Eine Einführung in die Architektur von Satellitennetzwerken

Komponenten der Satellitennetzwerkarchitektur

Eine Architektur für Satellitennetzwerke besteht aus drei Hauptkomponenten:

1. Weltraumsegment.
2. Bodensegment.
3. Kontrollsegment.

Einige Experten unterteilen die Architektur nur in Weltraum- und Bodensegment, wobei sie verschiedene Teile des Kontrollsegments ihren jeweiligen Umgebungen zuordnen – Boden oder Weltraum. Dieser Artikel beschreibt die Komponenten der Satellitennetzwerkarchitektur anhand des Drei-Segment-Modells.

1. Weltraumsegment

Zum Weltraumsegment zählen die Satelliten im Orbit, die Kommunikationsverbindungen zwischen Satellit und Erde sowie, falls vorhanden, die Verbindungen zwischen Satelliten.

Startsysteme (Trägerraketen) sind zwar kein Teil des laufenden Netzwerkbetriebs, gehören aber zum Gesamtsystem, da sie Satelliten in die vorgesehene Umlaufbahn bringen.

Sobald sich ein Satellit in der Umlaufbahn befindet, übernimmt er Aufgaben wie die Datenerfassung und Signalweiterleitung. Bei modernen Systemen kommt auch eine gewisse Verarbeitung hinzu. Satelliten müssen extremen Bedingungen im All standhalten und eine lange Lebensdauer erreichen. Die Energieversorgung erfolgt typischerweise über Solarzellenflächen, als Energiespeicher werden Akkus eingesetzt, heute häufig Lithium-Ionen-Technik (je nach Plattform auch andere, historisch etwa Nickel-Wasserstoff-Systeme).

Da Satelliten durch Sonneneinstrahlung und die Abwärme ihrer Elektronik stark aufgeheizt werden können, nutzen sie thermische Regelungssysteme. Dazu zählen Isolationsmaterialien (zum Beispiel mehrlagige Thermaldecken) sowie Radiatoren und andere Elemente der Wärmeregulierung.

Die Nutzlast (Payload) umfasst alle Geräte und Systeme, die für die jeweilige Mission erforderlich sind. Das Bussystem stellt die grundlegenden Satellitenfunktionen bereit, etwa Energieversorgung, Lagekontrolle und Kommunikation.

Die Umlaufbahn des Satelliten hängt stark von seinen Services und Anwendungsfällen ab. Satelliten werden nach ihrer Umlaufbahn benannt. Es gibt unter anderem folgende Orbittypen:

• Niedrige Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO): LEO-Satelliten befinden sich in einer Höhe von circa 240 bis 2.000 Kilometer über der Erde. Typische Umlaufzeiten liegen je nach Höhe bei rund 90 bis 130 Minuten. LEO eignet sich unter anderem für Erdbeobachtung und für Kommunikationssysteme mit vergleichsweise niedriger Latenz.
• Mittlere Erdumlaufbahn (Medium Earth Orbit, MEO): MEO liegt grob zwischen LEO und GEO. MEO-Satelliten operieren in einer Höhe von ungefähr 2.000 bis 35.786 Kilometer über der Erde. Typische Anwendungen sind Navigationssatellitensysteme (GNSS). Die Umlaufzeiten liegen je nach Höhe häufig im Bereich mehrerer Stunden, bei GNSS etwa um 12 Stunden.
• Geostationäre Erdumlaufbahn (Geostationary Earth Orbit, GEO): GEO liegt in großer Höhe über dem Äquator und hat eine Umlaufzeit von 24 Stunden. GEO-Satelliten befinden sich in einer Höhe von rund 35.786 Kilometern über dem Äquator, haben eine Umlaufzeit von 24 Stunden und scheinen aus Sicht der Erde „zu stehen“. GEO wird oft für Kommunikation und Wetterbeobachtung genutzt. Ein Satellit kann geosynchron sein (gleiche Umlaufzeit wie die Erde), aber nicht geostationär, wenn die Bahn geneigt ist oder elliptisch.
• Sonnensynchrone Umlaufbahn (Sun Synchronous Orbit, SSO). Bei SSO-Satelliten handelt es sich um leichte Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn, etwa 600 bis 800 Kilometer über der Erde. Ihre Umlaufbahn ist so ausgerichtet, dass sie einen bestimmten Punkt der Erde täglich zur gleichen lokalen Sonnenzeit überfliegen. Das wird als Synchronisation bezeichnet. Typische Anwendungen von SSO-Satelliten sind Fernerkundung und Umwelt-Monitoring.

Satellitenverbindungen bilden die Signalwege im Netzwerk. Bei der Satellitenkommunikation werden je nach Anwendung verschiedene Frequenzbänder genutzt, häufig im Mikrowellenbereich, beispielsweise L-, S-, C-, Ku- oder Ka-Band. In einem Satellitennetzwerk werden die Richtungen der Signalübertragung durch Uplink und Downlink definiert:

• Satelliten-Uplink: Übertragung von einer Bodenstation zum Satelliten. In vielen Systemen liegt die Uplink-Frequenz höher als die Downlink-Frequenz (zum Beispiel im C-Band häufig 6-GHz-Uplink).
• Satelliten-Downlink: Die Übertragung vom Satelliten zurück zur Bodenstation erfolgt häufig auf einer niedrigeren Frequenz als der Uplink (zum Beispiel im C-Band häufig 4-GHz-Downlink).

Uplink-Frequenzen sind höher als Downlink-Frequenzen. Aufgrund der Dämpfung ist das Uplink-Signal jedoch schwach. Der Satellit empfängt das Signal, verstärkt es und sendet es auf einer niedrigeren Frequenz zurück zur Erde. Durch die unterschiedlichen Uplink- und Downlink-Frequenzen lassen sich Signalstörungen vermeiden.

Durch den Einsatz unterschiedlicher Uplink- und Downlink-Frequenzen werden Störungen reduziert und die Systemauslegung erleichtert. Der Transponder beziehungsweise die Nutzlast übernimmt je nach Satellitentyp transparente oder regenerative zentrale Funktionen wie Empfang, Verstärkung/Verarbeitung und erneute Aussendung. Die Anzahl und Bandbreite der Transponder ist stark satelliten- und missionsabhängig. Bei klassischen GEO-Kommunikationssatelliten sind Dutzende Transponder mit Bandbreiten im Bereich einiger 10 MHz pro Transponder üblich.

2. Bodensegment

Das Bodensegment fungiert wie eine Satellitenschnittstelle. Es besteht aus allen Bodeneinrichtungen, die die Kommunikation mit dem umlaufenden Satelliten unterstützen. Dazu gehören:

• Bodenstationen.
• Antennen.
• Terrestrische Netzwerke.
• Benutzer-Terminals.

Eine Boden- oder Erdstation ist eine Einrichtung auf der Erde, die Daten an einen umlaufenden Satelliten sendet und von diesem empfängt. Bodenstationen können entweder fest installiert oder mobil sein. Zu den mobilen Stationen zählen Flugzeuge, Schiffe auf See sowie militärische oder kommerzielle Stationen. Die Art der Erdstation hängt davon ab, welche Services das Satellitennetzwerk bereitstellt.

Bodenstationen sind strategisch so platziert, dass eine ständige Kommunikation mit dem umlaufenden Satelliten gewährleistet ist. Ihre Funktion beschränkt sich jedoch nicht nur auf das Senden und Empfangen. Bodenstationen verfügen außerdem über leistungsstarke Geräte, um Satellitendaten zu verarbeiten, zum Beispiel:

• Verstärker.
• Konverter.
• Modulatoren.
• Demodulatoren.
• Encoder.
• Decoder.

Das Bodensegment nutzt zudem hochgerichtete Parabolantennen, die auf den umlaufenden Satelliten ausgerichtet sind. Dies gewährleistet eine ungehinderte, direkte und kontinuierliche Kommunikation. Diese Antennen befinden sich in großer Höhe unter freiem Himmel, um eine hohe Verstärkung und Reichweite zu gewährleisten.

Gateway-Stationen verbinden Satellitennetzwerke mit terrestrischen Netzwerken – der bodenbasierten Netzwerkinfrastruktur, über die Endnutzer auf satellitenbasierte Dienste zugreifen. Die Hauptaufgabe des terrestrischen Netzwerks besteht darin, die vom Satelliten empfangenen Daten an verschiedene Nutzer zu verteilen. Beispiele hierfür sind Glasfasernetze, 5G-Millimeterwellen- und MLOS-Verbindungen (Microwave Line of Sight).

Endnutzer sind Verbraucher, die sich mit terrestrischen Netzwerken verbinden, um Zugriff auf Satellitendaten zu erhalten. Manchmal enthalten Endanwendergeräte Benutzer-Terminals in Form von Customer Premises Equipment (CPE), um direkt auf Daten von Satellitennetzwerken zuzugreifen. Beispiele hierfür sind DTH-Satellitenfernsehen (Direct to Home), GPS und militärische Einheiten.

3. Kontrollsegment

Das Kontrollsegment befindet sich ebenfalls auf der Erde und wird nicht vom Satelliten mitgeführt. Es besteht aus den Komponenten, die den Zustand und die Leistung des Satelliten während seines gesamten Lebenszyklus kontrollieren, überwachen und sicherstellen. Die Kontrolleinheit bildet das Kernstück des Satellitennetzwerks und sorgt für dessen Betriebsbereitschaft.

Das Kontrollsegment umfasst die folgenden Komponenten:

• TT&C-Stationen (Telemetry, Tracking and Command): Diese Stationen übernehmen die Telemetrie-, Tracking- und Steuerungsfunktionen des Satelliten. Die Telemetrie empfängt Daten über den Status des Satelliten, beispielsweise über den Batterie- und Akkuzustand, elektrische Ströme und Spannungen sowie Temperatur- und Druckwerte. Das Tracking verfolgt kontinuierlich die Position und Umlaufbahn des Satelliten relativ zur Erde. Die Steuerung sendet Befehle an den Satelliten, um Aufgaben zur Aufrechterhaltung des Systemzustands zu automatisieren.
• Lage- und Antriebsregelung: Diese Einheiten sorgen dafür, dass die Antennen und Solarzellen des Satelliten korrekt ausgerichtet sind. Falls erforderlich, führt das Kontrollsystem Positionshaltung, Lageregelung und Bahnkorrekturen durch.
• Temperaturkontrolle: Diese Funktionen sichern geeignete Temperaturbereiche für Subsysteme und Nutzlasten während Betrieb und Ruhephasen.
• Network Operations Centers (NOC): NOCs sind zentrale Schaltstellen, um die Leistung des Bodensegments zu überwachen, zu verwalten und zu kontrollieren. Während der umlaufende Satellit größte Sorgfalt erfordert, ist auch die Performance des Bodensegments für Satellitennetzwerke von entscheidender Bedeutung. NOCs überwachen ebenfalls den Datenfluss in einem Satellitennetzwerk.
• Multiple-Access-Verfahren: Sowohl Satellitennutzlasten als auch Bodenstationen setzen Multiple-Access-Verfahren ein, damit mehrere Nutzer Satellitenkanäle effizient gemeinsam verwenden können. Zu diesen Nutzern zählen Endnutzer sowie andere Satelliten innerhalb der betreffenden Konstellation. Satellitennetzwerke verwenden feste und bedarfsabhängige Zuweisungsmodi, um die verfügbare Kommunikationsbandbreite aufzuteilen. Häufig eingesetzte Verfahren sind: Time Division Multiple Access (TDMA, Zeitmultiplexverfahren), Frequency Division Multiple Access (FDMA, Frequenzmultiplexverfahren) und Code Division Multiple Access (CDMA, Codemultiplexverfahren).

Inter-Satellite Links

Inter-Satellite Links (ISL) bezeichnen Verbindungen zwischen Satelliten. ISLs können Daten innerhalb einer Konstellation weiterleiten und Abhängigkeiten von Gateways verringern, ersetzen Bodensegmente jedoch nicht in allen Architekturen. Eine Gruppe koordinierter Satelliten wird als Satellitenkonstellation bezeichnet.

Topologie von Satellitennetzwerken

Man unterscheidet bei Satellitennetzwerken drei Arten von Topologien:

• Mesh-Satellitennetzwerk: Jeder Satellit ist mit mehreren anderen Satelliten verbunden. Die Mesh-Topologie unterstützt ISLs und reduziert Redundanz. Sie bildet jedoch ein transparentes und dezentrales Netzwerk, das Signale ohne Verarbeitung weiterleitet.
• Sternförmiges Satellitennetzwerk (Hub-Spoke): Alle Bodenstationen tauschen Daten über einen zentralen Satelliten aus, der als Hub bezeichnet wird. In der Regel sind vier Bodenstationen mit einem Hub verbunden. Jedes Problem im Hub kann zu Netzwerk-Downtime führen.
• Hybrides Satellitennetzwerk: Der hybride Ansatz kombiniert Stern- und Mesh-Topologien.

Schichtenmodell von Satellitennetzwerken

Das OSI-Modell bietet einen Standard, auf dem die Satellitennetzwerkarchitektur basiert. Es dient als Blaupause für das Modell der Satellitenarchitektur, das erweitert wurde, um die spezifischen Anforderungen der Satellitenkommunikation abzubilden:

• Funkschicht (Radio Layer): Der Radio Layer ist Bitübertragungsschicht des Satellitennetzwerks. Er besteht aus Transpondern, Satellitenverbindungen, Basisbandgeräten und der für die Kommunikation erforderlichen Hardware am Boden und an Bord des Satelliten. Die Funkschicht nutzt MLOS für die Satellitenkommunikation.
• Sicherungsschicht (Data Link Layer): Diese Schicht gewährleistet die Datenintegrität durch Framing, Multiplexing sowie Fehlererkennung und -korrektur.
• Vermittlungsschicht (Network Layer): Die Hauptaufgabe der Vermittlungsschicht besteht darin, das Routing und die Adressierung zwischen Bodenstationen, Satelliten und Satellitenkonstellationen mithilfe von Networking-Protokollen durchzuführen.
• Transportschicht (Transport Layer): Die Transportschicht gewährleistet eine zuverlässige Zustellung der Datenpakete. TCP, UDP und andere Protokolle sorgen dafür, dass Datenübertragung und -empfang korrekt erfolgen. In Satellitennetzwerken kommt es bei den Transportprotokollen allerdings zu einem langsamen Start und einer verzögerten Bestätigung.
• Sitzungsschicht (Session Layer): Der Session Layer verwaltet mehrere Sitzungen, zum Beispiel mehrere Mobilstationen in einem einzigen Satellitennetzwerk.
• Darstellungsschicht (Presentation Layer): Die Darstellungsschicht ist für die Sicherheit der Satellitendaten verantwortlich. Sie kümmert sich um Datenformate, Ver- und Entschlüsselung sowie Codierung und Decodierung.
• Anwendungsschicht (Application Layer): Die Anwendungsschicht gewährleistet die Bereitstellung von Satellitenservices für Endnutzer, etwa Fernsehsendungen, DTH, GPS und Wettervorhersagen.

Anwendungsfälle für Satellitennetzwerke

Die Geschichte der Satellitenkommunikation reicht bis in die 1950er und 1960er Jahre mit dem Start von Sputnik 1 und Telstar 1 zurück. Satelliten kommen heute in vielen Bereichen zum Einsatz. Die folgenden Beispiele zeigen typische Anwendungen:

• Navigation: Äußerst populär und weitverbreitet ist der Einsatz von Satelliten für GPS auf Mobiltelefonen und Laptops. Im Vergleich zu den 1990er Jahren haben GPS-Tracking und sofortige Standortfreigabe den Alltag deutlich komfortabler und sicherer gemacht.
• Internetzugang: Satellitennetzwerke ermöglichen einen schnelleren Internetzugang in ländlichen Gebieten und unterstützen damit Bildung und Telemedizin in diesen Regionen.
• Militär: Satelliten werden seit jeher für militärische Anwendungen eingesetzt.
• Satelliten-IoT: Satelliten-IoT gewährleistet einen zuverlässigen Datenaustausch in abgelegenen oder dünn besiedelten Gebieten, in denen terrestrische Netzwerke unzuverlässig funktionieren. Außerdem lassen sich so Workloads für KI und Machine Learning mit geringer Latenz in abgelegenen Gebieten, in denen IoT-Geräte eingesetzt werden, ausführen.
• Erdbeobachtung: Hochauflösende Bilder unterstützen Kartierung, Lagebilder und Analyseaufgaben.
• Wettervorhersage und Umwelt-Monitoring. Satelliten fertigen genaue und umfangreiche Bilder von Merkmalen der Erde an. Diese Daten helfen bei der Wettervorhersage.
• Weltraumforschung. Mit modernen Geräten ausgestattete Satelliten überwachen regelmäßig den Weltraum und das Sonnensystem. Weltraumtourismus rückt in greifbare Nähe – Satellitennetzwerke werden zu einer effektiven Kommunikation zwischen Nutzern im Weltraum und auf der Erde beitragen.
• Landwirtschaft. Satelliten überwachen Anbauflächen, um den Agrarsektor zu unterstützen.
• Live-Übertragungen. Satelliten in niedriger Umlaufbahn übertragen Live-Ereignisse, um Endnutzern, die über Fernseher und Mobiltelefone zusehen, ein verbessertes Erlebnis zu bieten.
• Schifffahrt. Satellitennetzwerke helfen Schiffen bei der Navigation auf See. Schnelle Kommunikation und Navigation unterstützen lange Reisen für Logistik- und Handelsschiffe. Satelliten können in Seenot geratene Schiffe sofort erkennen und schnelle Rettungsmaßnahmen einleiten.
• Finanzwesen. Satelliten sind in der Lage, schnelle Finanztransaktionen, etwa sofortige Geldüberweisungen, digitale Geldautomaten und die sichere Verwaltung von Finanzdaten zu unterstützen.
• Energiewirtschaft und Versorgungsunternehmen. Satelliten nutzen bereits Solartechnologie für einen effizienten Datenaustausch und ein effizientes Datenmanagement.
• Bergbau. Hochauflösende Bilder und Daten von Satelliten helfen dabei, abgelegene und unberührte Gebiete für den Bergbau zu erschließen.