Was ist NTN NB-IoT und in welchen Situationen bietet es eine bessere Alternative zu anderen IoT-Technologien?
Antwort: Netzbetreiber erweitern ihre Mobilfunkdienste, die ursprünglich für Smartphone-Nutzer gedacht waren, auf Unternehmen mit einer großen Anzahl von IoT-Geräten (Internet der Dinge) und MTC-Geräten (Maschine-Kommunikation). Die Nachfrage nach unterbrechungsfreier Versorgung wird voraussichtlich die Weiterentwicklung und den Ausbau der Netze in neue Bereiche vorantreiben. Nicht-terrestrische Netze (NTNs) rücken in den Fokus von Forschung und Industrie, da die Welt auf 5G-Advanced und schließlich auf 6G-Systeme umstellt. Der Hauptvorteil der NTN-Technologie liegt in der Skalierbarkeit, der unterbrechungsfreien Verfügbarkeit und der flächendeckenden Verfügbarkeit des Dienstes, da 7 % der Weltbevölkerung immer noch keinen Zugang zu terrestrischer Mobilfunkversorgung haben.

Satellitenkommunikation kann eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Kommunikationsinfrastruktur und der Überbrückung der digitalen Kluft spielen. Typischerweise bietet eine satellitenbasierte Architektur mit geosynchronen (GSO), geostationären (GEO), mittleren (MEO) und niedrigen (LEO) Systemen eine Abdeckung in Höhen zwischen 400 km und 36.000 km. Allerdings bestehen zwischen den verschiedenen Satellitensystemen Kompromisse hinsichtlich Leistung und Bereitstellungskosten.
Das NTN (Network Telecommunication Network) ist in verschiedene Funkzugangstechnologien unterteilt: NR-NTN, basierend auf 5G New Radio (NR), und IoT-NTN, das auf Cat-M1 oder NB-IoT basieren kann. Erste Implementierungen basieren primär auf NB-IoT und bieten Flexibilität bei der Umnutzung bestehender Betreiberressourcen wie Frequenzspektrum, Kernnetz und Zugangsnetz. IoT-NTN kann zur Ergänzung der Abdeckung eingesetzt werden, wenn die Kosten für den Aufbau eines terrestrischen Netzes (TN) zu hoch sind. Die Sektoren, die am meisten von dieser Technologie profitieren werden, sind unternehmenskritische Dienstleistungen, öffentliche Versorgungsbetriebe, die Automobilindustrie und die Landwirtschaft.

Wie fügt sich NTN NB-IoT in die Standardentwicklung ein?
Antwort: Das 3GPP-Konsortium (3rd Generation Partnership Project), verantwortlich für die Entwicklung von Mobilfunkstandards, begann 2017 mit der Ermöglichung von New Radio (NR)- und IoT-Diensten via Satellit. Studienelemente für NTNs wurden in die 3GPP-Releases 15 und 16 aufgenommen, und Release 17 enthält den ersten vollständigen Satz 3GPP-konformer IoT-NTN-Spezifikationen. Die Releases 18 und 19 beinhalten Arbeitselemente (Working Elements, WIs), die Erweiterungen für IoT-NTN und NR-NTN bieten.
Die Aufnahme von NTNs in die 3GPP-Standards ist wichtig, da sie Geräte- und Chipherstellern die notwendige Sicherheit gibt, Satellitenkompatibilität in ihre Produkte zu integrieren und gleichzeitig von Skaleneffekten zu profitieren. Obwohl einige Gerätehersteller schon lange Kompatibilität mit GEO-Satellitendiensten anbieten, beschränkten sie sich dabei auf bestimmte Spektralbänder und proprietäre Technologien, was für Kunden hohe Kosten verursachte.

Welche Hauptherausforderungen stellen sich NTN-Geräten?
Antwort: Bei der Nutzung von IoT über Satelliten sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen.
Linkbudget: Die beträchtliche Entfernung zwischen Endgerät (UE) und Basisstation stellt eine Herausforderung dar. Das Signal muss im Downlink (DL) vom Satelliten-Gateway am Boden über die Zuleitung zum Satelliten im Weltraum und im Uplink (UL) von der Satellitennutzlast im Weltraum zum Endgerät und umgekehrt übertragen werden. Dies führt zu einem geringen Linkbudget, was die Leistung beeinträchtigt und lange Round-Trip-Zeiten (RTT) verursacht. Für GEO-Satelliten ist das Linkbudget kritisch. IoT-NTN bietet Funktionen wie Datenrepeater sowohl im UL als auch im DL, die die Konnektivität in Gebieten mit geringer Abdeckung aufrechterhalten und die Demodulations- und Abdeckungsleistung verbessern können. Die empfangene Referenzsignalleistung (RSRP) kann bei IoT-NTN bis zu -140 dBm betragen, was für terrestrische Installationen ungewöhnlich ist. Testgeräte mit einem fortschrittlichen HF-Frontend sind erforderlich, um diese Konnektivität mit schwachen Signalen zuverlässig zu testen.
Latenz. Eine Round-Trip-Time (RTT) von bis zu 500 ms für GEO-Satelliten ist für latenzempfindliche Anwendungen ungeeignet. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass die Basisstation auf der Satellitennutzlast platziert wird, um die Latenz zu minimieren und eine bessere Kontrolle über die Mobilität zu ermöglichen. Die verlängerte RTT ist auch für bestimmte Regelkreise in einem 3GPP-Netzwerk problematisch, da sie zu Deadlocks führen kann, weil HARQ-Bestätigungen (Hybrid Automatic Repeat Request) nicht innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters empfangen werden. Zusätzlich kann das Kanal-Feedback des Endgeräts (UE) unbrauchbar sein, wenn es die Bodenstation erreicht.
Handover: NTN-Zellen sind sehr groß und bewegen sich aus der LEO-Perspektive (Low Earth Orbit) schnell. Die Netzwerkauslegung zur Begrenzung der Signalüberlastung und Ermöglichung von Handover ist anspruchsvoll und hängt nicht nur von der Signalstärke, sondern auch vom Standort des Nutzers innerhalb der Zelle ab.
Interferenzen: Die Verbindungen vom Bodengateway zum Satelliten und die Serviceverbindungen vom Satelliten zum Nutzer können Frequenzen nutzen, die Mobilfunknetzbetreibern oder Satellitenkonstellationsbetreibern gehören. Es ist wichtig, die Frequenzen sorgfältig zu verwalten, um Interferenzen zwischen TN- und NTN-Netzen proaktiv zu vermeiden.
Dopplerverschiebung. Bei Satelliten in nicht-geostationären Umlaufbahnen stellt die schnelle Bewegung relativ zur Erde eine zusätzliche Komplikation dar. Ein LEO-Satellit in 600 km Höhe bewegt sich beispielsweise mit etwa 7,5 km/s und umkreist die Erde in 90 Minuten. Dies verursacht Doppler-Frequenzverschiebungen von bis zu 24 ppm.
Zeitdrift. Bewegt sich ein Satellit näher an das Benutzergerät heran oder entfernt er sich davon, verschiebt sich die Referenzzeit zwischen Benutzergerät und gNB-Basisstation. Dies erschwert die Synchronisierung und die anfängliche Zeitvorverstellung. Darüber hinaus werden Messungen benachbarter Zellen schwieriger, da die Zeitmessung der Serverzelle und der Nachbarzelle auseinanderlaufen kann, wenn sie sich auf unterschiedlichen Satelliten befinden.

Welche Rolle spielen Testplattformen für das Wachstum von NTN IoT-NB?
Antwort: Tests lassen sich in drei Bereiche unterteilen: Feldtests, Satellitentests und UE-Tests.
Für Feldtests ist die korrekte Planung, Integration und Bereitstellung eines terrestrischen Netzes entscheidend. Besondere Sorgfalt ist bei der Spektrumbereitstellung und bei Koexistenztests zwischen terrestrischen, nicht-terrestrischen und traditionellen spektrumnutzenden Diensten geboten. Die Fernüberwachungstools für das Spektrum oder die tragbaren Spektrumanalysatoren (MS2090A) von Anritsu eignen sich hierfür. Für Durchsatz-, Latenz- und Paketverlusttests bietet der Netzwerk-Performance-Tester MT1000A von Anritsu eine einfache Möglichkeit, verschiedene Satellitenkonfigurationen zu testen. Großflächige
LEO-Satelliten werden mit Antennen ausgestattet, die mithilfe einer Kombination aus Vektornetzwerkanalysatoren, Signalgeneratoren und Analysatoren charakterisiert werden müssen. Darüber hinaus können einige Bereitstellungen eine regenerative Architektur umfassen, d. h. eine Basisstation auf dem Satelliten. Je nach Kombination der verteilten Komponenten sind unterschiedliche Basisstationskonfigurationen möglich. Beispielsweise kann sich eine verteilte Einheit (DU)/Funkeinheit (RU) auf dem Satelliten und eine zentrale Einheit (CU) am Boden befinden; eine gNB-RU/DU/CU komplett in der Luft; oder eine RU/DU/CU/Teil des Kernnetzes komplett in der Luft. Neben Leistungstests dieser verschiedenen Kombinationen kann es auch erforderlich sein, die Kapazität der Basisstationskomponenten zu prüfen. Ein UE-Simulator und ein SA/SG-BTS sind wichtige Werkzeuge für diesen Testaspekt.
UE-Tests lassen sich unterteilen in Over-the-Air-Tests (OTA), Konformitätstests der Funkfrequenz (RF), Protokollkonformitätstests (PCT), RF-/Protokoll-Forschungs- und Entwicklungstests sowie Carrier-Konformitätstests.

 Welche Daten werden bei einem Konformitätstest erfasst und analysiert?
Antwort: Konformitätstests werden erstellt, um die Anforderungen des 3GPP oder die Anforderungen der Netzbetreiber zu erfüllen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für ein Protokollkonformitätstestsystem (PCT), das so konfiguriert ist, dass es Benutzergeräte (UE) anhand der im 3GPP definierten Protokollspezifikationen, wie z. B. 36.521, testet.

Abbildung 1: Beispiel eines PCT-Systems für IoT-NTN, das Benutzergeräte anhand der in 3GPP definierten Protokollspezifikationen prüft.
Die Protokollkonformitätsprüfung umfasst Tests verschiedener Bereiche des Protokollstapels, die von NB-IoT zu NB-IoT NTN eingeführt wurden. Nahezu alle Schichten des Protokollstapels sind von der Einführung von IoT-NTN betroffen. Diese Testverfahren sind im 3GPP-Dokument 36.521 standardisiert. Die Testbereiche umfassen HARQ-Prozesse, neue Systeminformationsblock-Parameter (SIB), Positionsmeldungen, Timer und Handover.

Wie hilft diese Art von Tests Ingenieuren bei der Bewertung von Geräten unter realen Bedingungen?
Antwort: Es ist wichtig, Geräte vor der Markteinführung gründlich mit Netzwerksimulatoren zu testen, die die Netzwerkprotokolle, -parameter und -bedingungen korrekt implementiert haben. Oftmals existiert kein terrestrisches oder nicht-terrestrisches Netzwerk für Gerätetests, da die notwendigen Funktionen/Technologien nicht aktiviert sind oder es nicht möglich ist, das Live-Netzwerk so zu steuern, dass Grenzfälle oder ungünstige Szenarien erzeugt werden. Es ist entscheidend, eine realistische Funkumgebung für terrestrische und Satellitenbasisstationen zu simulieren und Geräte entsprechend zu testen; die Behebung von Problemen, die erst nach der Markteinführung eines Geräts entdeckt werden, kann extrem kostspielig sein.

Wie läuft die Einführung eines Konformitätstests ab? 
Antwort: Die Einführung eines Konformitätstests für Prüf- und Messgeräte umfasst mehrere Schritte, um sicherzustellen, dass die Geräte den Industriestandards entsprechen und zuverlässig funktionieren. Der typische Ablauf ist wie folgt:
Zunächst müssen die relevanten Normen und Anforderungen verstanden werden. Zu den Testspezifikationen und -verfahren gehören 36.521-4 (TRx-Messungen), 36.521-3 (Leistungs-/RRM-Messungen) und 36.523 (Protokollmessungen).
Anschließend wird ein umfassender Satz von Testfällen entwickelt, der auf den Konformitätsanforderungen basiert und alle notwendigen Protokoll-/HF-Funktionalitäten und -Szenarien abdeckt. Die Testfälle müssen detailliert sein und die erwarteten Ergebnisse sowie die Kriterien für Bestehen oder Nichtbestehen jedes einzelnen Tests spezifizieren.
Die Testfälle können dann auf den Prüfgeräten implementiert werden, wobei sichergestellt wird, dass jeder Testfall automatisch ausgeführt werden kann. Protokollierungs- und Berichtsfunktionen erfassen die detaillierten Ergebnisse jedes Durchlaufs.
Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der implementierten Testfälle werden durch interne Tests in Zusammenarbeit mit einem Chiphersteller sichergestellt. Sobald ausreichendes Vertrauen aufgebaut ist, kann ein Testfall zur Bewertung an ein akkreditiertes Zertifizierungslabor übermittelt werden. Das Labor prüft die Konformität der Geräte mit den relevanten Normen und Protokollen in verschiedenen Frequenzbändern gemäß den Vorgaben des Global Certification Forum (GCF) oder des PCS Type Certification Review Board (PTCRB). Dies geschieht durch Tests in verschiedenen Frequenzbändern und mit mehreren Geräten. GCF und PTCRB haben eigene Kriterien, die Originalgerätehersteller (OEMs) verpflichten, ihre jeweiligen Tests in ihre Prüfqualifizierung aufzunehmen.
Das hier beschriebene Verfahren ist gleichermaßen für die Konformitätsprüfung durch den Betreiber anwendbar, mit dem Unterschied, dass die Tests in der Regel in den Einrichtungen des Betreibers zur Validierung und Zertifizierung durchgeführt werden. Nach der Auslieferung der zertifizierten Prüfgeräte an Kunden oder Prüflaboratorien ist selbstverständlich fortlaufender technischer Support, Updates und Wartung erforderlich, um auftretende Probleme oder Spezifikationsänderungen zu beheben.

Was unternimmt Anritsu, um Innovationen in diesem Bereich zu fördern?
Antwort: IoT-NTN ist eine sich stetig weiterentwickelnde Technologie. Da in zukünftigen 3GPP-Releases neue Funktionen eingeführt werden, ist der Zugriff auf die Geräte, die diese Funktionen ermöglicht haben, von entscheidender Bedeutung. Die Zusammenarbeit mit verschiedenen Chipherstellern ist ebenfalls unerlässlich, da nicht alle Funktionen gleichzeitig auf jedem Chipsatz verfügbar sein werden.
Anritsu arbeitet mit führenden Chipherstellern und Geräte-OEMs wie Sony Altair, MediaTek, Qualcomm und Samsung zusammen, um Konformitätstests durchzuführen, sobald sich wichtige Funktionen stabilisiert haben, bevor die Ergebnisse der Protokoll-/HF-Konformitätstests an akkreditierte Labore übermittelt werden. Darüber hinaus kooperiert Anritsu mit Satellitennetzbetreibern (SNOs) wie Skylo, um deren Testanforderungen auf Anritsu-Plattformen zu validieren.