Satellitensysteme für weltweites 5G

Mobilfunk ist aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Allerdings sind weniger als 10% der Erdoberfläche mit terrestrischem Mobilfunk versorgt. Über 90% der Erdoberfläche – Ozeane, Wüsten, Polarregionen und dünn besiedelte ländliche Bereiche sind nicht kommerziell sinnvoll mit terrestrischem Mobilfunk abzudecken.

Daher gab es schon in der 3. Mobilfunkgeneration (3G), offiziell als IMT-2000 bezeichnet, den Plan, Mobile Satellitensysteme (MSS) komplementär zu terrestrischem Mobilfunk für eine weltweite Versorgung mit Sprachtelefonie und zumindest geringen Datenraten einzuführen. Die kommerzielle Einführung für öffentlichen Mobilfunk scheiterte damals an den hohen Kosten für Satelliten. Heute, mehr als 20 Jahre später, sind Satelliten sehr viel günstiger geworden. Daher wurde im Rahmen der 5G Evolution ein neuer Anlauf gemacht, weltweiten Mobilfunk durch Mobile Satellitensysteme zu ermöglichen.

NTN Support ab 3GPP Release 17

Der 3GPP Release 17 führt den Support von 5G Non-Terrestrial Networks (NTN) ein, um global 5G Dienstleistungen sowie Daten- & Sprachübertragung zu ermöglichen. Unter Non-Terrestrial Networks (NTN) versteht man Satelliten-Systeme sowie High Altitude Platforms (HAPS). 

High Altitude Platform Systems HAPS

High Altitude Platform Systems (HAPS) sind Systeme aus Basisstationen in unbemannten Flugobjekten (Zeppeline, Drohnen, Solarsegler, …), die stationär in ca. 20 km Höhe kreisen und von dort aus Mobilfunk-Versorgung bieten. Dies erlaubt kostengünstige Mobilfunk Versorgung dünn besiedelter ländlicher Gebiete, aber auch Ausfall-Absicherung terrestrischer Netze bei Naturkatastrophen und Großstörungen.

Vorteile von HAPS gegenüber Satelliten-Systemen sind die relativ kurze Distanz zwischen UE und HAPS-Basisstationen, d. h. kürzere Latenzzeiten, niedrigere Sendeleistungen und einfachere Endgerät-Antennen. HAPS als Ergänzung von terrestrischem Mobilfunk wird schon seit 30 Jahren diskutiert, ist aber nie über die Testphase hinausgekommen.

5G Satellitensysteme

5G Satellitensysteme sollen komplementär zu den terrestrischen Netzwerken weltweite mobile Datenversorgung gewährleisten. Je nach Umlaufbahn um die Erde spricht man von GEO-, MEO-, HEO- oder LEO-Satelliten (siehe Diagramm). Für 5G NTN sind aktuell nur GEO- und LEO-Satelliten von Interesse.

Vorteile satellitengestützter 5G‑Systeme

• Globale Abdeckung. Es können Regionen versorgt werden, in denen terrestrische Netze aus wirtschaftlichen oder geographischen Gründen nicht ausgebaut werden, wie z. B.  Ozeane, Wüsten, Polarregionen und dünn besiedelte Bereiche. Auch Funklöcher terrestrischer Netzwerke können versorgt werden.
• Alternative Backhaul‑Verbindungen zwischen 5G Basisstationen und 5G Core Network
• Redundanz und Resilienz, indem sie im Störungsfall/bei Ausfall terrestrischer Netze die Kommunikation aufrechterhalten
• Notfall-Versorgung bei Naturkatastrophen und menschengemachten Katastrophen
• Entlastung terrestrischer Netze bei großflächigen Datenübertragungen, z. B. bei Broadcast- oder Multicast-Transmissionen

Vorteile gegenüber bisherigen proprietären Satellitensystemen

• Interoperabilität und Multi-Vendor-Ökosystem 
• Offene Interfaces und ein globales Ökosystem aus Netzbetreibern, Chipsatz- & Geräteherstellern
• Direkte Nutzung von Massenmarkt-Endgeräten (z. B. Smartphones, IoT-Geräte)
• Service-Kontinuität zwischen Terrestrischen und Satelliten Netzwerken
• Kontinuierliche Weiterentwicklung mit den 3GPP Releases von 5G-Advanced und künftig 6G

Probleme/Nachteile von Satellitensystemen

Verglichen mit terrestrischem Mobilfunk, unterliegt die Versorgung mit Satellitensystemen verschiedenen Einschränkungen & Problemen: 

• Der Einsatz kann nur Outdoor erfolgen. Direkte Sichtlinie Endgerät – Satellit (Line-of-Sight LOS) ist erforderlich. 
• Die Kapazität eines Satelliten ist begrenzt. Das Gebiet, welches er zu versorgen hat, ist hingegen sehr groß.
• Die Signaldämpfung ist sehr groß. Standard-5G-Endgeräte besitzen nur 200 mW Sendeleistung.
• Die Laufzeiten sind sehr groß (großes Delay).
• Massiver Doppler-Effekt (d. h. Frequenz-Verschiebungen) bei LEO-Satelliten.

3GPP Lösungen für satellitengestützte 5G‑Systeme

Mit 3GPP Release 17 wird der Support für NTN in 5G spezifiziert. Eine Vielzahl technischer Lösungen sind beinhaltet, so z. B. die mathematische Kompensation des Doppler-Effekts durch das 5G Endgerät (5G UE).

Die Satelliten verfügen i.d.R. über Hunderte von Spot-Beams, um ihre Kapazität zu erhöhen. Technische „Tricks“ ermöglichen auch eine Direktkommunikation von Standard-5G-Smartphones (ohne aufwendige Antennen) zum 5G Satelliten, was vor weniger Jahren noch undenkbar gewesen wäre. Wermutstropfen: Die Datenraten werden dadurch sehr niedrig (einige 100 bit/s bis einige kbit/s). Dies reicht gerade für SMS, Notruf-Messages und Low Data Rate (LDR) Services.

LEO-Satelliten haben aufgrund niedriger Umlaufbahnen (meist 500 – 700 km Höhe) bessere Karten. Sie können höhere Datenraten als GEO-Satelliten (ca. 36.000 km Höhe) sowie kürzere Latenzzeiten bieten. Dafür lässt sich schon mit wenigen GEO-Satelliten eine globale Abdeckung erreichen, während man sehr viele LEO-Satelliten (quasi wie eine Satelliten-Kette um die Erde) benötigt, um einer geographischen Region 24 Stunden Versorgung bieten zu können. Eine weitere Optimierungs-Option: Durch sehr große Satellitenantennen bei LEO-Satelliten kann man auch Smartphones mit vielen kbit/s bis hin zu einigen Mbit/s versorgen.

3GPP Releases 18, 19 & 20 verstärken die 5G Satellitensysteme

3GPP Release 18 führt größere Bandbreiten-Optionen bis zu 30 MHz in den klassischen NTN-Frequenzen um 2 GHz ein. Neue, sehr hochfrequente Bänder (im Frequenzbereich um 20 GHz) für 5G Satellitensysteme mit sehr großen Bandbreiten bis zu 400 MHz bieten Breitband-Satellitenkommunikation. In Verbindung mit VSAT (Very Small Aperture Terminal) Antennen, das sind kleine Parabol-Satellitenantennen, können so auch sehr hohe Datenraten von einigen 100 Mbps bis hin zu einigen Gbps (in der Theorie) erzielt werden. Man spricht von Fixed & Mobile VSAT, je nachdem ob es eine ortsfeste Installation (z. B. für Gebäudeversorgungen, Ölbohrplattformen) oder mobile Anbindung (z. B. für Flugzeuge, Schiffe, Züge) ist.

3GPP Release 19 ermöglicht Satellitenkommunikation auch für RedCap-Endgeräte.

Darüber hinaus optimieren die 3GPP Releases 18 und 19 die Satellitenkommunikation mit vielen Features für den Einsatz von NTN im Rahmen von Mission Critical Services (MCx) für BOS-Funk (Behörden & Organisationen mit Sicherheitsaufgaben).

Generell wird mit den 3GPP Releases 18 und 19 die Leistungsfähigkeit, Effizienz und flexible Einsatzfähigkeit der NTN-Funkübertragung kontinuierlich weiter optimiert. Auch für 3GPP Release 20 (wird 2027 abgeschlossen) sind weitere Optimierungsschritte geplant.
 

Unser Trainingsangebot

Falls Sie sich intensiver mit der den neuesten Aspekten des 5G Mobilfunks inklusive der 5G Satellitensysteme auseinandersetzen möchten, empfehlen wir Ihnen unsere Seminare Die 5G Evolution Teil 1 - Erste Evolutionsschritte (Rel. 16 & 17) sowie Die 5G Evolution Teil 2 - Letzte Schritte Richtung 6G (Rel. 18, 19 & 20).

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