Zukunft des Mobilfunks 5G-NTN: Nicht-terrestrische Netze für den 5G-Mobilfunk

Parallel zur Forschung an 6G geht die Weiterentwicklung des 5G-Mobilfunkstandards voran. Und das sehr ambitioniert. Die Evolution zu nicht-terrestrischen Netzen ist ein Paradigmenwechsel, der interessante Anwendungsfälle eröffnet und neue Anforderungen stellt. Ein Überblick aus messtechnischer Sicht.

Was hat das bekannte Lied «Learning to Fly» der Foo Fighters mit 5G gemeinsam? Zukünftig können sich Mobiltelefone nicht nur über die nächstgelegene Basisstation am Boden ins Mobilfunknetz einwählen, sondern auch über Flugzeuge, Satelliten oder Drohnen, die als fliegende Netzknoten fungieren werden. Die Mobilfunk-Infrastruktur lernt das Fliegen. Unter dem Namen 5G-Non-Terrestrial-Networks (5G-NTN), treibt das massgebliche Standardisierungsgremium 3GPP diese Entwicklung voran. Damit wachsen Mobilfunk und Satellitenkommunikation zusammen. Zwei Welten, die bisher getrennt waren.

Warum der Aufwand?

Die Motivation zu dem Grossprojekt veranschaulicht diese Statistik vermutlich am besten: Im Jahr 2022 wurden zwar beeindruckende rund 80 % der Weltbevölkerung mit Mobilfunk versorgt, die sich allerdings auf weniger als 40 % der weltweiten Landfläche befand. Die Mobilfunkabdeckung hat rund um den Globus noch Lücken, die sich mit rein terrestrischer Infrastruktur nur sehr kostenintensiv schliessen lassen. Deshalb erweitert 5G-NTN den Mobilfunk um nicht terrestrische Infrastruktur. Die allgemeinen Ziele lauten: weltweite Verfügbarkeit von Mobilfunkdiensten, Resilienz und das Zusammenwirken mit anderen bestehenden Funktechnologien.

Zwei Klassen von Anwendungsfällen

Generell sind im 5G-NTN-Standard zwei Klassen von Anwendungsfällen vorgesehen. Die einfachen Datendienste mit geringer Datenrate und ohne besondere Anforderungen an Latenzzeit und Servicequalität werden als IoT-NTN bezeichnet. Der Name beinhaltet den Fokus auf Internet-of-Things-Anwendungen, dies aber nun weltweit. Die zweite Klasse ist die direkte Satellitenkommunikation (Daten- und Sprachverbindung) und wird als NR-NTN bezeichnet. Zu Beginn ermöglicht NR-NTN nur Basisfunktionen über eine Satellitenverbindung wie Notrufe per Smartphone oder E-Mails ohne grossen Datenanhang. Mit dem technischen Fortschritt werden sich diese Fähigkeiten dann spürbar erweitern. Generell werden die Datenraten von nicht-terrestrischen Verbindungen aber niemals mit denen einer terrestrischen Funkverbindung konkurrieren. Deshalb ist 5G-NTN eine Erweiterung, nicht aber ein Ersatz für die Mobilfunkinfrastruktur am Boden.

Mobilfunkentwicklung: Von Koexistenz zu Integration

Technisch ist 5G-NTN eine langfristige Evolution. Ihre Ursprünge gehen bis in die Zeit zurück, als terrestrische und nicht-terrestrische Funknetze in erster Linie störungsfrei nebeneinander arbeiten sollten. Ein Beispiel dafür sind Satellitenfernsehen und Mobilfunk. Heute beginnt man damit, nicht-terrestrische Netze in bestehende 5G-Netze zu integrieren. Die technischen Voraussetzungen dafür hat das Standardisierungsgremium 3GPP in dem Release 17 spezifiziert. Dieser integrierte Ansatz wird aber nur ein Zwischenschritt sein. Auf lange Sicht sollen terrestrische und nicht-terrestrische Netze ganz verschmelzen zu sogenannten Unified Networks. Der tatsächliche Aufbau von Unified Networks wird nach den aktuellen Planungen mit der nächsten Mobilfunkgeneration 6G geschehen, also etwa ab dem Jahr 2030.

Herausforderungen für die Luftschnittstelle

Die Einführung von 5G-NTN bringt gewisse Herausforderungen mit sich, sowohl auf der Luftschnittstelle als auch für den 5G-Protokollstack. Weil sich die Funkübertragung nicht mehr ausschliesslich am Boden abspielt, müssen nun auch Atmosphäreneigenschaften wie Regen, Wolkenbildung und das elektromagnetische Feld der Ionosphäre auf die Ausbreitung der Funksignale berücksichtigt werden. Oft orientieren sich Entwicklungsteams dafür an Funkkanalmodellen (Fadingprofilen), die offizielle Standardisierungsgremien bereitstellen.

NTN-Frequenzen und Wellenausbreitung

In jeder Funktechnologie ist die grundlege Frage, welche Frequenzen dafür zur Verfügung stehen. Die beiden Bänder n255 und n256 (siehe Tabelle 1) sind die ersten Frequenzen, die 3GPP für 5G-NTN freigegeben hat. Sie liegen in den traditionellen Regionen unter 6 GHz. Mittlerweile sind weitere Bänder hinzugekommen, die teilweise in der Frequenzregion 2 (FR2, in etwa 24 GHz bis 71 GHz) liegen. Diese Frequenzbereiche sind für die 5G-Technologie zwar bekanntes Terrain, neu ist aber das Übertragungsverfahren in der FR2. Bisher arbeitet 5G hier mit dem Zeitduplexverfahren (TDD). 5G-NTN wird das Frequenzduplex-Übertragungsverfahren (FDD) nutzen, das aufgrund der deutlich längeren Übertragungsstrecken effizienter ist. Die Folge ist ein gewisser Mehraufwand bei Optimierungsmethoden wie Kanalschätzung, Entzerrung und Beamforming. Solche Methoden werden bei TDD direkt im Sender umgesetzt (Reziprozität des Kanals), erfordern bei FDD aber eine bilaterale Kommunikationsschleife. Dabei ermöglichen bekannte Referenzsignale des Senders dem Empfänger die Kanaleigenschaften zu schätzen und dies als Feedback an den Sender zu übermitteln (Channel Status Reporting).

Hohe Freiraumdämpfung

Eine der grössten Herausforderungen für 5G-NTN ist die hohe Freiraumdämpfung. Sie entsteht hauptsächlich durch die grosse Distanz zwischen Sender und Empfänger. Der Extremfall ist die Verbindung zwischen einem Endgerät am Boden und einem geostationären Satelliten in 35.786 Kilometern Umlaufbahn (siehe auch Bild 2).

Entscheidend für eine stabile Kommunikation sind ausserdem die Sendeleistung sowie die Gewinne der Empfangs- und Sendeantennen. Die gute Nachricht ist, dass sich durch verbesserte Antennengewinne, beispielsweise durch Beamforming, die Freiraumdämpfung soweit in den Griff bekommen lässt, dass eine Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten auf der Erde und Satelliten möglich ist.

Ein Blick auf die Signallaufzeit

Verglichen mit der Kommunikation über eine Infrastruktur am Boden sind bei einer Satellitenverbindung die Signallaufzeiten, oft auch als Round Trip Time (RTT) bezeichnet, deutlich länger. Fordert ein Endgerät am Boden über einen geostationären Satelliten ein Datenpaket von beispielsweise einem anderen mobilen Endgerät am Boden an, dauert allein die Signallaufzeit von Erde zum Satelliten und zurück ca. 544 Millisekunden. Zum Vergleich: Bei einem terrestrischen 5G-Netz liegen die gemessenen Zeiten im Bereich von 20 bis 30 Millisekunden. Auf diese längeren Laufzeiten müssen die bestehenden Software-Protokolle von 5G angepasst werden.

Systemarchitektur für 5G-NTN

Ziel der Integration von NTN in 5G ist es, die direkte Kommunikation zwischen Satellit und Endgerät am Boden mit geringem Aufwand zu ermöglichen. Erweiterungen oder Perfektionierungen sind zukünftigen Releases vorbehalten. Die erste Umsetzung von 5G-NTN sieht vor, dass der wesentliche Teil des Mobilfunknetzes terrestrisch ist, sprich die Basisstationen (gNB) und das Kernnetz. Satelliten fungieren als reine Repeater (Bent Pipe oder Transparent Payload). Dies hat den Nachteil, dass die Signallaufzeit (gemessen von Client bis zum Server inklusive Empfangsbestätigung) viermal die Strecke Satellit-Erde inkludiert, aber den Vorteil, dass die meisten Umbauarbeiten für 5G-NTN im leichter zugänglichen terrestrischen Netz vorgenommen werden können. Zukünftige Architekturen bringen mehr Signalverarbeitung in den Satelliten. Dazu können Teile des Servers integriert werden, sodass der Satellit die Kanalzuteilung (Scheduling) und die Paketwiederholung übernimmt. Der Vorteil ist ein höherer Grad an Autonomie und eine kürzere Latenzzeit.

Einfluss der Signallaufzeit

Aus Sicht von erdgebundenen Sendern bzw. Empfängern entsteht bei der Satellitenkommunikation ein Sonnenaufgang-Sonnenuntergang-Szenario, bei dem die Signallaufzeit je nach Position des Satelliten variiert. Der Satellit wird erst beim Überschreiten eines minimalen Elevationswinkels am Horizont sichtbar (Aufgang) und verschwindet bei Unterschreiten dieses Winkels wieder (Untergang). Zu diesen beiden Zeitpunkten ist die Signallaufzeit am längsten. Steht der Satellit senkrecht über Sender oder Empfänger, ist sie am kürzesten (Bild 3).

Für die höheren Protokollschichten hat das Folgen. Sie müssen einerseits eine längere Signallaufzeit tolerieren und andererseits das Empfangssignal am Satellit synchronisieren. Dafür kann man auf das erprobte Verfahren Timing Advance (TA) zurückgreifen, muss aber berücksichtigen, dass die Synchronisation bei 5G-NTN wesentlich schwieriger als in einem rein terrestrischen Netz ist. Details dazu finden Sie im ausführlichen White Paper 5G-NTN takes flight.

Dopplereffekt

Verglichen zu den ortsfesten Basisstationen stellen Satelliten, die ihre relative Position zum Endgerät schnell verändern, einen Paradigmenwechsel dar. Die hohe Relativgeschwindigkeit erzeugt eine Frequenzverschiebung, die als Dopplereffekt bekannt ist. Wie stark die Frequenz verschoben wird, hängt von der verwendeten Trägerfrequenz, der Orbithöhe und der relativen Geschwindigkeit ab. In Bild 3 ist die Dopplerverschiebung gegen den Elevationswinkel aufgetragen und folgt einer S-Kurve.

Zur Kompensation sendet der Satellit per Systeminformation seine Orbit-Bahndaten (Ephemeris) an das Endgerät. Das Endgerät bestimmt auf Basis von Navigationsdiensten (GNSS) die eigene terrestrische Position und eine Vorabkompensation des Dopplerversatzes kann durchgeführt werden.

Die Rolle der Messtechnik bei 5G-NTN und IoT-NTN

Nicht-terrestrische Netze erfordern eine Anpassung der Messmethoden, sowohl auf Seiten der Infrastruktur als auch bei den Endgeräten. Ein Systemsimulator zur Prüfung der Zuverlässigkeit von Endgeräten muss die hohe Latenz, den Dopplereffekt wie auch Signalisierungsparameter und Handover-Szenarien simulieren. Nötig ist in manchen Szenarien ausserdem ein GNSS-Signal zur Positionsbestimmung.

Testlösung für Endgeräte

Die Kombination aus Mobile Radio Tester CMW500 mit dem Signalgenerator R&S SMBV ist eine solche Testlösung, die auf IoT-NTN-Anwendungsfälle ausgelegt ist. Der Aufbau ermöglicht die Emulation eines GNSS-Navigationssignals zur Bestimmung der Position des Endgeräts. Der CMW500 erlaubt das Testen der physikalischen Parameter, der Signalisierungsprozesse und von Ende-zu-Ende-Verbindungen (E2E). Eine Erweiterung des Mobile Radio Testers CMX500 ermöglicht Anwenderinnen und Anwendern das Testen von NR-NTN-fähigen Endgeräten.

Testlösung für die Infrastruktur

Die Funktionen von Infrastrukturkomponenten wie Satelliten wird mit Hilfe von Signalgeneratoren und Signalanalysatoren geprüft. Rohde & Schwarz hat dazu in dem Signalgenerator R&S SMW200A die Fähigkeiten zur Emulation des Funkkanals erweitert und ermöglicht beispielsweise Empfängermessungen der Infrastrukturkomponenten. Mit dem Signalanalysator R&S FSW können die Sendeeigenschaften der Infrastrukturkomponente getestet werden. Dazu gehören spektrale Messungen für Störemissionen und Koexistenztests.

Neuer Blick auf Testmetriken

5G-NTN hat aber auch Auswirkungen auf Testmetriken wie Over-the-Air (OTA). Ein kleines Beispiel soll dies verdeutlichen: Bewegen sich Satellit und Endgerät in 1000 Kilometern Abstand zueinander und verwenden beide Beamforming-Antennen, dann führt eine Abweichung von 1° in der Richtcharakteristik der Sendeantenne zu einer Verschiebung der Richtwirkung um 30 Kilometer auf der Empfangsseite. Damit ergeben sich als sinnvolle neue Testmetriken die Genauigkeit des Richtstrahls, die Langzeit-Stabilität der Antennencharakteristik sowie die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Nachregelung. Zusätzlich zur Messtechnik bietet Rohde & Schwarz seinen Kunden Lösungen zum Satellitenmonitoring, zur Satellite-Link-Planung aber auch Hilfe bei der Produktion von hochintegrierten Bauteilen und Komponenten für die Satellitentechnik.

Ausblick

Das langfristige Ziel mit 5G-NTN sind dreidimensionale, einheitliche und organische Netzstrukturen. 5G-NR Release 17, in dem die Grundlagen für 5G-NTN festgelegt wurden, ist nur als Kickstart zu betrachten. Nun wachsen mit der Satellitenkommunikation und dem Mobilfunk zwei Ökosysteme zusammen, die bisher getrennt waren.

Rohde & Schwarz ist eines von wenigen Unternehmen, das sowohl in der Mobilfunkmesstechnik als auch bei der Satellitenkommunikation zu den weltweiten Technologieführern zählt und mit seiner Expertise diese Entwicklung mit vorantreiben möchte.

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