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HAPS and Artificial Satellites Unlocking the Non-Terrestrial Network Era of Beyond 5G/6G
Was ist ein nicht-terrestrisches Netz (NTN)?
Ein nicht-terrestrisches Netz (NTN) ist eine Art von drahtlosem Kommunikationsnetz, das für Anwendungen wie die mobile Kommunikation verwendet wird. Der Begriff bezieht sich auf mehrschichtige Netze, die terrestrische Basisstationen, Schiffe auf See, hoch gelegene Plattformstationen (HAPS) und Kommunikationssatelliten im Weltraum miteinander verbinden.
Dank dieser Merkmale kann ein NTN die Beschränkungen landgestützter Netze überwinden und die Reichweite der Kommunikationsinfrastruktur drastisch erweitern, so dass auch Gebiete wie Gebirgstäler und weit vom Land entfernte Meeresgebiete abgedeckt werden.
Unter den nicht-terrestrischen Netzen konzentriert sich dieser Artikel auf drahtlose Kommunikationsnetze mit Elementen in großen Höhen, weit über dem Land und dem Meer. Im Rahmen der Pläne für die Entwicklung nicht-terrestrischer Netze in der Stratosphäre und im Weltraum zur Vorbereitung auf die Einführung des Telekommunikationsstandards der nächsten Generation, bekannt als Beyond 5G (5th Generation Mobile Communication System, B5G)/6G (6th Generation Mobile Communication System), beginnen die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, Prüfstände und Demonstrationen.
Von der Stratosphäre zum Weltraum. Aufbau und Merkmale von nicht-terrestrischen Netzen (NTN).
Wie in Abbildung 1 dargestellt, würde sich ein nicht-terrestrisches Netz im Himmel über uns aus verschiedenen Arten von Übertragungseinrichtungen zusammensetzen, wobei eine größere Höhe einen größeren Abdeckungsbereich bedeutet. Je größer die Entfernung von der Erdoberfläche ist, desto größer ist natürlich die Signalverzögerung, und die verschiedenen Arten von Übertragungseinrichtungen werden je nach ihrem Standort im Weltraum, in der Stratosphäre oder am Boden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Dies ermöglicht den Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur mit einem größeren Abdeckungsbereich als bisher, so dass wir sagen können, dass "kein Ort auf der Erde außerhalb der Reichweite liegt".
Im Folgenden geben wir einen Überblick über die künstlichen Satelliten (GEO und LEO) und unbemannten Flugzeuge (HAPS), die das in Abbildung 1 dargestellte nicht-terrestrische Netz bilden, und beschreiben ihre Merkmale.
Geostationärer Satellit (GEO)
Ein geostationärer Satellit oder geostationärer Erdumlaufsatellit (GEO) ist die Komponente der nicht-terrestrischen Netze für B5G/6G, die in der größten Höhe arbeitet. Diese künstlichen Satelliten befinden sich etwa 36 000 km über dem Äquator der Erde. Sie umkreisen die Erde mit einer Geschwindigkeit, die der Rotationsgeschwindigkeit der Erde entspricht, so dass sie über einem bestimmten Punkt am Boden stationär zu sein scheinen. Im Allgemeinen gehören zu dieser Satellitenkategorie Wettersatelliten, die das Wetter auf der Grundlage der meteorologischen Bedingungen über weite Gebiete vorhersagen.
GEO-Satelliten, die in Kommunikationsnetzen eingesetzt werden, arbeiten in großer Höhe und können so mit einem großen Gebiet kommunizieren. Es heißt, dass drei oder vier solcher Satelliten die gesamte Erdoberfläche abdecken könnten. Aufgrund ihrer Entfernung vom Boden haben sie jedoch eine größere Verzögerung bei der Datenübertragung als andere Übertragungsgeräte, und ihre Datenübertragungsgeschwindigkeit liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von mehreren Megabit pro Sekunde (Mbps). Da für die Übertragung von Signalen zur Erdoberfläche eine hohe Leistung erforderlich ist, sind GEO-Satelliten in der Regel größer als die weiter unten behandelten LEO-Satelliten (Low Earth Orbit), und um sie in die Umlaufbahn zu bringen, sind größere Raketen erforderlich.
Satellit in niedriger Erdumlaufbahn (LEO)
Ein Satellit in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) ist ein künstlicher Satellit, der sich im Weltraum befindet, aber auf einer niedrigeren Erdumlaufbahn*1 als ein GEO, in der Regel in einer Höhe von einigen hundert bis 2.000 km. Im Gegensatz zu geostationären Satelliten (GEOs) sind sie nicht mit der Erdrotation synchronisiert.
Das Hubble-Teleskop und die Internationale Raumstation (ISS) befinden sich ebenfalls in einer niedrigen Höhe und nutzen eine niedrige Erdumlaufbahn von höchstens 400 km. Es heißt jedoch, dass LEOs, die in NTNs verwendet werden, in Höhen von etwa eintausend bis mehreren hundert Kilometern positioniert sein werden.
LEO-Satelliten arbeiten in geringerer Höhe als GEO-Satelliten, was eine Datenübertragung mit geringer Verzögerung und unter Verwendung von Signalen mit geringer Leistung ermöglicht. Solche Satelliten können auch eine geringere Größe haben. LEOs unterstützen Kommunikationsgeschwindigkeiten mit der Erdoberfläche von mehreren hundert Megabit pro Sekunde (Mbps), so dass sie für Dienste genutzt werden könnten, die eine direkte Kommunikation zwischen Smartphone und Satellit ermöglichen.
Da die LEO-Satelliten jedoch in geringerer Höhe als die GEO-Satelliten operieren, ist der Erfassungsbereich der einzelnen Satelliten kleiner, und die Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen haben eine höhere Umlaufgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass "Satellitenkonstellationen", bestehend aus mehreren kleinen LEO-Satelliten, die koordiniert arbeiten, erforderlich sind, um unter diesen Bedingungen eine stabile Kommunikation zu gewährleisten. Der Begriff "Konstellation" bezieht sich auf Sternenkonstellationen und wird für eine koordinierte Gruppe von LEOs verwendet.
*1 Die Definition von "Erdumlaufbahn" variiert von Land zu Land und von Organisation zu Organisation. So definiert die Europäische Weltraumorganisation (ESA) die Erdumlaufbahn als Umlaufbahn um die Erde in einer Höhe von bis zu 1.000 km, während die Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) eine Höhe von bis zu 2.000 km angibt.
Hochgelegene Plattformstation (HAPS)
Eine High-Altitude Platform Station (HAPS), manchmal auch als stratosphärische Kommunikationsplattform bezeichnet, ist ein unbemanntes Luftfahrzeug (einige ähneln Flugzeugen, andere haben die Form von Ballons oder Luftschiffen), das in einer Höhe von etwa 20 km durch die Stratosphäre fliegt und als luftgestützte Kommunikationsbasisstation dient.
Im Allgemeinen können Passagierflugzeuge Höhen bis zu etwa 10 km erreichen, und der Teil der Stratosphäre, in dem ein HAPS operiert, ist etwa doppelt so hoch. In dieser Höhe sind die Luftströmungen und Wetterbedingungen vergleichsweise stabil, und es gibt nur wenig Luftwiderstand. Da die Luftdichte geringer ist als die, die ein unbemanntes Flugzeug benötigt, um den notwendigen dynamischen Auftrieb zu erreichen, sollen einsatzfähige HAPS-Modelle mit Solarzellen oder Batterien ausgestattet werden, die es ihnen ermöglichen, mehrere Wochen am Stück in der Luft zu bleiben.
Während terrestrische Basisstationen in der Regel einen Abdeckungsbereich von einigen Kilometern bis zu einigen Dutzend Kilometern haben, dürfte ein einzelner HAPS einen Abdeckungsbereich von rund 100 km haben. Da sie sich näher an der Erdoberfläche befinden als künstliche Satelliten, die im Weltraum operieren, wird erwartet, dass sie aufgrund ihrer geringen Verzögerung bei der Datenübertragung eine wichtige Rolle in der neuen Kommunikationsinfrastruktur für B5G/6G spielen werden. Da sich die Stratosphäre jedoch im Gegensatz zum Weltraum im Luftraum verschiedener Länder befindet, ist die Schaffung eines rechtlichen Rahmens in jedem Land der Schlüssel zur internationalen Umsetzung von HAPS und zur Bereitstellung von Kommunikationsdiensten.
Vorteile und Trends bei nicht-terrestrischen Netzen (NTNs) für B5G/6G
Abschließend werden wir die Vorteile und Trends bei nicht-terrestrischen Netzen diskutieren.
Vorteile der nicht-terrestrischen Netze (NTNs)
Ein großer Vorteil nicht-terrestrischer Netze, die im Gegensatz zu terrestrischen Netzen Elemente in der Stratosphäre und im Weltraum umfassen, besteht darin, dass sie eine Kommunikationsinfrastruktur bereitstellen können, die von Naturkatastrophen wie Erdbeben oder Tsunamis relativ unbeeinflusst ist.
Darüber hinaus haben sie das Potenzial, den Abdeckungsbereich so weit auszudehnen, dass kein Ort auf der Erde außerhalb der Reichweite liegt. So können die Menschen in Notfällen mit ihren Smartphones auch dann kommunizieren, wenn sie sich an Orten befinden, an denen die Kommunikation bisher schwierig war, etwa in Bergtälern oder auf See.
Dadurch wird es möglich, die Kommunikationsinfrastruktur bei Notfällen wie Naturkatastrophen oder Unfällen unabhängig vom Standort aufrechtzuerhalten und das Mobilfunknetz ohne Unterbrechung auf immer größere Gebiete auszudehnen, so dass es in den Bergen oder auf dem Meer nicht mehr zu Problemen kommt.
Trends bei nicht-terrestrischen Netzen (NTNs)
Ein wichtiges Merkmal der nicht-terrestrischen Netze ist der bemerkenswerte Trend zur aktiven Beteiligung privater Unternehmen. In der Vergangenheit waren die meisten Raumfahrtprojekte nationale Initiativen, doch heute beteiligen sich weltweit eine Vielzahl von Unternehmen, nicht nur im Bereich der Hardware, sondern auch in Bereichen wie den Kommunikationsdiensten, an Raumfahrtprojekten, einschließlich der nicht-terrestrischen Netze.
Beispiele hierfür sind die Entwicklung und Herstellung von künstlichen Satelliten und HAPS, von Komponenten, die in diesen verwendet werden, und von Telekommunikationsausrüstungen (Nutzlasten), die auf diese geladen werden. Eine Vielzahl von Unternehmen ist an diesen Geschäftsfeldern beteiligt, darunter auch einige, die Raketen betreiben, die künstliche Satelliten ins All befördern. Insbesondere der Bereich der mobilen Kommunikation der nächsten Generation, B5G/6G genannt, dient als Ausgangspunkt für das schnelle Wachstum von Unternehmen, die einen globalen Markt bedienen.
Murata Manufacturing entwickelt und fertigt eine Vielzahl von drahtlosen Kommunikationsmodulen. Im Rahmen dieser Bemühungen arbeiten wir an der Entwicklung von Produkten, die den sich ändernden Anforderungen gerecht werden, einschließlich Konnektivitätsmodulen, die mit nicht-terrestrischen Netzwerken (NTNs) kompatibel sind. Weitere Informationen finden Sie auf der unten verlinkten Seite.
