LEO-Satelliten für entlegene Regionen IoT-Endgeräte kommunizieren über Standard-Mobilfunkprotokolle mit Satellit

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Die Integration von Nicht-Terrestrischen Netzwerken (NTN) mit LEO-Satelliten ermöglicht eine globale, nahtlose Verbindung in entlegene Gebiete. Mit ihrer Direct-to-Device-Kommunikation haben Nordic Semiconductor und Sateliot einen wichtigen Entwicklungsschritt erreicht. Nun stehen anspruchsvolle HF‑Mess‑ und Validierungsverfahren im Mittelpunkt der Geräteentwicklung.

Die jüngsten Entwicklungen in der Kommunikation über nicht-terrestrische Netzwerke (Non-Terrestrial Networks, NTN) in Verbindung mit LEO-Satellitenkonstellationen ergänzt terrestrische Mobilfunknetze und ermöglicht Datenübertragungen auch in entlegenen Regionen.

Nordic Semiconductor kombiniert in aktuellen Projekten das LTE-M/NB-IoT-kompatible nRF9151-System-in-Package mit dem LEO-Satellitennetzwerk von Sateliot. Damit wird eine sogenannte Direct-to-Device-Kommunikation ermöglicht, bei der IoT-Endgeräte über standardkonforme Mobilfunkprotokolle (3GPP Release 17 für NTN-IoT) direkt eine Verbindung zum Satelliten herstellen können.

„Dieser erfolgreiche Test bestätigt das Engagement von Nordic, die Grenzen der Satellitenkommunikation zu erweitern“, sagt Oyvind Birkenes, EVP Long Range BU bei Nordic Semiconductor. Die Satelliten dienen dabei als fliegende Funkzellen, die Signalisierung und Datenübertragung über ein erweitertes terrestrisches Kernnetz abwickeln. Die Bodeninfrastruktur bleibt elementarer Bestandteil. Gateways und Core-Network-Interworking-Units übernehmen das Routing und die Netzsynchronisation. Eine vollständig direkte Chip-to-Cloud-Verbindung ohne terrestrische Gateways ist über ein hybrides Modell möglich.

Das Modul nRF9151 zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Ruhestrom und optimierte Power-Save-Mechanismen aus. Damit lässt sich trotz der höheren Link-Budgets beim Satellitenbetrieb eine akzeptable Energieeffizienz erreichen, insbesondere bei periodischer oder ereignisgesteuerter Datenübertragung mit langen Standby-Phasen.

Mangelnde terrestrische Netzabdeckung

Die Einbindung einer LEO-NTN-Verbindung schafft Anwendungsspielräume, in denen terrestrische Netzabdeckung lückenhaft oder wirtschaftlich nicht realisierbar ist, etwa in der Präzisionslandwirtschaft (Smart Farming), der maritimen Logistik- und Fischereidatenübertragung, Umwelt- und Klimabeobachtung in Polar- oder Wüstenregionen und beim globalen Asset- und Container-Tracking. Wie Jaume Sanpera, CEO und Mitbegründer von Sateliot, betont: „Wir freuen uns, mit Nordic Semiconductor zusammenzuarbeiten, um eine solche Demokratisierung der Konnektivität über Satellit zu erreichen.“

Künftige Geräte müssen Mechanismen zur Satellitenhandübernahme, zur Dopplerkorrektur und zum Link-Quality-Monitoring implementieren. Hardwareseitig sind Frontends mit hoher Frequenzstabilität, effizienter LNA/HF-Pfadarchitektur und frequenzagiler PLL wesentlich, um konstante Empfangsqualität sicherzustellen.

Anforderungen an die HF-Messtechnik

Die LEO-basierten NTN-Verbindungen bringen gänzlich neue Anforderungen in der HF-Messtechnik mit sich. Die zentralen Messparameter umfassen:

• Dopplerverschiebung und Frequenzdrift: Durch die hohe Relativbewegung (typisch 7 bis 8 km/s) zwischen Satellit und Endgerät ergeben sich Dopplerverschiebungen von ±40 kHz bei Frequenzen um 2 GHz. Der Messansatz umfasst den Einsatz frequenzstabiler Signalgeneratoren (Rubidium-referenziert) und Echtzeit-Spektrumanalysatoren mit Doppler-Tracking-Funktion, um Frequenzdrift und Signalverzerrung dynamisch zu erfassen.

• Link-Budget- und Path-Loss-Analyse: LEO-Links weisen variable Dämpfungsprofile durch wechselnde Elevationswinkel auf. Entwickler nutzen HF-Vektorsignalanalysatoren, gekoppelt mit Korrekturalgorithmen für Atmosphärendämpfung und Polarisationseffekte, um genaue Messungen durchzuführen.

• EVM und Modulationsanalyse: Die Qualität der übermittelten NB-IoT- oder LTE-M-Signale im Satellitenlink wird über die Error Vector Magnitude (EVM) und die Modulationsfehler ermittelt. Hierzu kommt digitale Downconverter mit Echtzeit-Demodulationssoftware, um Bitfehlerraten und Modulationsintegrität im Zeitverlauf zu charakterisieren.

• Spektrale Nachbarsignale und Interferenzanalyse: Da mehrere Satelliten auf denselben Frequenzbändern operieren, ist die Spektralreinheit kritisch. Dazu werden Mehrkanal-Spektrummessungen mit hoher Dynamik (ENOB > 10 Bit) genutzt, um die Nebenkeulen-, IM3- und Adjacent Channel Leakage Power (ACLR)-Effekte zu erfassen.

• Timing- und Synchronisationsmessung: Aufgrund variabler Laufzeiten zwischen Satellit und Endgerät müssen Timingabweichungen präzise analysiert werden. Dazu werden Cross-Correlation-Verfahren zwischen Up- und Downlink-Referenzen mittels Phasenrauschanalyse eingesetzt.

Diese Parameter sind für die Validierung der Kommunikationsmodule wesentlich und bilden die Grundlage für Pre-Compliance-Tests sowie spätere Zertifizierungsprozesse nach 3GPP NTN-Guidelines. Jesper Noer, VP Commercial bei Gatehouse Satcom, fasst den Fortschritt so zusammen: „Dieser Durchbruch in der satellitengestützten IoT-Konnektivität, den wir gemeinsam mit Nordic Semiconductor und Sateliot erreicht haben, unterstreicht das Potenzial der Zusammenarbeit.“

Nordic, Sateliot und Gatehouse Satcom werden in den kommenden Monaten weiter daran arbeiten, die Lösung für Entwickler und Unternehmen verfügbar zu machen, die kommerzielle Bausteine mit NTN-LEO-Konnektivität testen und entwickeln möchten. Der nRF9151 mit NTN-Unterstützung wird voraussichtlich ab Anfang 2026 verfügbar sein. (heh)

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