Die Erwartungen an den Mobilfunk der fünften Generation sind hoch. Vor allem bei 5G Anwendungen abseits von den Erwartungen der Handynutzer*innen. Denn der neue Kommunikationsstandard soll zur Basis werden für mobiles Live-TV, für das industrielle Internet oder flächendeckende IoT-Services. Funklöcher, überlastete Netzbereiche oder nicht abgedeckte Regionen darf es dann allerdings nicht mehr geben. Wie Satellitenkommunikation dabei Lücken schließen und leistungsstarke temporäre bzw. nomadische Netze aufbauen kann, erforschen Wissenschafts- und Industriepartner im ESA Testbed SATis5.

Wenn im Zentrum Berlins das Mobiltelefon klingelt und eine 5G Verbindung anzeigt, ist dies – bei entsprechendem Gerät und Tarif – nichts Besonderes. Wenn dasselbe Gerät dagegen während der Fahrt durch eine der ländlichen Regionen Europas ebenfalls eine Verbindung im 5G Modus aufbauen und halten kann, ist das einer der Momente, auf die Dr. Marius-Iulian Corici vom Fraunhofer-Institut für Offene Kommunikationssysteme FOKUS und seine Kolleg*innen die letzten Jahre hingearbeitet haben. Das Signal des Mobiltelefons läuft dabei über ein Satelliten-Modem mit 5G Access Point zum Antennensystem auf dem Fahrzeugdach und weiter über eine Satellitenverbindung bis ins 5G Netz am Fraunhofer FOKUS in Berlin. »5G Mobilfunktechnologien und die Systeme der Satellitenkommunikation arbeiten nun nahtlos zusammen«, erklärt Corici nicht ohne Stolz. Und das, obwohl die Einbindung eines solchen Non-Terrestrial Networks (NTN) in eine 5G Umgebung in den Standards der neuen Mobilfunktechnologie bisher nicht vorgesehen war.

Dabei sei gerade die Kombination aus terrestrischem Mobilfunk und Satellitensystemen in der Lage, wichtige 5G Anwendungsbereiche entscheidend zu unterstützen. Um diese Möglichkeiten zeigen und erproben zu können, initiierte und förderte die Europäische Weltraumorganisation ESA das Projekt »SATis5«. Die daran beteiligten Wissenschafts- und Industriepartner entwickelten in den vergangenen zwei Jahren Methoden und Systeme um die beiden Kommunikationswelten direkt miteinander zu verbinden. Im SATis5 Testbed wurden die Konnektivitätslösungen prototypisch umgesetzt und erprobt. Über seinen zentralen Netzknoten in Berlin besitzt das Testbed eine direkte Anbindung an den 5G Playground, die terrestrische 5G Testumgebung, welche die Projektpartner Fraunhofer FOKUS und TU Berlin betreiben. Darüber hinaus sind über Satellitenverbindungen fünf weitere Netzknoten in das SATis5 Testbed eingebunden: Jeweils ein Zugangspunkt befindet sich in Betzdorf (Luxemburg) am Standort des Satellitenbetreibers SES, bei den iDirect-Spezialist*innen für Netzwerktechnik in Killarney (Irland) und beim SATis5 Projektteam am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen. Außerdem richteten Wissenschaftler*innen des Forschungsbereiches Satellitenkommunikation an der Universität der Bundeswehr München einen weiteren stationären, sowie einen mobilen Zugang zu dem satellitenbasierten 5G-Netzwerk an Bord eines Transporters ein.

Die Weiterentwicklungen der 5G Standards ab 3GPP Release 16 werden erstmals auch Spezifikationen zur Einbindung der Satellitenkommunikation enthalten. »Mit den Ergebnissen und Erfahrungen aus dem Aufbau und dem Testbetrieb unseres satellitenbasierten 5G Netzes können wir der Forschungscommunity in den Gremien dazu wichtige Inputs liefern«, betont Corici.

Satellitenunterstützung für Katastrophenschutz bis IoT

Das 5G Telefonat von unterwegs dient lediglich als einfache Demonstration der technischen Umsetzbarkeit einer mobilen 5G Basisstation. Solch eine fahrbare Funkzelle könnte beispielsweise Sicherheitsbehörden dazu dienen, bei Großereignissen ein eigenes gemeinsames Funknetz für die Einsatz- und Rettungskräfte im Feld und der Einsatzleitzentrale einzurichten. In einem Katastrophengebiet ließe sich damit in kürzester Zeit eine funktionsfähige Kommunikationsinfrastruktur aufbauen – dank globaler Verfügbarkeit einer Satellitenanbindung weltweit an jedem Ort.

Als stationäre Variante sind Funkmasten mit satellitenbasiertem 5G Netz im Inselbetrieb in der Regel besser geeignet, Lücken in der Versorgung mit Mobilfunk und mobilem Gigabit-Internet zu schließen. Zum Beispiel, wenn für eine kleinere Landgemeinde eine Glasfasererschließung wirtschaftlich nicht möglich ist. Aber auch für Unternehmen, die über Satelliten verbundene private 5G Netze nutzen wollen. Sie ermöglichen schnellen Datenaustausch mit Standorten in aller Welt und unternehmensweiten Einsatz von IoT-Anwendungen über ein einheitliches Kommunikationssystem – und das mit minimalem Aufwand bezüglich der Backhaul-Infrastruktur.

Über Satelliten live dabei

Auch bei der Live-Berichterstattung in TV und Internet bietet die Kombination aus terrestrischer und nicht-terrestrischer Infrastruktur neue Möglichkeiten. 5G fähige Satellitenverbindungen schließen hier Verbindungslücken in Echtzeit und ohne Systembarrieren. »Im Rahmen von SATis5 testeten die Projektpartner unter anderem die Liveübertragung direkt von der Strecke eines Fahrradrennens aus«, erklärt Corici. Eine weitere Neuheit in der Kommunikationslandschaft könnte in den kommenden Jahren 5G Broadcast bringen: Live-Fernsehen auf 5G Mobilgeräten in voller Heimkinoqualität. Sendungen und Videos gelangen dabei nicht mehr wie heute als Streaming über das Mobilfunknetz auf das Smartphone. Mit 5G Broadcast werden sie vielmehr ähnlich wie DVB-T Signale über Sendestationen frei empfangbar verteilt.

Immer in Verbindung weltweit

Technisch möglich machen wollen Signaltechniker*innen künftig auch direkte Verbindungen zwischen einem 5G Smartphone und einem Satellitensystem – ohne dass es sich dabei um ein spezielles Satellitentelefon handelt. Weil LEO-Satellitensysteme (Low Earth Orbit) die Erde in nur rund 1.000 Kilometer Höhe umrunden, können sie beispielsweise 5G Broadcast-Medien auch direkt ausstrahlen. Oder sie selbst übernehmen die Funktion einer Mobilfunk-Basisstation. Allerdings ist der Satellit dabei immer nur wenige Minuten in Funkreichweite. Um an einem Ort auf der Erde durchgehend Empfang zu haben, ist also eine ganze Satellitenflotte erforderlich. Mehrere Flotten dieser Art befinden sich derzeit im Aufbau oder in der Planung. Denn für Technologien wie IoT-Support für Maschinen und Fahrzeuge im Einsatz beim Kunden weltweit oder für Autonomes Fahren ist eine flächendeckend lückenlose Funkvernetzung essentiell. Hier könnten Satellitensysteme künftig in vielen Regionen der Erde erstmals die Voraussetzungen dafür schaffen. Und selbst in Ländern mit einem gut ausgebautem Mobilfunknetz könnten Smartphone oder das Fahrassistenzsystem in einem Funkloch nahtlos auf Satellitenverbindung wechseln. »Grundlegend für solche Anwendungen ist ein hoch integriertes Zusammenspiel zwischen den terrestrischen Funksystemen und der Satellitenkommunikation, das höchste Performance sowohl bei der Leistung als auch bei der Zuverlässigkeit erreicht. Bis es so weit ist, sind jedoch noch erhebliche Forschungsanstrengungen nötig«, resümiert Corici.

(stw)

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