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Nicht-terrestrische Netzwerke

Wie NTN NB-IoT die Welt vernetzt

15. April 2025, 11:00 Uhr | Autor: Adnan Khan / Redaktion: Diana Künstler

NTN-NB-IoT-Technik ermöglicht es Satelliten, Telekommunikationsdienste für Geräte des Internets der Dinge in Gebieten ohne Mobilfunkabdeckung durch terrestrische Basisstationen bereitzustellen. Wie es funktioniert und welche Rolle Tests dabei spielen, um die Produktkonformität sicherzustellen.

Trotz des rasanten Ausbaus terrestrischer Mobilfunknetze bleibt ein erheblicher Teil der Weltbevölkerung – vor allem in abgelegenen Regionen – weiterhin ohne Netzabdeckung. Nicht-terrestrische Netzwerke (NTN) auf Basis von Narrowband-IoT (NB-IoT) schließen diese Lücke: Sie ermöglichen die satellitengestützte Kommunikation für IoT-Geräte in bisher unversorgten Gebieten.

Dieser Beitrag von Adnan Khan von Anritsu beleuchtet, wie NTN NB-IoT funktioniert, welche Herausforderungen es bei der Implementierung gibt und welche Rolle Test- und Konformitätsverfahren dabei spielen, um zuverlässige, skalierbare und zukunftssichere Anwendungen zu gewährleisten.

Der Artikel beantwortet dabei unter anderem folgende Fragen:

Was ist NTN NB-IoT?
In welchen Szenarien ist NTN NB-IoT besonders sinnvoll?
Welche Standards unterstützen NTN NB-IoT?
Welche technischen Herausforderungen gibt es?
Welche Rolle spielen Tests bei der Entwicklung?
Was beinhalten Konformitätstests?
Warum ist NTN NB-IoT ein Zukunftsthema?

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Was ist NTN NB-IoT und in welchen Situationen bietet es eine bessere Alternative zu anderen IoT-Technologien?

Netzbetreiber erweitern Mobilfunkdienste, die ursprünglich für Verbraucher mit Smartphones gedacht waren, auf Unternehmen mit einer großen Anzahl von Geräten für das IoT und MTC (Machine Type Communication). Die Nachfrage nach Servicekontinuität wird die Entwicklung und Erweiterung von Netzwerken in nicht-traditionelle Bereiche vorantreiben. Nicht-terrestrische Netzwerke (NTN) rücken im Zuge der Entwicklung hin zu 5G-Advanced- und schließlich 6G-Systemen immer mehr in den Fokus von Forschung und Industrie. Der Hauptvorteil von NTN liegt in der Skalierbarkeit, Kontinuität und Allgegenwart der Dienste, da 7 Prozent der Weltbevölkerung immer noch keinen Zugriff auf terrestrische Mobilfunkabdeckung haben.

Satellitengestützte Kommunikation hat das Potenzial, eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Kommunikationsinfrastruktur und der Überbrückung der digitalen Kluft zu spielen. In der Regel bietet eine satellitengestützte Architektur, die Systeme mit geosynchroner (GSO), geostationärer (GEO), mittlerer (MEO) und niedriger Erdumlaufbahn (LEO) nutzt, eine Abdeckung in Höhen von 400 bis 36.000 km. Bei den verschiedenen Satellitensystemen müssen jedoch Kompromisse in Sachen Leistungsfähigkeit und Bereitstellungskosten eingegangen werden.

NTN ist in verschiedene Implementierungen der Funkzugangstechnik unterteilt: NR-NTN, das auf 5G New Radio (NR) basiert, und IoT-NTN, das auf Cat-M1 oder NB-IoT basieren kann. Erste Einsätze basieren hauptsächlich auf NB-IoT und bieten die Flexibilität, vorhandene Betreiberressourcen wie Spektrum, Kernnetz und Zugangsnetz wiederzuverwenden. IoT-NTN kann die Abdeckung ergänzen, wenn die Kosten für die Bereitstellung eines terrestrischen Netzwerks (TN) unerschwinglich sind. Die Sektoren, die am meisten von dieser Technologie profitieren, sind unternehmenskritische Dienstleistungen, Versorgungsunternehmen, die Automobilindustrie und die Landwirtschaft.

Wie passt NTN NB-IoT zu den sich entwickelnden Standards?

Das 3GPP-Konsortium (3rd Generation Partnership Project), das für die Entwicklung von Mobilfunkstandards zuständig ist, hat 2017 mit der Arbeit an New-Radio-/NR- und IoT-Diensten über Satelliten begonnen. Studienelemente zu NTNs wurden bereits in die 3GPP Releases 15 und 16 aufgenommen. Release 17 enthält nun den ersten Satz vollständiger 3GPP-konformer IoT-NTN-Spezifikationen. Die Releases 18 und 19 enthalten Arbeitselemente, die Verbesserungen für IoT-NTN und NR-NTN bieten.

Die Aufnahme von NTN in die 3GPP-Standards ist von großer Bedeutung, da sie Geräte- und Chipsatzherstellern die nötige Zusicherung bietet, um Satellitenkompatibilität in ihre Produkte zu integrieren und von Skalierbarkeit zu profitieren. Einige Gerätehersteller unterstützen zwar schon seit Langem GEO-Satellitendienste – jedoch in kleinem Maßstab, beschränkt auf bestimmte Frequenzbänder und proprietäre Technologie, was für die Kunden hohe Kosten verursacht.

Was sind die wesentlichen Herausforderungen bei NTN-Geräten?

Es gibt mehrere Aspekte, die berücksichtigt werden müssen, damit das IoT über Satelliten funktionieren soll.

Link-Budget: Die große Entfernung zwischen dem Benutzergerät (UE; User Equipment) und der Basisstation stellt eine Herausforderung dar. Das Signal muss vom Satelliten-Gateway am Boden über den Feeder-Link zum Satelliten im Weltraum und von der Satellitennutzlast im Weltraum zum UE und umgekehrt im Uplink übertragen werden. Dies führt zu einem schlechten Link-Budget, was sich auf den Durchsatz auswirkt und lange Umlaufzeiten (RTTs; Round-Trip Time) verursacht. Für GEO-Satelliten ist das Link-Budget wichtig, und IoT-NTN bietet Funktionen wie Datenwiederholungen im Uplink und Downlink, die dazu beitragen, die Anbindung in Gebieten mit geringer Abdeckung aufrechtzuerhalten und die Demodulations- und Abdeckungsleistung zu erhöhen. Die Referenzsignal-Empfangsleistung (RSRP) könnte bei IoT-NTN bis zu -140 dBm betragen, was bei terrestrischen Einsätzen nicht üblich ist. Für zuverlässige Tests dieser Anbindung mit niedrigem Signalpegel sind Testgeräte mit fortschrittlichem HF-Frontend erforderlich.
Latenz: Eine RTT-Verzögerung von bis zu 500 ms für GEO-Satelliten ist für verzögerungsempfindliche Anwendungen nicht geeignet. Zudem kann es vorkommen, dass sich die Basisstation auf der Satellitennutzlast befindet, um die Latenz zu minimieren und mehr Kontrolle über die Mobilität zu ermöglichen. Eine verlängerte RTT ist auch für bestimmte Regelkreise in einem 3GPP-Netz problematisch, da sie zu einem Stillstand führen kann, weil HARQ-Bestätigungen (Hybrid Automatic Repeat Request) nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters empfangen werden. Außerdem kann es vorkommen, dass das Kanal-Feedback vom Endgerät unbrauchbar wird, wenn es die Basisstation am Boden erreicht.
Handovers: Zellen in NTNs sind sehr groß und bewegen sich aus der Sicht des LEO schnell. Das Design des Netzwerks zur Begrenzung der Overhead-Signalisierung sowie zum Auslösen von Handovers ist eine Herausforderung, sowohl basiert auf Signalstärke also auch auf den Standort des Benutzers in der Zelle.
Interferenz: Feeder-Links vom Gateway am Boden zum Satelliten und Service-Verbindungen vom Satelliten zum Nutzer können Frequenzen verwenden, die einem Mobilfunknetzbetreiber oder dem Betreiber der Satellitenkonstellation gehören. Es ist wichtig, dass das Spektrum sorgfältig überwacht wird, um proaktiv Interferenzen zwischen TN- und NTN-Bereitstellungen zu vermeiden.
Dopplerverschiebung: Bei Satelliten in einer nicht geostationären Umlaufbahn kommt erschwerend hinzu, dass sie sich relativ zur Erde schnell bewegen. Ein LEO-Satellit in einer Höhe von 600 km bewegt sich beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,5 km/s und umkreist die Erde in 90 Minuten. Dies führt zu Doppler-Frequenzverschiebungen, die bis zu 24 ppm betragen können.
Zeitdrift: Wenn sich ein Satellit auf die Benutzerausrüstung zubewegt oder sich von ihr entfernt, verschiebt sich die Referenzzeit zwischen dem UE und der gNB-Basisstation. Dies stellt eine Herausforderung für die Synchronisierung und den anfänglichen Zeitvorlauf dar. Darüber hinaus werden Nachbarmessungen schwieriger, da die Zeitsteuerung der bedienenden Zelle und der Nachbarzelle voneinander abweichen kann, wenn sie sich auf verschiedenen Satelliten befinden.

Welche Rolle spielen Testplattformen für das Wachstum von NTN IoT-NB?

Tests lassen sich in drei Aspekte unterteilen: Feld-, Satelliten- und UE-Test.

Für den Feldtest ist es wichtig, ein terrestrisches Netzwerk im Feld richtig zu entwerfen, zu integrieren und einzusetzen. Sorgfalt ist bei der Spektrumbereitstellung und der Durchführung von Koexistenztests zwischen terrestrischen, nicht-terrestrischen Netzwerken und etablierten Diensten, geboten. Die Remote-Spektrumüberwachungstools oder Handheld-Spektrumanalysatoren (MS2090A) von Anritsu sind für diesen Zweck nützlich. Für Latenztests zur Überprüfung von Durchsatz, Latenz und Paketverlust bietet der Netzwerkleistungstester MT1000A von Anritsu eine einfache Möglichkeit, verschiedene Satellitenkonfigurationen zu testen.
Die LEO-Satelliten, die in großer Zahl eingesetzt werden sollen, werden mit Antennen ausgestattet, die mit einer Kombination aus Vektornetzwerkanalysatoren, Signalgeneratoren und Analysatoren charakterisiert werden müssen. Darüber hinaus kann ein Teil des Einsatzes eine regenerative Architektur umfassen, bei der es sich um eine Basisstation auf dem Satelliten handelt. Je nach Kombination der verteilten Komponenten kann es unterschiedliche Konfigurationen für den Einsatz von Basisstationen geben. Es könnte eine verteilte Einheit (DU)/Funkeinheit (RU) auf dem Satelliten und eine zentrale Einheit (CU) am Boden geben; gNB-Funktion RU/DU/CU alle am Himmel; oder RU/DU/CU/Teil des Kernnetzes alle am Himmel. Es kann auch erforderlich sein, die Kapazität der Basisstationskomponenten zusätzlich zu den Leistungstests dieser verschiedenen Kombinationen zu testen. Ein UE-Simulator und BTS SA/SG sind wichtige Tools für diesen Testaspekt.
UE-Tests werden in folgende Kategorien unterteilt: OTA-Tests (Over-the-Air), RF-Konformitätstests (Radio Frequency), PCT-Tests (Protocol Conformance Testing), RF/Protokoll-Tests auf F&E-Ebene und Carrier-Konformitätstests.

Welche Daten werden bei einem Konformitätstest erfasst und analysiert?

Konformitätstests werden erstellt, um den 3GPP-Anforderungen oder den Anforderungen des Netzbetreibers zu entsprechen. Bild 1 zeigt ein Beispiel für ein PCT-System (Protocol Conformance Test), um UE anhand 3GPP-definierter Protokollspezifikationen (wie 36.521) zu testen.

Das PCT-System deckt Tests verschiedener Bereiche des Protokollstapels ab, der von NB-IoT zu NB-IoT NTN eingeführt wurde. Fast alle Schichten des Protokollstapels sind von der Einführung von IoT-NTN betroffen. Diese Testverfahren sind im 3GPP-Dokument 36.521 standardisiert. Zu den Testbereichen gehören HARQ-Prozesse, neue SIB-Parameter (System Information Block), Positionsmeldungen, Timer und Handovers.

Wie helfen diese Tests dabei, Geräten unter Bedingungen zu bewerten, denen sie in der realen Welt ausgesetzt sind?

Es ist wichtig, Geräte gründlich mit Netzwerksimulatoren zu testen, die die Netzwerkprotokolle, Parameter und Bedingungen ordnungsgemäß implementiert haben, bevor die Geräte auf den Markt kommen. Oftmals ist kein terrestrisches oder nicht-terrestrisches Netzwerk vorhanden, um die Geräte zu testen, da die Funktion/Technologie noch nicht aktiviert worden sind, oder es ist nicht möglich, das Live-Netzwerk zu steuern, um Grenzfälle oder ungünstige Szenarien zu generieren. Es ist wichtig, eine realistische Funkumgebung für Satelliten- und Bodenstationen zu simulieren und die Geräte entsprechend zu testen. Das Beheben von Problemen, die erst nach der Markteinführung eines Geräts erkannt werden, kann unerschwinglich sein.

Wie läuft die Einführung eines Konformitätstest ab?

Die Einführung eines Konformitätstests für Testgeräte umfasst mehrere Schritte, um sicherzustellen, dass das Gerät den Industriestandards entspricht und zuverlässig funktioniert.

Ein typischer Prozess beginnt mit dem Verständnis der relevanten Standards und Anforderungen. Zu den Testspezifikationen und -verfahren gehören 36.521-4 (TRx-Messungen), 36.521-3 (Leistungs-/RRM-Messungen) und 36.523 (Protokollmessungen). Anschließend muss auf der Grundlage der Konformitätsanforderungen ein umfassender Satz von Testfällen entwickelt werden, der alle erforderlichen Protokoll-/HF-Funktionen und Szenarien abdeckt. Testfälle müssen detailliert sein und die erwarteten Ergebnisse sowie die Kriterien für das Bestehen oder Nichtbestehen jedes einzelnen Testfalls angeben.

Testfälle können dann in Testgeräte implementiert werden, um sicherzustellen, dass jeder Testfall automatisiert ausgeführt werden kann. Protokollierungs- und Berichtsfunktionen werden integriert, um detaillierte Ergebnisse jeder Ausführung zu erfassen. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der implementierten Testfälle wird durch interne Tests zusammen mit einem Chipsatzanbieter geschaffen. Sobald ausreichendes Vertrauen aufgebaut wurde, kann ein Testfall zur Bewertung an ein akkreditiertes Zertifizierungslabor übermittelt werden. Das Labor bewertet die Ordnungsmäßigkeit der Ausrüstung mit den relevanten Standards und Protokollen für verschiedene Bänder, wie sie für das Global Certification Forum (GCF) oder das PCS Type Certification Review Board (PTCRB) erforderlich sind, indem es Tests unter verschiedenen Bändern und mit mehreren Geräten durchführt. GCF und PTCRB haben ihre eigenen Kriterien, nach denen Gerätehersteller verpflichtet sind, die entsprechenden Tests als Teil der Testvorbereitung durchzuführen.

Das hier beschriebene Verfahren gilt gleichermaßen für Konformitätstests von Netzbetreibern, mit der Ausnahme, dass die Tests in der Regel zur Validierung in der Einrichtung des Netzbetreibers zur Validierung und Zertifizierung durchgeführt werden.

Sobald zertifizierte Testgeräte an Kunden oder Testlabore ausgeliefert wurden, besteht natürlich ein Bedarf an fortlaufender technischer Unterstützung, Updates und Wartung, um auftretende Probleme oder Änderungen der Spezifikationen zu beheben.

Was unternimmt Anritsu, um Innovationen in diesem Bereich zu fördern?

IoT-NTN ist eine sich entwickelnde Technologie, und da in zukünftigen 3GPP-Versionen neue Funktionen eingeführt werden, ist es wichtig, Zugang zu den Geräten zu haben, die die frühen Funktionsänderungen aktiviert haben. Die Zusammenarbeit mit verschiedenen Chipsatzanbietern ist ebenfalls wichtig, da nicht alle Funktionen auf allen Chipsätzen gleichzeitig verfügbar sein werden.

Anritsu hat mit Chipsatzanbietern und OEMs wie Sony Altair, Mediatek, Qualcomm und Samsung zusammengearbeitet, um gemeinsam Konformitätstests zu verifizieren, sobald sich die wichtigsten Funktionen stabilisiert haben, bevor die Ergebnisse der Protokoll-/HF-Konformitätstests an akkreditierte Labore übermittelt werden. Anritsu hat auch mit Satellitennetzbetreibern (SNO) wie Skylo zusammengearbeitet, um deren Testanforderungen auf Anritsu-Plattformen zu validieren.