5G New Radio erstmals mit software-definierten Komponenten über GEO-Satellit demonstriert

12. März 2021

Satellitengestützte 5G-Dienste bergen das Potenzial, die weltweite Konnektivität zu verbessern. Erstmals wurden nun ausgewählte Erweiterungen von 5G New Radio (NR), mit denen die 5G-Funkzugangstechnologie auch in nicht-terrestrischen Netzen (NTN) genutzt werden kann, erfolgreich über einen geostationären (GEO) Satelliten getestet. Das Forschungszentrum SPACE der Universität der Bundeswehr München hat entsprechende Tests über Satellit ausgeführt und nutzte dafür ein vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS erweitertes 5G-NR-Protokollstack für die Satellitenkommunikation.

Funksignale, die über einen GEO-Satelliten übertragen werden, müssen große Entfernungen überwinden, was zu Verzögerungen in der Übertragung führt. Deshalb ist für den Einsatz von 5G über Satellit eine verbesserte Funkschnittelle nötig. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden im aktuellen Arbeitsprogramm für Release 17 der 5G-NR-Standardisierung im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) neue Features spezifiziert, die die Nutzung von 5G in nicht-terrestrischen Netzen ermöglichen.

Um frühzeitig deren Machbarkeit unter Beweis zu stellen, haben das Fraunhofer IIS und das Forschungszentrum SPACE der Universität der Bundeswehr München kürzlich einige der geplanten Erweiterungen für 5G NR via GEO-Satellit getestet. Die Over-the-Air-Demonstration wurde im Rahmen des Programms »5G METEORS« durchgeführt, ein ARTES MakerSpace für 5G und Satellitenkommunikation, der von der Europäischen Weltraumorganisation ESA gefördert wird.

Bidirektionale Übertragungen über GEO-Satellit

Während der Übertragungstests wurde für den initialen Aufbau einer Verbindung vom Endgerät (User Equipment, UE) zur 5G-Basisstation (gNodeB, gNB) ein speziell angepasstes Random-Access-Verfahren eingesetzt. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau wurden die 5G-Signale im Up- und Downlink gesendet und mit zwei verschiedenen Modulationsverfahren – QPSK und 16-QAM – decodiert. Darüber hinaus wurde ein an Satelliten angepasstes Verfahren für die Laufzeitkompensation (Timing Advance) getestet, mit dem die Synchronisation zwischen Endgerät und Basisstation reibungslos umgesetzt werden konnte.

Für die Übertragungen wurden in Up- und Downlink Bandbreiten von jeweils 10 MHz genutzt. Sowohl das UE als auch die Basisstation befanden sich dabei am Boden. Die gemessenen Umlaufzeiten des Signals von der Basisstation zum UE und wieder zurück lagen zwischen 530 und 570 Millisekunden.

Software-definierte 5G-New-Radio-Komponenten

Die beiden Komponenten, die in den Tests als Basisstation und 5G UE eingesetzt wurden, sind vollständig software-definierte Lösungen. Sie basieren auf einer Open-Source-Implementierung des Protokollstacks für 5G New Radio namens OpenAirInterface (OAI), die auf universalen Hardware-Plattformen genutzt werden kann.

Das Fraunhofer IIS hat ausgewählte Features der 5G-NR-Wellenform und Anpassungen für die Satellitenkommunikation zu OAI beigetragen. Für die erfolgreich durchgeführte Demonstration wurden maßgebliche Implementierungen des 5G-Protokollstacks im Rahmen des Projekts 5G-ALLSTAR durch das Programm Horizon 2020 EU-Korea der Europäischen Union gefördert.