Satelliten-IoT ermöglicht weltweite Vernetzung

Satelliten ermöglichen die Übermittlung von Daten rund um den Globus. Sie sammeln Daten für das Internet of Things (IoT) weltweit ein und leiten sie an gut vernetzte Bodenstationen weiter – von dort aus gelangen sie schließlich zum Anwender. Damit das noch einfacher wird, entwickeln wir effiziente Übertragungsverfahren für IoT-Sender, die von jedem Punkt der Erde aus direkt zum Satelliten funken.

Zahlreiche Anwendungen beweisen inzwischen, dass die weltweite Vernetzung über das IoT längst Realität ist. Viele dieser Anwendungen sind auf das Leben in der Stadt zugeschnitten, wo Sensoren heute schon für die Parkraumüberwachung oder zur Messung von Wetter- und Umweltdaten im Einsatz sind. Deshalb entstehen und wachsen terrestrische IoT-Netzwerke mo- mentan hauptsächlich an gut vernetzten Standorten, meistens in größeren Städten. Mit einer Reichweite von etwa 15 Kilometern und energieeffizienten Sendern bieten Low Power Wide Area Networks (LPWAN) genau die richtigen Eigenschaften, um Smart-City-Anwendungen zu ermöglichen. Die dafür benötigten Netzwerke bestehen aus einer großen Anzahl an Objekten, die ihre Sensordaten an eine zentrale IoT-Basisstation schicken. Von dort werden die Daten per Mobilfunk oder DSL weitertransportiert, sodass sie jederzeit über das Internet abrufbar sind.

Was in der Stadt einfach funktioniert, ist angesichts fehlender Kommunikationsinfrastruktur in den entlegensten Regionen der Welt eine echte Herausforderung. Denn auf Weltmeeren, in der Wüste, der Arktis oder tief im Dschungel gibt es keine Infrastruktur, um Daten ins Internet einzuspeisen. Abhilfe schaffen hier Satelliten. Sie spannen ein weltweit verfügbares Kommunikationsnetz auf und leiten Daten an entfernte und mit dem Internet verbundene Bodenstationen weiter.

Bei diesen derzeit eingesetzten Satelliten-IoT-Anwendungen kommt ein LPWAN mit IoT-Basisstation zum Einsatz, welches die Daten der Sensoren zuerst über ein größeres Gebiet empfängt und dann gebündelt an einen Satelliten schickt. Das Sammeln von IoT-Daten an sehr abgelegenen Orten ist damit kein Problem mehr – allerdings nur, wenn sich das Netzwerk auf ein bestimmtes Gebiet begrenzt. Ein Landwirtschaftsbetrieb kann beispielsweise eine einzige zentrale Basisstation mit Satellitenverbindung installieren, um verschiedenste Maschinen, den Tierbestand sowie Umwelt- und Bodenparameter zu überwachen. Durch die Anbindung per Satellit erreicht das IoT letztendlich die entferntesten Orte.

Sobald jedoch Bewegung ins Spiel kommt, also z. B. Fahrzeuge lokalisiert werden sollen, die sich in einem größeren Radius bewegen, taucht eine weitere Schwierigkeit auf: Die Reichweite klassischer LPWAN-Lösungen ist zwar groß, aber nicht unbegrenzt. Für eine ununterbrochene Überwachung eines Fuhrparks dürften die Fahrzeuge die Verbindung zu einer IoT-Basisstation niemals verlieren. Ein lückenloses Netz aufzubauen ist aber extrem aufwendig – vor allem in abgelegenen Regionen und wenn relativ wenige Objekte vernetzt werden müssen.

Deshalb haben wir eine Lösung entwickelt, für die keine fest installierte Basisstation mehr nötig ist. Stattdessen senden IoT-Objekte ihre Daten direkt zum Satelliten. Alles, was es dazu braucht, ist ein für den Satellitenbetrieb ausgelegter IoT-Sender und ein geeignetes Übertragungsverfahren. Damit kann prinzipiell jedes Gerät direkt zum Satelliten funken. Der Bewegungsradius der IoT-Geräte ist dadurch völlig frei.

Das Übertragungsverfahren für den Transport der Daten vom mobilen Sender zum Satelliten beruht auf unserer etablierten LPWAN-Technologie MIOTY®, die auf einem Standard des Europäischen Instituts für Telekommunikationsnormen (ETSI) basiert. Beim »Telegram Splitting« teilt der Sender jede Nachricht in kleinere Pakete auf und sendet sie zeitlich versetzt über verschiedene Frequenzen. Nur etwa 50 Prozent der Pakete müssen beim Empfänger ankommen,

damit die Nachricht entschlüsselt werden kann. Dadurch ist das Verfahren besonders robust gegenüber Störfaktoren und lässt zu, dass eine große Anzahl an Sensoren gleichzeitig senden kann. Damit die Signale die Distanz bis zum Satelliten im Weltall überwinden können, haben wir die Übertragung speziell für die Satellitenkommunikation angepasst.

Das Besondere an unserer Satelliten-IoT-Lösung ist die einfache Umsetzbarkeit. Sie lässt sich  auf bereits erhältlichen Chipsätzen integrieren, sodass die Sender kostengünstig entwickelt  und hergestellt werden können. Zudem ist das Übertragungsverfahren so energieeffizient,  dass selbst kleine Batterien den IoT-Sendern lange Zeit die nötige Energie liefern. Um die Batterielebensdauer weiter zu erhöhen, lassen sich unsere Sender mit Solarzellen oder anderen Ansätzen zur Energiegewinnung (Energy Harvesting) erweitern.

Einmal im Einsatz, sind die Sender später quasi wartungsfrei und in Kombination mit Satel- litenkonstellationen im Low Earth Orbit (LEO) über Jahre hinweg nutzbar, um beispielsweise Umgebungs- und Positionsdaten zu erfassen und weiterzugeben. LEO-Satelliten umkreisen die Erde schnell und in großen Konstellationen mit mehreren Satelliten pro Umlaufbahn. So ist permanent gewährleistet, dass ein Satellit die Daten der Sender empfangen und zur nächstge- legenen Basisstation transportieren kann. Auf diese Weise können beispielsweise Waldbrände oder Lecks in Ölpipelines frühzeitig entdeckt und eingedämmt werden.