Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISDas Zusammenwachsen terrestrischer und satellitenbasierter Netze erhält durch 5G einen deutlichen Schub nach vorne. Unter dem Stichwort »Non-Terrestrial Networks (NTN)« werden Satelliten erstmals konsequent in den Mobilfunkstandard integriert, um anschließend in der künftigen 6G-Generation den endgültigen Weg für ein globales und engmaschiges Kommunikationsnetz zu bereiten. 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. Von der nahtlosen Konnektivität mit NTN profitieren beispielsweise die Automobilindustrie sowie das Internet of Things.
Direkte Satellitenkonnektivität für 5G und 6G
© immimagery – stock.adobe.com
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Satellitenintegration in 5G und 6G
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 seit 4G etabliert, wird allerdings erst mit 5G innerhalb der 3GPP im Standard verankert. Der Backhaul-Ansatz setzt zudem voraus, dass immer eine terrestrische Basisstation in der Nähe verfügbar ist.
Neue Wege der Vernetzung – 5G Direct Access über Satellit
Am Fraunhofer IIS gehen wir noch einen Schritt weiter und widmen uns gezielt der Entwicklung von Technologien für eine direkte Kommunikation zwischen Satelliten und Endgeräten, um terrestrische und satellitenbasierte Kommunikationssysteme sukzessive zusammenzuführen.
Diese neueren Konzepte zur Integration von Satelliten in die terrestrische 5G-Infrastruktur basieren auf einer direkten Konnektivität zwischen Satelliten und 5G-fähigen User Equipments (UE) wie Smartphones oder Fahrzeugen. Entsprechende Endgeräte haben dann jederzeit Zugriff auf das 5G-Netz – selbst dann, wenn gerade keine terrestrische Basisstation in der Nähe ist. Smartphones oder Fahrzeuge sind so in der Lage, die Verbindung je nach Empfangslage über eine Mobilfunkbasisstation oder direkt über Satellit aufzubauen. Es sind auch zukünftige Netzarchitekturen möglich, in denen der Satellit selbst, entweder vollständig oder teilweise, als Basisstation (gNB) dient.
Gerade im Zusammenspiel mit aktuell neu gestarteten oder geplanten Konstellationen verschiedener Satellitenbetreiber, bestehend aus einer großen Anzahl kleinerer Satelliten in niedriger Umlaufbahn, bietet die Integration von Satelliten in das 5G-Netz große Chancen für eine zuverlässige und globale Mobilfunkabdeckung ohne weiße Flecken. Ein Beispiel hierfür ist die von der Europäischen Union lancierte Satellitenkonstellation IRIS² (Infrastructure for Resilience, Interconnectivity and Security by Satellite).
Ein Blick in die Zukunft: Satellitenintegration in 6G
Mit 6G erweitern sich die bisherigen terrestrischen Netzwerke zu einer dreidimensionalen Struktur, in der die Kommunikation am Boden, in der Luft und im Weltall miteinander verschmilzt. Ob Basisstationen, Autos, Drohnen, Flugzeuge, High Altitude Plattformen (HAPS) oder Satelliten – Plattformen aus völlig unterschiedlichen Ebenen vernetzen sich zu einem 3D-Netzwerk. Die Kommunikation wird dadurch nicht nur global und universell verfügbar, sondern gewinnt zusätzlich an Resilienz.
Allerdings stellt die Dynamik der 3D-Netzwerke eine immense Herausforderung dar. Während die Architektur in der Vergangenheit noch statisch am Boden verblieben ist, werden sich die einzelnen Elemente künftig in permanenter Bewegung befinden. Unsere Forschung fokussiert sich daher derzeit auf die Entwicklung eines 6G-fähigen System-Level-Simulators, in dem sich die komplexen Prozesse der 3D-Netzwerke nachbilden lassen.
Obendrein wollen wir die Nachhaltigkeit der 6G-Netze sicherstellen. Damit künftige Übertragungsverfahren geringere Signalspitzen und einen noch besseren Wirkungsgrad aufweisen, erforschen wir eine energieeffizientere Wellenform, die die leistungsbegrenzten Satelliten dazu befähigt, einen möglichst großen Datendurchsatz zu erzielen.
Referenzprojekte
5G-GOA – 5G-fähige Bodensegmenttechnologien und Over-the-Air-Demonstrator via GEO-Satellit
5G-GOA – 5G-fähige Bodensegmenttechnologien und Over-the-Air-Demonstrator via GEO-Satellit
Ziel des Projekts 5G-GOA ist die Entwicklung und Implementierung notwendiger Adaptionen von 5G New Radio gemäß der Standardisierung von 5G NTN in 3GPP, um einen direkten Funkzugang terrestrischer Kommunikationsnetze über Satellit zu ermöglichen. Das Projekt wird von der Europäischen Weltraumorganisation ESA gefördert.
Das Fraunhofer IIS entwickelt dabei neue Softwarekomponenten zur Umsetzung 5G-fähiger Prototypen der Basisstation (gNB) und der mobilen Endgeräte (UE), beide basierend auf OpenAirInterface.
5G-IS – 5G-Systeminfrastrukturstudie
5G-IS – 5G-Systeminfrastrukturstudie
Die von der Europäischen Weltraumorganisation ESA (Directorate of Telecommunications and Integrated Applications TIA) geförderte Studie 5G-IS befasst sich mit dem enormen Potenzial satellitengestützter 5G- und 6G-Dienste für die globale Konnektivität und den damit verbundenen infrastrukturellen Anforderungen.
Das Fraunhofer IIS bringt seine Expertise im Hinblick auf die Integration von Satelliten in 5G-Netze in dieses Projekt ein.
5G-LEO – OpenAirInterface™-Erweiterung für 5G-Satellitenlinks
5G-LEO – OpenAirInterface™-Erweiterung für 5G-Satellitenlinks
Im von der Europäischen Weltraumorganisation ESA geförderten Projekt 5G-LEO arbeitet das Fraunhofer IIS gemeinsam mit Partnern an der Weiterentwicklung des Open-Source-Code für die OpenAirInterface-Plattform (OAI). Damit soll die Unterstützung von Satellitensysteme in nicht-geostationären Umlaufbahnen ermöglicht werden. Diese Erweiterung wird den vollständigen 5G-Protokollstapel sowohl für mobile Endgeräte (UE) als auch für Basisstationen (gNB) umfassen. Ziel ist es, eine öffentlich verfügbare aktualisierte Version der OAI-Softwarebibliothek mit neuen Funktionen zur Simulation und zum Testen von 5G-Kommunikationsverbindungen über Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) bereitzustellen.
5G METEORS – ESA Makerspace für 5G und Satellitenkommunikation
5G METEORS – ESA MakerSpace für 5G und Satellitenkommunikation
5G METEORS, gefördert durch die Europäische Weltraumorganisation ESA, adressiert ein breites Spektrum an Herausforderungen, die sich aus der Konvergenz und Integration von 5G und Satellitenkommunikation ergeben, insbesondere für die direkte Anwendung von 5G New Radio über Satelliten. Das 5G-METEORS-Programm fördert verschiedene kleinere Aktivitäten zur Implementierung und Demonstration von 5G-Technologie über Satelliten.
Das Fraunhofer IIS unterstützt die technische Koordination des 5G-METEORS-Programms und ist an Technologiedemonstrationen für 5G in nicht-terrestrischen Netzen (NTN) beteiligt.
6G SENTINEL – Six-G Enablers: Flexible Networks, THz Technology and Integration, Non-Terrestrial Networks, SidElink, and Localization
6G SENTINEL – Six-G Enablers: Flexible Networks, THz Technology and Integration, Non-Terrestrial Networks, SidElink, and Localization
6G SENTINEL ist ein Fraunhofer-Leitprojekt. Mit ihren Leitprojekten setzt die Fraunhofer-Gesellschaft strategische Schwerpunkte, um konkrete Lösungen zum Nutzen für den Standort Deutschland zu entwickeln. Im Projekt 6G SENTINEL entwickeln fünf beteiligte Fraunhofer-Institute Schlüsseltechnologien für den kommenden 6G-Mobilfunkstandard.
Das Fraunhofer IIS setzt dabei einen Schwerpunkt auf System-Level-Simulationen für hybride Netze der Zukunft, um die Integration von Satelliten in 6G-Mobilfunknetze umfassend zu erproben.
6G-SKY – 6G for Connected Sky
6G-SKY – 6G for Connected Sky
Im Projekt 6G-SKY werden Lösungen für die nächste Mobilfunkgeneration entwickelt, die am Boden und in der Luft für eine zuverlässige und robuste Vernetzung sorgen. 6G-SKY wird im Rahmen der europäischen Forschungsinitiative CELTIC-NEXT vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.
Das Fraunhofer IIS leitet das deutsche Konsortium, entwickelt im Projekt System-Level-Simulationen für 6G weiter und ist an Technologiedemonstrationen für 6G-Funkstrecken über Satellit und für terrestrische 6G-Verbindungen beteiligt.
TRANTOR – 5G+ evoluTion to mutioRbitAl multibaNd neTwORks
TRANTOR – 5G+ evoluTion to mutioRbitAl multibaNd neTwORks
Das Projekt TRANTOR, das von der Europäischen Kommission gefördert wird, soll die Eignung verschiedener Techniken untersuchen, um die Satellitenintegration in 6G vorzubereiten. Der Fokus liegt dabei auf Multi-Orbit- und Multi-Band-Architekturen sowie den damit einhergehenden Herausforderungen wie Multi-Connectivity. Neben diversen Entwicklungen im Bodensegment sollen Prototypen im Orbit verifiziert werden.
Das Fraunhofer IIS untersucht dabei zudem die Option, die Basisstation teilweise ins All zu bringen. Geplant ist eine Demonstration auf dem Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP), der als Experimentierplattform für den Heinrich-Hertz-Satelliten entwickelt worden ist.