NTN für 5G-Advanced und 6G

Eine aussagekräftige NTN-Simulation beginnt mit der Geometrie, also Entfernung, Elevation, Blickwinkel, Dopplerverschiebung und Latenz über der Zeit, da diese Größen nahezu alle nachgelagerten Störeffekte bestimmen. Darauf aufbauend kommen Ausbreitung und Dämpfung hinzu: Freiraumeffekte werden mit atmosphärischer Dämpfung (Regen, Gase, Wolken/Nebel, Szintillation) kombiniert und Verfügbarkeitsstatistiken über das Zugriffsfenster berechnet. Wo Fading oder Selektivität eine Rolle spielen, ermöglichen standardbasierte NR-NTN-Kanalmodelle (beispielsweise die Schmalband-/TDL-Familien aus TR 38.811) eine einheitliche Methode, Empfänger einem Stresstest zu unterziehen. Außerdem muss das Modell Arrays und Beams abbilden. Schwenkbereichsgrenzen, Ausrichtungsfehler, Polarisation und Interferenzen zwischen Beams (insbesondere bei Frequenzwiederverwendung) beeinflussen Verbindungsqualität und Systemkapazität unmittelbar.

Ein praxisnaher MATLAB^®-Workflow beginnt üblicherweise mit der Szenario- und Orbitmodellierung mithilfe von satelliteScenario, um Zugriffsfenster und zeitvariable Geometrie zu generieren. Anschließend klären Ingenieure die Machbarkeit mit statischen und zeitvariablen Linkbudgets in der App Satellite Link Budget Analyzer, einschließlich einer Verfügbarkeitsanalyse nach ITU‑R P.618, um Antennen/EIRP/G/T zu dimensionieren und mögliche Frequenzbänder zu bewerten. Danach kombinieren Wellenform- und PHY-Studien die 5G Toolbox™ mit NR-NTN-Kanalmodellen, um Synchronisationsrobustheit, Kanalschätzung, Blockfehlerrate (BLER) und Durchsatz unter Doppler- und Laufzeitdynamik zu evaluieren. Im nächsten Schritt kommen Beamforming und realistisches HF-Verhalten hinzu, einschließlich Arrays, Beam Squint (frequenzabhängige Strahlablage), Quantisierungseffekten und der Nichtlinearität des Leistungsverstärkers. Über die Abstraktion der Verbindungsqualität skaliert der Workflow bis zu System-KPIs. Dieser Ansatz ebnet den Weg vom Algorithmenentwurf bis zu Labor- und Feldtests.

In NTN-Systemen entscheidet das Linkbudget über die Machbarkeit. Die Verfügbarkeit hingegen definiert, ob Leistungsziele über die Zeit erreicht werden. Üblicherweise schließen Ingenieure die Verbindung frühzeitig anhand von C/N₀, E_b/N0₀ und Reservezielen, die an Modulation und Codierung gekoppelt sind. Anschließend untersuchen sie, wie sich diese Reserven verändern, wenn sich Entfernung, Elevation und Ausrichtung über das Zugriffsfenster hinweg ändern. In bestimmten Frequenzbändern und bei bestimmten Elevationswinkeln können atmosphärische Dämpfungsprozesse dominieren. Damit wird die Verfügbarkeit zu einem zentralen KPI. Entwurfsziele werden unter Geometrie- und Wettereinflüssen häufig als „Prozentsatz der Zeit, in der ein Zielwert erreicht wird“ definiert. Dies ist besonders kritisch für Gateways und Feeder-Links.

Die Bewertung der NR-NTN-PHY-Leistung erfordert End-to-End-Simulationen, die Doppler- und Laufzeiteffekte mit BLER und Durchsatz verknüpfen. Üblicherweise simulieren Teams die physischen Kanäle mit einsatznahen NTN-Kanalmodellen (häufig auf Basis von 3GPP TR 38.811), um dopplerbedingte Störeffekte und deren Auswirkungen auf Synchronisation und Kanalschätzung zu erfassen. Strategien zur Dopplerkompensation werden explizit modelliert. Dazu gehören senderseitige Vorkompensation und empfängerseitiges Tracking, sodass der verbleibende CFO realistische Ephemeriden- und Oszillatorfehler widerspiegelt. Wo die Empfindlichkeit der Prozeduren eine Rolle spielt, wird die zeitvariable Signallaufzeit einbezogen, um ihren Einfluss auf Timing Advance, HARQ-Verhalten und Pufferung zu beurteilen. Um diese Effekte in Leistungsmetriken zu überführen, bildet ein Referenz-Workflow für den Durchsatz (beispielsweise eine Simulation des NR-NTN-PDSCH-Durchsatzes) die Kanalbedingungen auf die BLER nach der Decodierung sowie auf den Durchsatz ab.

Beamforming in NTN-Systemen muss nicht nur die Richtung der Hauptkeule, sondern auch großwinkliges Schwenken, Hardware-Einschränkungen und Interferenzen berücksichtigen. Große Schwenkwinkel führen zu Scanverlusten (Scan Loss) und Schwankungen in der Abdeckung, was das Schließen der Verbindung im gesamten Versorgungsgebiet unmittelbar beeinflusst. In Breitbandsystemen können frequenzabhängige Effekte wie Beam Squint das Beamforming-Muster verzerren und müssen beim Array-Entwurf und bei der Gewichtung berücksichtigt werden. Auch praktische Einschränkungen bei der Implementierung spielen eine Rolle. Phasenquantisierung, Elementstreuung und Kalibrierfehler prägen die Nebenkeulen und beeinflussen Interferenzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Spektrum über mehrere Beams hinweg wiederverwendet wird. Störeffekte in Sender und Empfänger beeinträchtigen die Leistung zusätzlich. Die Nichtlinearität des Leistungsverstärkers, EVM, spektrale Aufweitung und die Empfängerquantisierung wirken sich allesamt auf die Verbindungsqualität aus und müssen einbezogen werden, um das HF-Verhalten mit dem Durchsatz zu verknüpfen. Wenn sich mehrere Beams das Spektrum teilen, werden Interferenzen zu einer Einschränkung auf Systemebene. Verfahren wie Null-Steering und Interferenzunterdrückung sind unverzichtbar, um die Kapazität zu erhalten – nicht nur, um die Übertragungsverstärkung zu verbessern. (Eine umfassende technische Einführung erhalten Sie im Webinar Beamforming für NTN-Systeme mit MATLAB (29:49).)

NTN-Teams validieren Entwürfe häufig nach dem Prinzip der durchgängigen Verifikation. Dabei werden dieselben Referenzmodelle, die in der Simulation zum Einsatz kommen, beim Prototyping und in Tests wiederverwendet. Konkret bedeutet dies, dass Wellenformen in MATLAB generiert und analysiert sowie SDRs und HF-Messtechnik angebunden werden, um die Empfindlichkeit gegenüber Störeffekten und die Robustheit des Empfängers zu validieren. Anschließend werden die Algorithmen bei intakter Verifikationskette über Implementierungs-Workflows (einschließlich Codegenerierung und gegebenenfalls FPGA-Beschleunigung) an Echtzeitanforderungen herangeführt.

Um über die PHY-Ebene hinauszugehen, ohne einen vollständigen Satellitennetzwerk-Stack aufzubauen, beginnen viele Teams mit Szenarioverläufen. Zugriffsintervalle und zeitvariable Geometrie (Elevation, Dopplerverschiebung, Latenz) ergeben eine Zeitreihe der Verbindungsqualität. Statt die Wellenformverarbeitung für jedes Paket erneut auszuführen, wird die PHY-Ebene abstrahiert. Dabei werden C/N₀ oder SINR auf MCS-/Durchsatzkurven abgebildet, die aus Studien auf Verbindungsebene stammen. Dann kann ein ereignisdiskretes Modell Warteschlangen, Scheduling, Handover, Gateway-Auswahl und bei Bedarf die Verfügbarkeit von Inter-Satelliten-Verbindungen (ISL) abbilden, um Latenz/Jitter, Paketverluste und Fairness zu berechnen. Da Routing und Traffic-Engineering missionsspezifisch sind, bilden skalierbare Studien zunächst die Netzwerkmechanismen ab, die die Entwurfsentscheidungen dominieren. Anschließend werden sie über skriptgesteuerte Parameterstudien und Szenarioautomatisierung erweitert.