5G NTN (nicht-terrestrisches Netzwerk) Technologie-Terminologie

Das von 3GPP in seiner Standardisierungs-Roadmap eingeführte NTN (Non-Terrestrial Network) zielt darauf ab, eine vollständige 5G-Abdeckung und Konnektivität durch Satelliten und Luftfahrtplattformen zu erreichen. Wichtige Terminologie umfasst:

1. NTN-Definition: Dies ist eine von 3GPP genehmigte drahtlose Netzwerktechnologie, bei der Zugangsknoten auf weltraumgestützten oder luftgestützten Plattformen wie Satelliten oder High Altitude Platform Stations (HAPS) eingesetzt werden, anstatt an der Bodeninfrastruktur befestigt zu sein. NTN-Netzwerke werden typischerweise verwendet, um die Abdeckung auf Gebiete auszudehnen, in denen der Einsatz von Bodennetzen unpraktisch oder wirtschaftlich nicht realisierbar ist. Aus 3GPP-Sicht ist NTN keine unabhängige Technologie, sondern eine Erweiterung von 5G (NR). NTN verwendet NR-Protokolle, -Parameter und -Verfahren so weit wie möglich wieder und passt sie an, um lange Ausbreitungsverzögerungen, hohe Doppler-Verschiebungen, große Zellgrößen und die Mobilität der Plattform zu unterstützen.

2. NTN-Plattformen: Dies ist die grundlegendste Klassifizierung von Satellitenbahnen, die sich direkt auf Latenz, Abdeckung und Mobilität auswirkt; insbesondere einschließlich:

• GEO (Geostationary Orbit): GEO-Satelliten befinden sich in einer Höhe von etwa 35.786 Kilometern und sind relativ zur Erde stationär. GEO (Geosynchronous Orbit)-Satelliten haben eine große Reichweite, aber eine hohe Round-Trip-Verzögerung, was sie für latenzempfindliche Dienste ungeeignet macht.
• MEO (Medium Earth Orbit): MEO-Satelliten arbeiten in Höhen zwischen 2.000 und 20.000 Kilometern und erreichen ein Gleichgewicht zwischen Abdeckung und Latenz; dies wird in den aktuellen 3GPP NTN-Spezifikationen besonders hervorgehoben.
• LEO (Low Earth Orbit): LEO-Satelliten arbeiten in Höhen zwischen 300 und 2.000 Kilometern. Sie bieten geringe Latenz und hohen Durchsatz, bewegen sich aber sehr schnell relativ zur Erde, was zu häufigen Übergaben zwischen Satelliten und erheblichen Doppler-Effekten führt.
• VLEO (Very Low Earth Orbit): VLEO bezieht sich auf experimentelle Satelliten, die für den Betrieb in Höhen unter 300 Kilometern ausgelegt sind. Es wird erwartet, dass sie eine extrem niedrige Latenz erreichen, aber vor erheblichen atmosphärischen Herausforderungen stehen.
• HAPS (High Altitude Platform Station): HAPS arbeiten typischerweise in Höhen zwischen 20 und 50 Kilometern. HAPS-Plattformen umfassen: solarbetriebene Drohnen, Ballons und Luftschiffe. High Altitude Platform Systems (HAPS) können als NR-Basisstationen, Relais oder Abdeckungsverstärker fungieren und haben im Vergleich zu Satelliten quasi-statische Eigenschaften und eine deutlich geringere Latenz.

3. Drahtloser Zugang (Terminologie)

• NTN gNB: Dies ist eine 5G (NR)-Basisstation, die speziell für den nicht-terrestrischen Einsatz modifiziert wurde. Abhängig von der Architektur kann die NTN gNB vollständig auf einem Satelliten oder HAPS gehostet werden, teilweise im Weltraum und teilweise am Boden eingesetzt werden oder vollständig bodenbasiert sein, wobei der Satellit als Relais fungiert. Die funktionale Aufteilung zwischen Weltraum und Boden ist eine wichtige Designentscheidung.
• Transparente Nutzlast- oder Bent-Pipe-Architektur: In einer transparenten Nutzlast- oder Bent-Pipe-Architektur führt der Satellit keine Basisbandverarbeitung durch. Diese Architektur zielt darauf ab, das Satellitendesign zu vereinfachen, aber ihr Betrieb ist stark abhängig von der Verfügbarkeit der Bodeninfrastruktur und der Zubringerverbindungen; die Übertragungsnutzlast führt die folgenden Funktionen aus:
• Empfangen von Hochfrequenzsignalen von Benutzergeräten (UE)
• Durchführen von Frequenzverschiebung und -verstärkung
• Weiterleiten an die Bodenbasisstation (gNB) über die Zubringerverbindung
• Regenerative Nutzlast: Führt einen Teil oder die gesamte Verarbeitung von Layer 1 und Layer 2 auf dem Satelliten durch. In diesem Modell trägt der Satellit selbst die gNB-Funktionalität. Diese Architektur reduziert die Latenz der Zubringerverbindung, verbessert die Skalierbarkeit und ermöglicht eine lokalisierte Entscheidungsfindung. Regenerative Nutzlasten erhöhen jedoch die Komplexität und die Kosten des Satelliten.

4. NTN-Verbindungen

• Dienstverbindung: Bezieht sich speziell auf die drahtlose Verbindung zwischen dem Benutzergerät (UE) und der NTN-Plattform (Satellit oder Hochplattform). Sie verwendet die NR-Luftschnittstellenwellenform, die für große Zellradien und erweiterte Timing-Advance geeignet ist. Diagramm der 5G NTN-Dienstverbindung, der Inter-Satelliten-Verbindung, der Zubringerverbindung und der Integration des Bodennetzwerks.
• Zubringerverbindung: Diese verbindet den Satelliten mit der Gateway-Bodenstation, die mit dem 5G-Kernnetzwerk verbunden ist. Zubringerverbindungen arbeiten typischerweise mit höheren Frequenzen und erfordern Backhaul-Verbindungen mit hoher Kapazität.
• Inter-Satelliten-Verbindung (ISL): Unterstützt die direkte Kommunikation zwischen Satelliten, wodurch Daten im Weltraum geroutet werden können, ohne dass Bodenstationen direkt beteiligt sind. ISL erhöht die Netzwerkstabilität und reduziert die End-to-End-Latenz.

5. Netzwerkarchitektur

• Gateway-Erdstation: Die Gateway-Erdstation fungiert als Schnittstelle zwischen dem Satellitensystem und dem 5G-Kernnetzwerk. Sie verbindet die Zubringerverbindung und spielt eine entscheidende Rolle bei der Mobilität und der Sitzungskontinuität. 5GC unterstützt NTN: Aus Protokollsicht bleibt das 5G-Kernnetzwerk (5GC) weitgehend unverändert. Verbesserungen konzentrieren sich hauptsächlich auf: Unterstützung langer Latenz, Handhabung großer Zellen und Optimierung der Verarbeitungsprozeduren für den Leerlauf- und den Verbindungsmodus.
• D2D NTN (Direct-to-Device): Benutzergeräte (UE) kommunizieren direkt mit Satelliten/Hochplattformen (HAPS) ohne Zwischenzugang zum Boden.
• Hybride NTN-TN-Architektur: NTN ergänzt das terrestrische Netzwerk und wird für Fallback, Offloading oder die Erweiterung der Abdeckung verwendet.
• Relaisbasiertes NTN: Satelliten oder Hochplattformen (HAPS) fungieren als Relaisknoten zwischen Benutzergeräten (UE) und dem terrestrischen Netzwerk.