Binnenkort 5G bellen en data via satelliet

In de vorige twee edities van TBM hebben we spraak- en datacommunicatie via de satelliet behandeld. In dit artikel willen we vooral kijken naar de nieuwe 5G satelliet ontwikkelingen. In de laatste versie van de 5G standaard (Release 17) wordt dit generiek met NTN aangeduid: Non-Terrestial Networks. 

In TBM 4 staat een artikel over de iPhone 14 en bellen via de satelliet. In dat artikel hebben we gekeken naar de geschiedenis van bellen via de satelliet. Via de Globalstar satellieten kun je binnenkort ook in Europa vanaf de iPhone 14 noodberichten sturen. Hiervoor moet je wel een extra abonnement afsluiten, maar het kan wel een gevoel van veiligheid geven als je ergens zonder mobiele dekking gestrand bent.
In TBM 5 hebben we beschreven hoe je datacommunicatie via de satelliet kan doen. Voor consumenten heeft Starlink een interessante propositie. De datasnelheid is met de vele lage satellieten (LEO) ongeveer 100 Mbit/s downlink en ongeveer 20 Mbit/s uplink. De aanschaf van de vaste schotel is € 480. Daarnaast heeft Inmarsat met name voor professionele gebruikers datacommunicatie via geostationaire satellieten. Hiervoor zijn duurdere systemen nodig. Voor een verbinding van 50 Mbit/s downlink en 5 Mbit/s uplink, is een schotelsysteem nodig van enkele tienduizenden euro’s. Vaak wordt dit als sjouwbare kit verhuurd of verkocht. De kosten voor de Inmarsat verbinding zijn ongeveer 250 x zo hoog als wat we gewend zijn voor ons mobiele data abonnement te betalen. Het blijft daarmee wel iets speciaals. 

Niet altijd succesvol

De markt van satelliet communicatie blijft vol met nieuwe initiatieven. Heel veel daarvan zijn in de afgelopen decennia na grote aankondigingen maar moeilijk van de grond gekomen (letterlijk en figuurlijk). De bedrijven die het wel hebben gehaald, zijn meestal pas na een faillissement en een doorstart succesvol geworden. Starlink van SpaceX heeft het onder de vleugels van Elon Musk anders aangepakt: zowel de satellieten, de raketten en de ontvangstschotels zijn in eigen beheer ontwikkeld en gebouwd. Dat geeft veel betere controle over de kosten en de ontwikkelingen. T-Mobile en Starlink hebben aangekondigd dat met de volgende generatie Starlink satellieten (versie 2.0) het ook mogelijk moet zijn om datacommunicatie met gewone mobiele toestellen te gaan doen. Dit staat wel enigszins los van de 5G NTN ontwikkelingen. 

Snel overvliegen

Het is nog niet eenvoudig om 5G via de satelliet te laten communiceren. Er wordt vooral uitgegaan van LEO satellieten, die in grote constellaties op bijvoorbeeld 500 km boven het aardoppervlakte vliegen. Deze satellieten hebben een hoge snelheid van 27.000 km/h, waardoor ze maar ongeveer 6 minuten voor een gebruiker zichtbaar zijn. Daarbij zijn ook regelmatig handovers noodzakelijk naar de volgende satelliet. De juiste satelliet in de lucht terugvinden en daarmee synchroniseren is niet eenvoudig, met name als je zelf ook nog beweegt. De handover goed regelen is daardoor technisch erg complex. Door de hoge snelheid van de satellieten heb je daarnaast ook te maken met forse Doppler verschuivingen in de frequenties. Dit moet je technisch wel opvangen.  

Frequenties

Een volgend probleem is frequenties: alle banden hebben al een of meer bestemmingen, zodat het niet eenvoudig is om ruimte te vinden. De discussie rondom de 3,5 GHz band in Nederland is een goed voorbeeld. Het initiatief van Starlink en T-Mobile is daarbij interessant, want T-Mobile wil een deel van haar spectrum in de VS beschikbaar stellen voor satellietdiensten. Zij hopen dat andere operators dit ook zullen toestaan. Het blijft wel heel complex, want frequentieafspraken gelden per land, terwijl satellieten meestal in meerdere landen tegelijk te ontvangen zijn. Het is dan beter om wereldwijde afspraken te maken over de inzet van frequenties. Dat gaat mogelijk gebeuren op de wereldwijde radio conferentie volgend jaar (WRC-23). De implementatie in landelijke wetgeving duurt meestal nog wel een paar jaar. Snel een oplossing vinden blijft uitdagend en de beschikbare hoeveelheid bandbreedte zal beperkt zijn, waardoor hoge snelheden niet echt mogelijk zijn. 

Vertraging

5G is vooral ontwikkeld om op dezelfde frequentie zowel te zenden als te ontvangen, waarbij zender en ontvanger om en om wisselen. Dit heet Time Division Duplex (TDD). Dat werkt alleen als er maar weinig vertraging is. Met de zendmast op enkele kilometers afstand is dat prima te realiseren. Met een satelliet op 500 km hoogte is dat niet zinvol; zender en ontvanger zouden teveel op elkaar moeten wachten. 5G via de satelliet gaat dus alleen met verschillende frequenties voor zenden en ontvangen (FDD – Frequency Division Duplex). De hoge 5G snelheden zijn allemaal mogelijk met TDD, dus dat is voorlopig met satelliet nog niet beschikbaar. Door de hogere vertraging in de communicatie met de satelliet, moest eigenlijk de hele 5G radiostandaard tegen het licht worden gehouden. Bij allerlei signaleringsberichten moet je rekening houden met forse vertraging. Men gaat uit van een maximale Round Trip Time (RTT) van 1100 ms. Dat lijkt meer op 2G GPRS achtige verbindingen dan de 30 – 40 ms die we gewend zijn van 4G en de 10 ms of lager die we van 5G verwachten. Met LEO satellieten is 30 – 40 ms best haalbaar (dat is wat Starlink ook levert), met GEO satellieten is de vertraging eerder 500 – 600 ms. 

Signaalsterkte

De volgende uitdaging is signaalsterkte: radiosignalen worden steeds zwakker naarmate de afstand toeneemt. De grote afstand vanuit de ruimte wordt normaal gecompenseerd met grote schotels, zowel voor TV ontvangst als voor Starlink of Inmarsat. Bij Starlink is de vierkante ontvanger ongeveer 30 x 50 cm, waarbij de schotel met een behoorlijk vermogen op de satellieten wordt gericht. Het is niet realistisch om te verwachten dat normale mobiele gebruikers met grote antennes en extra accu’s gaan lopen. Daarbij wordt een mobiel toestel ook niet perfect op de satelliet gericht. Gebruikers van satelliet telefoons begrijpen dat ze de grote antenne goed op de hemel moeten richten, maar gewone smartphone gebruikers zijn daar niet mee bekend. Dit zorgt voor een additionele uitdaging. Bij de iPhone 14 wordt daarom vermeld dat je het toestel bijvoorbeeld boven je hoofd moet houden en rustig een paar minuten moet wachten op het versturen van een simpel tekstbericht. In een noodsituatie is elke verbinding welkom, maar voor normale datacommunicatie is dit niet geschikt. De Inmarsat en Starlink verbindingen zijn bijna allemaal stationaire installaties, heel anders dan normale gebruikers die rondlopen of onderweg zijn. Alleen Starlink heeft het nu aangedurfd om een oplossing te bieden voor campers, waarbij de schotel zelfs tijdens het rijden meestal nog verbinding houdt. De schotel heeft wel een paar elektromotoren, die continue de schotel naar de juiste satelliet blijft richten. Voor een smartphone niet echt een oplossing… 

Het idee bij Starlink voor communicatie met smartphones is om dan maar de satellieten in de ruimte van extra grote ontvangers van bijvoorbeeld 9 meter te voorzien, zodat ze het zwakke signaal van mobiele toestellen kunnen opvangen. 

Satelliet als basisstation?

Maar wat gaat de rol van de satelliet zijn? Is dat een zendmast in de lucht, of is het een doorgeefstation naar een 5G basisstation op aarde? Zoals het nu lijkt, zal de satelliet vooral het signaal ontvangen en op een andere frequentie doorgeven aan het grondstation, waar vervolgens de verbinding met het basisstation wordt gemaakt (zie afbeelding 1). 

streamer

Bij de iPhone 14 wordt vermeld dat je het toestel boven je hoofd moet houden en een paar minuten moet wachten op het versturen van een simpel tekstbericht 

De satelliet heeft dus geen inhoudelijke 5G functie, maar is puur een transportmedium. Het is ook mogelijk om bijvoorbeeld op een afgelegen locatie of een plek waar communicatie gewenst is (bijvoorbeeld na een ramp), een 5G basisstation te plaatsen en die via satelliet aan te sluiten. Dat wordt al gedaan sinds de komst van 2G, dat is dus niet echt iets nieuws en ook geen nieuw onderdeel van 5G NTN. De satelliet levert dan de verbinding tussen basisstation en core netwerk, zodat een koppeling met het internet kan worden gemaakt. 

In de toekomst denkt men wel dat de satelliet als 5G basisstation kan functioneren, maar daar zitten diverse technische uitdagingen aan. De satelliet zal dan veel meer processorkracht gebruiken (bijvoorbeeld voor massive MIMO) en dus ook een hoger stroomverbruik kennen. Er zitten ook voordelen aan, maar op dit moment wordt het nog niet gezien als een economisch en technisch haalbare optie. 

Datasnelheid 

Door de diverse uitdagingen rondom de verbinding met de satelliet en het beperkte zendvermogen van smartphones wordt niet verwacht dat de datasnelheid erg hoog komt te liggen. Starlink gaat uit van 2 – 4 Mbit/s. Waarschijnlijk zal het voor 5G NTN niet heel veel beter worden, waarmee het eigenlijk lijkt op 3G in plaats van 5G… Overigens is de eerste generatie 5G NTN alleen geschikt voor 5G Stand Alone gebruik, dus de betere variant van 5G. Handovers naar 4G zijn niet voorzien in de standaard, mogelijk dat dit later wordt toegevoegd.  

HAPS 

Van 5G Release 18 wordt ook verwacht dat basisstations in de lucht kunnen hangen, bijvoorbeeld onder een vliegtuig, drone of een High Altitude Platform System (HAPS) – zie foto. Door verschillende bedrijven wordt getest met vliegtuigen die lange tijd op grote hoogte kunnen blijven, als alternatief voor kostbare satelliet lanceringen. Daarnaast is het sneller te lanceren of tijdelijk ergens in te zetten.  

Satellietcommunicatie wordt gezien als een belangrijk onderdeel van toekomstige netwerken. Van 6G verwacht men een nog dynamischer netwerk, waarbij naast normale zendmasten er small cells en ook allerlei vliegende nodes en satellieten onderdeel zijn van het netwerk. Samen vormen zij een 3D netwerk, dus een hoogte dimensie aan de nu relatief platte netwerken. Dit dynamisch 3D netwerk zal zichzelf automatisch configureren en geen onderscheid meer maken tussen de verschillende verbindingen.  

Conclusie 

5G NTN is een interessante toevoeging aan een netwerk dat ontworpen is met aard gebonden zendmasten. Nu de standaard er is, ligt de uitdaging bij de industrie en mobiele operators. Op veel plekken op de aarde is het een goede toevoeging, vooral als er geen mobiele netwerken beschikbaar zijn. Er zijn nog veel technische uitdagingen, frequenties zijn nog niet geregeld en organisatorisch is het enorm complex. Een grote groep operators zal moeten samenwerken om dit van de grond te krijgen. De mobiele toestellen zullen ook additionele techniek aan boord moeten krijgen, met speciale ontvangers en antennes. Voorlopig hebben we daarom denk ik nog geen 5G NTN. De veel hogere kosten van satelliettechnologie (in toestellen, satellieten en grondstations) zitten daarbij snelle successen extra in de weg. 

3GPP Release 17 – 5G NTN 

De 5G standaard wordt door mobiele operators, leveranciers en onderzoeksinstituten samen ontwikkeld in de 3GPP organisatie. Sinds de komst van 3G zijn er elke paar jaar nieuwe versies van de mobiele standaard vastgesteld. De nieuwste versie is Release 17, waarbij er ook is bepaald hoe satellietcommunicatie via 5G kan plaatsvinden. Deze NTN communicatie is in eerste instantie bedoeld als additionele verbinding met lage datasnelheid en betrouwbaarheid. Later wordt ook voor IoT toepassingen een standaard verwacht. 

Europese Satellieten 

Na een aantal jaren van discussie, heeft de Europese Commissie in november besloten om ook een eigen satellietnetwerk voor datacommunicatie te gaan lanceren. Europa heeft met Galileo een eigen positioneringssysteem als tegenhanger van GPS van Amerika, Glonass van Rusland en Beidou van China. Met het Copernicus programma zijn door Europa meerdere satellieten gelanceerd om aardobservaties te doen, waaronder waterstanden en klimaatveranderingen. Met het eigen datacommunicatienetwerk als derde programma, wil men Europa minder afhankelijk maken van Amerika. Ook China gaat een vergelijkbaar netwerk als Starlink lanceren. Het Europese satellietnetwerk heeft als doelstelling belangrijke infrastructuren verbinden, grensbewaking ondersteunen, publieke veiligheid en humanitaire hulp bijstaan en beveiligde verbindingen leveren. Daarnaast moet het mogelijk zijn om aan consumenten en bedrijven dataverbindingen te bieden. Het plan is om in totaal 170 satellieten te lanceren die in een laaghangende baan (LEO) boven Europa en Afrika vliegen. Er zitten veel aspecten aan dit hele project, een daarvan is dat het ook de Europese ruimtevaartindustrie helpt. Vanaf 2025 moeten de satellieten worden gelanceerd, vanaf 2028 moeten de diensten beschikbaar komen. 

Over de auteur  

Eildert van Dijken is Principal Consultant bij Strict en is al vele jaren bezig met mobiele communicatie. Hij is vooral betrokken bij connectiviteitsvraagstukken, voert regelmatig onderzoek uit en publiceert over nieuwe technologieën.