünschte Verbindung zustande kommt, ob per Kabel oder drahtlos, ob via Mobilfunk oder WLAN oder Bluetooth - Hauptsache, die Verbindung ist schnell und stabil.
» Whitepaper zu LTE-U von Qualcomm
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1 zur Google-Studie (PDF Datei, 458 KB)
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