LTE Signalstärke und Leistung

02. Sep 2016

Was sind RSRP, RSRQ, RSSI und SINR?

(© FTS Hennig)

Im LTE-Netz sind wir ständig darum bemüht, die höchsten Datenraten im Download und Upload zu erreichen. Der erste Schritt für eine erfolgreiche Router-Installation ist die Bereitstellung von Signalstärke und Signalqualität. Was können wir für den besten LTE Empfang selbst unternehmen? Was bedeuten die Begriffe RSRP, RSRQ und SINR?
 

Die wichtigsten Qualitätskriterien für den LTE Empfang sind:

Der RSRP Wert

RSRP (Referenzsignal der Empfangsfeldstärke am Endgerät) steht für die Signalstärke. Sie ist von größter Bedeutung, da danach die Zellenauswahl und der Einwahl- bzw. Wiedereinwahl-Prozess bestimmt wird. Für mobile Anwendungen wird das Handover (Verbindungsübergabe) davon abhängig gemacht.

Der RSRP-Wert ist ein Dämpfungswert in dBm (Dezibel Milliwatt). Wenn wir uns vorstellen, dass die einzelnen Basisstationen und Endgeräte bei den Nutzern nicht mehr als -23 dBm Sendeleistung ausstrahlen dürfen und auf dem Weg zu dem jeweiligen anderen Empfänger Verluste auftreten, muss der Wert immer geringer als die -23 dBm sein. Optimale Werte liegen zwischen -50 und -70 dBm. Alles was unter -80 dBm liegt, hat noch einen sehr guten Pegel für den Empfang und benötigt maximal eine kleine Fensterantenne, um das Sendesignal noch zu verbessern. Bis -90 dBm liegt bei LTE noch alles im grünen Bereich und das Telefon sollte auch funktionieren. Oberhalb der -90 dBm wird es mit dem Telefon kritisch. Bis -100 dBm sollte das Internet aber noch relativ stabil funktionieren. Aber ab -110 dBm kommt dann der gesicherte Abriss der Verbindung und es funktioniert nichts mehr. Für die zuletzt genannten Fälle hilft nur eine externe LTE Antenne.

RSRP
> -70 dBm bis -79 dBm Sehr guter Pegel Telefonie und Internet funktionieren ohne Störungen
-80 dBm bis -89 dBm Guter, solider Pegel Internet und Telefonie mit kleinen Störungen
-90 dBm bis -100 dBm Mittelmäßiger Pegel Internet und Telefonie mit größeren Störungen
-101 dBm bis -110 dBm Schlechtes Signal Internet nur mit Abbrüchen, Telefon nicht mehr
< -110 dBm Wenig bis kein Signal Keine Verbindung oder Verbindungsabbruch

RSRQ - die Empfangsqualität

RSRQ (Referenzsignal der Empfangsqualität) ist das Maß der Signalqualität. Der Wert wird vom Nutzer gemessen und an das Netz gesendet. Damit steuert das Netz die Übertragungsgeschwindigkeit und das Handover. Der RSRQ-Wert berechnet sich wie folgt:

RSRQ [W] = N × RSRP [W] / RSSI [W]

N entspricht der Anzahl der Ressourcenblöcke in dem LTE-Netz in dem jeweiligen Frequenzbereich. In dem 800-MHz-Bereich von LTE haben wir meistens 10 MHz Kanalbandbreite, was 50 Ressourcenblöcken entspricht.

RSSI (Received Signal Strength Indicator) stellt einen Indikator für die Stärke des Empfangssignals dar. RSSI ist effektiv ein Maß für die gesamte im entsprechenden Spektrum ( 1,4 MHz; 3,5 MHz; 10 MHz; 15 MHz; 20 MHz) enthaltene Energie. Die gemessene Energie, also der gemessene Empfangswert, beinhaltet alle Signale, z.B. Signale der Steuerkanäle, der Datenkanäle, der benachbarten Zellen (Interferenz), Hintergrundgeräusche und Störungen. Um relativ genaue Ergebnisse zu erhalten, führt das System permanent über alle Ressourcenblöcke und Frequenzen im Frequenzband die Prüfung durch. Der RSSI-Wert wird deshalb immer besser ausfallen als der RSRP-Wert. RSSI ist die absolute Signalstärke, die von der Antenne empfangen wird.

FAZIT

Der RSRQ Wert steht für die Qualität des Signals und ist das Verhältnis des Nutzsignals RSRP und dem Gesamtsignal RSSI über alle Ressourcenblöcke der Bandbreite.

Wir als Nutzer des LTE Netzes müssen die Werte nicht berechnen können. Wir sollten aber deren Ergebnisse deuten und auswerten können.

RSRQ
-3 dB Keine Störungen vorhanden Exzellente Qualität
-4 bis -5 dB Kaum Störungen Keine Beeinflussung der Verbindung
-6 bis -8 dB Störungen vorhanden Störungen wirken sich auf die Verbindung aus
-9 bis -11 dB Große Störungen Spürbare Leistungsverluste vorhanden
-12 bis -15 dB Starke Störungen Keine Telefonie mehr möglich
-16 bis -20 dB Extrem starke Störungen Kein Nutzsignal vorhanden

SINR Wert - ein Maß der Qualität

Der SINR Wert ist ebenfalls ein Maß der Signalqualität. Der RSRQ-Wert wurde durch die 3GPP-Spezifikationen definiert. Den SINR Wert definierten die Endgerätehersteller. Der SINR-Wert wird nicht vom Netz erfasst.

SINR (signal-to-interference-plus-noise-ratio) setzt also das Signal zu Interferenz und Rauschen ins Verhältnis. Die Leistung des Nutzsignals, geteilt durch die Summe der Leistung des Interferenzsignals (Störungen) und dem Hintergrundrauschen, ergibt den SINR Wert.

SINR(x) = P / I+N

P ist die Leistung des Nutzsignals

I ist die Interferenzleistung

N ist die Rauschzahl

Das SINR wird in dB angegeben

Anhand der Formel sehen wir, dass das SINR steigt, je besser das Nutzsignal und damit der Empfangspegel ist. Umgekehrt können wir feststellen, dass wir bei weniger bis keinen Störungen bei niedrigem Pegel trotzdem ein gutes SINR und guten Datendurchsatz erhalten können.

SINR Wert und Datendurchsatz
> 10 dB Exzellent
6 dB bis 10 dB Gut
0 dB bis 5 dB Mittelmäßig
< 0 dB Kein Datenverkehr möglich

Messwerte am Beispiel des Cradlepoint IBR600

Wie schon im entsprechenden Beitrag beschrieben, können die Netzwerte am Cradlepoint IBR600 LTE Router sehr gut abgelesen werden. Wir haben hier einmal den Router mit kleiner Fensterantenne und mit einer LTE Außenantenne LAT 10 von Wittenberg Antennen kombiniert.

Statusanzeige für Messwerte am cradlepoint IBR600

Statusanzeige für die LTE Verbindung des Cradlepoint mit Fensterantenne (© FTS Hennig)

Sie sehen an den Messwerten des LTE Routers, dass der absolute Empfangspegel RSSI mit sehr guten -74 dBm anliegt. Aber durch die Entfernung zum Sendemast (ca. 5 km Luftlinie), dem dichten Baumbestand mit sattem Maigrün und keiner Sichtverbindung entsteht nur eine mittelmäßige Verbindung. Mit der Signalqualität kann man im Internet arbeiten, es liegen aber viele Hindernisse und damit Störungen an. Durch die Montage einer Außenantenne würde sich die Signalqualität deutlich verbessern.

Statusanzeige für Messwerte am cradlepoint IBR600 mit Außenantenne

Statusanzeige am Cradlepoint mit 8 dBi Außenantenne (© FTS Hennig)

Wie Sie sehen, verbessert sich mit der LTE Richtantenne der RSRP Wert um fast 20 dB und das SINR rückt in einen Top-Bereich. Der Datendurchsatz und damit die Internetgeschwindigkeit verbesserte sich um mehr als 10 MBit/s.

Übrigens sieht man an den Messwerten sehr schön, dass sich wegen der wesentlich besseren Verbindung die notwendige Sendeleistung LTE TX Power von 15,0 dBm auf 5,4 dBm verringerte. Das Signal kann ungehinderter zum Sendemast übertragen werden, die Qualität steigt und trotzdem kann die Strahlung verringert werden. Die geringere Strahlung wirkt sich wieder positiv auf das Netz und andere Nutzer aus.

FAZIT

Das SINR gibt die echte am Endgerät anliegende Signalqualität an. Sie wird vom Empfangssignal und den anliegenden Störungen bestimmt. Als Kunde können Sie den Störpegel verringern und/oder den Empfangspegel erhöhen. Beides erreichen Sie durch die Wahl eines optimalen Standorts für den Router und der Verwendung einer entsprechenden Antenne.


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18.09.2016
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Eine Sehr hielfreiche Zusammenfassung