Tierschwärme operieren meist in abgelegen Gebieten außerhalb der Reichweite terrestrischer Kommunikationsinfrastrukturen. Daten, die im Feld mit Hilfe von Tiersendern generiert werden, können häufig nur mit einer Verzögerung von Tagen oder sogar Wochen übertragen werden. Die Anbindung bestehender Netzwerke via Satelliten ist für eine flächendeckende IoT-Konnektivität und die damit verbundene unmittelbare Datenübertragung daher unumgänglich.
Um gesammelte Daten und Informationen direkt vom Sendeknoten zum LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) übermitteln zu können, wird im Rahmen der GAIA-Initiative ein leistungsfähiges Satelliten-IoT-Funkmodul in Tiersender eingebunden. Dieses garantiert eine unmittelbare, sichere und energieeffiziente Übertragung der extrahierten Daten. Das vom Fraunhofer IIS entwickelte Kommunikationssystem basiert auf der terrestrischen mioty®-Technologie und wird für das Projektvorhaben auf satellitentypische Frequenzbänder wie L- und S-Band adaptiert. Typische Kommunikationsprotokolle, die bisweilen im IoT-Bereich eingesetzt werden, sind in der Regel auf kleine Paketgrößen ausgelegt. Die Weiterentwicklung des mioty®-Systems soll deshalb auch auf die Erhöhung der Datenrate und Nachrichtengröße abzielen, um Anwendungsszenarien wie Bildübertragungen zu ermöglichen.
Das Einbinden des IoT-Empfängers im LEO-Satellitennetzwerk ist ein weiterer Aspekt, der im Projektvorhaben umgesetzt wird. Ein IoT-Datenempfang in der Satellitenumgebung unterscheidet sich grundsätzlich von einem terrestrischen IoT-Netzwerk. Durch den niedrigen Orbit der LEO-Satelliten verändert sich die Satellitenverfügbarkeit dynamisch, je nachdem welcher Satellit gerade über dem Sender schwebt, und ist damit orts- und zeitabhängig. Aus diesem Grund müssen die Satelliten synchronisiert werden (z.B. mittels Gateway am Boden oder im Orbit), um einen stetigen Informationsaustausch innerhalb des LEO-Satelliten-Netzwerks zu gewährleisten. Außerdem hat der Satellitenüberflug aufgrund der hohen Geschwindigkeiten eine Frequenzverschiebung, den sogenannten Dopplerversatz, zur Folge. Damit die Daten weiterhin problemlos empfangen werden können, werden diese Verzerrungen vom IoT-Empfänger kompensiert. Beide Aspekte werden dabei nur im Empfänger auf dem LEO-Satelliten berücksichtigt, um die Komplexität der Sendeknoten gering zu halten.
Darüber hinaus wird im Projekt die Bidirektionalität der Kommunikationsstrecke zwischen Tiersender und Satellit ermöglicht. Dadurch kann sowohl eine Datenübertragung vom Sendeknoten zur Basisstation als auch von der Basis zum Sendeknoten erfolgen. Diese bidirektionalen Kommunikationslinks stellen nicht nur eine robuste und energieeffiziente Datenübertragung zum Satelliten sicher, sondern gewährleisten gleichzeitig eine Fernsteuerung der Sendeknoten. Da dabei ebenfalls der Dopplereffekt zu erwarten ist, dessen Kompensierung sehr rechenintensiv ist, wird die Dopplervorkompensation direkt am Satelliten durchgeführt. So bleiben die Tiersender klein und leicht.
Florian Leschka, Gruppenleiter System Design am Fraunhofer IIS, bündelt in seinem Team rund um Jonas Mrazek, Thi Uyen Ly Dang und Christof Schlund die Kompetenzen im Bereich Satellitenkommunikation. Mit innovativen Technologien entwickeln sie das Funkmodul auf dem Sender und das Pendant auf dem Satelliten und wenden das terrestrische mioty®-System auf das Satellitenszenario an.
