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Fliegende Kommunikationsnetzwerke

Die permanente Verfügbarkeit mobiler Kommunikationsdienste ist für viele Menschen heute zur Normalität geworden. Die allgegenwärtige Breitbandkonnektivität sowie das starke Wachstum von Internetdiensten und Anwendungen haben nicht nur einen tiefgreifenden Einfluss auf die alltägliche Kommunikation im Geschäfts- und Privatleben – auch viele Freizeitaktivitäten, wie zum Beispiel der Audio-, Video- und Spielkonsum, wurden weitgehend durch digitale Dienste übernommen.

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Diese Entwicklungen machen auch vor der Flugzeugkabine nicht halt. Die Luftfahrtindustrie stellt dem Passagier seit Jahrzehnten In-Flight-Entertainment-Systeme (IFE) zur Unterhaltung an Bord zur Verfügung, jedoch erwarten heute viele Passagiere zusätzlich den Zugang zum Internet. Da Flugzeuge hoch und schnell fliegen und sich auch auf interkontinentalen Routen bewegen, stellen die physikalischen Rahmenbedingungen hohe Ansprüche an traditionelle Telekommunikationslösungen, welche in Reichweite, Bandbreite und durch den Bedarf an Radiofrequenzen begrenzt sind. Aus diesen Gründen stellt heute die Satellitenkommunikation über Mikrowellen die im Wesentlichen verfügbare Technologie dar. Nachteilig bei der heutigen Satellitenkommunikation sind hohe Infrastrukturkosten, der Frequenzbedarf und lange Signallaufzeiten, die sich in Verzögerungen im Datenstrom bemerkbar machen. Luft-Boden-Lösungen bieten zwar eine weitere Möglichkeit zur Telekommunikation, die Verfügbarkeit ist hier jedoch aufgrund der begrenzten Reichweite auf Überlandflüge beschränkt.

Ein neuartiges Konzept sind die Anfang der 2000er Jahre für die Zivilluftfahrt vorgeschlagenen fliegenden Kommunikationsnetzwerke, die insbesondere durch das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) untersucht worden sind. Dadurch, dass Flugzeuge Drahtlosnetzwerke aufbauen, kann eine Datenübertragung zu Bodenstationen jenseits des Radiohorizontes genutzt werden. Anstatt Radioverbindungen zu nutzen, hat das Bauhaus Luftfahrt jedoch früh die Nutzung von Laserverbindungen vorgeschlagen. Die Vorteile liegen in der hohen verfügbaren Modulationsbandbreite mit Punkt-zu-Punkt-Kapazitäten im Bereich von mehreren Gigabit pro Sekunde. Dadurch, dass die Flugzeuge auch untereinander mit derselben Kapazität vernetzt sind, ergeben sich darüber hinaus neue Möglichkeiten: Auch ohne Internetzugang könnte dies das Teilen großer Datenmengen zwischen Flugzeugen ermöglichen, zum Beispiel um den Passagieren unabhängig vom Internet einen größeren Satz an tagesaktuellen Daten verfügbar zu machen. Das Teilen von Wetterdaten der Flugzeuge untereinander könnte darüber hinaus zum Beispiel für Optimierungen bei der Sicherheit und Flugführung sorgen.

Da Laserkommunikation empfindlich gegenüber Wolken und Turbulenzen in der Atmosphäre ist, können Verbindungsausfälle auftreten. Idealerweise würde man einen hybriden Ansatz wählen, der zum Beispiel Mikrowellenverbindungen als Ausweichoption vorsieht – im Prinzip bietet das Netzwerkkonzept jedoch intrinsische Robustheit, da idealerweise mehrere Pfade im Netzwerk von Punkt zu Punkt vorhanden sind und somit Ausfälle einzelner Verbindungen kompensiert werden können. Um also die Potenziale und Limitierungen dieser Netzwerke zu untersuchen, wurde eine Simulationsumgebung entwickelt, die den weltweiten kommerziellen Luftverkehr auf Basis von Flugdatenbanken modellieren kann. Hierbei können auch Wolkendaten berücksichtigt werden, um den Einfluss auf die Verfügbarkeit von Verbindungen zu quantifizieren. Aus den Flugbewegungen selbst können Statistiken über die relativen Abstände zwischen Flugzeugen evaluiert werden, um die Anzahl der erwarteten Nachbarn in Kommunikationsreichweite zu ermitteln und Anforderungsanalysen an die Kommunikationssysteme durchführen zu können. Das Netzwerk kann für eine gegebene Reichweite ebenfalls simuliert werden, um bestimmte Metriken, wie zum Beispiel das Verhältnis der teilnehmenden Flugzeuge, in unterschiedlichen Szenarien auszuwerten. Der Einfluss von zusätzlichen Laserverbindungen zu Satelliten auf das Netzwerk kann dabei ebenfalls untersucht werden. Satellitenlinks können einerseits die Gesamtkonnektivität erhöhen, andererseits können sie auch genutzt werden, um den Netzwerkdurchsatz durch Optimierung der Datenströme im Netzwerk zu maximieren.

Das laserbasierte Netzwerk wird den traditionellen Flugfunk in der Zukunft nicht ersetzen, sondern bietet das Potenzial, für die Luftfahrt zusätzlich sehr hohe Kommunikationskapazitäten bereitzustellen. Das Ad-hoc-Netzwerk ist in Bereichen mit hohem Flugverkehr am effizientesten; da es Satellitenkommunikationssysteme entlastet, kommt dies jedoch auch Flugzeugen außerhalb von Netzwerkclustern auf weniger frequentierten Routen zugute. Ein zukünftiges Konzept kann mit heutigen Smartphones verglichen werden, die zwischen verschiedenen Zugangstechnologien wie Mobilfunknetz und WLAN wechseln können – entsprechend könnten Flugzeuge in Zukunft zwischen Satelliten-, Boden- und Ad-hoc-Netzwerk wechseln, je nachdem, welche Lösung den aktuell bestmöglichen Zugang zu angeforderten Daten bietet.

  • Fliegende Kommunikationsnetzwerke
    Fliegende Kommunikationsnetzwerke
  • Im Konzept der fliegenden Kommunikationsnetzwerke verbinden sich Flugzeuge untereinander mit Laserlinks. Wenn die Flugzeugdichte genügend hoch ist, formen sich eng vermaschte Netzwerke zwischen Flugzeugen und Internetzugangspunkten, die durch Bodenstationen, Höhenplattformen und Kommunikationssatelliten bereitgestellt werden können. Somit kann der Zugang zu Internetinhalten für alle Flugzeuge im vernetzten Schwarm über Multi-Hop-Übertragung gewährleistet werden. Darüber hinaus können die Verbindungen auch ohne Internetzugang genutzt werden, um Daten zwischen Flugzeugen auszutauschen.
    Im Konzept der fliegenden Kommunikationsnetzwerke verbinden sich Flugzeuge untereinander mit Laserlinks. Wenn die Flugzeugdichte genügend hoch ist, formen sich eng vermaschte Netzwerke zwischen Flugzeugen und Internetzugangspunkten, die durch Bodenstationen, Höhenplattformen und Kommunikationssatelliten bereitgestellt werden können. Somit kann der Zugang zu Internetinhalten für alle Flugzeuge im vernetzten Schwarm über Multi-Hop-Übertragung gewährleistet werden. Darüber hinaus können die Verbindungen auch ohne Internetzugang genutzt werden, um Daten zwischen Flugzeugen auszutauschen.
  • Der weltweite Luftverkehr befindet sich im Wachstum, welches entsprechend einschlägiger Prognosen weiterhin anhalten wird. Dadurch, dass höhere Luftverkehrsdichten auf der einen Seite den Bedarf an Datenkommunikation erhöhen und auf der anderen Seite die Verfügbarkeit von Netzwerkverbindungen verbessern, wird der Vorteil der Skalierbarkeit des Konzeptes deutlich.
    Der weltweite Luftverkehr befindet sich im Wachstum, welches entsprechend einschlägiger Prognosen weiterhin anhalten wird. Dadurch, dass höhere Luftverkehrsdichten auf der einen Seite den Bedarf an Datenkommunikation erhöhen und auf der anderen Seite die Verfügbarkeit von Netzwerkverbindungen verbessern, wird der Vorteil der Skalierbarkeit des Konzeptes deutlich.