Internet aus dem Weltraum: RFIC-Fortschritte im Low Earth Orbit

Die Satellitenkommunikation (Satcom) ist ein bewährtes Mittel zur Übertragung von Sprache, Video und Daten, das in einer Vielzahl von Anwendungsfällen auf den vorherrschenden Orbitalen, dem geostationären äquatorialen Orbit (GEO), dem mittleren Erdorbit (MEO) und dem niedrigen Erdorbit (LEO) eingesetzt wird. Satcom gilt als wirksames Mittel zur GPS-Kommunikation für Navigation, Wetterinformationen, Fernsehübertragungen, Sprach- sowie Datenübertragung und wird außerdem für bildgebende und wissenschaftliche Anwendungen eingesetzt. Allerdings ist eine neue Welle von vielversprechenden Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen rund um LEO-Satellitenkonstellationen geplant. Dies wird Breitbandverbindungen mit geringer Latenz und hoher Kapazität für die Internetkommunikation der nächsten Generation ermöglichen.

LEO-Satelliten werden diesbezüglich eine wichtige Rolle bei der weiteren Verbreitung der 5G-Mobilfunkkonnektivität spielen. Satellitennetze werden zunehmend in die 3GPP-Normung einbezogen, und ihre voraussichtliche Rolle in den Netzen der Zukunft befindet sich bereits in der Entwicklung. 2017 wurden innerhalb des 3GPP-Standardisierungsgremiums Maßnahmen eingeleitet, um die Machbarkeit von Satellitennetzen innerhalb der 5G-Konnektivität zu untersuchen. In den Versionen 15, 16, 17 und 18 der 3GPP-Norm wurden mehrere Maßnahmen zur Unterstützung der Integration dieser Netze entwickelt. LEO-Satelliten können unterversorgte Gebiete flächendeckend versorgen, die Kontinuität des Dienstes für Personen auf Reisen gewährleisten, eine Verbindung zu Machine-to-Machine (M2M)/Internet of Things (IoT)-Geräten herstellen und einen bemerkenswerten und kostengünstigen Upgrade-Pfad für 5G darstellen.

LEO-Satcom-Systeme bestehen aus drei Hauptkomponenten: den Benutzerterminals/Benutzergeräten (UE), den Bodenstationen/Gateways und den Satelliten selbst (Bild 1).

Die Benutzerterminals stellen die direkte Verbindung zwischen dem Nutzer und dem Satelliten her und sind in der Regel kostengünstige, leicht einzurichtende Terminals, die sich zu Hause befinden, aber auch mobile Terminals sein können (z. B. für die Schifffahrt, Satcom on the Move, taktische Manpack-Funkgeräte).

Nutzerterminals nutzen ein hohes Maß an IC-Integration, um die Stückliste zu vereinfachen, die Kosten zu senken und kleine Formfaktoren beizubehalten. Die Bodenstationen sind die Bodenverbindungen zu den Servern in Rechenzentren für die Internetverbindung, in der Regel über Glasfaser, und sie verbinden den Satelliten mit dem Boden. Sie befinden sich an festen Standorten auf der Erde. LEO-Satelliten umkreisen in Konstellationen die Erde und stellen eine simultane Verbindung zwischen Endgeräten und Gateways her.

LEO-Satelliten bewegen sich durch den Weltraum, und in der Regel umkreist ein einzelner Satellit die Erde in einem Zeitraum von 90 bis 110 Minuten, der sogenannten Orbitalperiode. Aus diesem Grund befindet sich ein Nutzer, der sich mit dem Satelliten verbindet, nur für eine kurze Zeit (bis zu 20 Minuten) in Reichweite dieses Satelliten. Der durchschnittliche Nutzer wird also im Normalbetrieb eine Verbindung zu mehreren Satelliten herstellen. Daher müssen die Nutzer des Systems an andere Satelliten weitergereicht werden, die in Reichweite kommen, ähnlich wie bei einer Person, die ein Mobiltelefon in einem fahrenden Auto benutzt und von einer Basisstation des Mobilfunknetzes an eine andere weitergereicht wird. Dies stellt strenge Anforderungen an die Strahlsteuerung, um die bestmögliche Verbindung zu dem am besten geeigneten Satelliten aufrechtzuerhalten.

Traditionell verwenden Satelliten das Bent-Pipe-Prinzip, was bedeutet, dass der Satellit immer einen Verbindungsweg zur Erde oder zu einem anderen Mittel (Flugzeug) finden muss, das als Sprungbrett zurück zu einem anderen Satelliten im Weltraum dient, der dann in Reichweite einer Bodenstation sein könnte. Eine neue Technik sind Intersatelliten-Verbindungen, die optische oder V- und E-Band-Verbindungen im Weltraum nutzen, um Satelliten miteinander zu verbinden.

Nutzerterminals treiben die IC-Integration in erheblichem Maße voran, und Analog Devices reagiert auf diese Nachfrage durch Nutzung der Leistungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit der Silizium-Prozesstechnologie. Diese Lösungen erfordern ein Höchstmaß an IC-Integration, um kleinste Formfaktoren für Funkendgeräte zu ermöglichen und gleichzeitig den geringstmöglichen Stromverbrauch und die optimalen Kosten pro Funksystem beizubehalten.

Aufwärts-/Abwärtswandler (UDCs) sind eine wesentliche Komponente in Nutzerterminals, die als Schnittstelle zwischen den Modem-ZF- oder Basisbandinformationen und dem Ku- oder Ka-Band dienen.

Die Frequenzabdeckungsziele von RFIC-UDCs sind:

• Ku-Band: ~10,7 GHz bis ~14,5 GHz: Downlink: 10,7 GHz bis 12,7 GHz, Uplink: 14 GHz bis 14,5 GHz
• Ka-Band ~18 GHz bis ~31 GHz: Downlink: 17,7 GHz bis 21 GHz, Uplink : 27 GHz bis 31 GHz

Downlink und Uplink sind frequenzmäßig getrennt, sodass die Kommunikation vom Satelliten zum Nutzerterminal über zwei getrennte Frequenzbänder erfolgt. Daher müssen die RFIC-Hersteller die Auf- und Abwärtswandler für jedes Endgerät für separate Bänder auslegen.

Je nach Uplink und Downlink decken die Endgeräteverbindungen in der Regel Kanalbandbreiten (BW) von 125 MHz bis 250 MHz und die Gateways Bandbreiten zwischen 250 MHz und 500 MHz ab. In einigen Fällen wird die Bandbreite jedoch von den Benutzer- und Gateway-Verbindungen gemeinsam genutzt, sodass die Kanalbandbreite in den von diesen betriebenen Frequenzen rekonfigurierbar ist.

LEO-Satelliten sind ständig in Bewegung. Daher muss der Frequenzsynthesizer des Auf-/Abwärtswandlers schnelle Verriegelungszeiten für eine unterbrechungsfreie Verbindung erreichen. Synthesizer werden zur Unterstützung der Frequenzauf- und -abwärtswandlung eingesetzt. Sie sind entscheidend dafür, dass sich das Endgerät während des Betriebs mit verschiedenen Satelliten verbinden und wieder verbinden kann, da sich die Frequenz in den Betriebsbändern (d. h. im Ka- und Ku-Band) von einem Satelliten zum anderen ständig ändert.

ADI hat eine Familie von Ku- und Ka-Band-UDCs für Nutzerterminals entwickelt, um das Problem von Größe, Gewicht, Fläche, Leistung und Kosten (SWaP-C) zu lösen. Diese UDCs enthalten umfangreiche Komponenten zur RF- und IF-Signalaufbereitung wie Filter, Verstärker, Dämpfungsglieder, PLLVCOs und Leistungserkennung. Bei der Entwicklung aller ICs wurde insbesondere die Signalkettenleistung eines Nutzerterminals berücksichtigt. ADMV4630/ADMV4640 sind Ku-Band-UDCs, die eine ZF-Schnittstelle zum Satellitenmodem unterstützen. Sie sind in den Bildern 2 und 3 dargestellt, wobei die Leistung der ICs in den zugehörigen Tabellen angegeben ist.

Einige Anwendungen auf dem Endgerätemarkt sind leistungsorientiert und unterliegen weniger Beschränkungen hinsichtlich der Größe und der niedrigsten Kosten. Bei diesen besteht die Freiheit, diskrete RFIC-Lösungen zu verwenden. Die Unterbringung der Komponenten in separaten Gehäusen ermöglicht eine Mischung von Prozesstechnologien wie MESFET, pHEMT, BiCMOS und CMOS-ICs zur Optimierung aller Designanforderungen. Das diskrete Design ermöglicht viele Arten von Abwägungen zwischen Leistung und Größe und bietet maximale Flexibilität im Designprozess. Entwickler können leistungsstärkere Funksysteme entwickeln, die eine höhere Ausgangsleistung und größere Bandbreiten unterstützen. Darüber hinaus kann eine höhere Empfängerempfindlichkeit zur Verbesserung des Dynamikbereichs und des Störsignalverhaltens erreicht werden.

Es ist zu beachten, dass Bodenstationen/Gateways ebenfalls in diese Kategorie von Lösungen fallen. Gateways sind größer und unterliegen sicherlich nicht den gleichen Integrationsanforderungen wie Terminals. Gateways nutzen verschiedene Prozesstechnologien, um die leistungsoptimierteste Lösung auf den Markt zu bringen. ADI baut sein Portfolio an diskreten Lösungen weiter aus, um die verschiedenen Anwendungsfälle abzudecken. Bild 4 zeigt eine diskrete Lösung für hohe Leistungen.

Unternehmen konzentrieren sich darauf, die Kosten für die Bereitstellung von Nutzerterminals zu senken, indem sie die teuren Installationskosten einsparen, die traditionell mit einem professionellen Auftragnehmer verbunden sind, der die Geräte montiert und die Satellitenposition ermittelt. Dies wird erreicht, indem die Antenne zusammen mit der gesamten Elektronik (z. B. Phasenschieber, RFIC UDCs), die zur Verarbeitung der Kommunikationsverbindung erforderlich ist, in einer einzigen Außeneinheit (ODU) zusammengefasst wird. Die ODU ist die Antennengruppe, die sich außerhalb des Hauses befindet und auf den Himmel ausgerichtet ist. Eine Inneneinheit (IDU) ist mit der ODU verbunden und fungiert als herkömmlicher Router (verkabelt oder drahtlos), um dem Benutzer (z. B. PC oder Telefon) eine Internetverbindung bereitzustellen.

Wie bereits erwähnt, gibt es in LEO-Konstellationen viele Satelliten, die sich in das Sichtfeld des Bodenterminals hinein- und wieder herausbewegen. Daher ist es weitaus effizienter, eine elektronisch steuerbare Antenne (ESA) zu verwenden, die eine hohe Richtwirkung ermöglicht, indem sie den Sende- und Empfangsstrahl elektronisch in die Richtung des Satelliten lenkt. Dadurch wird die beste Verbindung von einem Satelliten zum anderen aufrechterhalten, wobei nahezu unmittelbar zwischen den Satelliten umgeschaltet wird, wenn sich die Satelliten in den Sichtbereich des Nutzerterminals hinein- und herausbewegen. Tatsächlich ist die ESA beinahe eine Voraussetzung, wenn man an die Umlaufzeit und die Anzahl der Satelliten denkt, mit denen während des normalen Betriebs eine Verbindung hergestellt werden muss.

Beamforming-Integrated-Circuit-Technologie

Als Antwort auf diese Herausforderung hat ADI die Ku-Band Beamforming-Integrated-Circuit-Technologie (BFIC) entwickelt. Der ADMV4680 ist eine Chiplösung für Nutzerterminals, die Halbduplex-Kanäle zur unabhängigen Steuerung von Verstärkung und Phase des Signals ermöglicht. Das IC ist dabei nur 8,2 mm² groß (Bild 5). Das Kernstück der Entwicklung der BFIC-Technologie zur Minimierung der gesamten Funksystemkosten ist das Fachwissen über Systeme und Arrays. Die mechanische Montage und das Leiterplattendesign, das auch die Stapelung und die Anzahl der Layer einschließt, sind Teil des Kostentreibers für Funksysteme. Wenn der BFIC unter Berücksichtigung des mechanischen und des Leiterplattendesigns entwickelt wird, entstehen minimale Gesamtfunkkosten.

Die Nutzung einer ESA zur Verfolgung der LEO-Satelliten und zur Optimierung der Verbindungsgeschwindigkeit ermöglicht eine kostengünstige Einrichtung und macht Systeme in der Regel sofort einsatzbereit. Der Einsatz von ESA und die Umstellung auf höher integrierte ODUs vereinfachen die Einführung radikal und senken die Systemkosten. Darüber hinaus ermöglichen ESA flachere und ästhetisch ansprechendere Designs.

Es ist anzumerken, dass im Falle von Hochleistungs-Terminalanwendungen eine duale parabolisch gesteuerte Antenne verwendet wird. In diesen Anwendungsfällen spielen Kosten und Ästhetik keine Rolle, sondern es steht die Gesamtleistung im Vordergrund. Wenn es um Lösungen für Verbraucher und kostenbewusste Kleinunternehmen geht, sind ESA bei weitem der beste Weg, um die niedrigsten Funksystemkosten zu erreichen und gleichzeitig die Ziele des Systemdesigns zu erfüllen. (na)