Neue Effizienz in der Satellitenkommunikation

DVB-S2X-Technologie

Die Satellitenkommunikation ist ein riesiger Markt: Jährlich starten weltweit dutzende Satelliten ins All und stellen Terabytes an Datenkapazität zur Verfügung. Trotz der wachsenden Verbreitung terrestrischer und drahtloser Alternativangebote sind Satellitenverbindungen immer noch ein Muss für Regionen mit fehlender oder schlechter Internetanbindung. Auch bei der Verbreitung eines Inhalts an viele verschiedene Empfänger ist die Satellitenkommunikation einer der effizientesten und rentabelsten Wege der Übertragung.

Der aktuelle De-facto-Standard für das Satellitenfernsehen (Direct-to-Home, DTH) ist DVB-S2. Darüber hinaus wird er fürs Internet via Satellit im User-Downlink und für viele interaktive oder professionelle Peer-to-Peer-Netzwerke eingesetzt. Der Standard wurde bereits in den frühen 2000er Jahren entwickelt und spezifiziert. DVB-S2X ist die 2014 standardisierte und abwärtskompatible Erweiterung von DVB-S2. Sie erlaubt eine höhere Bandbreiteneffizienz und enthält zusätzliche Features, die neuartige Anwendungen ermöglichen und voranbringen.

An der Entwicklung, Spezifikation und Validierung von DVB-S2X war das Fraunhofer IIS aktiv beteiligt. Im Folgenden beschreiben wir

  • die Unterschiede und Verbesserungen von DVB-S2X gegenüber DVB-S2,
  • die wichtigsten Zusatzfeatures in DVB-S2X und deren Anwendungsgebiete, und
  • die am Fraunhofer IIS verfügbaren Technologie- und IP-Lösungen für DVB-S2X.

Warum Satellitenkommunikation? Und warum DVB-S2X?

Satellitenkommunikation ist vielseitig: Sie versorgt abgelegene Regionen mit einzelnen Kommunikationslinks, gleichzeitig stellt sie die gesamte Backbone-Technologie für das Satellitenfernsehen zu Hause bereit. Ihre Vorteile zeigen sich besonders dann, wenn

  • … eine alternative Infrastruktur technisch nicht realisierbar ist:
    Ob Entertainment, Internet oder andere Datendienste – im Flugzeug oder auf hoher See ist die Satellitenanbindung alternativlos, weil Kabel, Glasfaser und terrestrische Drahtlosnetzwerke keine Option darstellen.
  • … eine alternative Infrastruktur nicht vorhanden ist:
    Wenn Konnektivität dringend benötigt wird, der Netzausbau bestimmte Regionen aber noch nicht erreicht hat oder der Bedarf nur temporär besteht, kommen Satellitenverbindungen zum Einsatz. Klassischerweise ist das bei mobilen Nutzungsszenarien der Fall, zum Beispiel im militärischen Bereich. Satellitenverbindungen lassen sich aber auch für temporäre Mobilfunknetzwerke oder für die Berichterstattung in bzw. aus entlegenen Regionen nutzen.
  • … man die günstigeren Gesamtbetriebskosten betrachtet:
    Zur Überwachung entlegener Standorte oder Anlagen über spezielle Satellitenlinks und bei der Einrichtung von Internet für Nutzer in ländlichen und weit abgelegenen Gebieten müssen die Gesamtbetriebskosten ins Auge gefasst werden. Satellit ist nicht immer die günstigste oder beste Option, erspart jedoch die erheblichen Investitions- und Betriebskosten, die beim Netzausbau für jeden individuellen Standort anfallen würden.
  • … viele Nutzer gleichzeitig erreicht werden sollen:
    Ein einziger TV- oder Radiosatellit kann problemlos hunderte Millionen von Nutzern mit Inhalten und Daten versorgen. Im Gegensatz zu Konkurrenztechnologien, bei denen jeder einzelne Nutzer entweder kabelgebunden oder drahtlos verbunden werden muss, erreicht der Satellitenrundfunk eine unbegrenzte Anzahl von Zuschauern oder Hörern ohne zusätzlichen Aufwand pro Nutzer.

Der verbesserte DVB-S2X-Standard reizt die Möglichkeiten der Satellitenkommunikation in vollem Umfang aus:

  • Verbesserte Leistungsfähigkeit und Bandbreiteneffizienz für mehr Kapazität bei gleicher Bandbreite oder – umgekehrt betrachtet – zu geringeren Kosten pro »Bit«
  • Zusätzliche Features für stabilere Kommunikationsverbindungen oder neue Anwendungen und Nutzungsszenarien

In diesem Kontext ist DVB-S2X als »Werkzeugkasten« zu verstehen, der für verschiedenste Herausforderungen und Möglichkeiten die richtigen Instrumente bereithält. Wer den Standard implementieren will, muss entscheiden, welches Instrumentarium das geeignete ist für die geplante Anwendung, den adressierten Markt oder zur Produktpositionierung im Wettbewerb.

Die Implementierungsdetails

DVB-S2X ist eine Erweiterung der DVB-S2-Spezifikation. Das heißt, jeder DVB-S2X-Receiver ist abwärtskompatibel zu DVB-S2 – DVB-S2-Produkte müssen aber nicht aufwärtskompatibel sein. Sprich: ältere DVB-S2-Empfänger sind nicht dafür ausgelegt, Datenströme zu decodieren, die unter Nutzung spezieller DVB-S2X-Features übertragen werden.

Dennoch sind viele Features auch für ältere DVB-S2-Receiver transparent: Denn Übertragungen für das Satellitenfernsehen können technisch so gestaltet werden, dass sowohl DVB-S2- als auch DVB-S2X-Receiver sie empfangen können. Der Zusatznutzen wird dann nur für Letztere sichtbar. Langfristig ist zu erwarten, dass Programmanbieter neue, attraktive Angebote nur noch in DVB-S2X-Kanäle einspeisen, sobald die Marktdurchdringung der entsprechenden Receiver groß genug ist. Das DVB-S2-Angebot könnte dann nach und nach zurückgefahren werden, ähnlich wie bei DVB-S während des Übergangs zu DVB-S2 zu Beginn des HD-Fernsehens.

Eine Vielzahl technischer Verbesserungen in DVB-S2X konzentriert sich darauf, die Leistungsfähigkeit und Bandbreiteneffizienz auf der physikalischen Übertragungsschicht (PHY) und auf Systemebene zu erhöhen:

 

VERBESSERUNGEN
NUTZEN UND ANWENDUNGEN
Erhöhte Granularität bei Modulation und Codierung (MODCODs) Bessere Ausnutzung des Übertragungskanals für DTH- und Breitbandanwendungen
Zusätzliche Ausgangsfilter mit geringerem »roll-off« Verschafft Kapazitätsgewinne für die meisten Anwendungen durch bessere Ausnutzung des verfügbaren Spektrums
Höhere Modulationsschemata: bis zu 256APSK Erweiterter Bereich, der gewinnbringend einsetzbar ist für Breitbandanwendungen über moderne High-Throughput-Satelliten (HTS) und für professionelles Bodenequipment mit größeren Antennen
MODCODs optimiert für lineare Satellitentransponder Höhere Kapazitäten im Frequenz-Multiplex-Betrieb, z. B. auf Transpondern im Rückkanal und stark fragmentierten »Leased Bandwidth«-Transpondern
Unterstützung von Ultra-Breitband-Trägern Erlaubt bei DTH- und Breitbandanwendungen die Nutzung der gesamten Transponderbandbreite durch einen einzelnen Träger
Kanalbündelung Feature auf Systemebene für DTH, um die – über mehrere Transponder verteilte – Restbandbreite zu einem logischen Kanal zu bündeln
Verbesserte Unterdrückung von Störungen aus dem Nachbarkanal Höherer Datendurchsatz bei HTS-Satelliten
Höherer Multiplex-Gewinn Ein aus vielen Datenströmen bestehender »Multiplex« benötigt weniger Reserven um Kapazitätsspitzen abzufangen – breitere Transponder können effizienter genutzt werden

DVB-S2X bietet neben Leistungsverbesserungen auch einige Features auf Übertragungs- und Systemebene für neue Nutzungsszenarien oder Stabilitätsverbesserungen in existierenden Anwendungen, wie zum Beispiel einen Betriebsmodus mit sehr geringem Signal-Rausch-Verhältnis (VL-SNR) und eine neue effiziente Superframe-Struktur. Super-Framing ermöglicht neuartige Übertragungsverfahren wie Precoding und Beam Hopping.

Die Herausforderung: Das richtige Feature-Set finden

Die Vielzahl der Features und die vielen möglichen Zielanwendungen und Services bringen ein paar Herausforderungen bei der Umsetzung des DVB-S2X-Standards mit sich. Je nach Anwendung gibt es vorgegebene, optionale, aber auch nicht anwendbare Features. Die DVB-S2X-Implementierung verkompliziert sich außerdem in Abhängigkeit vom Datendurchsatz, den ein Receiver erreichen soll. Das sind weniger als 100 Mbps bei einem traditionellen Satelliten mit 36 MHz-Transponder und mehr als 2 000 Mbps bei einem 500 MHz-Transponder im Betrieb mit hohen SNR-Bedingungen. Dabei wachsen die erforderlichen Receiver-Ressourcen teilweise überproportional mit der Bandbreite des Trägers und dem Durchsatz.

Ein Receiver-Hersteller muss nicht nur entscheiden, welche Features umgesetzt oder validiert werden sollen, sondern auch, welche Kompromisse zwischen Durchsatz, Komplexität bzw. Preis der Chips und Umsetzungsverlusten gemacht werden können. Letztere resultieren vor allem aus dem effizienten, aber nur begrenzt genauen Symbol-Demapping sowie aus der begrenzten Zahl an Iterationen im LDCP-Decodierungsprozess. Natürlich gibt es keine Standardlösung – ein möglichst preisgünstiger Satelliten-Receiver für den Hausgebrauch unterscheidet sich stark von einem professionellen High-End-Modem mit hohem Durchsatz.

Der Weg zur richtigen DVB-S2X-Umsetzung

Ein umfassendes Verständnis der DVB-S2X-Technologie, der Marktanforderungen und der Zielanwendungen ist entscheidend für die richtige Wahl der Features und für die Entwicklung eines einzigartigen und erfolgreichen Produkts. Als Geräte- oder Chipsatzhersteller können Sie von der Erfahrung und dem Know-how des Fraunhofer IIS profitieren. Wir unterstützen Sie gerne bei der Bewertung von DVB-S2X als Erweiterung Ihres Produktportfolios und beim detaillierten Entwurf der DVB-S2X-Features und der Einsatzmöglichkeiten Ihres Produkts.

Die Implementierung des DVB-S2X-Standards kann schnell Personalressourcen im Umfang mehrerer Personenjahre binden – ohne die tiefgehende funktionale Validierung und Optimierung der Decoder-Leistung. Der Einsatz einer validierten und im Praxistest bewährten Implementierung minimiert technische und zeitplanmäßige Risiken. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie an einer praxisgetesteten FPGA-basierten Receiver-Implementierung interessiert sind und Anpassungen an spezifische Anforderungen oder für alternative Plattformen und Technologien wünschen.

Eine schnelle Produkteinführung ist essentiell, damit sich die Investition lohnt und ein Vorsprung am Markt gesichert bleibt. Das Fraunhofer IIS bietet eine einfach verfügbare DVB-S2X-Receiver-Implementierung (kompatibel mit DVB-S2X Annex-E: Super-Frame-Format 4), die schnell an verschiedene Produkte und Durchsatzanforderungen angepasst werden kann. Hierfür bieten wir flexible Lizenzierungsoptionen an.