Wie Satelliten zu neuen Mobilfunkmasten werden: Größere Antennen und bessere Strahlformung leiten Anrufe durch den Orbit

Starlink sent and received texts over a 4G/LTE connection between mobile phones via its latest generation of satellites, called v2mini, for the first time this month, following similar projects from Amazon, Apple, AST SpaceMobile, Huawei, and Lynk Global. Starlink—the satellite constellation operated by SpaceX—will offer text messaging to subscribers of at least eight different mobile-network operators around the world and may offer voice and data coverage without the need for the ground terminals its customers now use in “coming years,” Starlink’s U.S. partner T-Mobile said in a statement.

Starlink sendete und empfing diesen Monat zum ersten Mal Texte über eine 4G/LTE-Verbindung zwischen Mobiltelefonen über seine neueste Satellitengeneration namens v2mini und folgte damit ähnlichen Projekten von Amazon, Apple, AST SpaceMobile, Huawei und Lynk Global. Starlink – die von SpaceX betriebene Satellitenkonstellation – wird Abonnenten von mindestens acht verschiedenen Mobilfunknetzbetreibern auf der ganzen Welt Textnachrichten anbieten und in den „kommenden Jahren“ möglicherweise Sprach- und Datenabdeckung anbieten, ohne dass die Bodenterminals erforderlich sind, die seine Kunden jetzt nutzen. „sagte Starlinks US-Partner T-Mobile in einer Erklärung.

The Starlink achievement is the latest example of how satellites and cellular base stations are converging. A handful of companies are exploiting cheaper satellite fabrication and launch costs, as well as adapting existing technologies such as beamforming, to bridge the several hundred kilometers between mobile phones and orbiting satellites. Among the many new wrinkles those companies have to iron out is the fact that for the first time, the towers themselves are the mobile component of the network: Low Earth orbit (LEO) satellites move at tens of thousands of kilometers an hour, so they have little time to communicate with any one mobile phone on the Earth’s surface.

Die Errungenschaft von Starlink ist das jüngste Beispiel dafür, wie Satelliten und Mobilfunkbasisstationen zusammenwachsen. Eine Handvoll Unternehmen nutzen günstigere Herstellungs- und Startkosten für Satelliten und passen bestehende Technologien wie Beamforming an, um die mehreren hundert Kilometer zwischen Mobiltelefonen und umlaufenden Satelliten zu überbrücken. Zu den vielen neuen Problemen, die diese Unternehmen beseitigen müssen, gehört die Tatsache, dass zum ersten Mal die Türme selbst die mobile Komponente des Netzwerks sind: Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO) bewegen sich mit Zehntausenden von Kilometern pro Stunde haben kaum Zeit, mit irgendeinem Mobiltelefon auf der Erdoberfläche zu kommunizieren.

The companies competing to solve these problems have so far sent and received text messages on conventional phones via a commercial satellite (Huawei/China Telecom; Lynk Global; Apple/Globalstar) and performed voice and data calls over 5G via an experimental satellite (AST SpaceMobile) as IEEE Spectrum has reported. Investors have taken notice: Lynk Global is going public in a deal that values the company at up to US $800 million while AT&T, Google, and Vodafone recently invested in AST SpaceMobile, which has a market capitalization of $674.6 million.

Die Unternehmen, die um die Lösung dieser Probleme konkurrieren, haben bisher Textnachrichten auf herkömmlichen Telefonen über einen kommerziellen Satelliten (Huawei/China Telecom; Lynk Global; Apple/Globalstar) gesendet und empfangen und Sprach- und Datenanrufe über 5G über einen experimentellen Satelliten (AST SpaceMobile) durchgeführt ), wie IEEE Spectrum berichtet hat. Investoren haben es zur Kenntnis genommen: Lynk Global geht mit einem Deal an die Börse, der das Unternehmen mit bis zu 800 Millionen US-Dollar bewertet, während AT&T, Google und Vodafone kürzlich in AST SpaceMobile investiert haben, das eine Marktkapitalisierung von 674,6 Millionen US-Dollar hat.

“I recall many discussions 10 years ago where the mobile operators told the satellite people, ‘Your price points are way too high.’ This has totally changed due to more availability of the technology, more agile development, and a different approach to failure.”—ANDREAS KNOPP, UNIVERSITY OF THE BUNDESWEHR

„Ich erinnere mich an viele Diskussionen vor zehn Jahren, in denen die Mobilfunkbetreiber den Satellitenleuten sagten: ‚Ihre Preise sind viel zu hoch.‘ Dies hat sich aufgrund der größeren Verfügbarkeit der Technologie, einer agileren Entwicklung und einer anderen Herangehensweise an Fehler völlig geändert. “ – ANDREAS KNOPP, UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR

Until very recently, satellites could not connect to mobile phones hundreds of kilometers below. The sort of satellite phones people took on expeditions to more remote places have chunky antennas, require clear lines of sight to multiple satellites, and take a while to acquire a signal. Integrating terrestrial and satellite cellular networks isn’t as easy as moving between cell towers and handing off the signal from one to the next.

Bis vor Kurzem war es Satelliten nicht möglich, Hunderte von Kilometern unter der Erde eine Verbindung zu Mobiltelefonen herzustellen. Die Art von Satellitentelefonen, die Menschen auf Expeditionen zu entlegeneren Orten mitnehmen, haben klobige Antennen, erfordern freie Sicht zu mehreren Satelliten und brauchen eine Weile, um ein Signal zu empfangen. Die Integration terrestrischer und satellitengestützter Mobilfunknetze ist nicht so einfach wie der Wechsel zwischen Mobilfunkmasten und die Weitergabe des Signals von einem zum nächsten.

Indeed, the task is so difficult that one research group built an experimental application to help an Internet-connected livestock truck equipped with its own computer switch to an onboard Starlink ground station when the truck loses the cellular network signal. Achieving a seamless integration of terrestrial and nonterrestrial networks is the ultimate goal, says study coauthor Melisa López, a wireless communications researcher at the University of Aalborg in Denmark.

Tatsächlich ist die Aufgabe so schwierig, dass eine Forschungsgruppe eine experimentelle Anwendung entwickelt hat, um einem mit dem Internet verbundenen Viehtransporter, der mit einem eigenen Computer ausgestattet ist, dabei zu helfen, auf eine integrierte Starlink-Bodenstation umzuschalten, wenn der LKW das Mobilfunknetzsignal verliert. Das ultimative Ziel sei die nahtlose Integration terrestrischer und nichtterrestrischer Netzwerke, sagt Studienmitautorin Melisa López, Forscherin für drahtlose Kommunikation an der Universität Aalborg in Dänemark.

Starlink doesn’t explain many details of its 4G connection, but existing commercial constellations reveal several of the building blocks of seamless satellite cellular connections, and researchers have published at least one promising lead for future constellations.

Starlink erklärt nicht viele Details seiner 4G-Verbindung, aber bestehende kommerzielle Konstellationen offenbaren mehrere Bausteine nahtloser Satelliten-Mobilfunkverbindungen, und Forscher haben mindestens einen vielversprechenden Hinweis für zukünftige Konstellationen veröffentlicht.

Three Keys to Connecting Phones to Satellites

Instead of redesigning mobile phones to be more like satellite phones, companies are redesigning the satellite network to meet mobile phones more than halfway. They are making the antennas on the satellites much bigger in their scramble to turn satellites into cellphone towers. For example, AST SpaceMobile’s first satellites had antennas with surface areas of 64 square meters, followed by second generation satellites with 128 m2 antennas, with plans for going up to 400 m2. Starlink’s new v2mini satellite antennas are 6.21 m2, but Starlink plans even larger cellular-compatible satellites that it will launch when its larger Starship rocket is available.

Drei Schlüssel zur Verbindung von Telefonen mit SatellitenAnstatt Mobiltelefone so umzugestalten, dass sie Satellitentelefonen ähneln, gestalten Unternehmen das Satellitennetz so um, dass Mobiltelefone mehr als zur Hälfte kompatibel sind. Sie bauen die Antennen der Satelliten viel größer aus, um Satelliten in Mobilfunkmasten umzuwandeln. Beispielsweise hatten die ersten Satelliten von AST SpaceMobile Antennen mit einer Oberfläche von 64 Quadratmetern, gefolgt von Satelliten der zweiten Generation mit 128 m2 großen Antennen, wobei eine Erweiterung auf bis zu 400 m2 geplant ist. Die neuen v2mini-Satellitenantennen von Starlink sind 6,21 m2 groß, aber Starlink plant noch größere, mobilfunkkompatible Satelliten, die es starten wird, wenn seine größere Starship-Rakete verfügbar ist.

Companies are also making their satellites more like cellphone towers by flying them lower than before. For the first few decades of the space age, communications satellites were inserted into geosynchronous orbits much higher above the Earth, where they could cover a large portion of the planet’s surface for a relatively long period of time. However, those satellites handled far fewer devices than exist today.

Unternehmen ähneln ihren Satelliten auch eher Mobilfunkmasten, indem sie sie tiefer als zuvor fliegen lassen. In den ersten Jahrzehnten des Weltraumzeitalters wurden Kommunikationssatelliten in geosynchrone Umlaufbahnen viel höher über der Erde eingesetzt, wo sie über einen relativ langen Zeitraum einen großen Teil der Planetenoberfläche abdecken konnten. Diese Satelliten verwalteten jedoch weitaus weniger Geräte als heute.

The advent of smaller and cheaper satellites and cheaper launch costs in the last decade or so have enabled business models that rely on many cheaper satellites flown in low Earth orbit. These new satellites won’t last as long but will be better able to detect the weak signals from mobile phones on the surface and handle their growing traffic.

Das Aufkommen kleinerer und billigerer Satelliten und günstigere Startkosten im letzten Jahrzehnt oder so haben Geschäftsmodelle ermöglicht, die auf vielen billigeren Satelliten basieren, die in einer niedrigen Erdumlaufbahn geflogen werden. Diese neuen Satelliten werden nicht so lange halten, aber sie werden die schwachen Signale von Mobiltelefonen an der Oberfläche besser erkennen und den wachsenden Verkehr bewältigen können.

SpaceX’s Starlink network can connect directly to an off-the-shelf cellphone, potentially eliminating the need for bulky satellite phones.STARLINK

Das Starlink-Netzwerk von SpaceX kann eine direkte Verbindung zu einem handelsüblichen Mobiltelefon herstellen, sodass möglicherweise keine sperrigen Satellitentelefone erforderlich sind.STARLINK

Another contributor is improved beamforming, which is how a transmitting device calculates the best way to direct its signal to reach a particular recipient, without interfering with other recipients. That may involve bouncing a signal off a building or mountainside, from terrestrial towers, or it may involve precise targeting of a narrow, fast-moving signal, from a satellite moving tens of thousands of kilometers per hour.

Ein weiterer Faktor ist die verbesserte Strahlformung, bei der ein Sendegerät berechnet, wie es sein Signal am besten an einen bestimmten Empfänger richten kann, ohne andere Empfänger zu stören. Dabei kann es sich um das Reflektieren eines Signals von einem Gebäude oder einem Berghang oder von terrestrischen Sendemasten handeln, oder um die präzise Ausrichtung eines schmalen, sich schnell bewegenden Signals eines Satelliten, der sich Zehntausende von Kilometern pro Stunde bewegt.

More sophisticated beamforming can involve sending the same signals from multiple antennas so that the signal’s reinforce each other, a bit like when sound waves harmonize. Anyone who has tuned a home speaker system to provide the best sound at the point of a particular couch has done beamforming, probably with the help of sophisticated software in the background.

Eine ausgefeiltere Strahlformung kann das Senden derselben Signale von mehreren Antennen beinhalten, sodass sich die Signale gegenseitig verstärken, ähnlich wie wenn Schallwellen harmonieren. Jeder, der ein Heimlautsprechersystem so eingestellt hat, dass es an der Stelle einer bestimmten Couch den besten Klang liefert, hat Beamforming durchgeführt, wahrscheinlich mithilfe einer hochentwickelten Software im Hintergrund.

In the future, it may be worth spreading the task of beamforming across even more satellites than now, write the authors of a pair of recent papers. A scenario floated in one of the studies is the use of more than two dozen tiny satellites flying in close formation to replicate the work done today by one cellular-compatible satellite. “Each of these satellites is now independent, with its own components. The main aspect is this synchronization algorithm, which has to align frequency, phase, and the time for the signals to arrive coherently,” says Diego Tuzi, a graduate student studying signal processing at the University of the Bundeswehr who, together with Knopp, is a coauthor on one of those recent papers.

In Zukunft könnte es sich lohnen, die Aufgabe der Strahlformung auf noch mehr Satelliten als bisher zu verteilen, schreiben die Autoren zweier neuerer Arbeiten. Ein in einer der Studien diskutiertes Szenario sieht den Einsatz von mehr als zwei Dutzend winzigen Satelliten vor, die in enger Formation fliegen, um die Arbeit zu reproduzieren, die heute von einem mobilfunkkompatiblen Satelliten geleistet wird. „Jeder dieser Satelliten ist jetzt unabhängig und verfügt über eigene Komponenten. Der Hauptaspekt ist dieser Synchronisationsalgorithmus, der Frequenz, Phase und Zeit aufeinander abstimmen muss, damit die Signale kohärent ankommen“, sagt Diego Tuzi, ein Doktorand, der Signalverarbeitung an der Universität der Bundeswehr studiert und zusammen mit Knopp dort tätig ist ein Co-Autor einer dieser jüngsten Arbeiten.

For now, what Starlink and its competitors are offering is very little, though it is a necessary step. “It’s better than nothing,” says Thomas Delamotte, another coauthor on the recent paper and a signal processing engineer at the University of the Bundeswehr, “but if you want to have a long-term perspective we will need new approaches to make 6G ubiquitous.”

Derzeit bieten Starlink und seine Konkurrenten nur sehr wenig an, obwohl es ein notwendiger Schritt ist. „Es ist besser als nichts“, sagt Thomas Delamotte, ein weiterer Mitautor des aktuellen Papiers und Signalverarbeitungsingenieur an der Universität der Bundeswehr, „aber wenn man eine langfristige Perspektive haben will, brauchen wir neue Ansätze, um 6G allgegenwärtig zu machen.“ .“