Skip to main content

LTE – Sind wir die Kabel los?

IoT_Home

In weniger als einem Jahrzehnt hat LTE die mobile Kommunikation von einem sprachzentrierten Einwahldienst in das schnelle, mobile Breitbanderlebnis verwandelt, das wir heute als selbstverständlich ansehen. Um das Internet von zuhause auf die Strasse und schliesslich in unsere Hände zu bringen, waren umfangreiche Infrastrukturrevisionen mit beispiellosen Investitionen erforderlich, um den Service mit niedrigen Latenzzeiten, in Echtzeit und mit hoher Bandbreite zu erreichen, auf den wir heute so stark bauen.

In unseren vier Wänden und Büros hat uns die kabelgebundene Konnektivität fast ausschliesslich den Zugang zum Internet ermöglicht, da sie ursprünglich auf der bestehenden Telefonie‑Infrastruktur aufsetzte. Kontinuierliche Kabelverbesserungen führten dazu, dass ISDN, DSL, ADSL und Glasfaser exponentielle Bandbreiten- und Latenzzeitenverbesserungen boten, während die Mobilfunkkommunikation eine Generation hinterherhinkte und unter Bandbreiten und Latenzzeiten litt, die mindestens eine Grössenordnung niedriger lagen. Wo Mobilfunkdienste notwendig waren, z. B. zur Anbindung abgelegener, ländlicher Gemeinden, rückten die relativ hohen Kosten für Implementierung und Betrieb in den Fokus.

In den späten 1990er Jahren wurde deutlich, dass ein grundlegender Schritt weg von der leitungsvermittelten Kommunikation erforderlich war, um das mobile Internet für die neuartigen Smartphones auf dem Markt zu erschliessen. Dies zusammen mit dem Bedarf der Betreiber, sinkende Sprachumsätze zu ersetzen, führte zur Entwicklung der vierten Generation von Mobilfunknetzen – LTE. Obwohl die Mobilfunkkommunikation für mobile Geräte entwickelt wurde, war sie zum ersten Mal in der Lage, eine wirtschaftlich sinnvolle Alternative zum Internetzugang über Festnetz anzubieten. Während Glasfaserkabel eine viel höhere Bandbreite ermöglichen können, versetzen die Kosten für die Implementierung an einzelnen Standorten in Verbindung mit typischen Internet‑Anwendungsfällen (seltene, gebündelte Bandbreitenanforderungen statt anhaltend hoher Bandbreite) LTE in eine günstige Position verglichen mit der Bandbreite über Glasfaser‑Festnetz. Auch die kommerziell unerschwingliche "Kosten‑pro‑Megabyte"-Preisstruktur, die dem Wachstum der Mobilfunkkommunikation im Wege stand, verschwindet rasch von der Bildfläche.

Die Round‑Trip‑Latenzzeit (die feste Zeit, die benötigt wird, bis eine Datenabfrage aus der Ferne gesendet und beantwortet wird) ist ebenso wichtig wie die zugrunde liegende Bandbreite. In der aktuellen 4G‑Infrastruktur beträgt dies durchschnittlich rund 50 ms, was in etwa den Werten bei aktuellen ADSL‑Internetleitungen entspricht. Eine Glasfaserleitung dürfte dies auf etwa 5 ms reduzieren. Die meisten Festnetz‑Internetverbindungen nutzen heute jedoch ADSL, und bei Echtzeitanwendungen wie Online‑Spielen, Video Streaming und Voice‑over‑IP sind weniger als 100 ms erforderlich. Da der Mobilfunk‑Backbone überwiegend Glasfaser‑basiert ist, ist es kaum überraschend zu hören, dass die nächste Mobilfunk‑Generation (5G) eine Latenzzeit von 1 ms mit 10 Gbit/s Bandbreite anstrebt

Vor dem, was wirklich als „5G“ bezeichnet werden kann, zeigt die Entwicklung der 3GPP LTE‑Spezifikation, wie unten veranschaulicht, die deutliche Zunahme der verfügbaren Bandbreite innerhalb der aktuellen Generation. Die „Killer‑App“ von Internet‑basierten Smartphones und Tablets hat die Investitionen finanziert, die notwendig sind, um die riesige Mobilfunkinfrastruktur zu modernisieren.

Typische erreichte Geschwindigkeiten

Obwohl das Spektrum natürlich eine begrenzte Ressource ist, hat die gesteigerte Effizienz der neuesten RF‑Modulationsverfahren (wie OFDM und Carrier Aggregation) das Blatt gewendet. Im Gegensatz dazu wird die Umsetzung des schnellen Wachstums neuer kabelgebundener Verbindungen unerschwinglich teuer für Implementierung und Wartung. Die Neu‑Implementierung von Grund auf und der Austausch von Backhaul‑Kabeln verliert mit immer höherer Bevölkerungsdichte und zunehmenden Umwelt- und Regulierungsaspekten immer mehr an wirtschaftlicher Rentabilität.

Jedes Kabelsystem muss mit Signalverschlechterungen leben. Bei Glasfaser ist sie zwar deutlich weniger ausgeprägt, dennoch ist der „heilige Gral“, nämlich FTTP (Fiber to the Premises), für eine massenhafte Einführung kommerziell unbrauchbar. Zahlreiche Hybridisierungen haben dies bis zu einem gewissen Grad angegangen, indem sie die Glasfaserkonnektivität zum lokalen Verteilungspunkt (FTTdp) bereitstellen und ältere DSL‑Methoden nachbessern. Dadurch wird die Entfernung über die letzte Meile der Konnektivität gegen eine höhere Bandbreite eingetauscht. Allerdings ist die durch diese Systeme gelieferte Nettobandbreite nur eine Verbesserung gegenüber Kabel, aber nicht vergleichbar mit echten Glasfasergeschwindigkeiten.

Obwohl es einst unwahrscheinlich schien, dass Mobilfunk jemals die Leistung von Kabelnetzen erreichen würde, ist dies heute tatsächlich der Fall, da die aktuellen Cat 6 LTE‑Modems 300 Mbit/s im Downlink bieten. Cat 9, das später in diesem Jahr kommen wird, soll sogar 450 Mbit/s bereitstellen.

Diese so genannten LTE „Advanced“-Lösungen nutzen neue Techniken, um noch mehr aus dem verfügbaren Spektrum herauszuholen, in Bezug auf Bandbreite, Verbindungszuverlässigkeit und Reichweite. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Probleme auch bei der kabelgebundenen Konnektivität auftreten, aber unterschiedliche Ansätze erfordern, um sie anzugehen.

MIMO (Multiple Input, Multiple Output – Multiple Antennas) war schon immer ein zentrales Konzept von LTE – zunächst mit je zwei Antennen am Endgerät und an der Basisstation – als Mittel zur Verbesserung der Signalintegrität und seit kurzem als Mittel zur Erweiterung von Bandbreite und Abdeckung. Enhanced MIMO erweitert diese Idee auf vier bzw. sogar acht Antennen gleichzeitig, um den Durchsatz zu erhöhen. Beamforming nimmt das weiterentwickelte MIMO‑Konzept auf und macht es „smart“, indem es eine Reihe von Antennen und eine fortschrittliche Signalverarbeitung nutzt, um Funkstrahlen intelligent durch den Raum genau auf das Ziel zu lenken. Darüber hinaus kann der Durchsatz weiter vervielfacht werden durch die Aggregation diskreter RF‑Bänder mittels Carrier Aggregation zu einem einzigen, breiteren Frequenzband. Ursprünglich wurden nur zweifache Kombinationen unterstützt, aber in diesem Jahr ist dieser Wert auf das Vierfache gestiegen.

Es geht jedoch nicht nur um die Erhöhung der Bandbreite, sondern auch darum, die Bandbreite in unterschiedlichen Abständen von einer Basisstation zu halten. Co‑ordinated Multi‑Point (CoMP) erreicht dies, indem es Kanäle von mehreren Basisstationen aggregiert, um die reduzierte Datenrate aufzufüllen, während Sie sich von einer Basisstation weg- und näher an eine andere hinbewegen.

Wenn wir über die ständige Evolution dessen, was wir über unsere Internetkonnektivität erreichen, hinwegblicken, sehen wir das nächste Thema, nämlich, wie wir darauf zugreifen. In unseren Häusern und Büros haben wir uns davon entfernt, dass all unsere Internet‑fähigen Geräte eine fest verkabelte Verbindung (meist RJ‑45) benötigen. Die Einschränkungen durch die Geräteverkabelung wurden über einen lokalen Wi‑Fi‑Router beseitigt. Wir alle kennen jedoch die Entfernungsbeschränkungen bei Wi‑Fi, die dazu führen, dass die Konnektivität verloren geht. Dann muss man nach einem alternativen Verbindungspunkt suchen und stellt vielleicht fest, dass er gesperrt ist oder Kreditkartendaten benötigt. Mit der heutigen Bandbreite, Abdeckung und den niedrigen Kosten von LTE neigen die Menschen dazu, länger bei der Mobilfunkverbindung zu bleiben. Zunehmend bieten ISPs, die früher nur Festnetzanschlüsse im Programm hatten, heute Internet-, Fernseh- und Mobilfunkkonnektivität mit einem Abonnementtarif an, was eine nahtlose Migration zwischen Festnetz für den Innenbereich und Wireless‑Internet für draussen ermöglicht.

Während unser unersättlicher Appetit auf die Internetnutzung weiterhin das Bandbreitenwachstum fördert, treiben andere neue Anwendungen und Technologien den Fortschritt in Richtung auf die Vernetzung aller Dinge (Internet of Things: IoT). Unsere neuen „smarteren“ Häuser setzen auf Sensoren mit geringem Energieverbrauch, Sprachsteuerung und Clients mit Künstlicher Intelligenz. Es werden grosse Fortschritte gemacht, um einen direkten Cloud‑Zugang per Mobilfunk mit geringem Energieverbrauch über Narrowband IoT (NB‑IoT) zu ermöglichen, um diese Geräte zu vernetzen.

Eine interessante Frage ist, wie die „IoT‑Cloud“ mit dem breiteren Internet interagieren wird. Meiner Meinung nach wird das Smart Home von morgen weiterhin ein lokales Gateway für den Internetzugang nutzen und gleichzeitig eine direkte IoT‑Cloud‑Konnektivität unterstützen. Beispielsweise werden Energieversorger, die intelligente Stromzähler anbieten, wahrscheinlich den „Always‑on“-Fernzugriff über Mobilfunk bevorzugen, weil sie die Konnektivität nicht den Launen des von Hausbesitzern gesteuerten Gateways überlassen wollen.

Auch wenn u‑blox an der Spitze der Wireless- und Mobilfunktechnologie steht, kann sie nicht vorhersagen, wie tiefgehend und breitangelegt die spannenden neuen Anwendungsfälle sind, die täglich für das IoT entstehen. Unsere Breitband‑Konnektivitätslösungen, bestehend aus leistungsstarken, vorzertifizierten LTE Cat 6‑Modems, die mit lokalen Konnektivitätstechnologien, wie Wi‑Fi und Bluetooth, vorintegriert sind, decken alle denkbaren Anwendungsfälle ab und verkürzen die Entwicklungszeiten und das Entwicklungsrisiko. Durch die Partnerschaft mit Intel nutzt u‑blox die hochmodernen Funktionen der neuesten LTE‑Chipsätze, um eine optimierte Basisplattform für Endpunktgeräte, Gateways und Router zu schaffen.