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5G Carrier-Aggregation

Was steckt hinter der Technik, wie funktioniert das und wo liegen die Vorteile?


Mit der 5G Mobilfunktechnik sind nochmals deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten möglich, als noch mit den Vorgängern 2G bis 4G. Eine entscheidende Schlüsseltechnik dafür ist das sogenannte Carrier Aggregation. Wir zeigen, worum es sich dabei handelt und warum ambitionierte Nutzer durchaus mit der Materie vertraut sein sollten.


1. Was versteht man unter Carrier Aggregation?

In modernen Mobilfunknetzen ist es üblich, zur Steigerung der Geschwindigkeit mehrere Frequenzbänder (Träger) netzintern zu „bündeln“ bzw. zusammenzufassen. Die dafür eingesetzte Technologie wird auf Englisch „Carrier Aggregation“ genannt, kurz CA. Technisch handelt es sich also um eine Softwarefunktion in den Mobilfunknetzen und Nutzerendgeräten zur Kanalbündelung.

Infografik: So funktioniert Carrieraggregation bei 5G

2. Was bringt 5G Carrier-Aggregation für mich als Mobilfunkkunde?

Dank des Verfahrens, erhöht sich die nutzbare Frequenzbandbreite, wodurch mehr Daten pro Zeiteinheit übertragen werden können (mehr Netzkapazität). Mit anderen Worten: Es gibt einen erheblichen Leistungsschub und die erzielbare Geschwindigkeit nimmt deutlich zu! Von den durch 5G ursprünglich versprochenen Datenrate um 5-20 GBit/s sind wir heute noch weit entfernt. 5G Carrier Aggregation spielt bei dem Weg dahin eine entscheidende Rolle, ebenso wie „echtes“ 5G (standalone) und mehr Frequenzbereiche im Millimeterwellenbereich.

Bildlich könnte man sich die Bündelungstechnik wie einen Wasserschlauch im Garten vorstellen. Nimmt man nur einen, hat man z.B. einen Wasserdurchsatz von 1 Liter pro Sekunde. Fügt man einen zweiten hinzu, werden es 2 l / Sekunde und so weiter.

Fazit: Sofern alle Voraussetzungen erfüllt sind (siehe Punkt 5), kann sich die erzielbare 5G-Datenrate dank Carrier Aggregation deutlich erhöhen. Bis über 1000 MBit/s sind momentan möglich, künftig noch viel mehr.


3. Carrier Aggregation (CA) Ansatz nicht neu

Die Grundlagen wurden bereits mit LTE-Advanced im 3GPP Release 10 (ca. 2011) gelegt. Mit jeder neuen Generation kamen weitere Verfahren, Erweiterungen und Features hinzu. Auch im 5G-Standard ist Carrier Aggregation ein fester Bestandteil. Mehrere 5G New Radio (NR) Bänder können miteinander verbunden werden. Sogar die Kombination von 5G NR und LTE ist vorgesehen!

Als 2019 5G weltweit und in Deutschland ausgerollt wurde, konnten die ersten verfügbaren 5G-Smartphones nur ein 5G-Frequenzband nutzen, beherrschten also kein 5G CA. Zudem hatten Vodafone, Telekom und O2 die Netze dafür längst noch nicht vorbereitet. Erst ab ca. 2022, wie hier O2, wurden 5G Carrier-Aggregation Stück für Stück in die Mobilfunknetze eingeführt.

4. LTE-CA versus 5G-CA: Wo sind die Vorteile?

Wie wir schon andeuteten, gibt es die Frequenzbündelungstechnik schon seit LTE. Bei der 4. Mobilfunkgeneration ließen sich laut Standardisierung insgesamt bis zu 5 Frequenzbereiche, kurz Carrier, zusammenfassen. Mit 5G sind es nun bis zu 16(!), also mehr als dreimal so viel. Das alleine schon hat natürlich enorme Auswirkungen auf die erzielbare Datenrate.

Doch nicht nur das: Mit LTE konnten so insgesamt bis zu 100 MHz nutzbare Bandbreite aggregiert werden – mit LTE Advanced Pro stiegt der Wert auf 640 MHz (max. 32 Carriern). 5G NR erlaubt nun bis zu 16 Carrier und in der Praxis ca. 400-800 MHz aggregiertes Funkspektrum. Je nach Klasse - CA_n260(10A) ermöglicht z.B. 2950 MHz (dazu unter Punkt 8 mehr). Rein technisch, ließen sich bei 5G aber sogar bis zu 6400 MHz Bandbreite zusammenfassen.[1]

Die Möglichkeiten zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit sind für Funknetz-Provider wie Vodafone mit 5G CA also immens!

5. Voraussetzungen: Was braucht man dafür?

Damit Sie als Mobilfunkkunde auch von den Vorteilen profitieren, braucht es grundsätzlich fünf Zutaten. Fällt nur eine davon weg, kann Carrier Aggregation im 5G-Netz nicht genutzt werden.

  1. Der Mobilfunkmast vor Ort muss entsprechend hard- und softwaretechnisch vom Anbieter ausgerüstet sein.
  2. Ihr Mobilfunknetzanbieter bietet bereits 5G CA (eigentlich heute alle);
  3. Ihr Endgerät (Smartphone, Router etc.) muss Carrier Aggregation unterstützen, idealer Weise möglichst viele Klassen (Punkt 8 & 8.1);
  4. 5G-Empfang vor Ort (selbstverständlich);
  5. Tarif lässt technisch mögliche Datenrate zu (einige 5G-Tarife sind limitiert);

Sofern diese Basics erfüllt sind, spricht nichts mehr gegen den Einsatz und in der Regel profitiert man von deutlich höheren Übertragungsgeschwindigkeiten.


5.1 Hab ich schon Carrier Aggregation?

Sofern die 5 oben aufgeführten Punkte gelten, wahrscheinlich ja. Leider lässt sich das ohne Hilfsmittel nicht ohne weiteres bestimmen. Wir zeigen, wie es dennoch geht:

Smartphone: Wer 5G an seinem Handy nutzt, kann mit Betriebssystemmitteln, gleich ob Android oder iOS, leider nicht feststellen ob gerade 5G CC genutzt wird oder nicht. Die unserer Ansicht nach beste App dafür ist „Netmonster“. Diese zeigt detailliert und zuverlässig alle wichtigen Infos zur aktuellen Verbindung an. Egal ob LTE oder 5G. So erfährt man z.B. auch gleich, ob man mit „echtem“ 5G SA (standalone) oder „Fake 5G“ (5G NSA) verbunden ist. Nonstandalone nutzt noch das ältere LTE als Stützrad, wenn man so will.

Die folgenden Screenshots zeigen exemplarisch eine Verbindung hier im Büro. Zu erkennen ist direkt, dass es sich um besagtes 5G NSA handelt mit LTE2100 als Anker. Gekennzeichnet mit "3". Zudem nutzt das Smartphone (A53 5G) gerade vierfach Carrieraggregation. Erkennbar einmal durch das 4CC in der Kopfzeile des Handys und noch in der App - markiert mit "1". An der Stelle von Pfeil "2" erfahren Sie zudem, welche Bandbreite die aggregierten Carrier haben. In dem Beispiel sind es 20+20+20+80 MHz = 140 MHz. Recht ordentlich also! Ohne CC wären an dem Standort also bestenfalls 20 oder 80 MHz.

Netmonster Test 5G CC

Netmonster 5G CC Analyse | Screenshot App



Router: Wer 5G stationär etwa als DSL-Ersatz nutzt, braucht einen passenden 5G-Router. Bei vielen (leider nicht allen), können im Routermenü technische Infos zur Funkverbindung eingesehen werden. Vor allem die Empfangswerte RSSI, RSRQ und RSRP. Bei manchen wird auch mit angezeigt, ob gerade Carrieraggregation zum Einsatz kommt. Bei den AVM-Fritz!Box Routern ist das der Fall. Der folgende Screenshot zeigt dies exemplarisch anhand einer FritzBox 6850 5G: Hier mit 2 CC im Vodafonenetz.


FritzBox mit 5G Carrier Aggregation Test

FritzBox mit 5G Carrier Aggregation Test | Screenshot App



6. Vorteile im Überblick

Es gibt also eine ganze Reihe von Vorzügen, welche CA für 5G-Netze mit sich bringt. Wir wollen noch einmal die wichtigsten zusammenfassen[2].

  • a) deutlich höhere, mögliche Geschwindigkeit (dank mehr Kapazität)
  • b) bessere Ausnutzung des verfügbaren Spektrums für die Netzanbieter
    (damit auch besserer ROI)
  • c) höhere Reichweite bzw. Netzabdeckung
  • d) bessere Energieeffizienz – längere Akkulaufzeit (Strom sparend)

Punkt a) und b) haben wir bereits beleuchtet. Aber noch nicht c) und d). Tatsächlich kann die Technik sogar dabei helfen, dass die Funkmasten eine höhere Reichweite aufweisen. Ericsson demonstrierte beispielsweise eine Verlängerung bis zum Faktor 2,5 durch Aktivierung von Interband CA im mittleren Frequenzbereich mit TDD. In wie weit sich das verallgemeinern lässt, ist uns leider nicht bekannt.

Laut Ericsson, senkt Carrier Aggregation sogar nachweislich den Gesamtstromverbrauch. Also Netz- und endgeräteseitig.[3] Damit sorgt die Technik sogar für eine längere Akkulaufzeit beim 5G surfen.
Reichweitensteigerung durch CA

Reichweiten Boosting durch CA | Bild: Ericsson


6.1 Bald höherer Upload dank CA bei Vodafone

Im Februar 2024 gab Vodafone bekannt, bald ein neues Verfahren namens 'Uplink Carrier Aggregation mit TX-Switching' einzuführen. Dabei wird also nicht mehr nur der Downstream, sondern auch Upstream gebündelt per Carrier-Aggregation. Allerdings braucht es dafür auch neue Smartphone (auch ab 2024), welche die Technik untersützen. Statt nur 50 MBit/s wie bisher, könnte die Datenrate dann auf über 250 MBit/s steigen.

7. Techtelmechtel: Das sind die wichtigsten technischen Grundlagen für 5G CA

Die Standardisierungsorganisation 3GPP hat im Release 16 und Rel 17 eine ganze Reihe von möglichen Band-Kombinationen (Dutzende) spezifiziert. Hersteller von Endgeräten haben damit die Möglichkeit, CA mit mehreren Frequenzbändern in ihre Geräte zu integrieren. Natürlich ist auch die Kombination von 5G und LTE möglich (siehe Dual Connectivity), so wie es für 5G im NSA Modus ohnehin schon zwingend erforderlich ist.

Wichtig ist vor allem zu wissen, dass man in zwei elementar verschiedene Arten der Frequenzbündelung differenziert. Einmal die Intra- und Interbündelung:

7.1 Intra- vs. Inter Carrier Aggregation

Die Namen deuten den Unterschied bereits an. Bei der Intra-Band Bündelung werden Frequenzbereiche innerhalb eines spezifisch Bandbereiches gebündelt. Zum Beispiel (fiktiv) 5 MHz bei 810 MHz und 5 MHz bei 830 MHz.

Mobilfunkanbieter besitzen aber meist Lizenzen für mehrere verschiedene Bandbereiche. Zum Beispiel für den Betrieb von 5G auf Band n1 (~2100 MHz), n3 (~1800 MHz) und n78 (~3600 MHz). Beim Inter-Band CA werden nun Träger weit auseinanderliegender Bänder aggregiert - etwa aus n1 und n78. So lassen sich also fragmentierte Frequenzressourcen zur Performancesteigerung nutzen.

Beispiel aus der Praxis: Ende 2022 testete O2 im eigenen Netz die Bündelung von 70 MHz auf 3.6 GHz (n78) mit 20 MHz auf 1800 MHz (n3) für eine höhere Upload-Geschwindigkeit. Regulär beträgt diese noch bis zu 50 MBit/s, konnte aber so auf bis zu 140 MBit/s gesteigert werden.


7.2 Kontinuierlich vs. Nicht-Kontinuierlich

Fachleute differenzieren zudem noch darin, ob die gebündelten Frequenzbereiche bei Intra-Band CA ausschließlich kontinuierlich nebeneinander liegende Bereiche umfasst (contiguous) oder auch entferntere, sogenannte „non-contiguous bands“. Also solche, wo eine Lücke im selben Bandbereich dazwischen liegt. Damit ergeben sich insgesamt drei verschieden Carrier Aggregation Typen. Siehe dazu auch die folgende Infografik ...


  1. Intra-band contiguous:
    Hier werden 2 benachbarte Träger aus einem Bandbereich (A) aggregiert.
  2. Intra-band non-contiguous:
    Dabei erfolgt die Zusammenfasung von zwei nicht direkt benachbarten Trägern in einem Band (A)
  3. Inter-band non-contiguous:
    Fasst zwei Träger aus zwei verschiedenen Bandbereichen A und B zusammen


Infografik: Arten von Carrieraggregation bei 5G


8. Bandreiten-Klassen und CA Konfigurationen

Wir wissen ja bereits, dass es bei 5G eine Vielzahl von nutzbaren Frequenzbändern weltweit gibt (Tabelle), wie z.B. n78 oder n3. Teile davon (non contiguous) oder ganze Träger (contiguous) lassen sich mit Carrier Aggregation bündeln - in verschiedenen breiten Carriern. Insgesamt dürfen ja bis zu 16 Träger zu einem Nutzband gefasst werden!

Um diese zumindest kategorisieren zu können, definiert das 3GPP in jedem Release sogenannte Bandbreitenklassen – englisch "NR CA bandwidth classes".

Im 5G Release 17 (Dez 2022) gibt es mittlerweile 14 solche Klassen deklariert von A bis O. Jede Klasse, repräsentiert durch einen Buchstaben, steht je für eine minimal und maximale Bandbreite, sowie die Zahl der möglichen Carrier, welche die so zusammengefasst werden können. Die folgende Tabelle gibt alle diese Klassen wieder. Danach erklären wir im Einzelnen, was das bedeutet.

Die CA-Bandbreitenklasse gibt eine Kombination aus maximaler gebündelter Übertragungsbandbreite (Aggregated Transmission Bandwidth Configuration) und maximaler Anzahl von Trägern an. Die FR1-Bänder erlauben eine max. CA-Bandbreite von 400 MHz


FR1 hat CA-Klassen von A bis O gemäß 5G Release Version 17:

Carrier Aggregation
Bandbreitenklasse
mögliche Kanalbandbreite max. mögliche
Träger
Fallback
Gruppen
A BWKanal_CA ≤ 1 x BWKanal,max 1 1, 2, 3
B 20 MHz < BWKanal_CA ≤ 100 MHz 2 2,3
C 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 2 x BWKanal,max 2 1,3
D 200 MHz < BWKanal_CA ≤ 3 x BWKanal,max 3 1,3
E 300 MHz < BWKanal_CA ≤ 4 x BWKanal,max 4 1,3
G 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 150 MHz 3 2
H 150 MHz < BWKanal_CA ≤ 200 MHz 4 2
I 200 MHz < BWKanal_CA ≤ 250 MHz 5 2
J 250 MHz < BWKanal_CA ≤ 300 MHz 6 2
K 300 MHz < BWKanal_CA ≤ 350 MHz 7 2
L 350 MHz < BWKanal_CA ≤ 400 MHz 8 2
M 50 MHz < BWKanal_CA ≤ 200 MHz 3 3
N 80 MHz < BWKanal_CA ≤ 300 MHz 4 3
O 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 400 MHz 5 3
BWKanal = Bandweite des Kanals (Channel)

Wie interpretiert man die Tabelle nun? Dazu einige Beispiele: Klasse B entspricht demnach einer Gesamtbandbreite zwischen 20 MHz und 100 MHz, erzielbar durch die Aggregation von maximal zwei Funkkanälen (2 x CA). Klasse D entspricht einer Gesamtbandbreite zw. 200 MHz und 300 MHz aus der Zusammenlegung von drei Funkkanälen (3 x CA). Klasse A hingegen stellt die Basis ohne Carrier Aggregation dar. [4]

FR2 hat CA-Klassen von A bis O gemäß 5G Release Version 17:
Der Frequenzraum FR2 gliedert sich ebenfalls in die Klassen A bis Q gemäß Version 17. Sie erlauben eine max. CA-Bandbreite von 800 MHz.[5]

Carrier Aggregation
Bandbreitenklasse
mögliche Kanalbandbreite max. mögliche
Träger
Fallback
Gruppen
A BWKanal_CA ≤ 1 x BWKanal,max 1 1, 2, 3
B 20 MHz < BWKanal_CA ≤ 100 MHz 2 2,3
C 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 2 x BWKanal,max 2 1,3
D 200 MHz < BWKanal_CA ≤ 3 x BWKanal,max 3 1,3
E 300 MHz < BWKanal_CA ≤ 4 x BWKanal,max 4 1,3
G 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 150 MHz 3 2
H 150 MHz < BWKanal_CA ≤ 200 MHz 4 2
I 200 MHz < BWKanal_CA ≤ 250 MHz 5 2
J 250 MHz < BWKanal_CA ≤ 300 MHz 6 2
K 300 MHz < BWKanal_CA ≤ 350 MHz 7 2
L 350 MHz < BWKanal_CA ≤ 400 MHz 8 2
M 50 MHz < BWKanal_CA ≤ 200 MHz 3 3
N 80 MHz < BWKanal_CA ≤ 300 MHz 4 3
O 100 MHz < BWKanal_CA ≤ 400 MHz 5 3


8.1 CA Konfigurationen (wichtig)

Um die Verwirrung komplett zu machen. Praktisch alle E-UTRA Nutzbänder, wie n28 oder n78 lassen sich prinzipiell mit Bandbreiten-Klassen kombinieren. Daraus ergibt sich eine schier unüberblickbare Möglichkeit an Kombinationen. Zum Beispiel notiert man „CA_1C“ für Band n1 mit Klasse C. Oder „CA_1A-5B“, was abgekürzt bedeutet:  Interband-Carrier Aggregation auf Band n1 mit der Bandbreitenklasse A und Band n5 mit Klasse B.

So ergeben sich in der Praxis für Smartphones dann zigtausend Möglichkeiten, die sich kaum sinnvoll abbilden lassen. Für Spezialisten empfehlen wir diese Seite, wo sich pro Gerät, wie z.B. dem neusten iPhone, alle einzeln auflisten lassen. Meist sind das hunderte Seiten!

9. Sonderfall Dual Connectivity

Neben der Kanalbündelung, gibt es noch eine weiteres Performance-Enhancement Verfahren was recht ähnlich funktioniert – die sogenannte Duale Konnektivität, englisch Dual Connectivity (EN-DC).

Dabei kann ein Endkundengerät (UE) gleichzeitig Daten auf mehreren Trägern von zwei Masten (ein Master-eNB und ein sekundär eNB) senden und empfangen. Die Konfiguration kann also Vorteile des 4G- und 5G-Spektrums nutzen. Das kann den Netzdatendurchsatz steigern, die Stabilität erhöhen und den Lastenausgleich zwischen Funkstationen optimieren.

10. Carrier Aggregation zwischen "Time-" & "Frequency Division Duplex"

Schon im Jahre 2020 demonstrierten Qualcomm und Ericsson in einem Test[6], dass man die Grundlagen geschaffen hat, Frequenzbereiche mit unterschiedlichen Duplex-Verfahren zusammen zu fassen. Gemeint ist FDD und TDD! Bis dato konnten per CA immer nur Frequenzbänder jeweils eines Verfahrens aggregriert werden. Beide haben aber jeweils Vorteile und Nachteile. Künftige standalone 5G-Netze sollen die Vorteile von FDD sowie TDD per CA kombinieren können und so deren Nachteile minimieren bzw. ausschalten. Wann das konkret in deutschen 5G-Netzen folgt ist noch nicht bekannt.

11. Was bringt die Zukunft?

Sicher vor allem mehr Bandbreite, sprich Geschwindigkeit. Nicht nur die Bündelung mit mmWave wird einen deutlichen Schub bringen. Auch bei Sub-6-GHz schlummert noch viel Potenzial, wie Qualcomm mit seinem X75 Chip im Q3/2023 demonstrierte. Dabei konnte der Chiphersteller via 4fach CA und QAM1024 satte 7,5 GBit/s erzielen[7].

Qualcomm 4fach CA mit 7.5 GBit/s

12. Häufige Fragen

In welchen Bandbereichen kann CA genutzt werden?

Sowohl im regulären FR1-Frequenzbereich, als auch bei FR2.

Quellen:

[1] https://info-nrlte.com/tag/cross-carrier-scheduling/
[2] https://www.nokia.com/about-us/newsroom/articles/5g-carrier-aggregation-explained/
[3] https://www.ericsson.com/en/ran/carrier-aggregation
[4] https://www.techplayon.com/5g-carrier-aggregation-bandwidth-classes/
[5] http://sqimway.com/nr_ca.php

[6] https://www.ericsson.com/en/news/2020/8/5g-carrier-aggregation

[7] qualcomm.com