Carrier Aggregation
LTE Kategorien
Voice over LTE
Session Initiation Protocol (SIP)
IP Multimedia Subsystem

Erweiterungen für LTE

LTE entsprach noch immer nicht den Anforderungen von IMT Advanced. Speziell konnten man die geforderten hohen Datenraten nicht erreichen.

• 100 Mbit/s für bewegte Teilnehmer
• 1 Gbit/s für feste Stationen

Die theoretischen maximalen Bitraten von LTE waren 100 Mbit/s und 150 Mbit/s (Cat 3 und Cat 4). Dies galt für 2×2 MIMO-Betrieb. Es gab zwar auch die Cat 5 mit 300 Mbit/s, dieses funktionierte jedoch nur mit 4×4 MIMO welches eher nur im stationären Betrieb mit LTE-Routern anwendbar war. Um die Übertragungsrate weiter zu verbessern war es nötig höhere Bandbreiten zuzulassen. Dieses erreichte man, indem man verschiedene Träger (Carrier) miteinander kombinierte. Diese Prinzip nennt man Carrier Aggregation (CA).

Carrier Aggregation

Typischerweise hat ein Betreiber (von LTE) mehr als einen Carrier zur Verfügung. So kann es sein, dass ein Betreiber zwei Träger in einem Band zur Verfügung hat und diese kombinieren kann. Diese können in der Bandbreite unterschiedlich sein. Z.B. 20 MHz und 10 MHz. Liegen diese Bänder direkt nebeneinander so spricht man von Intra Band Contiguous Aggregation. Sollten die Bänder nicht zusammenliegen spricht man von non Contiguous Aggregation. Die Carrier können aber auch in verschiedenen Bändern liegen. Mit LTE waren neue Bänder hinzugekommen. In Europa die Bänder 7 (2,6 GHz) und Band 20 mit 800 MHz.

Carrier Aggregation erschien mit dem sogenannte Release 10. Diese Spezifikation wurde bereits 2010 begonnen als LTE in den meisten Regionen überhaupt noch nicht eingeführt war. 2011 war dieses Release dann endlich verfügbar. Ende 2013 gab es in Dresden erste Versuche mit Vodafone bezüglich LTE Advanced, wobei man Band 20 mit Band 7 bündelte. Ab 2014 kam LTE Advanced nach und nach in den Ballungsgebieten auf den Markt. 

Theoretisch können mit LTE Advanced bis zu 5 Carrier zu einer Bandbreite von 100 MHz zusammengefasst werden. Dies war jedoch praktisch bis heute eher Theorie. In der Praxis werden jeweils 2 Bänder zusammengeführt. Bei der Deutschen Telekom z.B. zwei Bänder im Band 3. Bei Vodafone ein 20 MHz Carrier in Band 7 und ein weiterer Carrier in Band 20.

Mit LTE Advanced wurden die Forderungen von IMT Advanced erfüllt. Es war somit ein „echter 4G Standard“. Im stationären Betrieb ist mit 5 Carriern und 8 x 8 MIMO eine Datenrate von 3 Gbit/s möglich. Dies ist jedoch eher eine Theorie. Realistisch sind unter günstigen Bedingungen 1 Gbit/s möglich. 

Für Endgeräte hat CA zunächst den offensichtlichen Vorteil, dass (theoretisch) höhere Datenraten erreicht werden können. Für die eNodeB gibt es einen weiteren, wohl noch bedeutenderen Vorteil. Man ist flexibler in der Zuweisung von Resource Blöcken, vor allen, wenn viele Teilnehmer in einer Zelle aktiv sind. So kann man praktisch alle Teilnehmer auf verschiedenen Carrier verteilen, ohne dass vorher die Endgeräte angewiesen werden müssen auf einen anderen Carrier zu wechseln. Auf diese Weise kann man die Kapazität einer Zelle besser nutzen, zum Vorteil aller.

LTE Kategorien

Ein Übergang von LTE zu LTE Advanced war bei den meisten eNodeB durch SW Update möglich. Schwieriger war dies beim User Equipment. Schon bei einfachen LTE gab es unterschiedliche Leistungsklassen, welche ein Endgerät erfüllen konnte. Sie wurde mit unterschiedlichen „Cat“s gekennzeichnet. Diese sind für Release 8 und Release 10 in der folgenden Tabelle gezeigt.

LTE Kategorie	Rel	Bitrate Down Mbit/s	Bitrate Up Mbit/s	Maximale Anzahl Carrier	QAM	MIMO
Cat 1	8	10	5	1	16/16	1×1
Cat 2	8	50	25	1	64/16	1×1
Cat 3	8	100	50	1	64/16	2×2
Cat 4	8	150	50	1	64/16	2×2
Cat 5	8	300	75	1	64/64	4×4
Cat 6	10	300	50	2	64/16	2×2, 4×4
Cat 7	10	300	100	2	64/16	2×2; 4×4
Cat 8	10	3000	1500	5	256/64	8×8

Typischerweise hatten stationäre UE wie LTE-Router höhere Kategorien, da nur sie in der Lage waren etwa 4×4 oder gar 8×8 MIMO zu ermöglichen. Normale Handhelds und Smartphones konnten zunächst nur 2×2 MIMO verwirklichen und waren dadurch in den Bitraten niedriger. Erst Ende der Nullerjahre kamen erste Smartphones mit 4×4 Technologie auf den Markt.

Voice over LTE

LTE war ein reines IP basiertes Netzwerk. Es gab keinen Zugang zum Telefonnetzwerk wie es noch bei GSM und UMTS der Fall war. Wenn man normalen Sprachanruf tätigt, wurde nach wie vor bevorzugt GSM oder notfalls UMTS benutzt. Das UMTS-Netz wurde jedoch mehr und mehr abgeschaltet, weil es gegenüber LTE nicht so effizient war und man die entsprechenden Bänder für LTE nutzen wollte (refarming). GSM wollte man ebenfalls mehr und mehr zurückgefahren. Auch hier waren Sprachübertragungen eigentlich sehr ineffizient.

Man muss also Sprachdienste über LTE bzw. IP leiten. Im Internet gibt es diese Dienste schon. Man bezeichnet sie als Voice over IP (VoIP). Zwei Dinge müssen hierbei gewährleistet sein. Man muss die Identität eines Teilnehmers und seine „Berechtigung“ muss erkennen können. Außerdem benötigt eine Sprachverbindung eine garantierte Datenrate und eine niedrige Latenzzeit. Schließlich kann man einen Anruf nicht unterbrechen, wenn es gerade großen Datenverkehr gibt. Wenn die Antwortzeiten zu lang werden, ist ein flüssiges Gespräch nicht mehr möglich. Bei der garantierten Datenrate spricht man vom sogenannten Quality of Service (QoS). Dieser ermöglicht eine Priorisierung bestimmter Dienste im Internet.

Session Initiation Protocol (SIP)

Für Voice over IP gibt es verschiedene Möglichkeiten, einige öffentliche (puplic Domain), andere proprietär wie z.B. SKYPE. Das bekannteste Protokoll ist das Session Initiation Protokol (SIP). Zentrales Element ist hierbei ein SIP Registrar, ein Server mit einer Teilnehmer Datenbank. Ein SIP-Endgerät, z.B. ein PC mit einer speziellen SW, dem sogenannten User Agent (UA) verbindet sich mit dem Registrar und registriert sich dort. Der UA wird authentifiziert und registriert indem seine IP-Adresse und seine SIP-ID in der Datenbank gespeichert wird. Ist dies der Fall, kann der UA entweder ein Gespräch zu einem anderen Teilnehmer aufnehmen oder selbst angerufen werden.

Je nachdem ob ein IP-Service oder mehrere IP-Services benutzt werden gehen die folgenden Gespräche über ein bzw. zwei Proxy Server. Außerdem ist es möglich über Gateways auch das Telefon-Festnetz zu erreichen. Die eigentliche Übertragung der Sprache geschieht mit dem Real Time Transport Protokoll (RTP). Dieses gewährt eine fließende Übertragung der Sprache mit niedriger Latenz und garantierter Datenrate. Dies geschieht mit der Festlegung des Quality of Service im Netz.

IP Multimedia Subsystem

3GPP spezifizierte seit Anfang der Nullerjahre das IP Multimedia Subsystem. Es basierte auf das SIP und hatte die folgenden Ziele:

• Handhabung allgemeiner paketvermittelter Verbindungen
• Verbindungen von IP basierten Netzen zu leitungsbasierten Netzen wie klassische Telefonnetze (PSTN´s)
• Unterstützung verschiedenster Mediatypen (Voice, Video,…)
• Bereitstellung von ausreichender Bandbreite und kurzer Latenzzeit (Quality of Service)
• Dienstabhängige Kostenbestimmung

Die dienstabhängige Kostenbestimmung und die Bereitstellung der Dienstgüte (QoS) geschieht im EPC über die sogenannte Policy and Charging Rule Function (PCRF). Hier wird auch geprüft welche Dienste ein UE entsprechend seines Vertrages in Anspruch nehmen darf. Voice over LTE ist ein zusätzlicher Dienst.