Perseus MicroterminalKonnektivitäts-Plattform verbindet unabhängige Kommunikationsnetze miteinander
Flächendeckende Internetanbindung über Satellit (LEO, GEO) und terrestrische Netze (4G/5G/6G,WiFi6) über eine Konnektivitäts-Plattform
Projektbeschreibung
Im Rahmen des geplanten Vorhabens „Perseus Microterminal“ soll eine Konnektivitäts-Plattform entwickelt werden, die flächendeckende Anbindung über Satellit und terrestrische Netze ermöglicht. Dies geschieht, um dem Trend der allgegenwärtigen Internetverbindung gerecht zu werden. Die Plattform unterstützt verschiedene unabhängige Kommunikationsnetze und ermöglicht Anwendungen, die auf wechselnde Netzverfügbarkeit oder erhöhte Anforderungen an Redundanz und Kommunikationssicherheit angewiesen sind.
Gleichzeitig streben wir an, ein breites Spektrum von Anwendungen durch die Bereitstellung umfangreicher Peripherieschnittstellen abzudecken. Die zu entwickelnden Microterminals können beispielsweise als Backhaul für verteilte Sensornetzwerke dienen, wie sie in LPWAN Netzwerken realisiert werden. Durch die Integration von Niedrigenergie-Übertragungstechnologien wie Sigfox, Dash7 oder LoRaWAN entsteht eine Basisstation für stationäre oder mobile Sensornetzwerke mit redundanter Netzwerkanbindung.
Weitere Punkte
Durch einen modularen Entwurf wird die Unterstützung von terrestrischen Standards (4G/5G, WiFi6) und Satellitendiensten in geostationären und niedrigeren Orbits (LEO – Low Earth Orbit: unterhalb 2000 km) angeboten.
Die Erweiterung um die Unterstützung von Kommunikationsdiensten über Satelliten in LEO Orbits stellt einen maßgeblichen Entwicklungsschwerpunkt dar. Die hier abbildbaren Applikationen reichen von bandbreitenbeschränkten „Low-Power-Applikationen“ bis hin zu breitbandigen Datenverbindungen, die einer terrestrischen Funkverbindung in den Leistungskriterien „Bandbreite“ und „Latenz“ in nichts nachstehen. Im Rahmen der Entwicklung des Microterminals sollen die technologischen Anforderungen zum Einsatz in beiden Anwendungsszenarien untersucht und realisiert werden.
Zusätzlich soll besonderes Augenmerk auf die 5G-Technologie gelegt werden, da hier bereits die automatisierte Auswahl der besten Zugriffstechnologie in der Spezifikation vorgesehen ist, wobei Satelliten und andere Arten von NTN (Non-Terrestrial-Network) explizit einbezogen sind. Je nach Fortschritten in der Standardisierung soll sich dieser Fokus auch weiter hinaus auf die kommende 6G-Technologie ausweiten.
Ziel: die Entwicklung einer Konnektivitäts-Plattform, die dem Trend zur Bereitstellung von Internetanschlüssen an jedem Ort gerecht wird
Ziel ist es, durch diese Neuentwicklung neben dem klassisch vom Unternehmen besetzten Markt des mobilen maritimen Satelliteninternets (Seefahrt, Bohrinseln, …) neue Geschäftsfelder zu erschließen und das Unternehmen zukunftssicher aufzustellen. Die zu entwickelnden Lösungen zur Nutzung der LEO-Netzwerke sind zudem auch übertragbar auf das maritime Geschäftsfeld und sichern die Zukunftssicherheit auf diesem Gebiet. Das bestehende Know-how aus der mobilen Satellitenkommunikation mit geostationären Satelliten in Bezug auf Antennentechnologie, Lokalisierung und Nachführung soll ergänzt und auf neue Anwendungen übertragen werden.
Die Neuerung an diesem Projekt wird sein, dass die Möglichkeit gegeben wird, über eine einzige Plattform unterschiedliche und völlig unabhängige Verbindungsmöglichkeiten zu nutzen und die jeweiligen Vorteile von Netzabdeckung, Datenrate und Energiebedarf zu kombinieren und damit eine neuartige Art der Vernetzung zu schaffen.
Der modulare Anspruch soll dabei auch beim Antennenkonzept berücksichtigt werden. Hier gilt es mögliche Synergieeffekte aus der Fortentwicklung der Mobilfunk- und Satellitenkommunikationsstandards aufzugreifen und zu nutzen.
Die Weiterentwicklung hin zu verteilten Satelliten im niedrigen Orbit begünstigt beispielsweise die Entwicklung kleinerer Terminals und die Erweiterung des 5G Frequenzspektrums speziell auch im Ka-Band sorgt für die Annäherung an die klassisch von der Satellitenkommunikation besetzten Frequenzbereiche. Im Rahmen des Vorhabens soll die Verwendung kommunikationsstandardübergreifender Aperturen geprüft und implementiert werden. Damit soll ein möglichst hoher Grad an Miniaturisierung und Flexibilität erreicht werden. Somit kann eine neuartig gedachte Technologie angeboten werden, die schon in einer klassischen Satellitenkommunikations-Anwendung einen großen Mehrwert bietet, aber zum Beispiel nach der Integration in Schiffscontainer, Fahrzeuge oder Wanderhütten sein volles Potenzial entfaltet.
Weltmarktsituation und Anwendungsszenarien
Durch die inzwischen fast flächendeckende Verfügbarkeit von mobilen Kommunikationsdiensten hat sich eine Vielzahl von neuen Märkten und Produkten entwickelt, welche auf eine dauerhafte Verbindung mit dem Internet angewiesen sind. Die Anforderungen sind dabei je nach Einsatzgebiet sehr weit gefächert. Industrielle Anwendungen, wie Fernwartung von Maschinen, erfordern zum Beispiel extreme Zuverlässigkeit und Redundanz um auch im Notfall Zugriff bieten zu können. Ähnliches gilt für Anwendungen bei Rettungsdiensten oder im Katastrophenschutz.
In solchen Anwendungsszenarien sind mitunter hohe Datenraten gefragt.
Um eine redundante und dabei gleichzeitig kommerziell und funktional attraktive Kommunikation über Satellit anbieten zu können, eignen sich VLEO, LEO und MEO Satelliten hervorragend. Sensornetzwerke aus IoT-Geräten wiederum verlangen nach einer niedrigen Leistungsaufnahme und möglichst lückenloser Netzabdeckung um global einsetzbar zu sein. Diese spielen besonders in der Zukunft der Logistik eine große Rolle, eine Branche, die noch am Anfang der Digitalisierung steht, aber durch gestiegene Anforderungen an Nachhaltigkeit, Vorhersagbarkeit und Zuverlässigkeit in den nächsten Jahren einen großen Wandel durchlaufen wird.
Entscheidend für die Möglichkeit bestehende Lieferketten zu optimieren ist, dass Parameter wie globale Position, Umweltdaten und produktspezifische Sensordaten in Echtzeit verfügbar sind. Bedingt durch Transportwege, die sich über Land, Wasser und durch die Luft erstrecken, ist es daher unabdinglich, dass Kommunikation sowohl über terrestrischen Funk als auch Satelliten möglich ist.
Auch Anwendungsgebieten, die klassischerweise komplett ohne IT auskamen, werden durch Innovationen im Bereich der Energiespeicher, verteilter Sensorik und Netzsysteme zunehmend digitalisiert und vernetzt. Hier existiert ein wachsender Markt im IoT-Segment durch den neue Anwendungen erschlossen und ein neuer Bedarf für technologische Lösungen geschaffen wird. Im landwirtschaftlichen Sektor wird beispielsweise die Überwachung verteilter Sensortags und die Anbindung über ein stationäres oder mobil betreibbares Backhaul-System möglich und notwendig.
Die Breitbandanbindung des Backhaul-Systems kann durch die Verwendung der hier beschriebenen Microterminals und damit durch die unabhängige Unterstützung von terrestrischen und satellitengestützten Funktechnologien eine 100%ige Netzabdeckung erreichen.
Die Überwachung von Flora und Fauna in sehr weitläufigen Gebieten ist auch auf Basis der Microterminals denkbar. Gerade im Hinblick auf die sich ändernden klimatischen Bedingungen unter dem Einfluss des weltweiten Klimawandels lässt sich ein gesteigerter Bedarf an der Untersuchung und Überwachung von Umweltparametern abschätzen. Denkbar wäre beispielsweise die Integration des Microterminals in eine Drohne zur Überwachung weitläufiger und extrem entlegener Gebiete.
Denkbar sind auch stationäre Terminals im Forstbetrieb. Durch die stetige Netzanbindung können ohne Verzögerungen Umweltdaten wie Temperatur und Feuchtigkeit in einem großen Bereich aufgenommen und abgefragt werden. Ebenfalls möglich ist der Betrieb komplexerer Systeme zur automatischen Bestimmung von Schädlingsbefall oder das Tracking von Wildtieren.
Aktueller Stand der Technik ist, dass für einzelne Anwendung spezifische Lösungen existieren. Es gibt Dienste, die von geostationären Satelliten bereitgestellt werden. Gerade im Breitbandsegment für Backhaul-Anwendungen dominieren dabei Parabolspiegelantennen. Für die neu aufkommenden LEO-Konstellationen gibt es unterschiedliche Lösungen, die dank besserer Eignung der Flat-Panel-Architektur einen größeren Grad an Miniaturisierung und damit deutlich kleinere Formfaktoren und eine stark reduzierte Energieaufnahme möglich machen. 5G-Router und LoRa-Sensoren gibt es in verschiedenen Formfaktoren, von USB-Stick bis Hutschiene, die gut in umfassendere Systemlösungen integrierbar sind. Ein Anschluss von zusätzlichen Sensoren ist jedoch bei diesen Geräten in keinem Fall vorgesehen und nur über Umwege realisierbar. Hinzu kommt, dass die verwendete Software in den seltensten Fällen eine umfassende Anpassung durch die Nutzer zulässt und so vom Einsatzzweck stets auf einen bestimmten Anwendungsfall festgelegt ist.
Projektplanung und technische Herausforderungen
1. Terminal-Hardware
Eine zentrale Entwicklung stellt der Schaltungsentwurf für die Hauptrecheneinheit inklusive Mainboard und Peripherieanbindung dar. Dabei muss das Mainboard dem breiten Anforderungsspektrum des Projektes gerecht werden. Neben Auswahl und Integration des Prozessors bedeutet dies die Schnittstellen für verschiedene terrestrische und satellitenbasierte Modems bereitzustellen. Dabei muss hinsichtlich der Fortentwicklung der Unterstützung des 5G/6G Standards von nicht terrestrischen Netzwerken genügend Flexibilität im Systemdesign für weitere Innovationen vorgesehen werden.
Zur weiteren Anbindung von Peripherie und Sensorik soll eine Schnittstelle zu LPWAN Netzen umgesetzt werden. Ferner muss auch ein Gehäuse entwickelt werden, dass dem modularen Anspruch und den unterschiedlichen Anwendungsbereichen gerecht wird. Dabei soll die Integration der Terminal-Hardware in bestehende EPAK-Systeme möglich gemacht werden, sodass das resultierende Gerät als Micro-ACU (Antenna Control Unit) eingesetzt und damit zwischenverwertet werden kann. Andererseits soll das System als eine von der Apertur unabhängige Lösung konzipiert sein. Generell liegt der Fokus auf Flat-Panel-Antennen, da diese stark von der Miniaturisierung der ACU profitieren.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der gezielten Auswahl der eingesetzten elektronischen Bauteile: der Fokus liegt dabei auf nachvollziehbaren Lieferketten und der erweiterten Verfügbarkeit, um Lieferengpässe nach Möglichkeit von vornherein zu vermeiden und damit eine uneingeschränkte Produktion zu gewährleisten.
2. Terminal-Software
Die Software-Entwicklung für die in Punkt 1. beschriebene Hardware-Plattform lässt sich grob in die Teilbereiche Betriebssystem und Low-Level Treiberentwicklung, Power- und Traffic-Management, Lokalisierung und Antennensteuerung sowie Microterminalmanagement und die Verwaltung der verteilten Sensorik unterteilen.
Auf der Grundlage des Hardware-Entwurfs müssen systemspezifische Anpassungen am Betriebssystem vorgenommen werden und die angepasste Version auf der Ziel-Hardware implementiert und getestet werden. Die Treiberentwicklung umfasst maßgeblich die Anbindung unterschiedlicher Modemarchitekturen, welche über Mini PCI Express oder M.2 Schnittstellen erfolgen soll. Mögliche Schnittstellenerweiterungen für weitere Modemtypen sollen zudem untersucht und berücksichtigt werden. Des Weiteren muss eine grundlegende Schnittstelle für die Anbindung „intelligenter“ Aperturen aufgebaut werden, die für Ausrichtung und Pointing auf Informationen aus GNSS, inertialer Sensorik und den zugehörigen Modems angewiesen sind.
Dabei liefert die Integration von inertialer Sensorik und GNSS Informationen die Grundlage für Algorithmen zur Lokalisierung und Antennensteuerung. Es werden die essentiellen Schnittstellen und Informationen zur Satellitenidentifikation und Nachverfolgung sowie die notwendigen Nutzerschnittstellen integriert.
Die LEO-basierte Satellitenkommunikation stellt dabei neue Anforderungen an potentielle Antennenterminals. Besonders dann, wenn sie hohe Bandbreiten realisieren sollen. Zwar ist durch den geringeren Abstand zwischen Terminal und Satellit, verglichen mit geostationären Satelliten, weniger Antennengewinn notwendig, andererseits muss zur Realisierung hoher Bandbreiten eine gewisse Fokussierung der Strahlungsleistung erfolgen.
Für die Ausrichtung der Apertur benötigt es Referenzinformationen zu Antennenstandort und Antennenausrichtung, die oftmals nur teilweise oder sehr ungenau vorliegen. Der geostationäre Satellit mit fixem Ortsbezug ermöglicht ein vergleichsweise einfaches Suchmuster und liefert einen festen Bezugspunkt, um die Lage des Antennenterminals zu bestimmen. Dies entfällt in LEO Anwendungen, in denen der Satellit den Standort relativ zum Antennenterminal ständig ändert.
Zur universellen Unterstützung der LEO Technologien des zu entwickelnden Microterminals sollen verschiedene Strategien zur Lokalisierung und Lagebestimmung untersucht und ausgearbeitet werden. Dabei sollen Gyrobasierte NorthFinder ebenso untersucht werden, wie beispielsweise GNSS basierte Heading-Referenzquellen. Auch Methoden, die den Verzicht auf externe Referenzinformationen ermöglichen, sollen erarbeitet werden. Die einzelnen Methoden sollen hinsichtlich Genauigkeit und Tauglichkeit für unterschiedliche Gain-Klassen der Antennenapertur untersucht werden.
Das Traffic-Management ist für diese Art von Terminal aufgrund der vielseitigen Verwendbarkeit von entscheidender Wichtigkeit. Datenströme müssen auf verfügbare Kommunikationskanäle aufgeteilt werden und dabei die Anforderungen der möglichen Dienste an Bandbreite und Latenz berücksichtigen. Die sich ständig ändernden dynamischen Anforderungen verursacht durch wechselnde Signalqualität und mögliche Unterbrechungen müssen dabei im Systemdesign berücksichtigt werden. Dabei müssen Power- und Daten-Limits eingehalten sowie durch den Nutzer konfigurierbar sein.
Generell muss eine Terminal-Management-Oberfläche entstehen, die dem Nutzer Diagnose- und Konfigurationsmöglichkeiten bereitstellt. Denkbar ist eine Webinterface-Implementierung, die eine geräteunabhängige Konfiguration ermöglicht. Durch die Vielzahl von konkurrierenden Diensten ist davon auszugehen, dass es zumindest anfangs viele unterschiedliche Vorgaben von den verschiedenen Konstellationsbetreibern geben wird. Durch ein offenes und umfassend frei konfigurierbares Management-System im Hintergrund soll die Integration jedoch möglichst einfach, aber flexibel gestaltet werde.
Neben der reinen Datenverwaltung und Datenübertragung bei verteilten Sensoranwendungen soll auch ein Frontend zur Nutzerkonfiguration sowie Datenausgabe und Aufbereitung entstehen. Es gilt die Grundlagen für ein erweiterbares Sensor-Ökosystem aufzubauen und dabei möglichst bestehende Lösungen zu berücksichtigen und zu integrieren. Bei diesem Aspekt soll der Fokus ebenfalls auf der Nutzung und Erweiterung von bestehenden Open-Source-Systemen liegen und damit einen einfachen Zugang und ein breites Anwendungsfeld ermöglichen.
Antennenentwicklung und -integration
Um die gewünschte Bandbreite an Anwendungen zu erreichen, sind unterschiedliche modular austausch- und ergänzbare Antennen-Implementierungen geplant.
Im terrestrischen Umfeld betrifft dies Antennen- und Aperturtechnologien für die Anbindung an 5G Standards und LPWAN Netzwerke.
Im Bereich der Satellitenkommunikation soll einerseits eine robuste Datenverbindung mit sehr geringer Richtwirkung wie im IOT Sektor Stand der Technik realisiert werden. Andererseits soll zur Demonstration der Möglichkeiten und Tauglichkeit des Systems im Zusammenspiel mit LEO Netzwerken das Terminal in bestehende maritime und landmobile Produkte integriert werden.
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Meilensteinplanung
1: Mainboard Spezifikation
Mit Abschluss des Meilensteins „Mainboard Spezifikation“ sind alle vorbereitenden Arbeiten am Mainboard abgeschlossen, die Schlüsselkomponenten ausgewählt und im Schaltplan integriert. Dies ist Voraussetzung für die Arbeiten an den Layouts, den Erweiterungskarten und der Software-Entwicklung.
2: Mainboard Aufbau + Test
Mit Abschluss des Meilensteins „Mainboard Aufbau + Test“ ist die Hardware-Entwicklung und der Muster-Aufbau des Mainboards abgeschlossen. Das ist Grundvoraussetzung für die Implementierung des Betriebssystems und der Treiberentwicklung.
3: Betriebssystem
Mit Abschluss des Meilensteins „Betriebssystem“ wird die grundlegende Arbeit am Betriebssystem abgeschlossen sein und das Betriebssystem auf der Zielhardware operieren. Die weiteren Software-Arbeiten basieren auf Grundlage dieser Vorentwicklung.
4: IoT, 4G/5G Funkverbindung
Mit Abschluss des Meilensteins „IoT, 4G/5G Funkverbindung“ sind die Erweiterungskarten für die terrestrischen Funkverbindungen entwickelt und produziert. Die Funkverbindungen werden aufgebaut und die Arbeit am Datenmanagement kann beginnen.
5: SatCom + LEO
Mit Abschluss des Meilensteins „SatCom + LEO“ sind die notwendigen Schnittstellen zu VSAT Systemen implementiert und es sind alle Voraussetzungen geschaffen um LEO Satelliten anzufahren und nachzuführen. Es steht die Grundlage für die Implementierung der Algorithmen für LEO-Tracking „On The Move“.
6: Technologiedemonstrator
Mit Abschluss des letzten Meilensteins „Technologiedemonstrator“ wurde der Technologiedemonstrator aufgebaut, inbetriebgenommen und getestet. Mit dem Demonstrator wird die Abschlusspräsentation durchgeführt in der die Funktionalität aller Funkverbindungen nachgewiesen wird. Die Einbindung und das Management der IoT Infrastruktur in die Terminal-Software ist damit abgeschlossen.