Internet of Things (IoT) via Satellit

Funksysteme zur drahtlosen Datenübertragung finden vermehrt Einsatz in der Industrie- und Hausautomatisierung. Diese robusten Systeme werden zur Übertragung von Sensordaten und Steuerinformationen in Netzwerkstrukturen verwendet. Mit der intelligenten Vernetzung von Personen und Dingen im Internet of Things (IoT) entstehen zudem neue Geschäftsmodelle und Innovationen im Bereich Industrie 4.0.

Obwohl ein Großteil der IoT-Netzwerke terrestrisch ist, bieten sich durch neue IoT-Anwendungen auch für etablierte und aufstrebende Satellitenbetreiber zahlreiche Geschäftsmöglichkeiten – insbesondere im Bereich der Vernetzung entlegener Gebiete, die nicht über eine entsprechende terrestrische Infrastruktur verfügen. Der IoT-Markt verlangt sowohl nach zusätzlicher Kapazität über geostationäre Satelliten (GEO-Satelliten) im C-, Ku- und Ka-Band, die Direktverbindungen oder Backhaul-Konnektivität zur Verfügung stellen können, als auch nach neuen LEO- (Low Earth Orbit) oder HEO- (Highly Elliptical Orbit) Konstellationen, die speziell an IoT-Erfordernisse angepasst sind.

Wir adressieren mit einem umfangreichen Technologie- und IP- (Intellectual Property) Portfolio viele technische Herausforderungen der terrestrischen und satellitenbasierten IoT-Kommunikation.

IoT via Satellit – Anwendungsszenarien

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IoT über LEO-Satelliten

IoT in LEO/HEO-Konstellationen

LEO-Satelliten und bestimmte HEO-Satelliten befinden sich viel näher an der Erde als GEO-Satelliten. Deswegen sind die Pfadverluste geringer und man benötigt am Boden weniger leistungsstarke Terminals und Antennen, um eine Verbindung zum Satelliten herzustellen. Das wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten und die Größe der Bodenterminals aus. Jedoch bringen LEO- und HEO-Konstellationen die Herausforderung sich bewegender Satelliten mit sich, z. B. hinsichtlich eines zeitvarianten Kommunikationskanals und der Notwendigkeit nachführbarer Antennen. Man benötigt also für den Betrieb von IoT-Terminals in LEO- oder HEO-Konstellationen sowohl eine auf die Besonderheiten des jeweiligen Kommunikationskanals abgestimmte Wellenform als auch das passende Antennendesign.

IoT über GEO-Satelliten

IoT und GEO-Satelliten

GEO-Satelliten für IoT-Anwendungen — © Fraunhofer IIS

GEO-Satelliten stellen weltweit Terabits an Datenkapazität bereit, größtenteils für das Satellitenfernsehen (Direct-to-Home, DTH) und Internet via Satellit. Die Herausforderungen bei der Nutzung solcher GEO-Satelliten für IoT-Anwendungen liegen in den hohen Pfadverlusten, die zwischen Sendern auf der Erde und den Satelliten auftreten, und in der mehrfachen Belegung der gleichen Frequenzen durch Satelliten entlang des GEO-Orbits. Deswegen benötigt man an den Bodenstationen relativ große Antennen mit hoher Verstärkung und geeigneter Richtcharakteristik, um Satellitenverbindungen herzustellen, ohne dass Interferenzen zu benachbarten Satelliten und Systemen auftreten. IoT-Anwendungen dagegen benötigen typischerweise kleine und kostengünstige Sende- und Empfangsterminals, die zudem ohne manuelle Ausrichtung zum Satelliten auskommen sollten.

Kombiniert mit terrestrischen Netzen

Hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)

Hybride Systeme für eine terrestrische oder satellitenbasierte Kommunikation — © Fraunhofer IIS

Je höher die Zahl an IoT-Geräten in einem Netzwerk, desto entscheidender ist es für den kommerziellen Erfolg eines Systems, die Kosten pro Gerät gering zu halten. In solchen Fällen bietet sich der Einsatz eines hybriden Systems an, bestehend aus vielen kostengünstigen IoT-Geräten, die über terrestrischen Funk vernetzt sind, in Kombination mit einer geringen Zahl an Terminals mit Satellitenverbindung. Während die terrestrische Technologie die Kosten gering hält, sammeln leistungsstarke Terminals die Daten der IoT-Geräte und stellen über Satellit flächendeckende Konnektivität her. Bei der Systementwicklung sind Kenntnisse in den Bereichen terrestrische IoT-Technologie und Satellitenkommunikation nötig, um das Beste aus beiden Welten zu vereinen.

Technologie- und Lösungsspektrum für IoT via Satellit

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Massive IoT

Direkte Satellitenanbindung für Anwendungen im Bereich »Massive IoT«

Bislang werden für die Datenübertragung einzelner IoT-Geräte häufig terrestrische IoT-Basisstationen eingesetzt, um Daten zu sammeln und weiter ans Internet zu transportieren. Was in gut vernetzten Regionen problemlos funktioniert, wird an entlegenen Orten mit schlechter Kommunikationsinfrastruktur zur Herausforderung. Oft ist die Umgebung für den Bau von Basisstationen ungeeignet oder es können aus Kostengründen nicht genügend Basisstationen für eine lückenlose und großflächige Abdeckung bereitgestellt werden.

Ein weltweit verfügbares Satellitennetzwerk bietet indes die Lösung: Statt Daten über fest installierte Basisstationen zu schicken, senden die IoT-Geräte direkt zum Satelliten. So kann jedes Gerät von jedem Punkt der Erde zum Satelliten funken, ohne auf terrestrische IoT-Netze zurückgreifen zu müssen.

Im Abdeckungsbereich des Satelliten befinden sich dadurch eine Vielzahl von IoT-Geräten. Für die Datenübertragung wird daher ein geeignetes Übertragungsprotokoll benötigt, das eine hohe Systemkapazität gewährleistet. Hier kommt unsere IoT-Technologie mioty® ins Spiel, die Datenpakete von vielen IoT-Geräten gleichzeitig über große Entfernungen senden kann. Dabei ist sie besonders energieeffizient, störungsresistent und garantiert eine hohe Systemkapazität. mioty® kann außerdem ohne Anpassung des Funkprotokolls via Satellit eingesetzt werden, was eine direkte Datenübertragung zum Satelliten ermöglicht.

Hybride Systeme

Hybride Systeme für eine terrestrische oder satellitenbasierte Kommunikation

Für die Entwicklung hybrider Systeme benötigt man tiefgreifende Kenntnisse in den Bereichen terrestrische IoT-Technologie und Satellitenkommunikation. Es mag zwar naheliegend erscheinen, dieselben Technologien und Wellenformen im terrestrischen wie im satellitenbasierten Teil eines Kommunikationssystems einzusetzen. Dagegen sprechen aber die unterschiedlichen Anforderungen und technischen Einschränkungen. Während bei der terrestrischen Kommunikation in »lizenzfreien« Bändern im Bereich unter 1 GHz geringe Kosten und ein geringer Energieverbrauch im Vordergrund stehen, ist die Satellitenkommunikation bei Frequenzen über 10 GHz stark reguliert und unterliegt strikten Vorgaben hinsichtlich zulässiger Sendeleistung und Interferenzen. Das macht eine hybride Lösung notwendig, die sowohl für die terrestrische als auch die satellitenbasierte Kommunikation optimiert ist.

Das Fraunhofer IIS ist nicht nur im Bereich Satellitenkommunikation tätig, sondern entwickelt auch für terrestrische IoT-Netzwerke Technologielösungen und verfügt über entsprechendes IP. Beispiele hierfür sind die s-net®-Technologie für drahtlose Sensornetze sowie die drahtlose IoT-Lösung mioty®.

Extreme Edge Computing

Effiziente Datenverarbeitung vor Ort

Bei IoT-Anwendungen zählt oft jede Minute, wenn zeitkritische Informationen via Satellit übermittelt und rasche Reaktionen nötig werden. Kleine Datenmengen lassen sich schnell und einfach übertragen, bei großen Datensätzen kann die Übertragung jedoch problematisch werden: Denn mit zunehmender Datenmenge steigt die Übertragungsdauer.

Deshalb spannen wir mit unseren vollautomatisierten und selbstregulierenden IoT-Systemen ein Ad-Hoc-Netzwerk auf, in dem sich einzelne IoT-Geräte austauschen und ihre Rechenleistung bündeln können. Die gesammelten Rohdaten werden mithilfe Künstlicher Intelligenz direkt vor Ort verarbeitet und auf relevante Informationen komprimiert. Die reduzierte Datenmenge lässt sich nun problemlos übertragen. Zudem müssen nicht mehr alle IoT-Geräte zum Satelliten funken, sondern ein einzelnes Gerät kann das Ergebnis der Berechnung übermitteln.

Extreme Edge Computing bietet für Sat-IoT-Anwendungen wesentliche Vorteile im Hinblick auf:

Schnelle Datenübertragung, da die verarbeiteten Daten in Kombination mit unserem mioty®-Protokoll problemlos übermittelt werden können.
Geringe Latenz vor Ort, da sich durch das verteilte Rechnen große Datenmengen direkt vor Ort auswerten lassen. Das Ergebnis ist sofort lokal verfügbar.
Energieeffizienz, da der Akku der mobilen IoT-Geräte vom verteilten Rechnen profitiert und eine längere Lebensdauer hat.

IoT-Antennen

Leistungsfähige IoT-Antennen für die Satellitenkommunikation

IoT-Geräte benötigen leistungsfähige Antennen, um die Distanz zwischen Sender und Empfänger zu überbrücken. Mit Entfernungen von mehreren 100 Kilometern zwischen Erde und LEO-Satelliten sowie bis zu 40 000 Kilometern zu GEO-Satelliten ist deren Entwicklung für IoT via Satellit entsprechend anspruchsvoll.

Aufgrund von Größen- und Komplexitätsbeschränkungen ist die Verwendung mechanisch nachführbarer Reflektoren oder größerer elektrisch steuerbarer Phased-Arrays für »Massive IoT«-Anwendungen nicht möglich. Die Durchsatzanforderungen für IoT sind jedoch im Vergleich zu High-Throughput-Satelliten (HTS), die Internetdienste anbieten, sehr niedrig. Dies ermöglicht die Verwendung von kleinen Antennen, die ausreichend Antennengewinn und Steuerbarkeit der Antennenkeule bieten, während die Abmessungen, die Anzahl der abstrahlenden Elemente und die Komplexität des Speisenetzwerks geringgehalten werden.

Je nach Anwendungsfall bieten wir Ihnen die passende IoT-Antennenlösung:

Higher Order Mode Patches, deren Richtwirkung für geringe Elevationswinkel optimiert ist
Multibeam-Antennen mit mehreren alternativen, vordefinierten Strahloptionen
Kompakte Phased-Array-Antennen mit wenigen, kostenoptimierten Phasenschiebern und dennoch flexibler Steuerung der Antennenkeule

Spektrale Masken

Regulatorische Rahmenbedingungen für eine direkte Satellitenanbindung

Bei »Massive IoT«-Anwendungen über Satellit kann eine Vielzahl von terrestrischen Terminals gleichzeitig an den Satelliten senden. Da sich die IoT-Geräte das gleiche Frequenzband mit Geräten teilen, die an andere Satelliten senden, dürfen sie sich nicht gegenseitig stören.

Der Durchmesser der Antennenkeule ist meistens indirekt proportional zur Größe der Antenne. Das heißt, eine Antenne mit kleiner Grundfläche hat einen begrenzten Gewinn und eine eingeschränkte Richtwirkung. Daher erzeugt sie eine breite Keule. Dies führt oft zu unerwünschten Emissionen in Richtung benachbarter Satelliten in der geostationären Umlaufbahn, anderer LEO- und HEO-Satelliten oder terrestrischer Empfänger. Um solche Interferenzen mit anderen Systemen zu vermeiden, müssen IoT-Geräte, die direkt auf Satelliten ausgerichtet sind, bestimmte Masken für die spektrale Leistungsdichte (PSD) einhalten. Je nach Durchmesser der Antennenkeule und Ausrichtungsgenauigkeit begrenzen diese PSD-Masken die zulässige Sendeleistung, die Verbindungseffizienz, die Systemkapazität und die Anzahl der IoT-Geräte im Netz erheblich.

Deshalb haben wir eine neuartige Lösung entwickelt, die eine effiziente Nutzung des Spektrums und eine Maximierung der Systemkapazität in PSD-begrenzten Szenarien ermöglicht. Dabei werden Endgeräte- und Antennentypen sowie die Ausrichtungsgenauigkeit berücksichtigt. Zudem haben wir eine Wellenform realisiert, die diese Konzepte umsetzt und als Simulation verfügbar ist.

Profitieren Sie von unserem Know-how

Um ein erfolgreiches IoT-Produkt zu entwickeln, ist ein umfassendes Verständnis der Übertragungstechnologie, der Marktbedürfnisse und auch der Einschränkungen, der die Endanwendungen unterliegen, nötig. Equipment- und Chipsatz-Hersteller sowie Netzwerk- und Satellitenbetreiber können in folgenden Bereichen von unserem fachlichen Hintergrund und Know-how profitieren:

Wellenformen und Lösungen für »Massive IoT«-Anwendungen
Terrestrische IoT-Systeme oder hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)
IoT-Antennen
»End-to-End-Lösungen«: Systemdesign und -optimierung sowie Consulting

Ein entscheidender Vorteil für viele Einsatzgebiete

Wildtierbeobachtung

Tierschwärme leben meist in abgelegenen Gebieten außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastrukturen. Daten, die in diesen Regionen beispielsweise mithilfe von Tiersendern gesammelt werden, können häufig nur mit einer großen Verzögerung von Tagen oder Wochen zur nächsten Basisstation übertragen werden. Durch die Anbindung bestehender Netzwerke via Satellit kann eine globale Konnektivität und eine schnellere Datenübertragung gewährleistet werden.

Landwirtschaft

Auch im Bereich der Landwirtschaft ist die Nutzung des Internet of Things keine Zukunftsvision mehr: Bei der bodengestützten Erdbeobachtung werden IoT-Sensoren in Feldböden eingesetzt. Diese liefern wichtige Informationen über deren Beschaffenheit, wie Nährstoffgehalt oder Textur des Bodens. Die Daten werden anschließend über Satellit an den Landwirt oder an verbundene Landmaschinen weitergegeben.

Logistik

Mit der Platzierung von IoT-Sendern auf LKWs oder Containern wird Echtzeitüberwachung in der Logistik zur Realität. Die Sender schicken ihren aktuellen Standort kontinuierlich an einen Satelliten. So können Warenrouten ununterbrochen verfolgt werden, auch wenn sich z. B. ein Schiff Hunderte Kilometer vor der nächsten Küste bewegt.

Bergbau

In der Bergbauindustrie findet das Internet der Dinge in Form des sogenannten Smart Mining immer mehr Einzug. Sowohl oberirdisch als auch unterirdisch kommen die kleinen Sensoren zum Einsatz. Während sie unterirdisch die Luftbeschaffenheit und kleinste Bodenveränderungen tracken, um die Sicherheit der Mitarbeiter sicherzustellen, ermöglichen sie oberirdisch die Echtzeitverfolgung und Verwaltung der notwendigen LKWs und Fahrzeuge.

Satellitenkonnektivität