Unendliche Weiten Die nicht-terrestrische Zukunft des IoT

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Zwar verfügen mittlerweile 90 Prozent der Weltbevölkerung über Mobilfunkempfang, doch dieser deckt nur etwa 15 Prozent der Erdoberfläche ab. Berücksichtigt man die Ozeane und die riesigen unerschlossenen und ländlichen Gebiete, gerät die Idee globaler Vernetzung schnell ins Wanken. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Datenanbindung in diesen abgelegenen Gebieten.

Nicht-terrestrische Netzwerke (NTN), die Satelliten als universelle Kommunikationsinfrastruktur nutzen, könnten die Lösung sein. Fortschritte in der Satellitenkommunikation im erdnahen (LEO) und geostationären (GEO) Orbit lassen das Konzept einer kostengünstigen, stromsparenden, skalierbaren und standardisierten Datenanbindung ohne Grenzen Wirklichkeit werden. Dies hat weitreichende Auswirkungen, doch vor allem IoT-Anwendungen werden davon profitieren.

Grenzenloses IoT

Die potenziellen Vorteile sind ebenso tiefgreifend wie vielfältig. Sie reichen von erhöhter Sicherheit über globales Asset-Tracking bis hin zur Fernwartung von Infrastruktur. Ernteerträge können gesteigert und das Management in der Seefahrt und Fischerei optimiert werden. Naturschutz und Wildtierkontrolle erhalten mehr Möglichkeiten. Selbst Notfallmaßnahmen und Katastrophenhilfe profitieren davon, da die Systeme auch dann weiter funktionieren, wenn lokale terrestrische Netzwerke ausfallen und Frühwarnungen sowie potenziell lebensrettende Erkenntnisse liefern.

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Die Alternative – der Aufbau und Betrieb terrestrischer Netzwerke (TN) an diesen weit entfernten Orten – ist oft zeit- und kostenaufwändig und bietet einen zu geringen ROI, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Selbst relativ konzentrierte Standorte wie Bergbau- und Bohranlagen stehen bei der Einrichtung von Datenanbindung vor enormen logistischen Hürden, insbesondere wenn es sich um temporäre Standorte handelt. Ganz zu schweigen von maritimen Anwendungen, deren begrenzte Verbindungen auf See bereits fast ausschließlich von Satelliten abhängig sind.

Obwohl NTN ein eher neuer Dienst sind, leisten führende Satellitenunternehmen wie Iridium, Skylo und Myriota Pionierarbeit. Bereits heute bieten deren NTN wichtige Anbindung für IoT-Anwendungen in den Bereichen intelligente Landwirtschaft, Umweltdatenerfassung, Infrastrukturüberwachung und globales Asset-Tracking. Ihre Dienste bieten selbst an den entlegensten Orten sofort verfügbare Datenanbindung und nahtlose Übergaben von terrestrischen Netzwerken – unerlässlich, wenn Anlagen oder Assets netzunabhängig betrieben werden müssen.

Eine neue Generation

Satellitenkommunikation (Satcom) für kommerzielle Zwecke ist keine neue Idee. Seit den frühen 60er-Jahren suchen wir nach Möglichkeiten, Satcom rentabel zu machen. Fortschritte bei IoT-Anwendungen stießen jedoch auf einige Hürden, insbesondere im Hinblick auf die Link-Budgetierung.

Link-Budgets berechnen alle Gewinne und Verluste, die ein Signal auf seinem Weg zwischen Punkt A und B, vom Sender zum Empfänger, erfährt. Da Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) zwischen 500 und 800 km und in einer geostationären Umlaufbahn (GEO) bis zu 36.000 km entfernt sein können – also praktisch im Weltraum – sind die Signalverluste extrem hoch.

Ein Grund dafür ist die Latenz. Diese kann bei GEO-Kommunikation Hunderte von Millisekunden erreichen, was im Vergleich zu den etwa 10 ms bei TN (LTE-M) eine Ewigkeit ist. In ähnlicher Weise führt die Bewegung von LEO- und MEO-Satelliten (mittlere Erdumlaufbahn) zu sich verändernden Funkzellenmustern, höheren Doppler-Verschiebungen und schnelleren Schwankungen der Laufzeitverzögerung. Darüber hinaus haben NTN deutlich größere Zellgrößen als TN und erstrecken sich oft über Hunderte von Kilometern. Dies kann auch zu größeren Schwankungen der Laufzeitverzögerungen führen, wobei starke Nah-Fern-Effekte schwächere Signale überlagern. Auch atmosphärische Störungen müssen berücksichtigt werden, da Troposphäre und Ionosphäre die Funksignale auf unterschiedliche Weise beeinflussen.

Der Aufbau ausreichend starker Verbindungen verbrauchte daher viel Energie. Batteriebetriebene IoT-Geräte mit kleinen Formfaktoren und einer Betriebsdauer von mehreren Jahren konnten den erforderlichen Energiebedarf einfach nicht decken.

Das änderte sich jedoch mit den 3GPP-Releases 17 und 18. Die beiden Updates erweiterten die 5G-Architektur um die Unterstützung des NTN-Zugangs sowie um NTN-Support für NB-IoT- und eMTC/LTE-M-Protokolle. Dadurch konnten sich Standard-IoT-Geräte per Satellit verbinden, ohne dass teure, energieintensive Hardware oder umfangreiche Protokollüberarbeitungen erforderlich sind.

Diese Updates umfassten auch neue Timing-Advance-/TA-Werte, Synchronisierungs- und HARQ-Anpassungen (Hybrid Automatic Repeat Request), um die Herausforderungen durch Latenz und Doppler-Verschiebung zu kompensieren und erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen. Zusammen haben diese Anpassungen die Verbindungsstabilität (Zuverlässigkeit einer Verbindung) deutlich verbessert und eine stabile, stromsparende Satellitenverbindung unter zuvor unerreichbaren Bedingungen ermöglicht.

Grenzenlose Datenanbindung

NTN-Support für das 5G-Mobilfunk-Ökosystem vereinfacht die Bereitstellung von NTN erheblich. Dadurch wurde deren Integration in terrestrische Netze für 3GPP-Anbieter möglich. NTN fungieren als ergänzende Komponenten des Funkzugangsnetzes (RAN), wobei Satelliten als Zugangsknoten oder Relaisstationen dienen und eine stabile Verbindung zum Kernnetz aufrechterhalten.

Der entscheidende Vorteil dieser Integration liegt in der nahtlosen Mobilität zwischen terrestrischen und nicht-terrestrischen Netzen. Dies ermöglicht Anwendungen, in denen Endgeräte – ob IoT-Systeme, Fahrzeuge, Asset-Tracking-Knoten etc. – mit gleichbleibender Netzwerkqualität (QoS; Quality of Service) zwischen terrestrischer und Satellitenabdeckung wechseln können.

Kommende NTN-vernetzte IoT-Systeme

Diese Neuerungen haben den Standard für NTN-IoT-Datenanbindung deutlich erhöht. Um alle Vorteile nutzen zu können, benötigen Gerätehersteller Hardware, die die Produktion vereinfacht und beschleunigt und zuverlässige sowie stromsparende Datenanbindung in kleinen Formfaktoren gewährleistet.

Gefragt sind System-in-Package-/SiP-Lösungen von Anbietern mit langjähriger Erfahrung im Bereich stromsparender Mobilfunk-Anbindung. SiPs sind ein Komplettpaket bzw. eine Plattform für IoT-Lösungen. Sie verfügen über verschiedene Komponenten, darunter vor allem einen Anwendungsprozessor und ein Modem. Dies vereinfacht die Design-, Beschaffungs- und Produktionsprozesse und reduziert den Stromverbrauch sowie die Gesamtkomplexität des Systems.

Im Idealfall bieten Chipsätze – wie der nRF9151 von Nordic Semiconductor – auch GNSS-Funktionen (Global Navigation Satellite System) und prädiktive GNSS-Funktionen. Diese verkürzen den Zeitaufwand bis zur ersten Positionsbestimmung – die Zeit, die ein GPS-Navigationsgerät benötigt, um Satellitensignale und Navigationsdaten zu empfangen und eine Positionslösung zu berechnen – von Minuten auf Sekunden.

Grenzenlose Möglichkeiten

Der Aufbau und die Bereitstellung von NTN war noch nie so einfach. Mit der Weiterentwicklung der Technik sind die Hürden für eine wirklich globale, skalierbare und energieeffiziente IoT-Bereitstellung nahezu verschwunden. Was einst eine Nischenlösung war, entwickelt sich schnell zu einem entscheidenden Faktor für grenzenlose Datenanbindung. Durch NTN-optimierte Protokolle und integrierte SiP-Plattformen verfügen Entwickler nun über die Werkzeuge, um nahtlose, stromsparende IoT-Lösungen anzubieten, die weit über die traditionellen Grenzen der Mobilfunk-Abdeckung hinaus funktionieren. Die Möglichkeiten sind grenzenlos. (mc)

* Martin Lesund ist Technical Marketing Manager, Cellular IoT bei Nordic Semiconductor.

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