Notfallkommunikation Die Messtechnik für Non-Terrestrial Networks (NTN) und 5G

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Nicht-terrestrische Netze (NTNs) unterstützen die Kommunikation in schwer zugänglichen und ländlichen Gebieten. In der öffentlichen Sicherheit spielen NTNs eine entscheidende Rolle, indem sie während Notfällen und Naturkatastrophen eine verlässliche Verbindung sicherstellen. Mit entsprechender Messtechnik lassen sich Signalstärke, Datenraten und Netzwerkeffizienz effizient umsetzen.

5G NTN (Non-Terrestrial Networks) ermöglichen eine Funkanbindung in Gebieten, die von terrestrischen Netzen nicht erreicht werden können. Somit ergänzen die NTN-Netze die terrestrischen Netze und schließen Versorgungslücken, die mit rein landgebundener Infrastruktur schwer zu realisieren sind. NTN-Netze erhöhen die Verbindungsstabilität. Da Satelliten große Gebiete abdecken, eignen sie sich auch für Multicasting oder Broadcast.

Ein wichtiger Anwendungsgebiet für NTN-Netze ist die öffentliche Sicherheit, beispielsweise bei medizinischen Notfällen, Rettungseinsätzen, der Arbeit von Feuerwehren und der Strafverfolgung. Sie unterstützen auch bei Naturkatastrophen oder anderen Notfällen, bei denen terrestrische Netze unbrauchbar werden oder nicht vorhanden sind. Selbst wenn terrestrische Netze die Versorgung sicherstellen, bieten NTN-Netze eine hohe Ausfallsicherheit bei Überlastungen oder Ausfällen.

Standards, steigende Datenraten und komplexe Handover

Um das volle Potenzial von NTNs, bei denen sich die Basisstationen in Form von Satelliten oder Luftfahrzeugen mit oft hoher Geschwindigkeit bewegen, auszuschöpfen, müssen viele technische Hürden überwunden werden: sich weiter-entwickelnde Standards, ständig steigende Datenraten, komplexe Handover zwischen mehreren Elementen des Netzwerks, Latenz aufgrund von Roundtrip-Verzögerungen und Zellmobilität.

Für eine flächendeckende 5G-Versorgung durch NTNs sind geeignete Testszenarien und -verfahren unerlässlich. Die Tests stellen sicher, dass NTNs wie erforderlich funktionieren und die Standards korrekt umgesetzt werden.

NTNs umfassen Satelliten und hochgelegene Plattformsysteme (HAPS; High-Altitude Platform Systems). Die von NTNs verwendeten Satelliten werden wie folgt klassifiziert:

• niedrige Erdumlaufbahn (LEO; Low Earth Orbit),

• mittlere Erdumlaufbahn (MEO), geostationäre Erdumlaufbahn (GEO) und

• hochelliptische Umlaufbahn (HEO).

Zu HAPS zählen Ballons, Luftschiffe oder Starrflügler, die in Höhen von etwa 20 km fliegen oder schweben. Diese Plattformen sind in der Tabelle aufgeführt.

Ein Hauptproblem bei Satelliten ist die Latenzzeit, die mit der Höhe zunimmt. LEO-Satelliten bieten eine geringere Latenzzeit, was zu einem enormen Anstieg ihrer Nutzung geführt hat. Darüber hinaus können UAVs (Drohnen) sehr niedrige Latenzen unterstützen, möglicherweise bis zu 1 ms.

Bei satellitengestützten Netzen (NTN) sind Gateways erforderlich, um das Netz mit einem öffentlichen Datennetz zu verbinden. Darüber hinaus sind Zubringerfunkverbindungen zwischen dem Gateway und dem Satelliten sowie Service-Funkverbindungen zwischen dem Nutzergerät (UE, User Equipment) und dem Satelliten notwendig.

Sind NTNs in das 5G-Netz integriert, bieten sie unterbrechungsfreie Dienstverfügbarkeit in Gebieten, in denen 5G-Dienste nicht allein über terrestrische Netze bereitgestellt werden können. Darüber hinaus schließen NTN Versorgungslücken und bieten einen alternativen Verbindungspfad, wenn terrestrische Netze überlastet sind oder ein Dienst ausfällt.

Die Spezifikationen für NTN und die Abdeckung

Das globale 3GPP-Standardisierungsgremium hat Spezifikationen für NTNs entwickelt. Diese zielen darauf ab, 5G-Abdeckungslücken zu schließen und NTNs in zukünftiger Funktechnik zu ermöglichen. Release 17 des 3GPP befasst sich mit Latenz- und Zellmobilitätsproblemen, während Release 18 die NR-NTN- und LTE-basierten NB-IoT-Standards ausdrücklich unterstützt und somit eine flächendeckende Abdeckung für IoT- und eMTC-Geräte ermöglicht.

Die flächendeckende Bereitstellung von Diensten betrifft geografische Gebiete, in denen terrestrische Netze nicht verfügbar oder unterversorgt sind. Das ist wichtig, um öffentliche Dienste auch in ländlichen Gebieten bereitzustellen. Die Skalierbarkeit der Dienste kann auf den großen Abdeckungsbereich von Satelliten zurückgreifen, um Inhalte per Multicast oder Broadcast zu versenden. Das ist für Anwendungen in der öffentlichen Sicherheit nützlich, beispielsweise für das Senden von Notfallmeldungen oder die Übermittlung von Wetter- oder Hochwasserwarnungen.

Die von 3GPP empfohlene Architektur

Für 5G-Dienste empfiehlt das 3GPP zwei Architekturen: Transparent Payload und Regenerative Payload. Damit lassen sich NTNs entwickeln und bereitstellen. Bei der in Bild 1 dargestellten Transparent-Payload-Architektur dient der Satellit als analoger HF-Repeater für die Feeder- und Service-Links. HF-Filterung, Frequenzumwandlung und Verstärkung werden vom Satelliten selbst durchgeführt. Folglich ist die von der Nutzlast wiederholte Signalwellenform unverändert. Für die 5G-Anbindung wiederholt der Satellit die 5G-NR-Uu-Funkschnittstelle vom Feeder- zum Service-Link.

In der in Bild 2 dargestellten Regenerative-Payload-Architektur führt der Satellit HF-Filterung, Frequenzumwandlung, Verstärkung, Demodulation, Dekodierung, Umschaltung/Routing sowie Kodierung/Modulation durch. In seiner Funktion als 5G-Basisstation (gNB) regeneriert er das Signal von der Erde. Die NR-Uu-Schnittstelle verwaltet die Kommunikation über den Service-Link zwischen Satellit und Nutzergeräten, während eine separate Satellitenfunkschnittstelle die Verbindung über den Feeder-Link zum Kernnetz herstellt.

Die 3GPP-Architektur sieht bewegliche und feste Satellitenstrahlen vor. Während die Satelliten die Erde umkreisen, werden ihre Strahlen angepasst, um eine kontinuierliche Abdeckung desselben geografischen Gebiets zu gewährleisten. In diesem Szenario mit festem Strahl muss sich ein Satellit über dem Horizont befinden. Im Szenario mit beweglichem Strahl (Moving-Beam) liefert ein Satellit mit festem Strahl einen beweglichen Fußabdruck auf dem Boden.

Die Entwicklung von NTN-Systemen

Bei frühen Designüberlegungen für ländliche Gebiete und Notfälle sollten einige Herausforderungen berücksichtigt werden: Schwankungen der Signalstärke, Variationen der Signalausbreitungsverzögerung, Komplexität der Zellenübergabe und Doppler-Verschiebungseffekte.

NTN-Satelliten erzeugen elliptisch geformte Strahlen, deren Abdeckungsbereiche aufgrund ihrer großen Höhe und ihres engen Sichtfelds begrenzt sind. Diese inhärente Eigenschaft führt zu Schwankungen in der Signalstärke, die bei der Entwicklung von NTN-Systemen berücksichtigt werden müssen. NTNs, insbesondere solche mit LEO- und MEO-Konstellation, übergeben aufgrund ihrer zahlreichen, sich schnell bewegenden Satelliten häufig Signale. Diese häufigen Handover-Prozesse erhöhen das Risiko von Signalausfällen.

Zusätzlich zu den Latenz- oder Ausbreitungsverzögerungen zwischen Endgerät/UE und Satelliten, die auf die langen Signalwege zurückzuführen sind, gibt es dynamische oder variable Ausbreitungsverzögerungen zum UE und zwischen Satelliten, die sich aus der Geschwindigkeit der Satelliten und der Erdumlaufbahn ergeben. Diese Verzögerungen müssen berücksichtigt werden, um ihre Auswirkungen zu minimieren. Außerdem verursachen sich schnell bewegende Satelliten mit Geschwindigkeiten von über 24.000 km/h den Doppler-Shift-Effekt, bei dem sich die Signalfrequenz mit der Flugbahn des Satelliten verändert.

Testanforderungen für die Signalintegrität in 5G-NTN

Beim Einsatz von Satelliten, HAPS oder Drohnen als Basisstationen ist es nicht einfach, die Signalintegrität und Datenanbindung aufrechtzuerhalten, da sie sich im Gegensatz zu terrestrischen Netzen in großer Höhe befinden und sich bewegen. Daher sollten beim Testen Faktoren wie Qualität und Stabilität, Umfang, Leistung und mehrschichtige Kommunikation berücksichtigt werden.

Bei unternehmenskritischen Anwendungen sind die Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen für 5G-NTN-Implementierungen genauso hoch wie bei terrestrischen öffentlichen Sicherheitsnetzen. Daher sind umfassende Tests wichtig, die sicherstellen, dass ein NTN die Qualitäts- und Stabilitätsanforderungen erfüllt. Die Skalierbarkeit von NTN garantiert, dass die bestmögliche Dienstqualität (QoS) über einen großen Versorgungsbereich aufrechterhalten wird und Anrufe nicht abgebrochen werden.

Trotz der unterschiedlichen Entfernung, Geschwindigkeit und Mobilität des Satelliten im Verhältnis zum UE lässt sich die Fähigkeit eines NTN, einen zuverlässigen Dienst aufrechtzuerhalten, durch die Emulation verschiedener Mobilitäts- und Fading-Profile des UE überprüfen. Zudem sind erhebliche Doppler-Verschiebungen von sich schnell bewegenden HAPS und Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn zu berücksichtigen.

Anforderungen durch umfassende Tests erfüllen

Die Multi-Layer-Kommunikation in NTNs stellt hohe Anforderungen an die Datenanbindung. Beispielsweise ist ein Handover zwischen terrestrischen und satellitengestützten Verbindungen erforderlich. Zudem ist eine hohe Kapazität an Funkverbindungen notwendig, um Multi-Path-Mesh-Netzwerke in NTN-Konstellationen zu handhaben. Um die in den Spezifikationen geforderte Kontinuität und Service-Qualität zu gewährleisten, müssen all diese Kommunikationsverbindungen getestet werden.

Anritsu bietet verschiedene Testhardware, um diese Herausforderungen zu bewältigen und sicherzustellen, dass hochspezifizierte NTNs erzielt werden und Netze für die öffentliche Sicherheit wie vorgesehen funktionieren. Das Angebot ist für die langfristige Überwachung des Spektrums sowie für Probleme bei der Aufrüstung von Geräten konzipiert. Es eignet sich auch für HF-Dienste, die im Spektrum neben den Satellitenfrequenzen betrieben werden.

Spezielle Testhardware im Überblick

• Remote Spectrum Monitors (RSMs): Kommunikationsabteilungen für öffentliche Sicherheit verwenden RSMs, um unzulässige HF-Aktivitäten zu überwachen und zu melden, die ihre Kommunikationsnetze beeinträchtigen. RSMs werden in Racks an Funkstandorten montiert, um das Spektrum für öffentliche Sicherheit kontinuierlich zu überwachen, interessante Signale zu melden und Störsignalquellen zu lokalisieren.

• Field Master Pro MS2090A: Dieser verfügt über einen Echtzeit-Spektrumanalysator (RTSA), der eine Echtzeit-Signalerfassung mit einer Bandbreite von 110 MHz ermöglicht und intermittierende Signale bis zu einer Dauer von 2,055 μs mit 100 Prozent POI (Probability of Intercept) erfasst. Damit entsprechen die Netze den Spezifikationen.

• Der Mobile InterferenceHunter MX280007A ist eine schnelle und zuverlässige Methode, um einzelne oder mehrere Störquellen in öffentlichen Sicherheitsnetzen zu lokalisieren. Er arbeitet mit den tragbaren Spektrumanalysatoren von Anritsu zusammen und bietet die Möglichkeit der Interferenzsuche und Spektrumbereinigung.

• Der Radio Communication Analyzer MT8821C ist für die Forschung und Entwicklung von Mobil-/Benutzergeräten (UE) wie Smartphones, Tablets und IoT-Modulen konzipiert. Das Gerät unterstützt Mobilfunktechnik, einschließlich LTE-Advanced und IoT, und bietet HF-Tests zur Validierung von NTN NB-IoT-Geräten.

• Signaltester MD8430A: Das Gerät baut ein simuliertes Netzwerk auf, das für die Entwicklung von Chipsätzen und Geräten erforderlich ist. Mit der Software NTN NB-IoT (GEO) MD8430A-043 und der Steuerungssoftware „NTN over IoT Framework for RTD“ MX800050A-070 kann der MD8430A an ein NTN-Gerät für GEO-Satelliten angeschlossen werden, um die Verbindung mit dem NTN-Netz und das Roaming zwischen dem terrestrischen Netz und dem NTN-Netz zu testen.

NTNs in der öffentlichen Sicherheit und Notfallkommunikation

Da sie die Kommunikation von Ersthelfern in kritischen Anwendungsfällen sicherstellen, werden NTNs eine immer wichtigere Rolle in der öffentlichen Sicherheit spielen. Naturkatastrophen wie Erdbeben, Orkane, Überschwemmungen und extreme Wetterbedingungen können terrestrische Netze zerstören oder beeinträchtigen.

Je nach Ausmaß des Schadens kann es Wochen oder sogar noch länger dauern, bis das Netz wiederhergestellt ist. Andererseits können NTNs, die unabhängig von der terrestrischen Infrastruktur sind, als Backup für die Notfallkommunikation genutzt werden. Zudem können sie in abgelegenen Gebieten ohne Mobilfunkabdeckung oder andere Kommunikationsinfrastrukturen eine Verbindung zu Notdiensten herstellen.

NTNs eignen sich für die Versorgung von Polizei, Feuerwehr und Rettungsdiensten mit Anbindung über weite Bereiche in schwierigen Umgebungen geeignet. Fällt ein terrestrisches Netz aus oder ist es überlastet, bieten NTNs einen alternativen Kanal, um die kritische Kommunikation der öffentlichen Sicherheit zu gewährleisten. Darüber hinaus sind NTNs aufgrund ihres großen Abdeckungsbereichs ideal für grenzüberschreitende oder internationale Notfälle, bei denen die öffentliche Sicherheit koordiniert werden muss. Sie bieten eine einheitliche Plattform für nahtlose Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen Behörden und Organisationen. (heh)

LEO-Satelliten für entlegene Regionen

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* Tomohide Yamazaki ist Assistant Manager bei Anritsu.

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