Einleitung

Dieser Artikel stellt wichtige Markttrends vor, die den Einsatz von Low Earth Orbit (LEO)-Satelliten vorantreiben. Es wird den grundlegenden Betrieb eines LEO-Satellitensystems diskutieren und einige der Halbleiter-RFIC-Fortschritte vorstellen, die die nächste Generation von LEO-Benutzern und Bodenterminals im Ku- und Ka-Band ermöglichen.

LEO-Konnektivität – Der Weg zum Erfolg

Satellitenkommunikation (Satcom) ist ein etabliertes Mittel zur Übertragung von Sprache, Video und Daten und wird in einer Vielzahl von Anwendungsfällen in den vorherrschenden Umlaufbahnen eingesetzt, die als geostationäre äquatoriale Umlaufbahn (GEO), mittlere Erdumlaufbahn (MEO) und LEO bezeichnet werden. Satcom wird als effektives Mittel zur Kommunikation von GPS für Navigation, Wetterinformationen, Fernsehübertragungen, Sprache und Daten angesehen und wird auch für bildgebende und wissenschaftsbasierte Anwendungen verwendet. Es ist jedoch eine neue Welle versprochener Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen rund um LEO-Satellitenkonstellationen geplant. Dies wird eine Breitbandkonnektivität mit geringer Latenz und hoher Kapazität für die Internetkommunikation der nächsten Generation liefern.

LEO-Satelliten werden bei der weiteren Einführung von 5G-Mobilfunkverbindungen eine wichtige Rolle spielen. Satellitennetzwerke werden immer mehr in die 3GPP-Standardisierung einbezogen, und ihre erwartete Rolle in den Netzwerken der Zukunft befindet sich in der Entwicklung. Im Jahr 2017 begannen Aktivitäten innerhalb des 3GPP-Standardisierungsgremiums, um die Machbarkeit von Satcom-Netzwerken innerhalb der 5G-Konnektivität zu verstehen. Durch die Releases 15, 16, 17 und 18 des 3GPP-Standards wurden mehrere Aktivitäten entwickelt, um die Integration dieser Netzwerke zu unterstützen. LEO-Satelliten können unterversorgte Gebiete weiträumig abdecken, Menschen unterwegs Kontinuität des Dienstes bieten, sich mit Machine-to-Machine (M2M)/Internet of Things (IoT)-Geräten verbinden und ein bemerkenswerter Upgrade-Pfad für 5G in a sein kosteneffektive Weise.

Die nächste Generation von LEO-Systemen wird zwischen 500 km und 2000 km über der Erdoberfläche kreisen und eine technisch überlegene Lösung für Satellitennetzwerke der Vergangenheit bieten. Diese Nähe zur Erde bedeutet, dass sie Verbindungen mit geringerer Latenz liefern, was für Verbraucher- oder Geschäftsanwendungsfälle wichtig ist (z. B. Internetspiele oder die Steuerung von industriellen/medizinischen Geräten in Echtzeit). LEO-Satelliten sollten etwa 50 ms Latenz liefern (und dies wird sich mit der Technologie der nächsten Generation auf <20 ms verbessern) im Vergleich zu beispielsweise GEO, das 700 ms beträgt.

Ein Schlüsselfaktor für LEO-Satelliten ist, dass sie aufgrund der niedrigeren Umlaufbahn viel geringerer Strahlung ausgesetzt sind. Dies ist wichtig, da es bedeutet, dass die teuren und manchmal unerschwinglichen strahlungsgehärteten Tests gelockert werden können. Dies wird zu Skaleneffekten führen, da die Kosten für den Bau eines LEO-Satelliten jetzt drastisch reduziert werden. Weniger Strahlung bedeutet eine breitere Verfügbarkeit von Halbleiterprozessen und damit von Komponenten für den Einsatz.

Angesichts der niedrigeren Umlaufbahn ist mit einer viel größeren Anzahl von eingesetzten Satelliten zu rechnen. Die durchschnittliche Lebensdauer solcher Satelliten wird viel kürzer sein als bei früheren Anwendungsfällen; vielleicht zwischen 5 und 8 Jahren, danach fallen diese Satelliten aus der Umlaufbahn und müssen ersetzt werden. LEO-Satelliten müssen kostengünstig sein, um Ersatz zu starten und neu zu starten.

All diese Trends lassen Branchenwächter aufmerksam werden, da der Business Case für LEO-Breitbandkonnektivität allmählich stark aussieht. Wenn wir uns an die 1990er Jahre erinnern, war dieses Internet-Unternehmen das Ziel mehrerer Unternehmen, aber es war leider ein Fehlschlag aufgrund der hohen Bereitstellungskosten und der begrenzten Nachfrage. Spulen wir bis heute vor und wir sehen bemerkenswerte Fortschritte in der Halbleitertechnologie, die beispiellose Leistung und Integration bieten. In Verbindung mit der exponentiellen Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen mit geringer Latenz in ländlicheren oder unterversorgten Umgebungen und der Integration von Satcom in 5G-Standards befinden sich die LEO-Konstellationen der Zukunft auf einer viel besseren Erfolgsplattform.

Zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels wird erwartet, dass Benutzer maximale Downlink-Datengeschwindigkeiten von 100 Mbit/s erreichen könnten, und dies könnte in Zukunft auf 150 Mbit/s erweitert werden, was ideal für Video-Streaming mit mehreren Benutzern und in Vollzeit ist.

Eine Herausforderung bei LEO ist die ständige Bewegung von Satelliten – die Konstellation muss wirklich vollständig eingesetzt werden, um ein minimal brauchbarer Dienst zu werden. Dies bedeutet, dass die anfänglichen Kosten hoch sind, da die Anzahl der LEO-Satelliten aufgrund ihrer niedrigeren Umlaufbahn größer ist. Aber auch so scheint dies derzeit kein Hindernis für den Erfolg zu sein, und der Geschäftsnutzen für eine allgegenwärtige Abdeckung ist für Investoren stark.

Wie funktioniert ein LEO-Satellitensystem?

LEO Satcom-Systeme bestehen aus drei Hauptkomponenten, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Benutzerendgeräte/Benutzergeräte (UE)

Diese stellen die direkte Verbindung zwischen dem Benutzer und dem Satelliten dar und sind in der Regel kostengünstige, einfach einzurichtende Endgeräte, die sich zu Hause befinden, können aber auch mobile Endgeräte sein (z. B. Seefahrt, Satcom unterwegs, taktische Manpack-Funkgeräte). Benutzerterminals nutzen ein hohes Maß an IC-Integration, um die Stückliste (BOM) zu vereinfachen, Kosten zu senken und einen kleinen Formfaktor beizubehalten.

Bodenstationen/Gateway

Dies sind die Bodenverbindungen zu den Servern (Rechenzentren für die Internetverbindung), typischerweise über Glasfaser, und sie verbinden den Satelliten mit der Erde. Sie werden an festen Orten auf der ganzen Erde eingesetzt.

Satelliten

Gruppen von Satelliten werden Konstellationen genannt, und diese umkreisen die Erde und bieten simultane Verbindungen, um sowohl Terminals als auch Gateways zu verbinden.

LEO-Satelliten bewegen sich durch den Weltraum und normalerweise umkreist ein einzelner Satellit die Erde in einem Zeitraum von 90 Minuten bis 110 Minuten, der als Umlaufzeit bezeichnet wird. Aus diesem Grund befindet sich ein Benutzer, der sich mit dem Satelliten verbindet, nur für kurze Zeit (bis zu 20 Minuten) in Reichweite dieses Satelliten. Der durchschnittliche Benutzer wird sich also während des normalen Betriebs mit mehreren Satelliten verbinden. Daher müssen Benutzer des Systems an andere Satelliten übergeben werden, die in Reichweite kommen, in ähnlicher Weise wie eine Person, die ein Mobiltelefon in einem fahrenden Auto verwendet, und eine Basisstation in dem zellularen Netzwerk an eine andere weiterreicht. Dies stellt strenge Anforderungen an die Lenkung der Strahlen, um die beste Verbindung zum am besten geeigneten Satelliten aufrechtzuerhalten.

Eine weitere interessante Entwicklung ist, wie ein Satellitensystem den Betrieb aufrechterhält, wenn es sich außerhalb der Reichweite einer Bodenstation befindet. In Abbildung 1 zeigen wir einige ungünstige Wetterbedingungen, die die Verbindungsgeschwindigkeit zur Bodenstation beeinträchtigen können. Traditionell verwenden Satelliten gebogene Rohre, was bedeutet, dass der Satellit immer einen Verbindungspfad zur Erde oder zu einem anderen Mittel (Flugzeug) finden muss, um als Sprung zurück zu einem anderen Satelliten im Weltraum zu dienen, der sich dann in Reichweite einer Bodenstation befinden könnte. Eine neue Technik sind Verbindungen zwischen Satelliten, die optische oder V- und E-Band-Verbindungen im Weltraum verwenden, um Satelliten zu verbinden.

Fortschritte bei Aufwärts-/Abwärtswandlern für Benutzerterminals

Benutzerterminals treiben ein erhebliches Maß an IC-Integration voran, und Analog Devices reagiert auf diese Nachfrage, indem es die Leistung und Integrationsfähigkeit der Siliziumprozesstechnologie nutzt. Diese Lösungen erfordern ein Höchstmaß an IC-Integration, um das Funkterminal mit dem kleinsten Formfaktor zu ermöglichen, während gleichzeitig der niedrigste Stromverbrauch und die strikte Einhaltung der optimalen Kosten pro Funkgerät beibehalten werden.

Aufwärts-/Abwärtsumsetzer (UDCs) sind ein grundlegendes Produkt in Benutzerendgeräten, und sie koppeln die Modem-ZF- oder Basisbandinformationen direkt an das Ku-Band oder Ka-Band.

Die Frequenzabdeckungsziele von RFIC UDCs sind:

• Ku-Band: ~10.7 GHz bis ~14.5 GHz
  • Downlink (Satellit zum Boden): 10.7 GHz bis 12.7 GHz
  • Uplink (Boden zu Satellit): 14 GHz bis 14.5 GHz
• Ka-Band: ~18 GHz bis ~31 GHz
  • Downlink (Satellit zum Boden): 17.7 GHz bis 21 GHz
  • Uplink (Boden zu Satellit): 27 GHz bis 31 GHz

Downlink und Uplink sind frequenzmäßig getrennt, sodass die Kommunikation vom Satelliten zum Benutzerendgerät zwei getrennte Frequenzbänder verwendet. Daher müssen RFIC-Unternehmen für jedes Benutzerterminal einen Aufwärts- und Abwärtswandler für getrennte Bänder entwerfen.

Abhängig von Uplink vs. Downlink decken Benutzerterminal-Links typischerweise Kanalbandbreiten (BW) von 125 MHz bis 250 MHz ab und Gateways decken zwischen 250 MHz und 500 MHz ab. Einige Bereitstellungen verfügen jedoch über eine gemeinsame Bandbreitenfunktion zwischen den Benutzer- und Gateway-Links, sodass die Kanalbandbreite in den von ihnen betriebenen Frequenzen neu konfiguriert werden kann.

LEO-Satelliten bewegen sich ständig, wie in Abbildung 1 gezeigt. Daher muss der Frequenzsynthesizer des Aufwärts-/Abwärtswandlers innerhalb des Terminals schnelle Verriegelungszeiten für eine ununterbrochene Verbindung erreichen. Synthesizer werden verwendet, um die Frequenzaufwärtswandlung und -abwärtswandlung zu unterstützen. Sie spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass sich das Terminal während des Betriebs mit verschiedenen Satelliten verbinden und wieder verbinden kann, da sich die Frequenz über die Luft innerhalb der Betriebsbänder (d. h. Ka- und Ku-Bänder) von einem Satelliten zum anderen ständig ändert.

ADI hat eine Familie von Ku- und Ka-Band-UDCs entwickelt, die auf Benutzerterminals abzielen, um das Problem der Größe, des Gewichts, der Fläche, der Leistung und der Kosten (SWaP-C) anzugehen. Diese UDCs enthalten umfangreiche HF- und ZF-Signalkonditionierung wie Filter, Verstärker, Dämpfungsglieder, PLLVCOs und Leistungserkennung. Alle ICs sind absichtlich unter Berücksichtigung der Signalkettenleistung eines Benutzerterminals konzipiert. Die ADMV4630/ADMV4640 sind Ku-Band-UDCs, die eine ZF-Schnittstelle zum Satellitenmodem unterstützen und in den Abbildungen 2 und 3 mit Höhepunkten der Leistungsfähigkeit der ICs in den Tabellen dargestellt sind.

Für das höherfrequente Ka-Band hat ADI die UDCs ADMV4530/ADMV4540 (Abbildung 4 und Abbildung 5) entwickelt, die Satcom-Modems unterstützen, die eine I/Q-Basisbandschnittstelle benötigen. Beachten Sie, dass der Aufwärtswandler ADMV4530 ein Dual-Mode-Gerät ist, das auch eine ZF-Schnittstelle unterstützen kann. Diese auf Silizium ausgelegten Lösungen bieten den höchsten Grad an Integration, um den Integrationsdruck zu bewältigen, der bei diesen hochvolumigen Terminalanwendungen auftritt.

Terminal-UDCs mit höherer Leistung

Einige Anwendungen auf dem Endgerätemarkt sind leistungsorientiert und haben weniger Einschränkungen hinsichtlich ihrer Größe und der Ziele für das kostengünstigste Design. Sie haben die Freiheit, diskrete RFIC-Lösungen zu verwenden. Die Aufbewahrung von Komponenten in separaten Gehäusen ermöglicht eine Mischung aus Prozesstechnologien, einschließlich MESFET-, pHEMT-, BiCMOS- und CMOS-ICs, um jede Designanforderung zu optimieren. Das diskrete Design ermöglicht viele Arten von Kompromissen zwischen Leistung und Größe und bietet maximale Flexibilität im Designprozess. Designer können leistungsstärkere Funkgeräte entwickeln, die eine höhere Ausgangsleistung bieten und größere Bandbreiten unterstützen. Darüber hinaus kann eine höhere Empfängerempfindlichkeit zur Verbesserung des Dynamikbereichs und eine verbesserte Störleistung erzielt werden. Zu beachten ist, dass auch Bodenstationen/Gateways in diese Kategorie von Lösungen fallen. Gateways sind größer und werden sicherlich nicht von den gleichen Integrationsanforderungen auf Terminalebene angetrieben. Gateways nutzen verschiedene Prozesstechnologien, um die leistungsoptimierte Lösung auf den Markt zu bringen. Bei ADI bauen wir das Portfolio diskreter Lösungen weiter aus, um die Anwendungsfälle zu adressieren. Abbildung 6 zeigt eine diskrete Hochleistungslösung.

Senken der Kosten von Benutzerterminals unter Verwendung einer elektronisch steuerbaren Antenne

Unternehmen konzentrieren sich darauf, die Kosten für die Bereitstellung von Benutzerterminals zu senken, indem sie die teuren Installationskosten beseitigen, die traditionell mit einem professionellen Auftragnehmer verbunden sind, der die Ausrüstung montiert und die Satellitenposition lokalisiert. Dies wird erreicht, indem die Antenne zusammen mit der gesamten Elektronik (z. B. Phasenverschiebungselementen, RFIC UDCs), die zur Verarbeitung der Kommunikationsverbindung erforderlich ist, in einer einzigen Außeneinheit (ODU) kombiniert wird. Die ODU ist die Antennengruppe, die sich außerhalb des Hauses befindet und auf den Himmel gerichtet 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, werden LEO-Konstellationen viele Satelliten haben, die sich in das und aus dem Sichtfeld des Bodenterminals bewegen, so dass es weitaus effizienter ist, die elektronisch steuerbare Antenne (ESA) zu verwenden, da sie durch elektronische Steuerung des Sende- und Empfangsstrahls eine hohe Richtwirkung ermöglichen kann Energie in Richtung des Satelliten. Dadurch wird die beste Verbindung von einem Satelliten zum anderen aufrechterhalten, wobei nahezu augenblicklich zwischen Satelliten umgeschaltet wird, wenn sich die Satelliten in das und aus dem Sichtfeld des Benutzerterminals bewegen. Tatsächlich ist die ESA fast eine Voraussetzung, wenn man an die Umlaufzeit und die Anzahl der Satelliten denkt, mit denen während des normalen Betriebs verbunden werden muss.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ADI die Ku-Band-Beamforming-Integrated-Circuit-Technologie (BFIC) entwickelt. Der ADMV4680 ist eine Siliziumlösung, die für Benutzerterminals entwickelt wurde und es Halbduplex-Kanälen ermöglicht, die Verstärkung und Phase des Signals unabhängig zu steuern. Bemerkenswert ist, dass die Größe dieses ICs nur 8.2 mm beträgt² wie in Abbildung 7 gezeigt.

Der Kern der Entwicklung der BFIC-Technologie zur Minimierung der Gesamtfunkkosten ist das System- und Array-Know-how. Die mechanische Montage und das PCB-Design, einschließlich des Aufbaus und der Anzahl der Schichten, sind Teil des Funkkostentreibers. Wenn der BFIC unter Berücksichtigung des mechanischen Designs und des PCB-Designs entwickelt wird, entstehen minimale Gesamtfunkkosten. Bei ADI arbeiten wir eng mit Kunden zusammen und haben interne PCB-Experten, die uns dabei helfen. Tatsächlich sind das IC-Design und die endgültige Konfiguration Teil der System-Trade-Off-Studie.

Die Einführung der ESA sowohl zur Verfolgung der LEO-Satelliten als auch zur Optimierung der Verbindungsgeschwindigkeit ermöglicht eine kostengünstige Einrichtung, die in der Regel Plug-and-Play ist. Die ESA und die Migration zu stärker integrierten ODUs vereinfachen die Bereitstellung radikal und senken die Kosten des Systems. Die ESA ermöglicht auch ein flacheres Panel und ästhetisch ansprechende Designs.

Es ist erwähnenswert, dass im Fall von Terminalanwendungen mit der höchsten Leistung eine doppelt parabolisch gelenkte Antenne verwendet wird. In diesen Fällen sind Kosten und Ästhetik keine primären Faktoren, und die Gesamtleistung steht im Mittelpunkt. Wenn es um verbraucher- und kostenbewusste Lösungen für kleine Unternehmen geht, ist ESA bei weitem der beste Weg, um die niedrigsten Funkkosten zu erzielen und gleichzeitig die Systemdesignziele zu erreichen.

Zusammenfassung

Die LEO-Internetkonnektivität ist ein neuer und aufregender Bereich, und der Wettlauf um den Weltraum beschäftigt heute die meisten Regierungen und Internetanbieter. Da die Welt immer stärker vernetzt wird, wird LEO eine wichtige Rolle bei 5G spielen, indem es die Konnektivität des 3GPP-Standards vom Weltraum bis zu ländlichen Orten weiter verbessert. Die Anforderungen an die RFIC-Integration auf Benutzerterminals werden immer anspruchsvoller und ADI entwickelt weiterhin Lösungen und Roadmap-ICs in diesem Bereich.

Mit freundlicher Genehmigung: Analog Devices

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• Quelle: https://www.eletimes.com/the-internet-from-space-rfic-advances-in-high-capacity-low-latency-leo-satellite-user-and-ground-terminals