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5G New Radio erstmals über GEO-Satellit demonstriert


InfoDigital - epaper ⋅ Ausgabe 5/2021 vom 30.04.2021

Satellitendienste sind immer wieder für Überraschungen gut. Dass satellitengestützte 5G-Dienste das Potenzial bergen, die weltweite Konnektivität zu verbessern, hat das Forschungszentrum SPACE der Universität der Bundeswehr München mithilfe des Fraunhofer- Instituts für Integrierte Schaltungen IIS demonstriert.


Forschungszentrum SPACE demonstriert 5G New Radio über GEO-Satellit

Artikelbild für den Artikel "5G New Radio erstmals über GEO-Satellit demonstriert" aus der Ausgabe 5/2021 von InfoDigital. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: InfoDigital, Ausgabe 5/2021

Satellitengestützte 5G-Dienste bergen das Potenzial, die weltweite Konnektivität zu verbessern. Erstmals wurden nun ausgewählte Erweiterungen von 5G New Radio (NR), mit denen die 5G-Funkzugangstechnologie auch in ...

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... nichtterrestrischen Netzen (NTN) genutzt werden kann, erfolgreich über einen geostationären (GEO) Satelliten getestet. Das Forschungszentrum SPACE der Universität der Bundeswehr München hat entsprechende Tests über Satellit ausgeführt und nutzte dafür ein vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS erweitertes 5G-NR-Protokollstack für die Satellitenkommunikation.

Funksignale, die über einen GEO-Satelliten übertragen werden, müssen große Entfernungen überwinden, was zu Verzögerungen in der Übertragung führt. Deshalb ist für den Einsatz von 5G über Satellit eine verbesserte Funkschnittelle nötig. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden im aktuellen Arbeitsprogramm für Release 17 der 5G-NR-Standardisierung im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) neue Features spezifiziert, die die Nutzung von 5G in nicht-terrestrischen Netzen ermöglichen.

Um frühzeitig deren Machbarkeit unter Beweis zu stellen, haben das Fraunhofer IIS und das Forschungszentrum SPACE der Universität der Bundeswehr München kürzlich einige der geplanten Erweiterungen für 5G NR via GEO-Satellit getestet. Die Over-the-Air-Demonstration wurde im Rahmen des Programms „5G METEORS“ durchgeführt, ein ARTES MakerSpace für 5G und Satellitenkommunikation, der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA gefördert wird.

Bidirektionale Übertragungen über GEO-Satellit

Während der Übertragungstests wurde für den initialen Aufbau einer Verbindung vom Endgerät (User Equipment, UE) zur 5G-Basisstation (gNodeB, gNB) ein speziell angepasstes Random-Access-Verfahren eingesetzt. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau wurden die 5G-Signale im Up- und Downlink gesendet und mit zwei verschiedenen Modulationsverfahren - QPSK und 16-QAM - decodiert. Darüber hinaus wurde ein an Satelliten angepasstes Verfahren für die Laufzeitkompensation (Timing Advance) getestet, mit dem die Synchronisation zwischen Endgerät und Basisstation reibungslos umgesetzt werden konnte.

Für die Übertragungen wurden in Up- und Downlink Bandbreiten von jeweils 10 MHz genutzt. Sowohl das UE als auch die Basisstation befanden sich dabei am Boden. Die gemessenen Umlaufzeiten des Signals von der Basisstation zum UE und wieder zurück lagen zwischen 530 und 570 Millisekunden.

Software-definierte 5G-New-Radio-Komponenten

Die beiden Komponenten, die in den Tests als Basisstation und 5G UE eingesetzt wurden, sind vollständig softwaredefinierte Lösungen. Sie basieren auf einer Open-Source- Implementierung des Protokollstacks für 5G New Radio namens OpenAirInterface (OAI), die auf universalen Hardware- Plattformen genutzt werden kann.

Das Fraunhofer IIS hat ausgewählte Features der 5G-NRWellenform und Anpassungen für die Satellitenkommunikation zu OAI beigetragen. Für die erfolgreich durchgeführte Demonstration wurden maßgebliche Implementierungen des 5G-Protokollstacks im Rahmen des Projekts 5G-ALLSTAR durch das Programm Horizon 2020 EU-Korea der Europäischen Union gefördert.

Satellitenintegration in 5G

Das Zusammenwachsen terrestrischer und satellitenbasierte Netze erhält durch 5G gerade einen deutlichen Schub nach vorne. Unter dem Stichwort „Non-Terrestrial Networks (NTN)“ wird erstmals die Integration von Satelliten bereits bei der Standardisierung eines neuen Mobilfunkstandards konsequent mitberücksichtigt. Davon profitieren beide Seiten: Während terrestrische Mobilfunknetze durch die Unterstützung von Satelliten jegliche Einschränkungen in der Reichweite überwinden, bietet sich für die Satellitenindustrie die Chance, das Angebot an Services weit über die Versorgung mit Satellitenfernsehen und -internet hinaus auszuweiten. Der klassische Weg führt über den Einsatz von Satelliten zur Vernetzung von Mobilfunkbasisstationen am Boden (Backhaul). Durch Satelliten-Backhaul werden Basisstationen in entlegenen Gebieten gegebenenfalls auch ohne weitere Infrastruktur ans Mobilfunknetz angebunden. Die Satelliten dienen so als Verbindungspunkte zwischen den Mobilfunkbasisstationen am Boden, spannen ein weltweites Kommunikationsnetz auf und können damit einen wesentlichen Beitrag zu einem schnellen Roll-out weltweit verfügbarer 5G-Konnektivität leisten. Diese Art der Vernetzung ist bereits etabliert, setzt aber immer voraus, dass sowohl die Satelliten als auch die Endgeräte der Nutzer eine stabile Verbindung zu einer Mobilfunkbasisstation haben.

Neue Wege der Vernetzung - 5G Direct Access über Satellit

Das Fraunhofer IIS geht einen Schritt weiter und widmet sich gezielt der Entwicklung von Technologien für eine direkte Kommunikation zwischen Satelliten und Endgeräten, um terrestrische und satellitenbasierte Kommunikationssysteme zusammenzuführen.

Diese neueren Konzepte zur Integration von Satelliten in die terrestrische 5GInfrastruktur basieren auf einer unmittelbaren Konnektivität zwischen Satelliten und 5G-fähigem User Equipment (UE). Entsprechende Endgeräte haben dann jederzeit satellitenbasierten Zugriff auf das 5G-Netz - selbst dann, wenn gerade keine Basisstation in der Nähe ist. Smartphones oder Fahrzeuge sind so zukünftig in der Lage, die Verbindung je nach Empfangslage über eine Mobilfunkbasisstation oder direkt über Satellit aufzubauen. Es sind auch Netzarchitekturen möglich, in denen der Satellit selbst, entweder vollständig oder teilweise, als Basisstation (gNB) dient.

Warum 5G Direct Satellite Access?

Für einige Anwendungen bietet eine direkte Verbindung zwischen Satelliten und Empfangsgeräten besondere Vorteile:

Weltweite Konnektivität

Empfang überall für festinstallierte VSAT-Modems oder mobile User und IoTDevices - auch in den entlegensten Regionen der Welt.

Nahtloser Empfang bei mobilen Anwendungen

Zuverlässige Übermittlung von Updates und Warnmeldungen an Fahrzeuge oder durchgängig mögliche Übertragung von IoT-Sensordaten.

• Effiziente Broadcast-Funktion

Entlastung der terrestrischen Infrastruktur (Data-Offloading) durch Übertragung von Medieninhalten und Software-Updates per Satellit an viele mobile Endgeräte gleichzeitig.

Gerade im Zusammenspiel mit den neu gestarteten oder geplanten LEO-Konstellationen verschiedener Satellitenbetreiber, bestehend aus einer großen Anzahl kleinerer Satelliten in niedriger Umlaufbahn (LEO = Low Earth Orbit), wie zum Beispiel Starlink, bietet die Integration von Satelliten in das 5G-Netz große Chancen für eine zuverlässige und globale Mobilfunkabdeckung ohne weiße Flecken.


Foto: FraunhoferInstitut