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Lückenlose Konnektivität für das Edge Computing Edge-Anbindung via Satellit

Autor / Redakteur: Anna Kobylinska, Filipe Pereia Martins [Red.: Ulrike Ostler] / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

An abgelegenen Industriestandorten kann sich die Bereitstellung angemessener – also sowohl performanter als auch bezahlbarer – Konnektivität schon mal als ein relevantes Hindernis erweisen. Satellitendienste könnten im großen Maßstab Abhilfe schaffen. Microsoft hat es mit „SpaceX“ gerade vorgemacht. Andere wollen alsbald folgen.

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Edge-Standorte haben nicht unbedingt Glasfaseranschluss. Die Kommunikation via Satellit in einer neuartigen Form kann hier Abhilfe schaffen.
Edge-Standorte haben nicht unbedingt Glasfaseranschluss. Die Kommunikation via Satellit in einer neuartigen Form kann hier Abhilfe schaffen.
(Bild: Donald Giannatti auf Unsplash)

Mit der Fertigstellung von Teslas Gigafactory-4-Produktionshalle in Berlin-Brandenburg soll in Kürze die Serienproduktion des hypervernetzten „Tesla Modell Y“ in Deutschland anlaufen. Was Elon Musks Tesla für die Mobilität eben getan hat, hat sich der schräge Querdenker nun mit seinem US-Raumfahrtunternehmen SpaceX für die globale Internet-Konnektivität vorgenommen: einen revolutionären Sprung zur – egalitären statt elitären – Hyperkonnektivität.

Besser als nix?

Ein Dienst namens „Starlink“ möchte ab dem kommenden Jahr eine bezahlbare Internet-Anbindung über ein weltumspannendes Satellitennetzwerk planetenweit bereitstellen. Anfangs ist von Datengeschwindigkeiten im Bereich von bis zu 150 Megabit pro Sekunde (Mbps) und Latenzzeiten von 20 Millisekunden bis 40 ms die Rede, doch wie die Amerikaner gerne zu sagen pflegen, gilt: „the sky is the limit“. Der Dienst rollt gerade in einer Invite-only-Betaphase an, Codename „Better Than Nothing“.

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Das ultimative Ziel bestehe laut Musk darin, mit mindestens mehreren Zehntausenden von Satelliten auch das letzte weiße Fleckchen der Welt mit blitzschnellem Internet zu versorgen. Da kommt bei den Betreibern von industrieller Edge die reine Freude auf.

Edge-Konnektivität mit Azure Space

Von dem ersten „Großverbraucher“ hat SpaceX bereits auch schon den Zuschlag erhalten: Microsoft hat gerade im Oktober seine globalen IT-Dienste für Unternehmen in Zusammenarbeit mit Partnern wie SpaceX eben um Satellitenkonnektivität erweitert. Der neue Dienst nennt sich „Azure Space“. Er erlaubt den Betreibern von Azure-Rechenzentren, an fast jedem Standort der Erde ein Rechenzentrum einzurichten und mit der Außenwelt per Satellit zu vernetzen.

Übrigens: Ende Oktober hat Microsoft mit dem „Azure MDC“ ein eben solches, portables containerisiertes Rechenzentrum mit Satelliten-Konnektivität vorgestellt.

„Auf der ganzen Welt gibt es einen erheblichen Bedarf an Cloud Computing und Cloud-Speicher in Gebieten mit widrigen Bedingungen, in denen eine brüchige Kommunikation, eine gestörte Netzwerkverfügbarkeit und ein eingeschränkter Zugang zu spezialisierter Infrastruktur die Nutzung von Cloud-Computing bisher verhindert hätten“, kommentierte Bill Karagounis, Manager von Microsoft Azure Global Industry Sovereign Solutions.

Azure MDC setzt intern auf der Architektur von „Azure Stack Hub“ auf. Für die Bereitstellung der Konnektivität zeichnet ein Netzwerk-Hochverfügbarkeitsmodul verantwortlich, welches die Netzwerkleistung kontinuierlich beobachtet und ein Failover von der betroffenen primären Anbindung auf eine Backup-Satellitenverbindung auslösen kann.

Diese Ausfallsicherheit soll die unterbrechungsfreie Verfügbarkeit der Dienste unabhängig von dem Standort gewährleisten. Ist keine andere Netzwerkanbindung verfügbar, kann ein MDC auch einfach „nur“ Satellitenkommunikation verwenden. Microsoft brüstet sich übrigens mit 160.000 Meilen an eigener Glasfaser weltweit.

Azure MDC baut auf den Erkenntnissen aus Microsofts Experimenten mit dem autark orchestrierten Unterwasser-Datencenter Project Natick auf. Jenes modulare Rechenzentrum lief rund zwei Jahre lange dicht versiegelt in einem Container komplett unter Wasser in der Tiefsee nahe den Orkney-Inseln in Schottland.

Mit dem Experiment hat Microsoft Erfahrungswerte für den Rechenzentrumsbetrieb unter extremen Bedingungen gesammelt und konnte mit der Einrichtung eine sehr geringe Ausfallrate erreichen: Der „Verschnitt“ betrug gerade einmal ein Achtel der Ausfallrate einer vergleichbaren überirdischen Anlage. Wenn dann auch noch die Konnektivität stimmt, steht der orchestrierten Produktivität eines versiegelten Datacenter-Containers anscheinend nichts mehr im Wege.

Ein Rechenzentrum im All

Mit der breiten Verfügbarkeit erschwinglicher Satelliten-Konnektivität bricht für Unternehmen eine neue Ära an. An Anwärtern mangelt es sicher nicht. Unternehmen wie SkyDSL, Orbitcom, Getinternet, Satinternet, StarDSL und Spacebelt können sich auch heute bereits tatkräftig einsetzen.

Mit „Spacebelt“ bietet die Cloud Constellation Corporation einen Cloud-Datenspeicher im Weltall samt zugehöriger Konnektivität. Im Vordergrund steht die Sicherung unternehmenskritischer Daten auf Rechenzentren an Bord von so genannten LEO-Satelliten, die rund um den Äquator kreisen („LEO“ steht für Low Earth Orbit; gemeint sind hierbei Satelliten auf einer niedrigen Erdumlaufbahn in einer Höhe von etwa 650 Kilometern über der Erde).

Satelliten-Konnektivität bietet sich dort an, wo andere Methoden der Konnektivität 'zu kurz greifen' oder zu hohe Kosten verursachen.

Nur drei der insgesamt zehn LEO-Satelliten sind als redundant ausgelegter verteilter Datenspeicher vorgesehen. Diese Satelliten sollen von der Erde nur via speziellen VSAT-Terminals und geostationäre Satelliten des Anbieters zugänglich sein. (Geostationäre Satelliten befinden sich auf einer Bahn in Höhe von rund 36.000 Kilometern über dem Boden.) Der Dienst verspricht Unternehmen unter anderem verbesserte Sicherheit der Datenübertragung gegenüber herkömmlichen Verbindungen durch den Wegfall überflüssiger Hops und die vollständige Kontrolle über alle Elemente der Infrastruktur in der Hand des Anbieters.

Keine irdische Gesetzgebung

Mit dieser „nicht kompromittierbaren“ Datenlösung und dem Versprechen einer wahren Datensouveränität will die Cloud Constellation Corporation die letzten weißen Flecken auf der Landkarte erschließen. Das Satellitenspeicher- und -übertragungsnetz von Spacebelt umgeht nämlich die Zuständigkeit „irdischer“ Gerichtsbarkeiten im Hinblick auf den Datentransport zwischen Ländern und den Schutz der Daten im All.

Cloud Constellation Corporation ist Mitglied im Partnerökosystem von IBM. Die Infrastruktur von Spacebelt läuft auf IBM „Red Hat Openshift“. Der Dienst möchte seinen kommerziellen Betrieb im zweiten Quartal 2022 aufnehmen.

Wie aus heiterem Himmel

Generell lässt sich also eine Internet-Anbindung via Satellitentechnik überall realisieren. Es gibt hierzu zwei Ansätze: unidirektional (one-way) bidirektional (two-way).

Bei der unidirektionalen Satellitenanbindung wird der Rückkanal ins Internet über eine alternative Technik implementiert, Glasfaser, Mobilfunk oder Ähnliches. Bei der bidirektionalen Technik erfolgt die Datenübertragung in beide Richtungen stets über eine Satellitenanbindung. So läuft also nicht nur der Versand, sondern auch der Empfang von Daten über Satelliten ab.

Sobald IoT-Daten im Spiel sind, ergeben sich jedoch im Zusammenhang mit der großen Anzahl von Terminals zusätzliche Komplikationen. Die direkte Satellitenanbindung stößt insbesondere bei Anwendungen im Bereich „Massive IoT“ auf zahlreiche technische Herausforderungen, so Florian Leschka, Gruppenleiter System Design beim Fraunhofer IIS. Beschränkungen betreffen demnach die Größe der Terminals, den Materialeinsatz, den Energieverbrauch batteriebetriebener Sensorknoten, die Sendeleistung und die Leistungsfähigkeit der Antennen.

Probleme mit den IoT-Daten

Typischerweise seien die zu übertragenden Datenmengen klein und einzelne Datenübertragungen fänden nur „sporadisch“ statt. So benötige ein Terminal nur einen Bruchteil der verfügbaren Satellitenbandbreite, selbst wenn dieser Teil nur mit begrenzter spektraler Effizienz genutzt werde.

Bei den meisten Antennen verhalte sich die Breite der „Antennenkeule“ indirekt proportional zur Antennengröße: Eine kleine Antenne mit geringer Leistungsfähigkeit und schwacher Richtcharakteristik erzeuge eine relativ breite, gering fokussierte „Keule“ – und damit gegebenenfalls Störungen, sei es in Richtung benachbarter Satelliten im geostationären Orbit, anderer LEO- oder HEO-Satelliten oder terrestrischer Empfänger.

Um solche Interferenzen mit anderen Systemen zu vermeiden, müssen IoT-Terminals mit direkter Satellitenverbindung eine definierte Leistungsdichte-Maske erfüllen, erläutert Leschka weiter. In Abhängigkeit von der Keulenbreite und der Ausrichtungsgenauigkeit der Antennen beschränke die Leistungsdichtemaske die erlaubte Sendeleistung, die Effizienz der Verbindung, die Systemkapazität und die Zahl der Terminals in einem Netzwerk – lauter Probleme also.

Überlegungen aus dem Fraunhofer IIS

Das Fraunhofer IIS hat für Anwendungen, bei denen bestimmte Leistungsdichte-Masken einzuhalten sind, eine neuartige Lösung entwickelt, um das vorhandene Frequenzspektrum effizienter zu nutzen und die Systemkapazität zu maximieren. Das Konzept findet auch bereits Anwendung. So bleiben die Kosten und die Komplexität überschaubar.

Anwendungen aus der Kategorie „Critical IoT“ benötigen zuverlässige Verbindungen mit hohem Datendurchsatz und geringer Latenz. Für die Umsetzung solcher Szenarien mit Satellitentechnik ist hochspezialisiertes Equipment erforderlich. Fraunhofer bietet für diese Szenarien unter anderem eine Reihe von „DVB-S2X“-Lösungen an, auch speziell für IoT.

Über die Autoren

Das Autoren-Duo Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeitet für McKinley Denali Inc. (USA).

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