Definition Was sind Non-Terrestrial Networks (NTN)?

Non-Terrestrial Networks (NTN) sind funkbasierte Kommunikationsnetze, die für die Vernetzung der Teilnehmer auf über der Erdoberfläche betriebene Komponenten, wie Satelliten, Höhenplattformen (HAPS) oder Drohnen, zurückgreifen. Sie ergänzen klassische terrestrische Mobilfunkkonzepte und sorgen für eine weltweite Abdeckung auch in abgelegenen oder infrastrukturschwachen Regionen.

Die deutsche Übersetzung für Non-Terrestrial Networks, abgekürzt NTN, lautet nicht-terrestrische Netze und bedeutet nicht erdgebunden bzw. nicht landgestützt. Es handelt sich um funkbasierte Kommunikationsnetze, die für die Vernetzung der Teilnehmer und Endgeräte nicht auf die klassische, bodengebundene Infrastruktur mit zum Beispiel Mobilfunkmasten, sondern auf über der Erdoberfläche installierte und betriebene Komponenten wie Satelliten, Höhenplattformen (High Altitude Platform Stations, HAPS) oder Drohnen zurückgreifen.

Mithilfe dieser Komponenten lässt sich eine lückenlose Netzabdeckung auch in entlegenen und infrastrukturschwachen Gebieten realisieren, in denen kein Zugang zu herkömmlichen terrestrischen Netzen besteht oder terrestrische Netze an ihre Grenzen stoßen. Inzwischen werden nicht-terrestrische Netze häufig in bestehende 5G-Mobilfunkökosysteme integriert. So ist sichergestellt, dass sich die Endgeräte per Funk je nach Standort und Netzabdeckung terrestrisch oder nicht-terrestrisch mit einem Mobilfunknetz verbinden können. Auch typische Anwendungen des Internets der Dinge (IoT) werden üblicherweise unterstützt. Non-Terrestrial Networks werden daher als ein zentraler Baustein der zukünftigen Kommunikation betrachtet.

Die Rolle von Non-Terrestrial Networks in den 5G- und 6G-Mobilfunkstandards

Non-Terrestrial Networks sind seit dem 3GPP Release 17 kein Add-on mehr, sondern offiziell Bestandteil des 3GPP-Ökosystems der 5G-Standardisierung. In den Releases 18 und 19, die auch als 5G Advanced bezeichnet werden, werden NTN-Funktionen wie der nahtlose Handover zwischen einem terrestrischen 5G-RAN und dem NTN-Layer weiter vertieft. Auch die IoT-Konnektivität über nicht-terrestrische Netze, zum Beispiel in Form von NarrowBand IoT (NB-IoT), ist in der Standardisierung berücksichtigt.

Für eine noch tiefere Integration der nicht-terrestrischen Kommunikation in die Mobilfunktechnologie werden die sich noch in Bearbeitung befindenden 6G-Standards sorgen. In der zukünftigen 6G-Mobilfunkgeneration ist mit einer nativen NTN-Integration und einer vollständigen Harmonisierung nicht-terrestrischer und terrestrischer Netze in einer einheitlichen Architektur mit noch niedrigeren Latenzen, höheren Datenraten und nahtlosem Übergang zwischen bodengebundener und nicht-terrestrischer Infrastruktur zu rechnen.

Einige Endgeräte wie Smartphones, die aktuelle 3GPP-Releases unterstützen, sind schon heute in der Lage, sich entweder mit terrestrischen oder satellitengestützten 3GPP-Netzen zu verbinden.

Komponenten und prinzipielle Funktionsweise nicht-terrestrischer Netzwerke

Die Infrastruktur nicht-terrestrischer Netze nutzt Komponenten, die sich nicht auf der Erdoberfläche befinden. Das sind in den meisten Fällen Satelliten, können aber auch Drohnen oder hochfliegende Plattformen, so genannte HAPS (High-Altitude Platform Stations), sein. Bei den Satelliten ist zusätzlich noch eine Unterscheidung zwischen Satelliten in verschiedenen Umlaufbahnen wie LEO- (Low Earth Orbit), MEO- (Medium Earth Orbit) oder GEO-Satelliten (Geostationary Earth Orbit) möglich.

Die nicht bodengebundenen Komponenten übernehmen die Funktion von Basisstationen beziehungsweise Zugangspunkten zum Netzwerk. Die realisierbaren Radien der Netzabdeckung, die Latenzzeiten und die Übertragungsraten sind von der verwendeten Technik und der jeweiligen Höhe der Satelliten, HAPS oder Drohnen über der Erdoberfläche abhängig. Mit LEO-Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn sind Latenzzeiten von wenigen Millisekunden (circa 10 bis 50 Millisekunden) realisierbar. Bei MEO-Satelliten betragen übliche Latenzzeiten zwischen circa 100 und 150 Millisekunden und bei GEO-Satelliten deutlich mehr als 250 Millisekunden. Je höher der Satellit sich aber über der Erdoberfläche befindet, desto größere Gebiete kann er funktechnisch abdecken. Für echtzeitfähige Anwendungen werden HAPS, Drohnen oder Satelliten in niedriger Höhe oder Umlaufbahn verwendet. Um größere Gebiete zur versorgen, sind viele dieser Komponenten notwendig.

Zur Bereitstellung der Services wie Sprachkommunikation oder Datenverkehr sind die Satelliten, HAPS oder Drohnen über drahtlose Backhaul-Verbindungen breitbandig untereinander und mit terrestrischen Netzen verbunden. Für Verbindungen zwischen Satelliten werden auch laseroptische Systeme eingesetzt.

Was die verwendeten Frequenzbereiche für die Verbindungen der Teilnehmer oder Endgeräte mit den nicht-terrestrischen Netzwerken angeht, sind verschiedene Frequenzbänder möglich. Teilweise überschneiden sich diese mit den terrestrischen Mobilfunkbändern, was das Antennendesign der Geräte vereinfacht. Grundsätzlich sind Frequenzen im Bereich zwischen 410 MHz und 7,1 GHz vorgesehen. Üblicherweise kommen Frequenzbänder im Sub-GHz- und im L/S-Band-Bereich zum Beispiel bei 1,6 GHz oder 2 GHz zum Einsatz. Es sind aber auch deutlich höhere Frequenzen in Bereichen über 7,1 GHz oder über 24 GHz einsetzbar.

Vorteile nicht-terrestrischer Netzwerke

Der größte Vorteil nicht-terrestrischer Netzwerke liegt in der Möglichkeit einer deutlich erweiterten, globalen Netzabdeckung. Es lassen sich auch abgelegene oder unterentwickelte Regionen mit Daten- oder Sprachkommunikationsservices versorgen. Zusammen mit den terrestrischen Netzwerken kann eine nahtlose Konnektivität entstehen. Darüber hinaus verbessern Non-Terrestrial Networks die Redundanz und Ausfallsicherheit bestehender Kommunikationsnetze. Sie lassen sich als Fallback oder Ergänzung einsetzen und sorgen so für eine hohe Verfügbarkeit oder schnelle Wiederherstellung terrestrischer Kommunikationsservices. Zudem sind die Satelliten, HAPS oder Drohnen kaum von erdgebundenen Katastrophen wie Erdbeben, Feuer oder Überschwemmungen und anderen betroffen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich nicht-terrestrische Netzwerke für eine schnelle, bedarfsabhängige Skalierung der terrestrischen Kommunikationskapazitäten einsetzen lassen. Im Fall von Ressourcenengpässen können schnell und mit relativ wenig Aufwand entsprechende Ressourcen nicht-terrestrischer Netze hinzugefügt werden.

Typische Anwendungsbereiche für Non-Terrestrial Networks

Non-Terrestrial Networks verbessern die Mobilfunkversorgung in abgelegenen oder nicht mit terrestrischem Mobilfunk abdeckbaren Regionen wie in Wüsten, auf den Ozeanen, in den Bergen oder im Luftraum. Das erschließt über die Grenzen terrestrischer Netze hinaus neue mobile Anwendungsbereiche. Typische Anwendungsbereiche für Non-Terrestrial Networks sind zum Beispiel:

• lückenlose Mobilfunkgrundversorgung

• Fallbackszenarien für terrestrische Netze

• Luft- und Schifffahrt

• Katastrophenschutz und Notfallkommunikation

• IoT-Anwendungen (zum Beispiel in der Land- und Forstwirtschaft oder Viehzucht)

• Logistik und Asset-Tracking

• Fernüberwachung technischer Anlagen an abgelegenen Orten (zum Beispiel Offshore-Anlagen oder Wetterstationen)

Nachteile und Herausforderungen nicht-terrestrischer Netzwerke

Die größten Nachteile und technischen Herausforderungen der Non-Terrestrial Networks sind vor allem auf die physikalischen Eigenschaften und die dynamische Natur der nicht erdgebundenen Funktionskomponenten zurückzuführen. Ihre relativ großen Entfernungen zu den Endgeräten führen zu langen Signallaufzeiten und hohen Pfaddämpfungen. Hohe Latenzzeiten sind vor allem ein Problem für echtzeitfähige Dienste. Um die hohen Pfaddämpfungen auszugleichen, sind entsprechend leistungsfähige Empfangs- und Sendeeinheiten mit geeignetem Antennendesign in den Endgeräten notwendig.

Ein weiteres Problem kann durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Satelliten und Endgeräten entstehen. Dies führt zu häufigen Handovers und zu Doppler-Verschiebungen, die von der Übertragungstechnik ausgeglichen werden müssen. Zudem müssen die NTN-Systeme nahtlos mit terrestrischen Netzen zusammenarbeiten, was eine entsprechende Session-Persistenz und geeignete Handover-Mechanismen zwischen Satelliten- und terrestrischen Zellen notwendig macht. Auch die Kosten für die technisch anspruchsvolle und komplexe Installation und für den Betrieb der nicht-terrestrischen Infrastruktur stellen eine Herausforderung dar. Sie sind oft nur von großen, potenten Netzbetreibern oder Unternehmen zu stemmen. Die im Weltraum eingesetzte Infrastruktur oder HAPS und Drohnen über feindlichem Gebiet sind zudem grundsätzlich angreifbar und müssen durch entsprechende Maßnahmen geschützt werden.

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