Überbrückung der Vernetzungslücke: Die technische Evolution von 5G Non-Terrestrial Networks

Die langjährige Herausforderung einer universellen Mobilfunkabdeckung rückt in greifbare Nähe, da Ingenieure daran arbeiten, Satellitenkonstellationen direkt in das 5G-Ökosystem zu integrieren. Durch den Übergang von bodengestützten Funkmasten zu einem einheitlichen nicht-terrestrischen Netzwerk (Non-Terrestrial Network, NTN) will die Telekommunikationsbranche „Funklöcher“ selbst in den entlegensten Regionen des Planeten eliminieren. Eine umfassende Studie mit dem Titel „5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design“, verfasst von einem Forscherteam der University of Padova und Toyota Motor North America, skizziert die entscheidenden architektonischen Veränderungen, die erforderlich sind, um diese Vision zu verwirklichen. Während sich die Netze der 5. Generation (5G) weiterentwickeln, hebt die Forschung hervor, dass die Integration von terrestrischen Netzwerken (TNs) und NTNs die nächste große Grenze der globalen Konnektivität darstellt und einen nahtlosen Übergang zwischen Mobilfunkmasten und umlaufenden Satelliten verspricht.

Der Aufstieg nicht-terrestrischer Netzwerke (NTN)

Das Konzept der nicht-terrestrischen Netzwerke umfasst eine Vielzahl von Plattformen oberhalb der Erdoberfläche, darunter Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO), Höhenplattformen (High Altitude Platforms, HAPs) wie Ballons oder Luftschiffe in der Stratosphäre sowie unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs). Während es traditionelles Satelliten-Internet schon seit Jahrzehnten gibt, handelte es sich dabei weitgehend um eine proprietäre und isolierte Technologie. Die aktuelle Entwicklung, angeführt vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP), zielt darauf ab, diese Plattformen innerhalb des 5G New Radio (NR) Frameworks zu standardisieren. Diese Integration ist auf drei Hauptziele ausgerichtet: die Ausweitung der Mobilfunkabdeckung auf unterversorgte ländliche und abgelegene Gebiete, die Bereitstellung einer belastbaren Ausfalllösung für die Notfallkommunikation bei Naturkatastrophen und die Entlastung des Datenverkehrs in stark verdichteten städtischen Umgebungen, in denen die terrestrische Infrastruktur an ihre Grenzen stößt.

Nach Angaben des Forschungsteams um Francesco Rossato, Mattia Figaro und Alessandro Traspadini von der University of Padova sind LEO-Satelliten für diese Netzwerke besonders attraktiv. LEO-Konstellationen, die in Höhen zwischen 500 und 2.000 Kilometern operieren, bieten eine deutlich geringere Latenz als herkömmliche geostationäre Satelliten (GEO), die mit 35.786 Kilometern wesentlich höher positioniert sind. Diese Nähe ermöglicht die Bereitstellung von Internet in Breitbandgeschwindigkeit und unterstützt eine breite Palette moderner Anwendungen, von der Navigation autonomer Fahrzeuge bis hin zur Umweltüberwachung und dem Management intelligenter Stromnetze. Die Studie betont, dass LEO-Satelliten zwar eine großflächige Konnektivität bieten, ihre schnelle Umlaufbewegung jedoch eine Reihe einzigartiger technischer Komplexitäten mit sich bringt, für die terrestrisches 5G ursprünglich nicht konzipiert war.

Technische Hürden beim Full-Stack-Protokolldesign

Der Übergang von bodengestützten Masten zu Basisstationen im Weltraum erfordert ein grundlegendes Überdenken des „Full-Stack“-Protokolldesigns, das von der Bitübertragungsschicht (PHY) bis zur Transportschicht reicht. Eine der bedeutendsten Hürden, die die Forscher identifiziert haben, ist der Pfadverlust. Signale, die durch die Atmosphäre wandern, sind einer starken Dämpfung durch Regen, Wolken und ionosphärische Szintillation ausgesetzt. Da sich Satelliten zudem mit immensen Geschwindigkeiten relativ zu den Nutzern am Boden bewegen, erzeugen sie erhebliche Doppler-Verschiebungen – Frequenzänderungen, die die Synchronisation zwischen dem Gerät und dem Netzwerk stören können. Wenn diese Verschiebungen nicht präzise kompensiert werden, wird die Verbindung instabil oder bricht vollständig ab.

Auf der MAC-Schicht (Medium Access Control) besteht die größte Herausforderung in der schieren Entfernung. Selbst bei Lichtgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsverzögerung zu einem Satelliten um ein Vielfaches größer als die Verzögerung zu einem nahe gelegenen Mobilfunkmast. Diese Verzögerung erschwert kritische Verfahren wie Kanalschätzung, Ressourcenzuweisung und Scheduling. Beispielsweise nutzen herkömmliche 5G-Netze einen Prozess namens Hybrid Automatic Repeat reQuests (HARQ), um Datenfehler zu beheben. In einer terrestrischen Umgebung beträgt die „Wartezeit“ für eine erneute Übertragung Millisekunden; in einem Satellitennetzwerk kann diese Verzögerung den gesamten Datenfluss zum Erliegen bringen. Die Forscher argumentieren, dass das Netzwerk ohne wesentliche Änderungen an der Ressourcenverwaltung und der Durchführung von Handovers zwischen Satelliten unter massiven Engpässen und einem reduzierten Durchsatz leiden wird.

3GPP-Standardisierung und 5G NR-NTN

Der Weg zu einem einheitlichen Netzwerk wird durch den 3GPP-Standardisierungsprozess festgeschrieben. Die Forscher beschreiben den Weg von Release 17, das die ersten Spezifikationen für die direkte Satellit-zu-Smartphone-Kommunikation einführte, hin zu zukünftigen Versionen wie Release 20. Eine zentrale Annahme in den aktuellen Standards ist das Modell der „transparenten“ Nutzlast, bei dem der Satellit als „Bent-Pipe“-Relais fungiert, das Signale zwischen einem Boden-Gateway und dem Gerät des Nutzers lediglich verstärkt und weiterleitet. Mit zunehmender Reife der Technologie gibt es jedoch Bestrebungen hin zu „regenerativen“ Nutzlasten, bei denen der Satellit selbst eine On-Board-Verarbeitung durchführt und somit effektiv als Basisstation (gNB) im Orbit fungiert.

Um ihre Theorien zu validieren, führte das Forschungsteam, zu dem Experten wie Michele Zorzi und Marco Giordani von der University of Padova sowie Takayuki Shimizu von Toyota Motor North America gehören, umfangreiche End-to-End-Simulationen mit dem diskret-ereignisorientierten Simulator ns-3 durch. Im Gegensatz zu einem Großteil der existierenden Literatur, die oft konzeptionell bleibt, lieferte diese Studie numerische Beweise dafür, wie sich spezifische Einstellungen auf die Netzwerkleistung auswirken. Ihre Simulationen demonstrierten die kritische Bedeutung von Schutzzeiten (Guard Periods, GPs) beim Zeitduplexverfahren (Time Division Duplexing, TDD) und zeigten, wie unterschiedliche Verzögerungen in großen Satellitenzellen zu Timing-Fehlern führen können, die das Nutzererlebnis beeinträchtigen. Dieser empirische Ansatz ist für das 3GPP von entscheidender Bedeutung bei der Verfeinerung der Standards für das 5G NR-NTN-Ökosystem.

Detaillierte Ergebnisse: Retransmissionen und Transportlatenz

Die Ergebnisse der Forscher in der ns-3-Simulationsumgebung zeigten, dass die Anzahl der HARQ-Prozesse – jene Mechanismen, die die erneute Übertragung von Daten steuern – für Satellitennetzwerke deutlich erhöht werden muss. Im terrestrischen 5G-Standard reichen wenige Prozesse aus, aber im NTN-Kontext bedeutet die lange Paketumlaufzeit (Round-Trip Time, RTT), dass viel mehr Prozesse parallel laufen müssen, um die Datenverbindung aktiv zu halten. Ohne diese Anpassung verbringt der Sender den Großteil seiner Zeit mit dem Warten auf Bestätigungen, anstatt neue Daten zu senden. Darüber hinaus hob die Studie einen „Stalling“-Effekt hervor, bei dem die Unfähigkeit der MAC-Schicht, mit den langen Verzögerungen Schritt zu halten, das übergeordnete Transmission Control Protocol (TCP) dazu veranlasst, seine Übertragungsrate drastisch zu reduzieren, was die Verbindungsgeschwindigkeit weiter einschränkt.

Das Team untersuchte auch die Auswirkungen großer Zellgrößen. Ein einzelner Satellitenstrahl (Beam) kann hunderte von Quadratkilometern abdecken, was zu „differenziellen Verzögerungen“ führt, bei denen Nutzer im Zentrum des Strahls andere Ausbreitungszeiten erleben als Nutzer am Rand. Die Simulationsergebnisse legten nahe, dass das Netzwerk hochentwickelte Mechanismen für den Sendezeitvorlauf (Timing Advance) implementieren muss, um sicherzustellen, dass Signale verschiedener Nutzer nicht kollidieren, wenn sie am Satelliten ankommen. Diese Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit eines „satellitengerechten“ Protokollstacks, der sich dynamisch an die orbitale Dynamik und die großen Entfernungen in der nicht-terrestrischen Kommunikation anpassen kann.

Kommerzielle Auswirkungen: Starlink und der Schritt zu standardisiertem 5G

Die kommerzielle Landschaft für NTNs wird derzeit von großen Satellitenanbietern wie SpaceX mit Starlink dominiert, das bereits mit der Einführung von „Direct-to-Cell“-Technologie begonnen hat. Viele aktuelle Satellitendienste basieren jedoch auf proprietärer Hardware und Software. Die Forschung von Rossato et al. deutet auf einen bedeutenden Branchenwandel hin: den Übergang von diesen geschlossenen, proprietären Systemen zu standardisierter 5G-Hardware. Dieser Wandel würde es herkömmlichen Consumer-Smartphones ermöglichen, sich mit Satelliten zu verbinden, ohne dass spezialisierte Antennen oder Chips erforderlich sind – eine Entwicklung, die Satellitenkonnektivität massentauglich machen und in Standard-Mobilfunktarife integrieren würde.

Die Auswirkungen hiervon sind tiefgreifend, nicht nur für 5G, sondern auch für die kommende 6G-Ära. Durch die Etablierung einer standardisierten NTN-Basis stellt die Branche die Weichen für eine echte 3D-Netzwerkarchitektur, in der terrestrische Masten, Drohnen und Satelliten in einem koordinierten Mesh-Netzwerk zusammenarbeiten. Große Automobilhersteller wie Toyota, die an dieser Forschung beteiligt sind, haben ein besonderes Interesse daran für die Sicherheit vernetzter Fahrzeuge. Ein Auto, das einen abgelegenen Gebirgspass durchquert, sollte theoretisch so nahtlos von einem verlorenen terrestrischen Signal auf ein Satellitensignal umschalten, dass eine hochauflösende Navigationskarte oder ein Notruf unterbrechungsfrei bestehen bleibt.

Wie es weitergeht: Die Zukunft der globalen Konnektivität

Mit Blick auf die Zukunft weist das Forschungsteam auf mehrere „offene Fragen“ hin, die das nächste Jahrzehnt der Telekommunikation definieren werden. Zukünftige Standardisierungsaktivitäten müssen komplexere Routing-Szenarien adressieren, insbesondere für Inter-Satellite Links (ISL), bei denen Daten im Weltraum von einem Satelliten zum anderen springen, bevor sie zu einer Bodenstation gesendet werden. Darüber hinaus könnte die Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen (ML) in den Protokollstack ein vorausschauendes Handover-Management ermöglichen, das antizipiert, wann ein Nutzer die Sichtverbindung zu einem Satelliten verliert, und die Verbindung proaktiv zum nächsten Satelliten in der Konstellation umschaltet.

Der Zeitplan für die breite Einführung beschleunigt sich. Mit der grundlegenden Arbeit in den 3GPP Releases 17 und 18 und den fundierten Simulationsdaten aus akademisch-industriellen Partnerschaften wie der zwischen der University of Padova und Toyota ist der Übergang von „Kein Netz“ zu „Immer verbunden“ keine Frage des Ob, sondern des Wann. Wie das Paper (das derzeit bei der IEEE zur Veröffentlichung eingereicht wurde) nahelegt, ist die Entwicklung von 5G NR-NTN nicht nur ein inkrementelles Update der Mobilfunktechnologie, sondern eine radikale Erweiterung der Grenzen des Internets selbst, die den Himmel zur nächsten großen Ebene der globalen digitalen Infrastruktur macht.

• Hauptautoren: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (University of Padova); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Institutionelle Unterstützung: University of Padova, Italien; Toyota Motor North America Inc., USA; Nationaler Aufbau- und Resilienzplan der Europäischen Union (NRRP).
• Zentrale Methodik: Systemweite End-to-End-Simulationen mit dem diskret-ereignisorientierten Simulator ns-3.
• Status der Veröffentlichung: Zur Veröffentlichung bei IEEE eingereicht (arXiv:2601.14883v1).