Kenneth M. O’Hara und Gregory J. Skidmore, Remcom Inc., State College, Pennsylvania.
Dieser Artikel beschreibt die Modellierung einer SATCOM-Verbindung, insbesondere den Anwendungsfall, bei dem ein Satelliten-Overlay genutzt wird, um die Dienstkontinuität auf IoT-Geräte in einem ländlichen Gebiet mit schlechter Netzabdeckung auszuweiten.
Nicht-terrestrische drahtlose Netzwerke (z. B. Satellitenkonstellationen oder Plattformen in großer Höhe) bieten einzigartige Vorteile – eine flächendeckende Versorgung und langfristige Zuverlässigkeit –, die sie zu wichtigen Komponenten des heterogenen globalen 5G-Netzwerksystems machen. Nicht-terrestrische Netzwerke (NTN) werden wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Versorgung von Standorten spielen, die nicht von terrestrischen 5G-Netzen abgedeckt sind, wie z. B. ländliche und abgelegene Gebiete, bewegliche Plattformen und Katastrophengebiete. Ein Anwendungsfall für NTNs ist die Gewährleistung der Dienstkontinuität für Machine-to-Machine- (M2M) oder IoT-Geräte, wenn diese den Empfangsbereich terrestrischer 5G-Netze verlassen.1 Dies ist besonders wichtig für M2M-/IoT-Geräte, die kritische Kommunikationsdienste bereitstellen (z. B. Anwendungen im Bereich eHealth oder die Ortung lebenswichtiger Güter).
Die Anforderungen an die M2M- und IoT-Kommunikation können sich erheblich von denen für Sprach- und Datenübertragung unterscheiden: Die Datendurchsätze sind in der Regel deutlich geringer. Ein wesentliches Merkmal von M2M- und IoT-Geräten ist die Anforderung an einen geringen Stromverbrauch. Glücklicherweise lassen sich diese Aspekte der M2M-/IoT-Kommunikation mithilfe eines schmalbandigen, stromsparenden Weitverkehrsnetzes (WAN) gleichzeitig erfüllen. Narrowband IoT (NB-IoT) ist ein Beispiel für einen solchen Netzwerkstandard, der in 3GPP Release 13 integriert und in den Releases 15 und 16 weiter verbessert wurde, um die Funktionsfähigkeit innerhalb eines 5G-Ökosystems sicherzustellen. Die geringe Sendeleistung dieser Geräte wird durch die geringere Bandbreite des NB-IoT-Standards ausgeglichen, was dazu beiträgt, HF-Rauschen zu reduzieren. Glücklicherweise steht diese Anforderung an eine schmale Bandbreite im Einklang mit den für diese Kommunikation akzeptablen niedrigen Datenraten.
NB-IoT basiert auf einem vereinfachten LTE-Standard mit einer maximalen Bandbreite von 200 kHz, der entweder in dedizierten Frequenzbändern, in-band innerhalb von LTE- oder 5G-NR-Trägern oder innerhalb deren Schutzbändern übertragen wird. Die Spitzenübertragungsraten im Downlink und Uplink bei Nutzung der vollen Bandbreite betragen 250 kbit/s; Systeme mit geringerem Datendurchsatz können einzelne Unterträger nutzen.
Satellitennetze bieten zwar die Vorteile einer breiten Netzabdeckung und hoher Zuverlässigkeit, ihre Kommunikationsverbindungen leiden jedoch zwangsläufig unter vergleichsweise hohen Latenzen und Ausbreitungsverlusten. Um beides zu minimieren, können Satellitenkonstellationen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) für die Kommunikation mit NB-IoT-Geräten am Boden genutzt werden (siehe Abbildung 1). Beispielsweise beträgt die Round-Trip-Latenz für einen LEO-Satelliten in einer Umlaufbahn von 1000 km weniger als 10 ms, wenn sich der Satellit direkt über dem Standort befindet. Der Ausbreitungsverlust im freien Raum (FSPL) wird durch die Friis-Übertragungsformel angegeben:
wobei d die Entfernung und λ die Wellenlänge ist. Der FSPL ist der dominierende Verlustfaktor im Link-Budget eines Satelliten und wird durch die geringeren Ausbreitungsentfernungen bei einem LEO-Satelliten sowie durch die Verwendung größerer Wellenlängen minimiert. Für λ = 14 cm (eine Trägerfrequenz von 2,1 GHz) und d = 1000 km beträgt der FSPL 159 dB bei einem direkt über dem Standort befindlichen Satelliten (Elevation = 90 Grad). Die Ausbreitungsstrecke vergrößert sich bei geringeren Elevationswinkeln aufgrund der längeren schrägen Entfernung zum Satelliten, die mit der Ausbreitung in Sichtlinie (LOS) unter Berücksichtigung von Refraktion und Absorption in der Erdatmosphäre einhergeht. Durch die Verwendung von L- und S-Band-Trägern anstelle höherer Frequenzen bleibt die atmosphärische Absorption relativ gering.
LEO-Satelliten haben den Nachteil, dass der Kommunikationskanal durch relativ große Dopplerverschiebungen beeinträchtigt wird. Um seine Umlaufbahn beizubehalten, muss ein LEO-Satellit in einer Höhe von 1000 km eine Geschwindigkeit v von 7,4 km/s aufweisen. Die durch diese Bewegung verursachte Dopplerverschiebung ergibt sich aus:
wobei k⃗ der Wellenvektor des Funksignals an der Position des Satelliten ist. Der Wellenvektor hat eine Größe von k = 2π/λ.
Für einen LEO-Satelliten in polarer Umlaufbahn zeigt Abbildung 2a die Dopplerverschiebung als Funktion der Zeit für die Trägerfrequenzen des Downlinks und des Uplinks im Bereich von 2 GHz, wobei t = 0 den Zeitpunkt bezeichnet, zu dem der Satellit direkt über dem Standort vorbeifliegt. Die entsprechenden Elevationswinkel sind auf der oberen Achse dargestellt. Die Uplink- (UL) (1,7 GHz) und Downlink- (DL) (2,1 GHz) Signale erfahren aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Verschiebungen. Um die Richtung des Signalwellenvektors k⃗ am Standort des Satelliten genau zu berücksichtigen, wurde ein internes Boden-Satellit-Ausbreitungsmodell auf Basis von ITU-R P.676-112 und ITU-R P.834-83 verwendet, um die Refraktion in der Atmosphäre (die die Funkwelle zur Erdoberfläche hin ablenkt) im Vergleich zur direkten LOS-Ausbreitung zu berücksichtigen. Die zeitliche Änderungsrate der Dopplerverschiebung ist in Abbildung 2b dargestellt. Um Interband-Interferenzen zu vermeiden, muss die Gleichtaktkomponente der Verschiebung vom Satelliten dynamisch kompensiert werden, während die verbleibende Differenzverschiebung über einen Versorgungsbereich hinweg durch die Nutzerausrüstung (UE) kompensiert wird.4
Weitere Faktoren, die sich auf die Verbindungsbudgets zwischen Satellit und Boden auswirken, sind Regenauslöschungen, ionosphärische und troposphärische Szintillation, Geländebedeckung, Laubdämpfung und Mehrwegeeffekte. Bei L- und S-Band-Trägern, die typischerweise in der NB-IoT-Kommunikation eingesetzt werden, sind die Auswirkungen von Regenauslöschungen und troposphärischer Szintillation relativ gering.5-6 Ionosphärische Szintillation hingegen kann in den Stunden nach Sonnenuntergang bei Endgeräten (UEs), die sich innerhalb von 20 Grad vom Äquator oder in hohen Breitengraden nahe den Polen befinden, zu starken zeitabhängigen Schwankungen führen.7 Verbindungsbudgets für Endgeräte in diesen Regionen können Margen von mindestens 25 dB erfordern, insbesondere in Zeiten hoher Sonnenaktivität. In anderen Breitengraden kann ionosphärische Szintillation in der Regel vernachlässigt werden. Um Geländeverdeckung, Laubdämpfung und Mehrwegeeffekte zu berücksichtigen, insbesondere in einer gut charakterisierten Umgebung, können Raytracing-Techniken eingesetzt werden.
Wir betrachten nun den Anwendungsfall der Ausweitung der Dienstkontinuität auf mobile NB-IoT-Geräte in ländlichen Gebieten (siehe Abbildung 3). Die Darstellung zeigt städtische und vorstädtische Gebiete mit guter terrestrischer Abdeckung, zwischen denen sich eine ländliche Region befindet. Das nördliche Ende des südlich gelegenen Stadtgebiets wird von zwei terrestrischen Basisstationen versorgt, die jeweils eine Sendeleistung von 40 dBm über eine Bandbreite von 20 MHz aufweisen. Das nördlich gelegene Vorstadtgebiet verfügt über eine Basisstation mit 40 dBm. Für das dazwischenliegende ländliche Gebiet wird die Abdeckung durch einen LEO-Satelliten gewährleistet.
Betrachten wir zunächst die Abdeckung, die die terrestrischen Basisstationen für NB-IoT-Geräte bieten, die sich an beliebigen Stellen im Untersuchungsgebiet befinden. Um Geländeverdeckungen, Schatten durch Laubwerk und Mehrwegeeffekte bei den Signalen zu berücksichtigen, die von den Basisstationen zu den NB-IoT-Geräten übertragen werden, verwenden wir ein Raytracing-Modell unter Einsatz der Wireless InSite®-Suite von Remcom.8 Dieses Modell umfasst die Mehrwegausbreitung im Außenbereich des Untersuchungsgebiets, einschließlich Pfaden, die vom Gelände und von Bauwerken reflektiert und gebeugt werden. Diese Methode berücksichtigt vollständige 3D-Mehrwegeeffekte, einschließlich Polarisation und Phase. In diesem Szenario wird angenommen, dass die Basisstationen vertikal polarisiert sind, während die NB-IoT-Empfänger über linear polarisierte 0-dBi-Antennen verfügen, deren Polarisationsachsen um 45 Grad gegenüber der Horizontalen gedreht sind. Die NB-IoT-Empfänger weisen eine Rauschzahl von 9 dB auf, und der Umgebungs-HF-Rauschpegel wird mit −167 dBm/Hz angenommen, was mit Messungen des HF-Rauschens bei 1,7 und 2,1 GHz in städtischen, vorstädtischen und ländlichen Umgebungen übereinstimmt.9
Für NB-IoT-Empfänger an beliebigen Standorten innerhalb des Untersuchungsgebiets zeigt Abbildung 4 das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sowohl für das Uplink-Signal (1,7 GHz) als auch für das Downlink-Signal (2,1 GHz) mit einer Bandbreite von 180 kHz. In städtischen und vorstädtischen Gebieten in der Nähe der terrestrischen Basisstationen werden SNR-Werte von bis zu 57 dB für den Downlink und 66 dB für den Uplink beobachtet. In ländlichen Gebieten fällt das SNR jedoch aufgrund von Geländebedeckung und Laubschatten häufig deutlich unter 0 dB (transparent dargestellt). Wireless InSite modelliert die Dämpfung durch Laub unter Verwendung des Weissberger-Modells.10
Die Netzabdeckung für NB-IoT-Geräte in ländlichen Gebieten kann durch eine Satellitenüberlagerung wiederhergestellt werden. Das Satellitensignal wird in Wireless InSite modelliert und durch ein internes Modell ergänzt, indem in Wireless InSite ein isotropischer Sender in einem scheinbaren Elevationswinkel und einer Höhe platziert wird, die sich aus den Berechnungen unter Verwendung des zuvor beschriebenen Satelliten-Boden-Modells ergeben. Dadurch wird der erhöhte Wegverlust aufgrund der Lichtbrechung in der Atmosphäre berücksichtigt.
Zur Modellierung der DL-Abdeckung verfügt der isotrope Sender über eine äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) von 66 dBm abzüglich der durch die atmosphärische Absorption verursachten Leistungsverluste, die durch das Ausbreitungsmodell zwischen Satellit und Boden bestimmt werden.11 Die atmosphärische Absorption wird in Wireless InSite für die Satellitenverbindungen dann deaktiviert, da sie durch diese reduzierte EIRP bereits berücksichtigt ist. Die EIRP von 66 dBm setzt voraus, dass der Satellit eine Sendeleistung von 36 dBm in einer Bandbreite von 180 kHz liefern kann und einen Antennengewinn von 30 dBi aufweist. Es wird angenommen, dass die Satellitenantenne zirkular polarisiert ist, was für SATCOM typisch ist, um eine Polarisationsdrehung aufgrund des Faraday-Effekts zu vermeiden. Es wird eine Rauschzahl von 3 dB für die Satellitenantenne sowie eine Rauschtemperatur von 290 K für den Uplink (UL) angenommen, was zu einer Rauschleistung von −174 dBm/Hz führt. Für den Downlink (DL) wird weiterhin von einer Rauschzahl von 9 dB und einem HF-Rauschpegel von −167 dBm/Hz ausgegangen, was für terrestrische Kommunikation in den in diesem Szenario verwendeten Frequenzbändern angemessen ist.
Abbildung 5 zeigt die SNR-Werte für den Downlink und den Uplink des Satelliten für die in Abbildung 3 dargestellte Szene bei verschiedenen Elevationswinkeln des Satelliten über dem Horizont. SNR-Werte unter 0 dB sind transparent. Das maximale SNR wird erreicht, wenn sich der Satellit direkt über dem Standort befindet (d. h. bei einem Elevationswinkel von 90 Grad), da dann die Ausbreitungsverluste und die atmosphärische Absorption minimiert sind. Bei geringeren Elevationswinkeln wird das SNR durch Abschattungen durch Laubwerk und Gelände beeinträchtigt. Trotz dieser Verluste kann bei Elevationswinkeln von 25 Grad oder mehr über den größten Teil der Szene ein SNR von über 0 dB aufrechterhalten werden. Trotz der geringeren Sendeleistung der NB-IoT-Geräte (für diese Analyse werden 23 dBm angenommen) ist das SNR für den UL im Durchschnitt etwa 2 dB höher als für den DL, da die Rauschzahl des Satellitenempfängers 6 dB niedriger ist als die der kostengünstigen NB-IoT-Geräte. Das Umgebungsrauschen für den Satelliten beträgt −174 dBm/Hz (etwa 7 dB weniger als bei terrestrischen Systemen) und der Ausbreitungswegverlust für das UL-Signal verringert sich bei einem Elevationswinkel von 90 Grad im Vergleich zum DL aufgrund des Wellenlängenunterschieds um 2 dB.
Um die durch die Satellitenüberlagerung erzielte verbesserte Abdeckung quantitativ zu charakterisieren, vergleicht Abbildung 6 die kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der SNR-Werte für die terrestrische Basisstation und den Satelliten bei verschiedenen Elevationswinkeln. Um den Fokus auf den ländlichen Raum zu legen, wird die CDF für NB-IoT-Geräte berechnet, die sich in den mittleren zwei Dritteln des in Abbildung 3 dargestellten Bereichs befinden. Aus der CDF für die terrestrischen Basisstationen geht hervor, dass über 60 Prozent der Empfänger-/Sender-Standorte SNR-Werte von weniger als 0 dB aufweisen. Im Gegensatz dazu weisen fast 100 Prozent der simulierten Gerätestandorte SNR-Werte von mehr als 0 dB für die UL/DL-Satellitenübertragung bei Elevationswinkeln von nur 25 Grad auf. Befindet sich der Satellit direkt über dem Standort, werden in den meisten Bereichen SNR-Werte von 10 dB oder besser erreicht.
Für ein gegebenes SNR sowie ein bestimmtes Modulations- und Codierungsschema lässt sich der Datendurchsatz berechnen. Bei Nutzung der vollen Bandbreite von 180 kHz verwenden sowohl der Downlink (DL) als auch der Uplink (UL) im NB-IoT-Standard QPSK. Abbildung 7 zeigt den von NB-IoT-Geräten an verschiedenen Standorten in der Szene erzielten Durchsatz, wobei die Durchsatzschätzung auf der in 3GPP TS 38.30613 angegebenen Formel basiert und auf QPSK-Modulationen niedrigerer Ordnung beschränkt ist. Abbildung 7a zeigt den DL- und UL-Durchsatz nur mit terrestrischen Basisstationen; Abbildung 7b zeigt den Durchsatz, wenn die terrestrischen Basisstationen durch Satellitenabdeckung ergänzt werden, wobei angenommen wird, dass sich der Satellit in einem Elevationswinkel von 25 Grad befindet. Für den UL bietet die Satellitenüberlagerung eine vollständige Abdeckung über die gesamte Szene, selbst bei einem Satelliten in 25 Grad. Die Abdeckung ist für den DL nahezu vollständig. Wenn sich der Satellit in höhere Höhen bewegt, steigt der Gesamtdurchsatz weiter an und erreicht einen maximalen Durchsatz für das Gebiet, wenn sich der Satellit direkt über dem Gebiet befindet.
Diese Fallstudie zeigt, wie die Satellitenabdeckung mithilfe von Vorhersagesimulationen modelliert werden kann. Solche Modelle können den SATCOM-Kanal simulieren und dabei wichtige Effekte wie Geländebedeckung, Abschattung durch Laubwerk und Mehrwegausbreitung erfassen, die für eine korrekte Bewertung des Verbindungsbudgets unerlässlich sind. Darüber hinaus können Raytracing-Modelle eingesetzt werden, um Fälle zu identifizieren, in denen die terrestrische Abdeckung durch eine LEO-Satellitenüberlagerung ergänzt werden muss, um die NB-IoT-Abdeckung in ländlichen Gebieten zu verbessern. Diese LEO-Satelliten können eine Abdeckung mit relativ geringer Latenz bieten, was jedoch mit einer Komplizierung des Kommunikationskanals einhergeht, da große Dopplerverschiebungen durch den Satelliten und/oder das Endgerät (UE) kompensiert werden müssen.
Referenzen