Vorteile, Herausforderungen und Anwendungen nicht-terrestrischer Netze

Was ist ein nicht-terrestrisches Netz (NTN)?

Ein nicht-terrestrisches Netz (NTN) ist ein Kommunikationsnetz, das sowohl luft- oder raumgestützte als auch bodengestützte Anlagen umfasst. Diese hybriden Netze nutzen die Satellitenkommunikationstechnologie (SATCOM), um die bestehende zellulare Kommunikation zu erweitern. Ein nicht-terrestrisches Netz oder NTN bezieht sich in der Regel auf Netze, die die zellulare Welt und Satellitenverbindungen miteinander verbinden, und darauf, wie Endnutzer direkten Zugang zu Satellitennetzen erhalten können.

Mit dem Aufkommen von 6G entwickeln sich NTNs weiter, um extrem niedrige Latenzzeiten, hohe Datenübertragungsraten und eine nahtlose Integration in terrestrische Netze zu unterstützen und so fortschrittliche Anwendungen wie Echtzeit-Fernsteuerung, immersive erweiterte Realität (XR) und globale IoT-Abdeckung zu ermöglichen.

Das heutige neue Wettrennen im Weltraum konzentriert sich in erster Linie auf NTNs, da Regierungen und Unternehmen versuchen, die Kommunikations-, Überwachungs-, Erfassungs- und Kontrollmöglichkeiten zu verbessern. Das NTN ist die neueste Entwicklung im Bereich SATCOM und eine wichtige Stütze der Kommerzialisierung des Weltraums. Das NTN hat eine beträchtliche inhärente Komplexität, da das nicht-terrestrische Netzwerk den NTN-Satelliten für den Backhaul-Verkehr nutzt, was ihn von einem bloßen Relais zu einer entscheidenden Komponente macht.

Was macht ein nicht-terrestrisches Netz (NTN) aus?

Ein NTN (Non-Terrain Network) ist ein Netzwerk, dessen Knotenpunkte sich nicht physisch auf der Erde befinden. Obwohl man bei NTNs primär an Satelliten denkt, können auch andere Komponenten wie niedrigfliegende Plattformen (LAP), hochfliegende Pseudosatelliten (HAPS), Drohnen, Ballons und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) als Basisstationen dienen, die in 6G-NTN-Architekturen zunehmend zum Einsatz kommen. 

Die meisten Entwicklungen konzentrieren sich heute auf die direkte Satellitenkonnektivität (D2D), die durch 3GPP Release 17 und darüber hinaus ermöglicht wird und es Standard-Smartphones erlaubt, direkt mit Satelliten über 5G NR NTN-Protokolle zu kommunizieren.

Jedes nicht-terrestrische Netzwerk ( NTN ) verfügt über mehrere Zugangspunkte, an denen das Satellitennetzwerk mit dem terrestrischen Internet verbunden ist. Glasfaserverbindungen verbinden Bodenstationen miteinander, während laseroptische Verbindungen zunehmend zwischen Satelliten eingesetzt werden. Diese bieten eine schnelle, latenzarme und störungsresistente Kommunikation, die für die Skalierbarkeit von 6G-NTN unerlässlich ist. Von Satelliten-Gateways am Boden aus verbinden Breitbandverbindungen Mobilfunknetze mit Satellitenkonstellationen. Die Zubringerverbindungen erreichen mittlerweile Geschwindigkeiten von bis zu 200 Gbit/s mithilfe optischer Inter-Satelliten-Verbindungen (OISLs) und Laserkommunikationssystemen, wie von der NASA und kommerziellen Betreibern wie Starlink demonstriert. Diese Zugangspunkte sind mit einem oder mehreren Gateways verbunden. Die Grafik veranschaulicht diese Verbindungen zwischen den Gateways und den Satelliten als Breitband-Backhaul-Verbindungen für terrestrische Mobilfunkmasten.

Arbeiten nicht-terrestrische Netze (NTN) nur in niedrigen Erdumlaufbahnen (LEO)?

Nicht-terrestrische Netze ( NTNs ) operieren in geostationären (GEO), mittleren (MEO) und niedrigen (LEO) Erdumlaufbahnen. Die Forschung im Bereich 6G-NTNs umfasst hochelliptische (HEO) und sehr niedrige (VLEO) Erdumlaufbahnen, um extrem niedrige Latenzzeiten und globale Abdeckung zu ermöglichen, insbesondere für mobile Anwendungen und das Internet der Dinge (IoT). Derzeit konzentrieren sich die Hauptanwendungen von 5G-NTNs auf GEO und LEO. Das rasante Wachstum von LEO-Satelliten bildet die Grundlage für die meisten NTN-Anwendungsfälle in Wirtschaft, Verwaltung und Militär. Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn bieten Latenzzeiten von nur 6–30 Millisekunden, verglichen mit ca. 150 ms für MEO und ca. 280 ms für GEO. Dadurch eignet sich LEO ideal für Echtzeitanwendungen wie die direkte Geräteanbindung.

Jede Umlaufbahn stellt unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikationsnetze. Im LEO befindet sich der Satellit in einer geringeren Entfernung, bewegt sich aber schneller. Aufgrund der Nähe ist eine Kommunikation mit geringer Latenz zwischen Satellit und Boden möglich. Im Gegensatz dazu bieten herkömmliche GEO-Satelliten feste Verbindungen von langer Dauer mit einer viel längeren Verzögerung im Signalweg zwischen den Satelliten in dieser Umlaufbahn und den Bodenstationen. Dieser Prozess erhöht die Latenz exponentiell, je nachdem, wie oft das Signal zwischen den Punkten hin- und herlaufen muss. Wenn der Satellit beispielsweise die ganze Welt umrunden muss, kommt es zu einer spürbaren Latenz.

Latenzzeiten treten auch bei Store-and-Forward-Szenarien auf. In diesem Fall empfängt ein Satellit ein Signal und sendet es später, wenn er für die Zielbodenstation sichtbar wird. Dieser Vorgang wird oft als diskontinuierliche Übertragung bezeichnet.

Was sind die Vorteile von NTNs?

Der Hauptvorteil von terrestrischen Mobilfunknetzen (NTN) liegt in ihrer erweiterten Abdeckung . Abgelegene und unterversorgte Regionen wie ländliche Gebiete, Inseln und isolierte Gemeinden profitieren von dieser Technologie. NTN ermöglichen zudem die Versorgung von Schiffen auf See, Flugzeugen im Flug, Drohnen, autonomen Fahrzeugen und Wearables und unterstützen so eine nahtlose Konnektivität in zukünftigen, mobilitätsorientierten 6G-Szenarien. NTN erschließen Netzbetreibern einen bisher unerschlossenen Markt und bieten Premium-Dienste, die über die Möglichkeiten herkömmlicher terrestrischer Netze hinausgehen. NTN decken den stetig wachsenden Datenbedarf und übertragen und empfangen über ihre Satelliten immer mehr Informationen für Kommunikation und Datentransfer. Machine-to-Machine-Anwendungen (M2M) und umfangreiche IoT-Anwendungen, darunter intelligente Landwirtschaft, autonome Logistik, Klimasensorik und industrielle Automatisierung, profitieren von der KI-gestützten, energieeffizienten NTN-Konnektivität in 6G. 

Nicht-terrestrische Netze (NTN) erhöhen die Ausfallsicherheit und Redundanz des bestehenden 5G-Netzes. Im Falle von Naturkatastrophen, regionalen Konflikten oder Netzausfällen bieten NTN im 6G-Zeitalter verteilte, KI-gestützte Architekturen, die eine schnelle Wiederherstellung und priorisierte Notfalldienste ermöglichen und so eine extrem zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz gewährleisten, selbst wenn die terrestrische Infrastruktur ausfällt. Der Vorteil einer verteilten LEO-Satellitenkonstellation liegt darin, dass Risiken und Kosten auf Hunderte oder Tausende von Satelliten verteilt werden. 

Durch die Verbesserung der nicht-terrestrischen Kommunikation bieten NTNs zahlreiche Vorteile, darunter:

• Allgegenwärtige Berichterstattung
• Kritische Verbesserungen der Notfallunterstützung.
• Funktionen zur Verbesserung der Diagnose in der Landwirtschaft durch Erfassungsfunktionen.
• Genaue Überwachung von Erd- und Klimavariablen.
• Effiziente Verteilung der Risiken und Kosten auf die Satelliten.
• Advanced Klima- und Umweltsensorik zur Echtzeitüberwachung der Luftqualität.

Vor welchen Herausforderungen stehen die NTNs?

NTNs und ihre Anwendungen stehen vor einer Reihe von Herausforderungen, und mit der Weiterentwicklung dieser Netze werden weitere Hindernisse auftreten.

Die Weltraumumgebung: Der Weltraum ist die größte Herausforderung für NTNs. Einmal eingesetzt, sind die Geräte unzugänglich. Außerdem müssen die Systeme in einer extrem rauen Umgebung mit extremen Temperaturen und Strahlung arbeiten. Um erfolgreich zu sein, müssen die Systeme auch eine konstante Energieerzeugung und -speicherung gewährleisten. Der Aufbau von Mesh-Netzwerken im Weltraum verschlimmert diese Komplexität noch, da sich die Wahrscheinlichkeit von Problemen vervielfacht.

Größe, Gewicht, Leistung und Kosten: Ein weiteres Problem stellen die physikalischen Grenzen für die Platzierung von Hochfrequenz-HF- und Rechenressourcen im Weltraum dar. Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) werden zu wichtigen Faktoren beim Übergang von den 20 Tonnen schweren GEO-Satelliten zu kompakteren LEO-Satelliten und HAPS-Plattformen, und die Nutzlasten müssen entsprechend angepasst werden. 6G-NTN-Designs werden weiterentwickelt, um die SWaP-C-Beschränkungen durch die Trennung der Satellitenrollen zu minimieren: Service-Satelliten konzentrieren sich auf die Nutzerverbindungen, während Feeder-Satelliten das RAN und Kernfunktionen übernehmen und so Nutzlastmasse und Energieverbrauch optimieren.

Verbinden in ständiger Bewegung: Bei nicht-terrestrischen Netzen sind einige Dinge, oder vielleicht sogar alles im Netz, ständig in Bewegung. NTN-Satelliten- und HAPS-Bewegungen spielen eine Rolle beim Verbindungsaufbau, bei der Signalqualität und beim Handover. In einem 5G-NTN tragen gNodeB-Instanzen und Teile des Funkzugangsnetzes (RAN), die in der Luft fliegen, zur Bewegung von Nutzergeräten (UE) an der Oberfläche bei.

Wahl der Nutzlast: Die Entscheidung zwischen transparenten und regenerativen Nutzlasten kann die Netzwerkorganisation und das resultierende Signalrouting grundlegend verändern. Bei sich bewegenden LEO-Satelliten sind alle Zeitbeziehungen dynamisch. Auf dem Spiel steht die Dienstgüte (QoS) der Nutzererfahrung, vor allem aufgrund variabler Verzögerungen und komplexer Übergaben, die zu Verbindungsabbrüchen führen können. Im 6G-NTN gewinnen regenerative Nutzlasten zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen die Onboard-Funktionalität gNodeB und Inter-Satelliten-Links (ISLs) für eine verbesserte Abdeckung, geringere Latenz und optimiertes Mobilitätsmanagement. Transparente Nutzlasten sind zwar einfacher, aber stark von der Bodeninfrastruktur abhängig.

Latenz: Die Verzögerung bei der Signalübertragung entsteht durch die Übertragung des Signals zwischen Boden und Satellit(en). Während herkömmliche NTNs Latenzbegrenzungen aufweisen, schreitet die 6G-NTN-Forschung voran, um 3GPP Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) Anwendungsfälle durch Technologien wie Terahertz-Kommunikation, rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) und KI-gesteuertes Routing zu unterstützen, mit dem Ziel einer Latenz im Sub-Millisekundenbereich und einer Zuverlässigkeit von 99,99999 %.

Sicherheit: Obwohl eine verteilte LEO-Satellitenkonstellation Kosten und Risiken auf mehrere Satelliten verteilt, ist die Hardware beim Überflug feindlicher Gebiete angreifbar. Nationale Sicherheitsbedürfnisse erfordern Cybersicherheitsmaßnahmen und innovative Betriebsabläufe zum Schutz der im Weltraum eingesetzten Infrastruktur. Beispielsweise ist die US Space Force mit dieser Mission für alle militärischen und staatlichen Bereiche betraut. 6G NTN bringt neue Herausforderungen für die Cybersicherheit mit sich, darunter KI-Ausnutzung, Risiken durch Quantenhacking und semantikbasierte Bedrohungen. Zu den untersuchten Lösungsansätzen gehören kontextbezogene Authentifizierungsprotokolle, Blockchain-basierte Vertrauensmodelle und KI-gestützte Anomalieerkennung zur Absicherung dynamischer, verteilter NTN-Umgebungen.

Was ist 5G NTN?

Der Begriff NTN umfasst in der Regel die fünfte Generation (5G) des Mobilfunknetzes als einen Aspekt des Netzes. 5G-NTNs weisen viele Merkmale von terrestrischen 5G-Netzen auf und stehen vor vielen der gleichen Herausforderungen, was die Erwartungen an die Zuverlässigkeit von 5G-NTN-Diensten im Vergleich zu früheren SATCOM-Netzen erhöht. Basisstationen, bei denen es sich normalerweise um terrestrische Netze handelt, die aus Türmen am Boden bestehen, werden vom Land in die Luft und den Weltraum verlagert. Das 5G-Kernnetz wird als Next Generation Core (NGC) bezeichnet. Ein 5G-NTN umfasst ein UE, das aus einem mobilen Gerät wie einem Mobiltelefon oder einem Sensor besteht. Bei Bedarf kommuniziert das UE mit Basisstationen, die als gNodeB bezeichnet werden.

Diese Konfiguration ist eine typische 5G NTN-Konfiguration. Es gibt jedoch viele Varianten. Zum Beispiel benötigen nicht alle NTN-Anwendungen den gNodeB. Sie könnten ein Kernnetz haben, das aus dem Internet besteht und direkt mit einem Gateway auf einem proprietären System verbunden ist. Ein anderer alternativer Ansatz ist die Verwendung von NTN für Edge Computing, wobei der Netzwerkrand im Satelliten untergebracht ist.

Es gibt verschiedene Ansätze für eine 5G-NTN-Architektur. So kann beispielsweise eine Antenne oder ein Satellit als gebogenes Rohr zwischen UE und gNodeB fungieren. Dieses Gerät empfängt Signale auf der Frequenz 1 und sendet sie auf der Frequenz 2, um die nicht-terrestrische Netzkommunikation über einen großen geografischen Bereich zu ermöglichen. Bei diesem Modell ist zu beachten, dass die Endgeräte eine ausreichende Leistung und Empfindlichkeit benötigen, um von der Satelliten-Bogenleitung zu senden und zu empfangen. Der gNodeB kann bodengestützt sein, solange er mit der NTN-Satelliten-Bogenleitung kommunizieren kann.

Bei einer alternativen Architektur befindet sich das gNodeB auf dem luft- oder raumgestützten Objekt selbst. In diesem Fall kommunizieren die Endgeräte mit dieser luftgestützten Anlage. Das Kernnetz ist ebenfalls mit dieser luft- oder raumgestützten Anlage verbunden. In weiteren Beispielen werden Relaisknoten eingeführt, die entweder mit dem Standard-UE mit gebogener Satellitenleitung oder mit den UEs mit einem luft- oder weltraumgestützten gNodeB verbunden sind.

Die Einführung von 5G-NTNs unterbricht die traditionelle terrestrische 5G-Netzwerkarchitektur und eröffnet einen Paradigmenwechsel in der Konnektivität. Es gibt viele Alternativen für Satelliten und HAPS, die an gNodeB- und RAN-Domänen teilnehmen, einige davon mit mehreren Satelliten in der Kette, die über den gesamten Himmel verstreut sind. 5G-NTNs übernehmen viele Funktionen von terrestrischen 5G-Netzen und stehen vor vielen der gleichen Herausforderungen, wodurch die Erwartungen an die Zuverlässigkeit von 5G-NTN-Diensten im Vergleich zu früheren SATCOM-Netzen steigen.

Was sind die wichtigsten Unterschiede zwischen 5G und 6G NTN?

5G NTN ist eine Erweiterung des terrestrischen 5G-Netzes und bietet hauptsächlich Satelliten- oder Funkverbindungen, um die Netzabdeckung auf abgelegene oder unterversorgte Gebiete auszudehnen. Es basiert auf den in 3GPP Release 17 und 18 definierten Verbesserungen. 6G NTN befindet sich noch in der Forschungs- und frühen Standardisierungsphase. Die vollständigen Funktionen und Alleinstellungsmerkmale werden derzeit von 3GPP, ITU und führenden Branchenverbänden intensiv diskutiert. Die folgende Zusammenfassung beschreibt die wichtigsten Entwicklungsrichtungen und erwarteten Fortschritte, kann sich aber im Zuge der technischen Weiterentwicklung und des globalen Konsenses noch ändern. 

Native NTN-TN-Integration: Die Harmonisierung nicht-terrestrischer und terrestrischer Netze ist ein zentraler Vorschlag für 6G. Die Forschung von 3GPP und ITU konzentriert sich auf die gemeinsame Entwicklung, um nahtlose Übergänge und eine einheitliche Architektur zu ermöglichen. Dies unterscheidet sich vom Ansatz von 5G, bei dem NTN eine Ergänzung darstellt. Die Details dieser Integration sind noch nicht endgültig festgelegt und Gegenstand globaler Studien und Kooperationen.

Advanced Positionierung und Sensorik: Forschungsinitiativen untersuchen die Positionierung im Zentimeterbereich durch die Integration von Signalen aus verschiedenen NTN-Schichten und ermöglichen so potenziell die Lokalisierung dort, wo GNSS nicht verfügbar ist. Erste Studien von 3GPP und der EU deuten darauf hin, dass dies ein mögliches Alleinstellungsmerkmal sein könnte, doch die Technologie und die Standards entwickeln sich noch weiter, und konkrete Ansätze stehen noch aus.

Geringe Latenz und massive Konnektivität: 6G NTN zielt darauf ab, die Kapazität und Zuverlässigkeit von 5G deutlich zu übertreffen und so neue Anwendungen wie Echtzeit-IoT und robustes mobiles Breitband flächendeckend zu ermöglichen. Diese Ziele wurden von der ITU und dem 3GPP als Studienziele festgelegt, Validierung und Machbarkeitsstudien laufen jedoch noch im Rahmen von Forschungs- und Pilotprojekten.

Neue Wellenformen und KI-natives Design: Verschiedene fortschrittliche Wellenformen und die native Integration von KI für die dynamische Ressourcenzuweisung werden erforscht. Jüngste Projektberichte aus der Industrie haben KI-fähige RAN-Controller und neue Wellenformkandidaten vorgeschlagen, diese sind jedoch noch nicht vollständig standardisiert oder kommerziell validiert.

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz: Initiativen wie 6G-NTN definieren aktiv Nachhaltigkeitskennzahlen und erforschen Prinzipien für umweltfreundliches Design, wie erste Ergebnisse zeigen. Es wird erwartet, dass diese Konzepte die zukünftigen 6G-Standards maßgeblich beeinflussen werden.

Sind NTNs und Satellitenkommunikation das Gleiche?

Nicht-terrestrische Netze läuten die nächste Welle der Satellitenkommunikation (SATCOM) ein und machen SATCOM zu einem Teil der Mobilfunknetze. Die Satellitenkommunikationstechnologie deckt schwer zugängliche Gebiete ab, in denen es keine Infrastruktur oder isolierte Plattformen gibt, die den Aufbau von Mobilfunknetzen unterstützen. Der Einsatz von SATCOM bietet auch zusätzliche Zuverlässigkeit für Machine-to-Machine (M2M) / IoT und Konnektivität für sich bewegende Plattformen, wie Flugzeuge, Züge und Autos.

Um die neuen Leistungsanforderungen für SATCOM zu erfüllen, strebt die Satellitenindustrie nach höherem Durchsatz, größeren Bandbreiten und höheren Betriebsfrequenzen. In zunehmendem Maße stützen sich die Netze auch auf optische photonische Verbindungen. Auch nicht-terrestrische Netze müssen trotz freiem Raum, Wetter, Wolken und anderen ionosphärischen Bedingungen genügend Leistung an die Empfänger liefern. Angesichts der zunehmenden Komplexität von NTNs und SATCOM müssen Sie Satellitenkommunikationssysteme mit realistischen Umgebungsmodellen testen, Pufferung für verzögerte Signale hinzufügen und gleitende Verzögerung simulieren, um eine realistische Satellitenkinematik zu erzeugen. Keysight unterstützt die Entwicklung, Herstellung, Bereitstellung und Wartung von nicht-terrestrischen Netzwerken über den gesamten Arbeitsablauf am Boden und in der Luft / im Weltraum, einschließlich der Prüfung von 5G NR NTN-Satellitenverbindungen.

Wie unterstützt Keysight die Anwendungsfälle von NTN?

Keysight unterstützt die Entwicklung und laufende Leistungsüberprüfung für NTN-Anwendungsfälle wie die folgenden:

• Abdeckung von unversorgten Gebieten
• Service für Flugzeuge, Schiffe, Züge, Busse und mehr
• Mensch-zu-Maschine und IoT
• Gelockerte Anforderungen an die Latenzzeit
• Verfügbarkeit des Dienstes
• 5G Advanced / Skalierbarkeit des 6G-Netzwerks

Keysight liefert End-to-End-NTN-Testumgebungen, die den Netzzugang und sogar die komplette Satellitenkonstellation virtualisieren können. Ersetzen Sie das NTN-fähige Funknetz mit Keysight UXM 5G, einem vollwertigen NTN-Netzwerkemulationsgerät. Rekreieren Sie Satellitenverbindungen mit den Keysight PROPSIM Kanalemulatoren, die von dem fortschrittlichen Keysight VXG Mikrowellensignalgenerator und dem Keysight UXA Signalanalysator begleitet werden. Sie erhalten die volle Kontrolle über das zu testende System und einen vollständigen Überblick über die NTN-Knoten und -Links. Sie können problemlos Hardware hinzufügen, um den Frequenzbereich zu erweitern und alle wichtigen NTN-Bänder, wie X-Band und K-Band, abzudecken.

Mit der flexiblen Channel Studio-Szenarienerstellung können Sie auch echte Satellitenfunk-Hardware und die Lösung sowohl auf Knoten- als auch auf Netzwerkebene testen. Beheben Sie Leistungsprobleme mit dem Keysight WaveJudge Wireless-Analysator und der Keysight PathWave Vector Signal Analysis (VSA), die auf den UXA-Signalanalysatoren läuft. Um IQ-Streams über WaveJudge hinaus zu analysieren, können Sie die PROPSIM-interne IQ-Erfassungs- und Streaming-Funktionalität verwenden.

Sie können auch realistische Testbedingungen im Labor erzeugen, indem Sie den VXG-Mikrowellensignalgenerator mit PROPSIM und UeSIM zur realistischen Darstellung des Verhaltens von Benutzerendgeräten kombinieren. Erfahren Sie mehr darüber, wie Keysight die fortlaufende Entwicklung von NTNs vom Boden bis zur Luft über Ihren gesamten Arbeitsablauf hinweg unterstützt und dabei hilft, die zukünftige Kommunikation zu verbinden und zu sichern.