Satellietcommunicatie is de laatste jaren letterlijk en figuurlijk volop in beweging. SpaceX maakt veel indruk met hun Starlink satellieten. In de 5G standaardisatie wordt nu volop onderzocht hoe satellietcommunicatie ook een rol gaat spelen. Mogelijk heeft de nieuwe iPhone 14 ook een vorm van noodcommunicatie via satellieten aan boord. In dit eerste artikel over satellietcommunicatie kijken we vooral naar spraak, het volgende artikel gaat in op datacommunicatie via satellieten.
Er zijn heel veel verschillende satellietbedrijven, we kijken hier vooral naar netwerken voor mobiele spraak. Satellietverbindingen via schotels of koffers laten we buiten beschouwing.
De oorsprong van satellieten ligt eigenlijk bij science fiction schrijvers zoals Jules Verne en Arthur C. Clarke. In de jaren vijftig werd er serieus over nagedacht in Amerika, maar alle focus lag op bemande ruimtevaart. En toen Sputnik 1 werd gelanceerd in 1957, was dat de start van de `space race’ tussen Amerika en Rusland. Uiteindelijk zijn er satellieten gelanceerd voor telecommunicatie, navigatie, TV-ontvangst (handig op de camping!) en aardobservatie. Veel satellieten hangen op een vaste plek in de lucht, zodat de schotels maar één keer hoeven te worden uitgericht. Dat uitrichten moet overigens heel secuur gebeuren en is niet voor iedereen makkelijk. Op onze vakantie was iemand daar ongeveer drie kwartier mee bezig…. Deze vaste plek in de lucht kan men bereiken door satellieten 36.000 km van de aarde te laten vliegen, dit heet een geostationaire baan, ook wel de `Clarke baan’.
GEO, MEO of LEO?
Behalve de geostationaire baan zijn er ook lagere banen in gebruik. Deze heten de Medium Earth Orbit (MEO) en de Low Earth Orbit (LEO). De Medium Earth Orbit is het gebied ongeveer tussen de 5.000 en 12.000 km hoogte, de Low Earth Orbit is grofweg vanaf 200 tot 2.000 km hoogte. Televisie satellieten zitten meestal in de Geosynchronous Earth Orbit (GEO), dat is voor schotelontvangers het makkelijkst. GEO satellieten vliegen meestal op de evenaar en kunnen daardoor niet het hele aardoppervlakte bedekken, vooral de poolgebieden missen dekking. GPS satellieten vliegen in een MEO baan, waardoor ze wel overal zijn te ontvangen. De satellieten in de GEO baan vliegen met ongeveer 11.000 km/h, terwijl de LEO satellieten met ongeveer 27.000 km/h moeten vliegen. In de lage baan is de aantrekkingskracht van de aarde veel groter, en als je langzamer vliegt kom je uiteindelijk in de dampkring terecht. LEO satellieten hebben door hun hoogte een veel kleiner dekkingsgebied en zijn ook maar kort zichtbaar vanaf de grond. Het International Space Station (ISS) vliegt op 400 km hoogte in een LEO baan. Een overzicht van GEO, MEO en LEO is bijgevoegd, waarbij alles zoveel mogelijk op schaal is gemaakt.
In de geostationaire baan zijn op dit moment ongeveer 500 satellieten, terwijl er plek is voor ongeveer 1.800. Als je belt via een satelliet in een geostationaire baan, geeft dat een behoorlijke vertraging. Ook bij televisie-uitzendingen, als een correspondent ergens anders op aarde is, is de vertraging vaak hinderlijk. Maar als dit het enige is wat werkt, kan het wel levens redden. Zowel Inmarsat als Thuraya bieden spraakdiensten op basis van GEO satellieten. Inmarsat heeft ook de verantwoordelijkheid voor noodcommunicatie op zee.
In de jaren 80 en 90 zijn diverse satellietconstellaties ontstaan voor mobiele spraak. De aardgebonden mobiele netwerken vielen in die tijd qua dekking heel erg tegen, met een satellietnetwerk hoopte men in één keer van alle problemen af te zijn.
Om de hinderlijke vertraging en dekkingsproblemen van GEO satellieten tegen te gaan, zijn constellaties gelanceerd op ongeveer 1.000 km. hoogte. De 2 grootste partijen zijn Globalstar en Iridium. Er zijn in de jaren 90 veel andere consortia gestart, maar de kosten van een LEO constellatie zijn minimaal enkele miljarden. Men dacht in korte tijd veel zakelijke gebruikers te kunnen trekken, maar die waren eind jaren negentig steeds meer tevreden met GSM. En zakelijke gebruikers zijn vooral in de bewoonde wereld, waar satellieten minder goed werken. Zowel Iridium als Globalstar zijn kort na het starten van hun dienstverlening failliet gegaan, waarna ze met een veel lagere schuldenlast konden doorstarten. Twintig jaar later bestaan beide netwerken nog steeds en zijn zelfs gemoderniseerd. Hulpverleners, avonturiers én krijgsmachten maken nog steeds gebruik van deze netwerken.
Globalstar
Globalstar is mogelijk het satellietnetwerk waarmee de nieuwe iPhone 14 kan communiceren. De Globalstar satellieten werken als een analoge repeater, waarbij er altijd een grondstation in de buurt moet zijn om contact te kunnen maken. Omdat niet op elk continent een grondstation is, is er geen wereldwijde dekking. In Noord-Amerika, Europa, Azië en Australië is er wel goede dekking. De technologie van Globalstar is relatief eenvoudig. Het signaal van je mobiele toestel wordt in de satelliet doorgestuurd naar een grondstation, er vindt geen signaalverwerking plaats. Alle intelligentie zit in het grondstation. Achter Globalstar zit Qualcomm als grote leverancier. Qualcomm speelt ook een hele grote rol in de 5G chipontwikkelingen en zit in zowel Apple– als Samsung telefoons.
Iridium
Iridium is ontwikkeld door Motorola. Motorola was in de jaren 90 marktleider op het gebied van mobiele toestellen, totdat Nokia die positie overnam. Op het gebied van professionele communicatie (portofonie e.d.) is Motorola nog steeds een belangrijke speler, maar met Iridium hebben ze weinig bemoeienis meer. Iridium biedt een andere oplossing dan Globalstar, want de satellieten hebben onderling contact. Ze zijn daardoor minder afhankelijk van een (regionaal) grondstation. Waar bij Globalstar er 24 grondstations zijn (met behoorlijke operationele kosten), heeft Iridium er slechts 4 (in Arizona, Alaska, Noorwegen en Chili). Doordat Iridium satellieten onderling contact hebben, kun dat zien als een mesh netwerk. Een Iridium satelliet is ongeveer 7 minuten boven je. Starlink werkt op een vergelijkbare wijze, de satellieten hebben daar ook onderling contact. In het Iridium netwerk kun je via satellieten met een andere gebruiker bellen, zonder dat je gesprek via een grondstation loopt. Voor overheidsdiensten was dit niet een gewenste manier van doen, want daarmee is een gesprek niet zomaar te tappen.
Frequenties
Omdat satellieten bijna overal dekking hebben, is het noodzakelijk om wereldwijde toestemming te hebben voor het gebruik van een frequentie. Daarvoor zijn internationale afspraken gemaakt en een aantal banden afgesproken. Satellieten werken in de L-Band (rond 1600 MHz), S-Band (rond 2000 MHz), C-Band (dat is ook het 5G frequentiegebied van 3400 – 4200 MHz) en diverse banden hoger dan 10 GHz (inclusief de 26 GHz 5G frequenties). In het volgende artikel over datadiensten via satelliet wordt hier verder op ingezoomd.
In onderstaande tabel is een overzicht gegeven van de belangrijkste mobiele spraak netwerken.
Voor Globalstar en Iridium was niet heel veel ruimte in de L-Band. Iridium heeft daardoor zenden en ontvangen op dezelfde frequentie gekregen. Globalstar zit in de Downlink (DL) net aan de bovenkant van de 2,4 GHz wifi band. Een aantal frequenties voor satelliet naar grondstation verbindingen zitten heel dicht op de wifi frequenties (vooral met wifi 6E) en ook 5G frequenties. Daarnaast is er ook een behoorlijke overlap in de beperkte banden. Door de groei van 5G en wifi en de grotere behoefte aan extra frequenties, zijn het vooral de satelliet – grondstation verbindingen die in de problemen komen. In Nederland zijn we daar volop mee bekend, bijvoorbeeld door de discussie rondom Burum en Inmarsat.
Satelliet op de iPhone 14?
Bij Globalstar is zoals hierboven aangegeven, Qualcomm, de toonaangevende chipsontwerper, betrokken. Globalstar heeft een wereldwijde licentie op de frequentie 2483 – 2495 MHz. Deze frequentieband is mede door toedoen van Qualcomm nu als officiële 5G band (n53) goedgekeurd. Niet geheel toevallig heeft Qualcomm vorig jaar de Snapdragon X65 5G modem gelanceerd, die n53 ondersteund. Dit modem komt in de nieuwe iPhone 14. Communicatie via satelliet en in het geval van nood lijkt mij wel een heel stoere functie en een mooie toevoeging.
Er gingen vorig jaar al geruchten dat de iPhone ook noodcommunicatie via de Globalstar satellieten zou ondersteunen, maar de iPhone 13 heeft nog het X60 Qualcomm modem uit 2020. Er zijn nu geruchten dat de nieuwe iPhone 14 deze functie wél zal krijgen. Technisch zou dit moeten kunnen. Daarnaast heeft Globalstar een geheime deal gesloten met een grote nieuwe partij. Mogelijk Apple, die met deze deal betere controle krijgt over de dienstverlening. Via Globalstar is het namelijk mogelijk om nood SMS berichten te sturen, inclusief GPS locatie. Dit is misschien wel een fijne functie als er geen mobiele netwerkdekking is. In Nederland kunnen we ons niet heel veel voorstellen bij dit probleem, maar in Amerika is dit echt wel een issue. Zelfs in Californië, als je één uur wegrijdt uit de grote steden, kom je in natuurgebieden zonder enige mobiele dekking. In grote delen van Amerika zou de mogelijkheid om een nood SMS te kunnen sturen via satelliet als unique selling point waarschijnlijk wel heel welkom zijn. Lynk en Starlink zijn hier nu ook mee bezig, zie het kader over noodcommunicatie.
Private 5G?
Maar satellietfrequenties lijken nu ook op aarde te kunnen worden gebruikt: Globalstar heeft vorig jaar een nieuwe overeenkomst gesloten om hun satellietfrequentie ook voor aardgebonden netwerken te gebruiken – in gesloten private netwerken. Dit is in januari 2021 bijvoorbeeld overeengekomen met de haven van Seattle. Nokia heeft hen ondersteund bij het ontwikkelen van netwerkapparatuur, Qualcomm met de chips voor devices. Globalstar probeert nu geld te verdienen door zich op de markt van private netwerken te begeven en met de 5G band n53 geld te verdienen door licenties te verkopen. De kans op satellietcommunicatie met de iPhone 14 lijkt daarmee ineens niet zo heel groot….
Op dit moment is er enorme interesse in allerlei vormen van satellietcommunicatie en hoe dit 5G toestellen kan verbeteren of als 5G netwerk kan dienen. In het volgende artikel kijken we verder naar die ontwikkelingen!
Toestellen en kosten
Op het moment dat je de bewoonde wereld verlaat en buiten mobiele dekking bent (wat in Nederland niet vaak meer voorkomt), kan een satelliettelefoon levensreddend zijn. Inmarsat, Thuraya, Globalstar en Iridium bieden daar mogelijkheden voor. De toestellen hebben bijna zonder uitzondering een lange antenne, die vrij zicht moet hebben op de satelliet. Bij Inmarsat en Thuraya bevindt die satelliet zich op een vaste plek, bij Globalstar en Iridium komt er regelmatig een nieuwe satelliet overvliegen (bij Iridium elke 7 minuten). De toestellen lijken nog sterk op oude GSM’s, de meeste zijn ook al heel wat jaren op de markt. De Iridium 9555 die is afgebeeld, is bijvoorbeeld al in 2010 op de markt gekomen. De kosten van telefoneren zijn substantieel: voor 1 maand een prepaid kaart met 75 belminuten op Iridium kost € 266, waarbij een toestel ook nog minimaal € 1.599,- kost. Huren kan ook, voor bijvoorbeeld € 240 voor 30 dagen. Bellen kost dan nog € 1,46 per minuut. Thuraya heeft wat goedkopere tarieven, maar bij alle providers blijven de belkosten 1 tot 2 euro, terwijl de kosten voor toegang per maand ongeveer € 100 bedragen.
Bij de introductie van Iridium (eind 1998) kostte het toestel zelfs $ 3999 en waren de belkosten $ 4,50 per minuut. Op dat moment werden in Nederland Ben, Telfort en Orange geïntroduceerd en was een GSM toestel met abonnement meestal gratis. De hoge kosten voor gebruik en het ontbreken van dekking in gebouwen zijn belangrijke redenen geweest dat het grote publiek niet warm liep voor satelliettelefonie. En nog steeds is het eigenlijk alleen interessant als je voor werk of avontuur buiten dekking van mobiele netwerken bent.
Noodcommunicatie via Satelliet
In Amerika (en op veel plaatsen in de rest van de wereld) is mobiele netwerk dekking helemaal niet gegarandeerd. Als het mogelijk is om bijvoorbeeld een nood SMS te versturen met je GPS locatie via satelliet, is dat voor veel mensen misschien wel een uitkomst. Dat communicatie via Satelliet een hot topic is, blijkt wel uit een nieuwe aankondiging van T-Mobile en Starlink. Deze bedrijven hebben aangekondigd dat het misschien al vanaf volgend jaar mogelijk is om spraak en berichten via satelliet te laten lopen. Dit zal gaan via de bestaande 4G/5G frequenties van T-Mobile, waarbij Starlink een nieuw type satelliet zal lanceren. Deze Starlink V2 satelliet zal ruim 2x zo groot zijn als de oude en een 5 tot 6 meter grote actieve antenne hebben. Elon Musk verwacht dat de datasnelheid 2 – 4Mbit/s zal zijn, voldoende voor spraak en tekstberichten. Vanwege de enorme snelheid van satellieten en onder andere Doppler effecten, werkt dit niet zomaar op een telefoon. Dat dit mogelijk is, is vorig jaar al door Lynk (niet te verwarren met Lynk&Co auto’s) gedemonstreerd. Bijna 30 operators hebben al een overeenkomst met Lynk. De oplossing van Lynk is gepatenteerd, naar verluid verwachten ze nog een telefoontje van Starlink…
Starlink en T-Mobile zijn overigens op zoek naar andere operators om mee te doen, want voor communicatie in bestaande 4G/5G frequenties is het wel goed om toestemming te hebben. Net als Lynk is het hun ambitie om wereldwijde dekking te realiseren.
