Hybride Breitbandlösung für Internet im Flugzeug

Nokia fiebert Raketenstart entgegen

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Andreas Donner

Trotz 300 LTE-Basen am Boden ist der Satellit integraler Bestandteil der hybriden Infrastruktur.
Trotz 300 LTE-Basen am Boden ist der Satellit integraler Bestandteil der hybriden Infrastruktur. (Bild: Deutsche Telekom/ YouTube)

Das European Aviation Network (EAN) soll 2017 erstmals LTE-Bodenstationen und Satellitenkommunikation für den Internetzugang in Flugzeugen vereinen. IP-Insider erklärt die Idee und Funktionsweise des Ansatzes.

Die Stuttgarter Nokia-Mitarbeiter fiebern dieser Tage einem für sie ganz besonderen Raketenstart entgegen. Im zweiten Quartal 2017 wird ein von Inmarsat betriebener Multi-Beam S-Band Satellit an Bord einer Ariane 5 ins All geschossen – als wesentliche Komponente des European Aviation Network (EAN). Die Infrastruktur soll weltweit erstmals Satellitenkommunikation und ein LTE-Netzwerk am Boden kombinieren, um Passagiere auf innereuropäischen Flügen mit schnellem Internet zu versorgen. Pro Flugzeug sollen dabei bis zu 75 Mbit/s übermittelt werden.

An dem Projekt arbeiten die Stuttgarter bereits seit 2009. Damals vereinbarten Airbus, Deutsche Telekom und der mittlerweile von Nokia übernommene Netzwerkausrüster Alcatel-Lucent ein gemeinsames Forschungsprojekt. Zwei Jahre später begannen die ersten Tests eines LTE Luft-Boden-Netzwerkes auf kommerziellen Bändern, 2014 folgte dann eine Technologiepartnerschaft mit Inmarsat. In Rahmen dieser Partnerschaft sollte LTE-Technik für das S-Band adaptiert werden.

Unabhängiges LTE-Netz für Flugzeuge

Wenngleich das für Flugzeuge ausgerichtete Bodennetz (Air to Ground, A2G) auf LTE-Technik basiert, läuft es komplett unabhängig von Handynetzen. Dem entsprechend decken die nach oben gerichteten Antennen des Air-to-Ground-Netzes auch erst den Luftraum über 3.000 Meter ab. Um Interferenzen auszuschließen nutzt die Lösung zwei 15-MHz-FDD-Lizenzen (Frequency-division duplexing) im MSS-Band (Mobile Satellite Service) ab zwei Gigahertz.

Diesem Umstand geschuldet gehört ein funktionierender Satellit auch zu den regulatorischen Voraussetzungen für den Betrieb des EAN. Darüber hinaus hilft der künstliche Himmelskörper dabei, die Flugzeuge außerhalb der Reichweite von Bodenstationen zu versorgen – typischerweise über dem Meer. Die Verbindungsübergabe zwischen bodenbasiertem und satellitengestütztem Netz erfolgt dabei automatisch.

Das geplante Netz von 300 stationären Funkbasen wird jedoch ausreichen, um Flüge über dem gesamten Festland 30 europäischer Staaten abzudecken. Laut eigener Aussage kann die Deutsche Telekom den Boden nahezu vollständig mit eigenen Basen abdecken; europaweit gäbe es nirgendwo weiße Flecken mit einer Ausdehnung von mehr als 12 Kilometern.

Für die A2G-Station des EAN ist das ein geradezu marginaler Wert, denn die Funkzellen decken Radien bis zu 150 Kilometern ab – klassische LTE-Netze sind für maximal 100 Kilometer spezifiziert und erreichen in der Praxis meist nur Zellengrößen von wenigen Kilometern.

Standard mit proprietären Erweiterungen

Für das EAN hat Nokia das standardisierte LTE-Verfahren für Zellengrößen bis 50 Kilometer abgewandelt. Dabei kam eine proprietäre Random Access Procedure zum Einsatz. Zudem wurde die Sendeleistung auf 37 dBm erhöht. Das bedeutet im Umkehrschluss aber auch: Obwohl das EAN im Prinzip auf dem LTE-Standard basiert, ist die von Nokia angebotene Lösung proprietär und so von keinem anderen Anbieter zu haben. Ob und inwieweit Nokia künftig auch 5G für die Versorgung von Flugzeugen heranziehen wird ist noch offen.

Weil sich das klassische LTE nur bedingt für die Kommunikation mit sich schnell bewegenden Objekten taugt, musste Nokia zudem die Auswirkungen des Dopplereffektes berücksichtigen – nähert sich ein Flugzeug einem Sendemast erhöht sich die Frequenz, entfernt es sich verringert sie sich. Bei einer Geschwindigkeit von 1.200 km/h macht die Abweichung bereits plus beziehungsweise minus 2,5 kHz aus. In Nokias Bell Labs entworfene Mechanismen ergänzen den LTE-Standard demensprechend und kompensieren die mit hohen Geschwindigkeiten auftretenden Frequenzunterschiede.

Für das EAN werden zudem angepasste LTE-Produkte für die verwendeten Frequenzen sowie dedizierte Antennen mit einer vertikalen Richtcharakteristik benötigt. Die stehen auf den ersten Blick noch erstaunlich senkrecht, lassen sich aber ferngesteuert im Inneren um weitere 12 Grad gen Himmel (Tilt) neigen.

Leichter, billiger, schneller

Verglichen mit rein satellitengestützten Lösungen versprechen die Befürworter des EAN zahlreiche Vorteile. Dank des hybriden Ansatzes kommen Flugzeuge so mit einer deutlich geringeren Zuladung aus. Die EAN-Ausrüstung sei 200 Kilogramm leichter als eine klassische, rein satellitenbasierte Lösung. Das spare nicht nur Treibstoff, sondern mache den Ansatz auch für kleinere Jets erst interessant.

Zudem skaliere das Bodennetz deutlich besser: Während die Installation von Satelliten eine Vorlaufzeit von Jahren benötige, ließen sich Bodenstationen innerhalb von Monaten nachrüsten – Zellenstrukturen lassen sich so verdichten (geringere Radien) und/oder in zusätzliche Sektoren teilen. Pro Zelle erreicht das EAN übrigens eine Bandbreite von maximal 75 Mbit/s zum Flugzeug respektive 25 Mbit/s vom Flugzeug zum Boden und bedient laut Nokia und Deutscher Telekom nie mehr als vier Flugzeuge gleichzeitig.

Neben der leicht ausbaubaren Bandbreite glänzt das Bodennetz im Vergleich zu Satelliten auch mit geringeren Latenzen – auf dem gesamten Übertragungsweg erreicht die Lösung Werte weit unter 100 ms. Schließlich sprechen für die Bodenstationen auch geringere Installations- und Betriebskosten.

Umfangreiche Tests in Labor und Feld

Bei Nokia in Stuttgart wurde das EAN nicht nur maßgeblich entwickelt. Derzeit laufen auch noch umfangreiche Tests an der Lösung. Neben einem mobilen Messwagen greift der Anbieter hierfür auch auf ein komplett eingerichtetes Testnetz zurück.

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Die Mitarbeiter in Nokias Bell Labs können so etwa simulieren, wie gut die entwickelten Algorithmen den Dopplereffekt tatsächlich ausgleichen. Des Weiteren prüfen die Entwickler auch, wie sich – ebenfalls simulierte – Latenzen auf dem Übertragungsweg zu den Basen am Boden auf die Performanz der gesamten Infrastruktur auswirken.

Wenn Inmarsats Satellit reibungslos startet, wird das EAN noch in diesem Jahr online gehen. Als Launch Airline nennt die Deutsche Telekom British Airways. Der geplante Zugang wird ausschließlich Datentransfers per WLAN im Flugzeug umfassen – per Mobilfunk geführte Handytelefonate an Bord sind nicht vorgesehen.

Kosten und Nachfrage

Abgerechnet wird über die jeweilige Airline, die Zugänge auch nach ihren Vorstellungen tarifiert. Zu konkreten Kosten ist bislang nichts bekannt. Einen möglichen Anhaltspunkt hierzu lieferte die Telekom kürzlich allerdings selbst mit einer Ankündigung der – vom EAN unabhängigen – paneuropäischen „Inflight WiFi-Services“ auf reiner Satellitenbasis. Je nach Paket werden die per Global Xpress (GX) bereitgestellten Dienste zwischen drei und zwölf Euro kosten.

Nutzer für das EAN wird es voraussichtlich wohl genügend geben – das legen zumindest Zahlen der von Inmarsat durchgeführten Erhebung „In-flight Connectivity Survey“ nahe. Demnach wünschen sich neun von zehn Flugreisenden einen Internetzugang; auf Kurzstrecken würden zwei Drittel der Befragten dafür auch Geld ausgeben.

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