Noch vor zehn Jahren wäre die Frage nach mehr Gräben oder mehr Masten eine rein hypothetische Frage gewesen. Damals ließ sich Breitband-Internet praktisch nur kabelgebunden – über Telefonleitungen, Koaxialkabelnetze und in seltenen Fällen Glasfaserverbindungen – bereitstellen. Dank der rasanten Entwicklung des 3GPP-Standards LTE, dessen erste kommerzielle Netzwerke im Januar 2009 in Betrieb gingen, ist die Idee des kabellosen Breitbandzugangs inzwischen Realität geworden.

Bild 1: Verbraucher wollen überall über ihre Lieblingsinternetdienste, -apps und -marken verfügen. Gewerbliche und industrielle Nutzer müssen von unterwegs und vom Büro aus auf die gleichen Cloud-Inhalte und Dienste zugreifen können.

Bild 1: Verbraucher wollen überall über ihre Lieblingsinternetdienste, -apps und -marken verfügen. Gewerbliche und industrielle Nutzer müssen von unterwegs und vom Büro aus auf die gleichen Cloud-Inhalte und Dienste zugreifen können. U-Blox

Nachfrage und technologische Entwicklung

Dieser Trend ergibt sich einerseits aus der Marktnachfrage, andererseits aus der rasanten Entwicklung der Technologie. Die Marktnachfrage stellt klar: Der Anwender möchte von unterwegs ebenso einfach wie von zu Hause auf Video-Streaming, soziale Medien und webbasierte Dienste zugreifen. Gewerbliche und industrielle Nutzer brauchen Cloud-Zugriff und Enterprise-Services auch an abgelegenen Orten – auch für diejenigen, die sich an keinem festen Standort aufhalten. Der Mobilfunkbranche und den Regulierungsbehörden ist es gelungen, mit  dem LTE-Standard für schnellere Breitbanddienste zu sorgen.

Bild 2: Die rasante Entwicklung des LTE-Standards lässt die Mobilfunk-Bandbreite in die Höhe schnellen.

Bild 2: Die rasante Entwicklung des LTE-Standards lässt die Mobilfunk-Bandbreite in die Höhe schnellen. U-Blox

Bild 2 zeigt, wie schnell die LTE-Bandbreite dank der Optimierung der 3GPP-LTE-Spezifikation zunehmen konnte. Das Aufkommen von LTE als vorherrschende Mobilfunktechnologie führte – in Kombination mit dem Siegeszug des Smartphones als beliebtes Internetzugangsgerät – dazu, dass schnellere und größere Fortschritte erzielt wurden als man vor sechs oder sieben Jahren erwartet hatte.

Verbesserung der Wireless-Bandbreite

Die erste Version des LTE-Standards (3GPP-Release 8) erreichte im Dezember 2008 die Öffentlichkeit. Seitdem ergänzten verschiedene leistungssteigernde Features die Spezifikation. Hierzu gehören ein verbessertes MIMO-System, die Strahlformung, die Carrier-Aggregation (CA) sowie Comp (Coordinated Multipoint).

Die erste LTE-Spezifikation sah vor, je zwei Antennen an der Basisstation und am Terminal einzusetzen, um die Datenraten zu verdoppeln. Dieser MIMO-Ansatz (Multiple Input Multiple Output) steht jetzt auch in 4 × 4- und sogar in 8 × 8-Konfigurationen zur Verfügung. Obwohl eine 8 × 8-Antennengruppe für Handheld-Geräte wohl eher unpraktisch ist, wäre sie für ein ortsfestes drahtloses Zugangssystem (FWA), zum Beispiel einem Home-Gateway, eine durchaus denkbare Lösung.

Eckdaten

Durch die LTE-Technologie besteht erstmals die Möglichkeit bisherige Kabelnetze durch Funknetze zu ersetzen. Gleichzeitig wünscht sich der Verbraucher mehr Mobilität. Auch durch die Bündelung von Hochfrequenz-Bänder zu mehr Kanäle ist die Leistung um ein Vielfaches höher als einzeln. LTE etabliert sich als Alternative zu kabelgebundenen Systemen, insbesondere beim Einsatz neuer und beim Ersatz alter Kabelnetze. Hier spielt nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch der Kostenfaktor eine tragende Rolle. Hinzu kommt, dass viele Gebiete bereits jetzt über eine gute Mobilfunkabdeckung verfügen. Für den Endkunden lohnt sich der Vergleich.

MIMO nutzt mehrere Antennen, um Signale zu senden und zu empfangen. Die Strahlformung geht da noch einen Schritt weiter, indem sie sich eines Systems mit vier, acht oder mehr Antennen und einer aufwendigen Signalbearbeitung bedient, um einen Funkstrahl auf ein mobiles Endgerät zu richten. So kann jedes Terminal mehr Funkenergie und damit ein klares Signal mit höherer Bandbreite empfangen. Mit diesem Verfahren lassen sich Funkstrahlen auch so steuern, dass parallel mehrere Geräte erreicht werden: Dieses räumliche Multiplexen (Spatial Multiplexing) ermöglicht es, im gleichen Spektrum mehr Daten zu übertragen.

Ein weiterer Weg zur Erhöhung der Bandbreite besteht darin, durch die Bündelung mehrerer Hochfrequenz-Bänder eine größere Anzahl von Kanälen zu verwenden. Besitzt ein Mobilfunkbetreiber beispielsweise drei 10-MHz-Bänder und ein 20-MHz-Band, dann lassen sich diese zu einem 50-MHz-Band bündeln: die Leistung eines 10-MHz-Bandes verfünffacht sich damit. Bei der ersten LTE-Spezifikation mit CA (Carrier Aggregation) war dies noch auf zwei Bänder beschränkt. Die neue Version (Release 13) erlaubt die Bündelung von vier Bändern.

Coordinated Multipoint (Comp) nutzt gleichzeitige Verbindungen zwischen diversen Basisstationen und einem mobilen Endgerät, um mehrere Datenkanäle bereitzustellen. Die Nutzer profitieren so innerhalb einer Funkzelle immer von der gleichen Qualität, da, wenn sie sich von der primären Basisstation fortbewegen, stärkere Signale von anderen Basisstationen das schwächer werdende Signal der primären Station ausgleichen.

Kabelgebundene Alternative

Bild 3: Die Bandbreite in LTE- und Kabelnetzen hat sich seit 2015 ständig erhöht und soll bis 2018 weiter ansteigen.

Bild 3: Die Bandbreite in LTE- und Kabelnetzen hat sich seit 2015 ständig erhöht und soll bis 2018 weiter ansteigen. U-Blox

Analog zu LTE hat sich auch die Festnetz-Breitbandtechnologie weiterentwickelt. Die kabelgebundene Kommunikation hat sich seit dem ersten Telefonanruf im Jahr 1876 signifikant verbessert. Zunächst kam der DSL-Standard (Digital Subscriber Line) zum Einsatz, um Datenverbindungen geringer Bandbreite über Twisted-Pair-Kabel bereitzustellen. Die nachfolgende Einführung der VDSL- und ADSL-Varianten optimierten den Datendurchsatz weiter. Kabelfernsehgesellschaften verlegten zudem private Koaxialnetze, um ihre TV-Dienste darüber anzubieten. Später kam auch die Übertragung von Kabel-Breitbanddiensten über das Koaxialkabel hinzu – DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) machte es möglich. Wie LTE hat sich auch der DOCSIS-Standard durch die Einführung von höheren Datenraten und IP-Signalen stetig verbessert. In seiner neuen Version (DOCSIS-3.1) aus dem Jahr 2013 unterstützt er Datenraten im GBit/s-Bereich. Dabei kommen mit einer effizienteren Modulation und Multiple-Carrier-QAM-Verfahren zum Einsatz, die mit denen des LTE-Ansatzes vergleichbar sind. Jedoch kann die Leistung kabelgebundener Systeme mit zunehmendem Abstand relativ schnell abnehmen, sodass sich Nutzer an weit abgelegenen Orten mit einem relativ schlechten Service begnügen müssen.

Bild 4: Smart-Home-Dienste beruhen auf dem Zusammenspiel aus IT-Konnektivität (Gateways), Home-Entertainment (TV, STB) und dem IoT. Dies alles erfolgt drahtlos.

Bild 4: Smart-Home-Dienste beruhen auf dem Zusammenspiel aus IT-Konnektivität (Gateways), Home-Entertainment (TV, STB) und dem IoT. Dies alles erfolgt drahtlos. U-Blox

Dieses Problem besteht bei Glasfasernetzen nicht. So macht sich die Lichtdispersion erst nach dutzenden Kilometern bemerkbar. Glasfaserkabel können zudem sehr hohe Bandbreiten bereitstellen, teilweise deshalb, weil sie verschiedene Modulations- und Multiplexing-Verfahren unterstützen. Der gravierende Nachteil von Glasfasersystemen sind die hohen Einsatz- und Wartungskosten. Zudem ist es äußerst schwierig und zeitaufwendig, in der Praxis optisch einwandfreie Verbindungen mit geringen Verlusten umzusetzen. Da die Kosten von FTTP-Systemen (Fibre To The Premises, Glasfaser bis ans Haus des Datennutzers) für eine flächendeckende Anwendung meist zu hoch sind, wurde auf Basis verschiedener Hybridansätze untersucht, wie sich die Vorteile von Glasfasernetzen zu niedrigen Kosten erreichen lassen. Beim FTTDP-Ansatz Fibre To The Distribution Point) führt ein Glasfaserkabel zu einem kleinen Hub oder Verteilerkasten auf der Straße, von wo aus die Telefonkabel die Daten über die letzten Meter bis zu den Anwenderendgeräten übertragen. Hierfür kommt das Übertragungsverfahren G.Fast zum Einsatz: Diese neue Version des DSL-Standards setzt weniger auf Leitungsdistanz als auf Bandbreite und kann so über eine Länge von 400 m Datenraten bis 1 GBit/s anbieten.

Wer die Wahl hat, hat die Qual

Bild 5: Konnektivität eines typischen Home-Gateways.

Bild 5: Konnektivität eines typischen Home-Gateways. U-Blox

Der Vergleich der Bandbreiten mit den derzeit genutzten Kabeltechnologien zeigt, dass LTE deutlich aufholt. LTE etabliert sich als Alternative zu kabelgebundenen Systemen, insbesondere beim Einsatz neuer und beim Ersatz alter Kabelnetze. Nicht nur die Technologie oder die Kapazität spielen hierbei eine Rolle. Es wird günstiger, einige Mobilfunk-Basisstationen in kontrollierter Umgebung zu warten als ein weites alterndes Netz von Twisted-Pair-, Koaxial- oder Glasfaserkabeln in Gräben und Tunneln. Es gilt auch, regulatorische Probleme zu berücksichtigen – insbesondere bei Projekten auf der grünen Wiese. Zusätzlich lassen sich oft die Kosten zur Sicherung der Leitungsrechte über die Grundstücke verschiedener Eigentümer nur schwer einschätzen. Hinzu kommt, dass viele Gegenden bereits jetzt über eine gute Mobilfunkabdeckung verfügen. Basisstationen sind häufig bereits jahrzehntelang in Betrieb und wurden mit Weiterentwicklung der Mobilfunkstandards aktualisiert.

Herstellung LTE-basierter Gateways

Bild 6: Blockschaltbild eines generischen Home-Gateways.

Bild 6: Blockschaltbild eines generischen Home-Gateways. U-Blox

Fällt die Backhaul-Entscheidung zugunsten von LTE, muss geklärt werden, wie Set-Top-Boxen, Home-Hubs, Gateways oder Internetzugriffspunkte gestaltet sein müssen, um den Anforderungen zu entsprechen. Kundenseitige Endgeräte sind im Wandel —  vor allem in der Fernsehunterhaltung. Sie nennen sich Video-on-Demand, Internetzugang und seit kurzem auch Smart-Home-Dienste. Eine technische Antwort besteht darin, eine ganzheitliche Box zu entwickeln, die viele oder alle dieser Optionen vereint. Auf Service-Seite bieten einige Betreiber, zum Beispiel AT&T mit seiner Initiative „Digital Life“, Pakete aus Festnetz- und Mobilfunktelefonie, TV, Internet und Smart-Home-Diensten an. AT&T hat sich mit seinem „Wireless Home Phone & Internet“-Angebot als Pionier etabliert, der den Markt in Richtung LTE-Internet-Konnektivität vorantreibt.

Migration zu LTE

Bild 7: Das Modul TOBY-L410 kann als Kernstück eines Gateways dienen.

Bild 7: Das Modul TOBY-L410 kann als Kernstück eines Gateways dienen. U-Blox

Ein typisches Gateway besteht aus einer Backhaul-Verbindung zum Netz-Kopfende (TV und/oder Internet) und verschiedenen lokalen Anbindungsarten. Für den Umstieg auf LTE muss die Backhaul-Verbindung verändert werden. Das Design und die Funktionsweise von Gateways ist inzwischen gut unter Kontrolle; die Einführung eines weiteren komplexen Hochfrequenz-Mehrantennensystems sowie die unabhängige Prüfung und Zertifizierung des Mobilfunk-Teilsystems durch die Betreiber erhöht diese Komplexität jedoch noch. Um diese Migration zu bewältigen, hat U-Blox eine Reihe an Modulen für die anwenderseitige Ausrüstung – Set-Top-Boxen, Gateways und Router – entwickelt. Hierzu gehören auch ein LTE-CAT-6-Modem und verschiedene vorabintegrierte Anbindungsoptionen wie Wi-Fi, Ethernet und Telefonie, die das Entwicklungsrisiko und die Vermarktungsdauer signifikant verringern können. Zudem ist es U-Blox und seinem Partner Intel mit dem LTE-Chipsatz von Intel gelungen, eine verbesserte Architektur für Gateways, Router und CPE auszuarbeiten. Zu Beginn der Mobilfunk-Entwicklungsphase ging es lediglich darum, Wireless-Telefonie anbieten zu können. Mit der Erweiterung des LTE-Standards sollen nun auch kabellose Breitbanddienste möglich werden.