Satellitenkonnektivität

Internet of Things (IoT) via Satellit

Funksysteme zur drahtlosen Datenübertragung finden vermehrt Einsatz in der Industrie- und Hausautomatisierung. Diese robusten Systeme werden zur Übertragung von Sensordaten und Steuerinformationen in Netzwerkstrukturen verwendet. Mit der intelligenten Vernetzung von Personen und Dingen im Internet of Things (IoT) entstehen zudem neue Geschäftsmodelle und Innovationen im Bereich Industrie 4.0.

Obwohl ein Großteil der IoT-Netzwerke terrestrisch ist, bieten sich durch neue IoT-Anwendungen auch für etablierte und aufstrebende Satellitenbetreiber zahlreiche Geschäftsmöglichkeiten: insbesondere im Bereich der Vernetzung entlegener Gebiete, die nicht über eine entsprechende terrestrische Infrastruktur verfügen. Der IoT-Markt verlangt sowohl nach zusätzlicher Kapazität über geostationäre Satelliten (GEO-Satelliten) im C-, Ku- und Ka-Band, die Direktverbindungen oder Backhaul-Konnektivität zur Verfügung stellen können, als auch nach neuen LEO- (Low Earth Orbit) oder HEO- (Highly Elliptical Orbit) Konstellationen, die speziell an IoT-Erfordernisse angepasst sind.

Das Fraunhofer IIS adressiert mit einem umfangreichen Technologie- und IP- (Intellectual Property) Portfolio viele technische Herausforderungen der terrestrischen und satellitenbasierten IoT-Kommunikation. Im Folgenden werden

  • verschiedene Anwendungsszenarien und
  • das entsprechende Technologie- und Lösungsspektrum des Fraunhofer IIS vorgestellt.

IoT via Satellit – Anwendungsszenarien

IoT und GEO-Satelliten
© Fraunhofer IIS

IoT und GEO-Satelliten

GEO-Satelliten stellen weltweit Terabytes an Datenkapazität bereit, größtenteils für das Satellitenfernsehen (Direct-to-Home, DTH) und Internet via Satellit. Die Herausforderungen bei der Nutzung solcher GEO-Satelliten für IoT-Anwendungen liegen in den hohen Pfadverlusten, die zwischen Sendern auf der Erde und den Satelliten auftreten, und in der mehrfachen Belegung der gleichen Frequenzen durch Satelliten entlang des GEO-Orbits. Deswegen benötigt man an den Bodenstationen relativ große Antennen mit hoher Verstärkung und geeigneter Richtcharakteristik, um Satellitenverbindungen herzustellen, ohne dass Interferenzen zwischen benachbarten Satelliten und Systemen auftreten. IoT-Anwendungen dagegen benötigen typischerweise kleine und kostengünstige Sende- und Empfangsterminals, die zudem ohne manuelle Ausrichtung zum Satelliten auskommen sollten.

IoT in LEO/HEO-Konstellationen
© Fraunhofer IIS

IoT in LEO/HEO-Konstellationen

LEO-Satelliten und bestimmte HEO-Satelliten befinden sich viel näher an der Erde als GEO-Satelliten. Deswegen sind die Pfadverluste geringer und man benötigt am Boden weniger leistungsfähige Terminals und Antennen, um eine Verbindung zum Satelliten herzustellen. Das wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten und die Größe der Bodenterminals aus. Jedoch bringen LEO- und HEO-Konstellationen die Herausforderung sich bewegender Satelliten mit sich, z.B. hinsichtlich eines zeitvarianten Kommunikationskanals und der Notwendigkeit nachführbarer Antennen. Man benötigt also für den Betrieb von IoT-Terminals in LEO- oder HEO-Konstellationen sowohl eine auf die Besonderheiten des jeweiligen Kommunikationskanals abgestimmte Wellenform als auch das passende Antennendesign.

Hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)
© Fraunhofer IIS

Hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)

Je höher die Zahl an IoT-Objekten in einem Netzwerk, desto entscheidender ist es für den kommerziellen Erfolg eines Systems, die Kosten pro IoT-Objekt gering zu halten. In solchen Fällen bietet sich der Einsatz eines hybriden Systems an, bestehend aus vielen kostengünstigen IoT-Objekten, die über terrestrischen Funk vernetzt sind, in Kombination mit einer geringen Zahl an Terminals mit Satellitenverbindung. Während die terrestrische Technologie die Kosten gering hält, sammeln leistungsstarke Terminals die Daten der IoT-Objekte und stellen über Satellit flächendeckende Konnektivität her. Bei der Systementwicklung sind Kenntnisse in den Bereichen terrestrische IoT-Technologie und Satellitenkommunikation nötig, um das Beste aus beiden Welten zu vereinen.

Technologie- und Lösungsspektrum für IoT via Satellit

Direkte Satellitenanbindung für Anwendungen im Bereich »Massive IoT«

In »Massive IoT«-Anwendungen kommt eine große Anzahl an Terminals zum Einsatz, deren Kosten und Komplexität gering gehalten werden müssen. Das zieht verschiedene Beschränkungen nach sich und betrifft die Größe der Terminals, den Materialeinsatz, den Energieverbrauch batteriebetriebener Sensorknoten, die Sendeleistung und die Leistungsfähigkeit der Antennen. Typischerweise sind die zu übertragenden Datenmengen klein und einzelne Datenübertragungen finden nur sporadisch statt. So benötigt ein Terminal nur einen Bruchteil der verfügbaren Satellitenbandbreite, selbst wenn dieser Teil nur mit begrenzter spektraler Effizienz genutzt wird.

Bei den meisten Antennen verhält sich die Breite der »Antennen-Keule« indirekt proportional zur Antennengröße. Das heißt, eine kleine Antenne mit geringer Leistungsfähigkeit und schwacher Richtcharakteristik erzeugt eine relativ breite, gering fokussierte »Keule«. Das kann aber zu unerwünschten Störungen führen: in Richtung benachbarter Satelliten im geostationären Orbit, anderer LEO- oder HEO-Satelliten oder terrestrischer Empfänger. Um solche Interferenzen mit anderen Systemen zu vermeiden, müssen IoT-Terminals mit direkter Satellitenverbindung eine definierte Leistungsdichte-Maske erfüllen. In Abhängigkeit von der Keulenbreite und der Ausrichtungsgenauigkeit der Antennen beschränkt die Leistungsdichte-Maske die erlaubte Sendeleistung, die Effizienz der Verbindung, die Systemkapazität und die Zahl der Terminals in einem Netzwerk.

Das Fraunhofer IIS hat für Anwendungen – bei denen bestimmte Leistungsdichte-Masken einzuhalten sind – eine neuartige Lösung entwickelt, um das vorhandene Frequenzspektrum effizienter zu nutzen und die Systemkapazität zu maximieren. Das Verfahren berücksichtigt, um welche Art von Terminal es sich handelt sowie Typ und Ausrichtungsgenauigkeit der Antenne. Außerdem wurde auf Basis von Simulationen eine Wellenform entwickelt, in der das Konzept bereits Anwendung findet.

Multibeam-Antennen

Wenn High-Throughput-Satelliten (HTS) zur Übertragung genutzt werden, sind leistungsstarke Antennen nötig, die perfekt auf den entsprechenden Satelliten ausgerichtet sind. Kommt Bewegung ins Spiel, zum Beispiel wenn die Terminals mobil sind oder auch beim Einsatz von Terminals in Verbindung mit kontinuierlich kreisenden LEO- oder HEO-Satelliten, sind ausrichtbare Antennen und das aktive Nachführen der Antennen unerlässlich. Ausrichtbare Antennen sind auch sehr hilfreich, um die Installation fester Terminals in GEO-Netzwerken zu vereinfachen.

Weil Größe und Komplexität der Komponenten in »Massive IoT«-Anwendungen gering gehalten werden müssen, ist der Einsatz mechanisch steuerbarer Reflektoren oder elektrisch phasengesteuerter Antennen nicht möglich. Andererseits sind die Durchsatzanforderungen bei IoT-Anwendungen gering im Vergleich zu den typischen Anwendungsszenarien von HTS-Satelliten. Deshalb können im IoT-Bereich bestimmte Kompromisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Ausrichtbarkeit der Antennen gemacht werden. Optimal geeignet sind Multibeam-Antennen, die ausreichend leistungsfähig und flexibel ausrichtbar sind, während Antennengröße, Anzahl der Komponenten und Komplexität der Ansteuerung gering gehalten werden können.

Das Fraunhofer IIS bietet verschiedene Lösungen für Multibeam-Antennen sowie passende Lizenzierungsoptionen.

DVB-S2X für Anwendungen im Bereich »Critical IoT«

»Critical IoT«-Anwendungen erfordern zuverlässige Verbindungen mit hohem Datendurchsatz bei geringer Latenz. Die gleichen Anforderungen gelten für Terminals mit Satellitenanbindung, die in hybriden Systemen (terrestrisch/satellitenbasiert) als Aggregationsknoten dienen. Auch Breitbandanwendungen über HTS-Satelliten haben diese Erfordernisse, allerdings kommen im IoT-Bereich neue Herausforderungen hinzu, wie etwa kleinere Antennen oder die Nutzung von LEO/HEO-Satellitenkonstellationen. Deshalb sind zusätzliche Aspekte wie geringes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Zeitvarianz des Kommunikationskanals (variable Frequenzverschiebung und Signallaufzeit) zu beachten, wenn es um die Auswahl und Anpassung des Kommunikationsstandards geht.

Für professionelles Equipment und Breitbandanwendungen ist DVB-S2X der neueste Satellitenkommunikationsstandard aus der »DVB-S«-Reihe. DVB-S2X hat speziell für IoT-Anwendungen einzigartige Vorteile, weil der Standard Betriebsmodi mit sehr geringem Signal-Rausch-Verhältnis (VL-SNR) bis hinunter zu -10 dB und eine neue effiziente Super-Frame-Struktur bietet. Das DVB-S2X-Super-Frame-Format 4 beinhaltet eine flexible Erweiterung mit »VL-SNR Payload Header (PHL) Tracking«. Das erlaubt die robuste Synchronisation und Signaldecodierung unter variablen Kanalbedingungen.

Das Fraunhofer IIS war aktiv an der Entwicklung, Spezifikation und Validierung von DVB-S2X beteiligt und bietet DVB-S2X-Lösungen für spezifische Märkte an, darunter auch IoT.

Hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)

Für die Entwicklung hybrider Systeme benötigt man tiefgreifende Kenntnisse in den Bereichen terrestrische IoT-Technologie und Satellitenkommunikation. Es mag zwar naheliegend erscheinen, dieselben Technologien und Wellenformen im terrestrischen wie im satellitenbasierten Teil eines Kommunikationssystems einzusetzen. Dagegen sprechen aber die unterschiedlichen Anforderungen und technischen Einschränkungen. Während bei der terrestrischen Kommunikation in »lizenzfreien« Bändern im Bereich unter 1 GHz geringe Kosten und ein geringer Energieverbrauch im Vordergrund stehen, ist die Satellitenkommunikation bei Frequenzen über 10 GHz stark reguliert und unterliegt strikten Vorgaben hinsichtlich zulässiger Sendeleistung und Interferenzen. Das macht eine hybride Lösung notwendig, die sowohl für die terrestrische als auch die satellitenbasierte Kommunikation optimiert ist.

Das Fraunhofer IIS ist nicht nur im Bereich Satellitenkommunikation tätig, sondern entwickelt auch für terrestrische IoT-Netzwerke Technologielösungen und verfügt über entsprechendes IP (Intellectual Property). Beispiele hierfür sind die s-net®-Technologie für drahtlose Sensornetze sowie die drahtlose IoT-Lösung MIOTY.

Um ein erfolgreiches IoT-Produkt zu entwickeln, ist ein umfassendes Verständnis der Übertragungstechnologie, der Marktbedürfnisse und auch der Einschränkungen, der die Endanwendungen unterliegen, nötig. Equipment- und Chipsatz-Hersteller sowie Netzwerk- und Satellitenbetreiber können in folgenden Bereichen vom fachlichen Hintergrund und Know-how des Fraunhofer IIS profitieren:

  • Wellenformen und Lösungen für »Massive IoT«-Anwendungen
  • DVB-S2X-Anpassungen für IoT
  • Terrestrische IoT-Systeme oder hybride Systeme (terrestrisch/satellitenbasiert)
  • Multibeam-Antennen
  • »End-to-End-Lösungen«: Systemdesign und -optimierung