Der Weltraum war schon immer die große Herausforderung der Kommunikationstechnologie. Angesichts der zahlreichen Aktivitäten im Orbit, etwa die ehrgeizigen, privatwirtschaftlichen Anstrengungen von Unternehmen wie SpaceX, werden die Forderungen nach einer 5G-Infrastruktur im All zunehmen. Entsprechende Technologien müssen jedoch widerstandsfähig und komplett weltraumfest sein.
Satelliten sind für die 5G-Technologie ein auf der Hand liegendes Ziel. Nutzer auf der Erde werden von erheblich geringerer Latenz im Vergleich zu herkömmlichen 4G-Netzwerken profitieren. Bis vor Kurzem funktionierte die Satellitenkommunikation unabhängig vom weit verbreiteten Mobilnetzwerk. Doch mit der Integration der 5G-Architektur entwickeln sich die aktuellsten und modernsten Satelliten zu wichtigen Touchpoints in den Netzwerken mit umfassenden Konnektivitätsangeboten. Hiervon profitieren autonomes Fahren, Schifffahrtsflotten, Flugzeuge und Milliarden kleiner IdD-Geräte, vor allem in entlegenen, ländlichen Gebieten.
Obwohl immer noch erheblich weniger als die zahlreichen Satelliten, die von Privatunternehmen in den Orbit geschickt werden, stieg die Anzahl von Weltraumfahrzeugen in den vergangenen Jahren ebenfalls an. Mittlerweile geht es nicht mehr nur um die Versorgung der internationalen Weltraumstation mit Lieferungen und Personal, sondern es ist sogar die Rede von einem Weltraumhotel. Dabei ist eines gewiss: Die Gäste werden ein zuverlässiges WLAN in ihren schwerelosen Zimmern erwarten.
Moderne Technologie erreicht immer irgendwann den durchschnittlichen Verbraucher, auch wenn es manchmal etwas dauert. Es ist daher unvermeidlich, dass die 5G-Innovationen für den Weltraum irgendwann auch ihren Weg zur Erde finden werden. Unabhängig davon müssen 5G-Netzwerkkomponenten den rauhen Bedingungen einer extraterrestrischen Umgebung über längere Zeiträume trotzen – und zwar ohne die Aussicht auf schnelle Reparaturen und Wartung. Diese Anforderungen erhöhen den Druck auf die Designs sowie sorgen für mehr Innovationen in der modernen Halbleitertechnik.
Zahlreiche Vorteile extraterrestrischer 5G-Angebote auf der Erde
Von den Satelliten der nächsten Generation wird erwartet, dass sie beim globalen Ausbau der 5G-Infrastruktur eine entscheidende Rolle spielen werden, da sie zusätzliche Bandbreite für datenintensive Anwendungen bieten. In der Zwischenzeit modernisieren Mobilfunkanbieter ihre Ausrüstung auf der Erde, um ihre Infrastruktur zukunftssicher zu machen. Dies schließt die Möglichkeit ein, 5G-Signale aus dem Weltraum zu empfangen und so das WLAN für Kunden zu optimieren.
Diese Kunden sind unglaublich heterogen. Es könnte sich um mobile Gamer oder Smartphonenutzer handeln, die 4K-Videos in einem mobilen Netzwerk streamen. Doch 5G-Satelliten unterstützen darüber hinaus zudem intelligente IdD-Heimlösungen wie Haushaltsgeräte oder Sicherheitssysteme. Unternehmen profitieren ebenfalls vom extraterrestrischen 5G-Support. Sie können etwa Frachtcontainer verfolgen. Ärzte sind in der Lage, Chirurgieroboter zu steuern, während Energieversorger die Möglichkeit haben, die Status von Generatoren, Gasleitungen und Ölpipelines in Echtzeit zu überwachen. Autonome Fahrzeuge und IdD-Geräte in aller Welt werden ganz besonders von der 5G-Architektur der Satellitenkommunikation profitieren.
Auch wenn 5G-Anlagen auf der Erde installiert werden, analysieren Unternehmen wie Omnispace und Lockheed Martin weltraumbasierte 5G-Netzwerke, um herauszufinden, welchen Nutzen sie für die terrestrische Infrastruktur bieten. Währenddessen arbeiten NASA und Northrup Grumman gemeinsam an einem Machbarkeitsnachweis für 5G-Netzwerke im Weltraum, u. a. mit einer integrierten Kommunikationsanlage, die zwei Wochen lang im Cygnus-Versorgungsraumfahrzeug von Grumman getestet wurde.
Bei den Anlagen auf der Erde müssen bei der Integration von 5G-Netzwerkkomponenten bestimmte Designanforderungen berücksichtigt werden und dasselbe wird auch für die weltraumbasierten gelten. Diese werden zu den Milliarden von Mobilgerätenutzern hinzugefügt, die in den kommenden Jahren erwartet werden. Dies wird wiederum zu einer dramatisch höheren Nachfrage nach Bandbreite führen.
5G-Signale benötigen eine weltraumfeste Infrastruktur
Beim Aufbau einer 5G-Architektur im Weltraum müssen wichtige Designaspekte beachtet werden. Das gilt sowohl für Satelliten als auch für andere Raumfahrzeuge.
Die hohe Dichte der vielen Geräte, die 5G-Signale teilen, wird die Bandbreite des Spektrums sehr stark beanspruchen. Zur Erinnerung: Es handelt sich um eine endliche Ressource. Dies könnte zu einer hochfrequenten Störung führen, die wiederum den Betrieb von Satelliten, Flugzeugen und anderer Luftfahrttechnologie beeinträchtigt. Angesichts der Vielzahl von Satelliten, die in den Orbit gesendet werden, gibt es Bedenken vorhandener Betreiber, etwa von Wettersatelliten, dass es durch die neuen 5G-Signale zu Überschneidungen mit den eigenen Frequenzen kommen könnte. Und da die meisten kommerziellen 4G-Netzwerke alle verfügbaren FDD-Bänder (Frequency-Division Duplexing) belegt haben, werden die meisten 5G-Netzwerke TDD-Bänder (Time-Division Duplexing) mit ihren ganz eigenen Anforderungen verwenden. Diese sind jedoch anfällig für verschiedene Arten von Störungen, die sich auf die Latenz und Performance des Netzwerks auswirken könnten.
Bei der TDD-Architektur wird im Gegensatz zu FDD ein einzelnes Frequenzband für die Übertragung und den Empfang verwendet – ein wichtiger Vorteil. Entwickler sind jedoch bereits dazu gezwungen, Cross-Link-Störungen zu beheben, da 5G in Basisstationen am Boden implementiert wird. Zu einer solchen Störung kommt es, wenn zwei Stationen gleichzeitig auf demselben Frequenzband übertragen und empfangen. Dies lässt sich verhindern, indem alle Basisstationen entweder gleichzeitig übertragen oder gleichzeitig empfangen.
Ein wichtiger Faktor ist die hohe oder höhere Leistung dieser Außenbasisstationen. Da sie für eine bessere Laufzeit sorgt, können Cross-Link-Störungen wichtig werden, wenn eine Basisstation im Uplink vom Downlink einer anderen Station gestört wird. Durch zusätzliche 5G-Stationen wird die Verwaltung von Cross-Link-Störungen immer komplexer. Das gilt auch, wenn sie sich im Weltraum befinden.
Da der Weltraum immer wichtiger wird, müssen auch die extremen Bedingungen berücksichtigt werden, denen 5G-Lösungen im Orbit ausgesetzt sind. Die Ausrüstung von Basisstationen muss zwar widerstandsfähig sein, doch der Weltraum stellt ganz eigene Anforderungen an die Umwelt, z. B. durch starke Hitze und Kälte, extreme Vibrationen und hohen Druck. Diese Extreme hängen allesamt davon ab, ob ein Gerät über der Erde unterwegs ist oder betrieben wird. Während Verkehrsflugzeuge und andere militärische Anwendungen bereits für einige Innovationen in diesem Bereich gesorgt haben, wird der Aufbau einer weltraumgestützten 5G-Architektur einen noch größeren Bedarf an Innovationen erzeugen.
Es ist nicht so, dass die 5G-Systeme im Weltraum anders sind, es sind jedoch andere Gehäuse und Verbindungen erforderlich. Diese müssen zum einen müssen die Hitze aushalten, die beim Eindringen ins All entsteht, damit sie nicht in der Atmosphäre verglühen. Die 5G-Architektur benötigt daher eine thermische Abschirmung, von der sie geschützt wird, ohne den Betrieb zu beeinträchtigen. Damit sie nicht schmilzt oder beschädigt wird, sind wirksame und gleichzeitig kompakte Kühlsysteme sowie ein Wärmemanagement erforderlich, die das Verlassen oder den Eintritt in die Atmosphäre sowie den Betrieb in der Erdumlaufbahn für einen längeren Zeitraum berücksichtigen.
Anforderungen von Weltraumdesigns
Welche elektronischen Systeme Sie auch immer für den extraterrestrischen Einsatz bauen, Sie müssen alle Steckverbinder und Kabel berücksichtigen, die sie miteinander verbinden, darunter die 5G-Netzwerkkomponenten. Die Gehäuse von Steckverbindern und Kabeln sowie die Metalle für die Kontakte sind für die Weltraumfestigkeit jeglicher Elektronik von entscheidender Bedeutung. Hierzu zählen auch die 5G-Netzwerkkomponenten. Sie müssen in der Erdumlaufbahn hohe elektrische Ströme und Restwelligkeit sowie extrem niedrige Temperaturen aushalten sowie gleichzeitig die Anforderungen an Geschwindigkeit, Latenz und Leistung erfüllen können. Weltraumtaugliche Steckverbinder und ihre Gehäuse müssen über die militärischen Anforderungen hinausgehen.
Die Überwachung dieser 5G-Netzwerkkomponenten wird noch wichtiger sein als am Boden. Das Design der integrierten Elektronik hat sich bereits in Richtung fortschrittlicherer Systeme zur Flugzeugüberwachung entwickelt, sodass Piloten Fehlfunktionen sofort erkennen und beheben können. Im Weltraum ist dies ebenso wichtig und sogar noch komplexer, da eine Vielzahl von Sensoren zusammenarbeiten müssen. Sie müssen aber eben auch im Weltraum funktionieren, wodurch sie etwas kostspielig werden. Erschwerend kommt hinzu, dass für 5G-Systeme zusätzliche Redundanz erforderlich sein wird. Denn selbst wenn ein Problem erkannt wird, ist es schwer zu beheben, wenn sich das System in der Umlaufbahn befindet.
Fazit
Tatsächlich stecken 5G-Netzwerke noch in den Kinderschuhen – sowohl auf dem Boden als auch im Weltraum. Und obwohl wir noch weit davon entfernt sind, uns über 6G einig zu werden, behauptet China bereits, den ersten 6G-Satelliten ins All geschossen zu haben. Seine Aufgabe besteht darin, die Erde zu beobachten und eine Hochfrequenz-Terahertz-Kommunikationsnutzlast zu testen, die Daten mit einer vielfach höheren Geschwindigkeit als 5G senden könnte.
Weltraumsysteme waren schon immer führend in der technologischen Entwicklung. Dies lag teilweise daran, dass Not nun mal erfinderisch macht. Die 5G-Architektur wird in der Umlaufbahn benötigt. Dies bedeutet, dass dringend herausgefunden werden muss, wie 5G-Netzwerke im Weltraum dauerhaft funktionieren können. Weltrauminnovationen kommen letztendlich immer zur Erde zurück, um die terrestrische 5G-Infrastruktur zu ergänzen und zu optimieren.
