Stratosphere-First Telecoms Nr. 2 – Stratospheric RAN: Entwicklung eines gNB-in-the-Sky

Kurzfassung

• Behandeln Sie HAPS als erstklassige RAN-Schicht , die Ihr Kern wie jedes andere RAT sehen und steuern kann.

• Designen Sie anhand von vier Prioritäten:

  (1) Missionskritisches zuerst,

  (2) einfacher Nutzlaststapel,

  (3) Souveränität/Sicherheit durch Design,

  (4) KPIs, die Sie fliegen und überprüfen können.

• Konzipiert für alltägliche Abdeckung und Spitzenlastkapazität – aber beweisen Sie Ihren Nutzen auch an den schlimmsten Tagen (Überschwemmungen, Brände, Glasfaserunterbrechungen, Stromausfall).

Architekturübersicht

Nutzlast (Luftsegment)

• LTE/5G eNB/gNB mit Hochleistungs-Mehrstrahlantennensystem

• Optionales luftgestütztes MEC (Edge Compute) für MCX, Video, GIS und Analysen

• LMR/TETRA-Interworking-Gateway für die Integration älterer Funkgeräte

• Cell Broadcast- Agent mit Schnittstelle zum nationalen/unternehmensweiten CBE

Backhaul (wählen Sie zwei für die Vielfalt)

• Mikrowelle zu höher gelegenen Orten oder Metro-Knotenpunkten

• Ka/Ku-Satellit zum Teleportieren

• LEO-Relais für Pfadredundanz

Kernintegration (Bodensegment)

• Standard-EPC/5GC-Schnittstellen

• Richtlinien (PCF) für HAPS-Steuerung und Präemption

• NWDAF -Analysen, gespeist durch HAPS-Telemetrie für Closed-Loop-Assurance

Sicherheit und Compliance

• Zero-Trust-Bodensegment, Schlüsselverwahrung im Land , signierte SBOMs, Lawful-Intercept-Ausrichtung

Radio- und Strahldesign

• Bänder: Bevorzugen Sie vorhandene lizenzierte LTE/5G-Bänder für die Kompatibilität mit Mobiltelefonen; fügen Sie ein mittleres Band für die Kapazität und ein niedriges Band für die Reichweite hinzu.

• Strahlen: Ein Makroschirm für Befehl/Kontrolle plus sektorisierte Strahlen für Städte, Verkehrskorridore, Häfen oder Krankenhäuser.

• Verbindungsbudget: Arrays mit hoher Verstärkung, Beamforming, adaptive Codierung; im Katastrophenmodus den Scheduler auf Sprache/PTT und Messaging ausrichten , um die Kontrollebene und die öffentlichen Sicherheitsdienste zu schützen.

• Mobilität: Größere Zeitvorlauffenster; konservative Übergabeschwellenwerte; vorkalkulierte Strahlausleuchtzonen für wahrscheinliche AOIs.

Backhaul und Gateways (Ausfallsicherheit zuerst)

• Primärer Pfad: Mikrowelle zu einem gehärteten Standort mit geschützter Stromversorgung.

• Sekundärpfad: Satelliten-/LEO-Relay; automatisches Router-Failover mit QoS-Erhaltung.

• Wohnsitz und LI: Platzieren Sie Gateways mit Kernzugriff im Land ; setzen Sie den Wohnsitz der Daten und die rechtmäßige Überwachung durch.

• QoS-Zuordnung: Behalten Sie QCI→5QI-Zuordnungen durchgängig bei, damit der öffentliche Sicherheitsverkehr seine Klasse über das Backhaul behält.

Kern- und Richtlinienkontrolle – Machen Sie HAPS zu „nur einer weiteren RAT“

• Registrierung: Bewerben Sie HAPS-Zellen mit unterschiedlichen TAC/TAI, um Richtlinien und Segmente präzise auszurichten.

• Richtlinie (PCF):

  • Normale Operationen → terrestrisch bevorzugen; nur vorrangige UEs zu HAPS leiten.

  • Ausfall/Katastrophe → Verbraucherklassen vorwegnehmen und Sicherheitsabschnitte automatisch fördern.

• Slicing (5G): Definieren Sie S-NSSAIs für (1) Public Safety MCX, (2) Gesundheits- und Notfalleinsätze, (3) Versorgungsunternehmen/SCADA, (4) die allgemeine Öffentlichkeit.

• Analytik: HAPS-KPIs in NWDAF einspeisen; Aktionen auslösen (Video-Bitrate senken, PRBs für MCX erweitern, Strahlen verschieben).

Blaupause für den öffentlichen Sicherheitssektor (Missionskritische Aspekte zuerst)

Zieldienste: MCX (PTT/Video/Daten), Sprach-Fallback, sichere Nachrichtenübermittlung, Standort.

Design

• Dediziertes S-NSSAI mit garantierten PRBs und Vorkaufsrecht .

• Zugangskontrolle: Whitelist-Responder-SIM/eSIM; Begrenzung der UEs pro Zelle für MCX-Integrität.

• QoS: Geringer Verlust/Jitter; robustes Video mit niedriger Bitrate für Bodycams; PTT-Latenz ≤ 300 ms (95.) .

• Inter-Agency-Roaming: Temporäre IMSIs/eSIMs für gegenseitige Hilfe; schnelle Bereitstellung im EOC.

Kante (optional)

• Luftgestütztes MEC für Gruppenkommunikation, Videotranskodierung, Objekterkennung (Rauch/Feuer/Person) und lokale GIS-Ebenen zur Reduzierung der Backhaul-Last.

LMR/TETRA-Interoperabilität

• Gateway (Luft oder Boden) zur Überbrückung von MCX-Gesprächsgruppen ↔ herkömmliches LMR/TETRA.

• Ordnen Sie Gesprächsgruppen und Schlüssel über das EOC-Verzeichnis zu; protokollieren Sie sie zur Nachbesprechung.

• Fallback: Wenn MCX nachlässt, behalten Sie die reine Sprachinteroperabilität bei .

Mobilfunk und öffentliche Warnung

• Verbinden Sie das nationale/unternehmensweite CBE mit HAPS Cell Broadcast.

• Vorgefertigte mehrsprachige Vorlagen: Überschwemmung, Feuer, Sturm, Evakuierung, Schutz, Medizin.

• Die Übertragung erfolgt außerhalb des Bandes im Verhältnis zum Benutzerverkehr. Planen Sie Warnmeldungen auch dann, wenn der Verbraucherverkehr gedrosselt ist.

• Geo-Targeting mit Strahlpolygonen; Protokollübermittlung zur Einhaltung der Vorschriften.

Sicherheit und Souveränität durch Design

• Zero-Trust: mTLS überall, Hardware-Roots of Trust, unveränderliche Protokollierung.

• Schlüsselverwahrung: Landesinternes KMS/HSM für SIM/eSIM und Netzwerkschlüssel; strenge Notfall-Anmeldeinformations-Workflows.

• Lieferkette: Signierte Firmware (SBOMs), Bescheinigung beim Booten, sichere Update-Pipelines.

• Rechtmäßiges Abfangen: Abfangpunkte an Gateways im Land; überprüfbare Prozesse.

Katastrophen-Playbook (Tech Flow)

1. Vor der Veranstaltung

   • Laden Sie Richtlinienpakete (Preemption-Regeln, Drosselungstabellen).

   • Whitelist-Responder-UEs; Bereitstellung zweisprachiger Broadcast-Vorlagen.

   • Testen Sie das duale Backhaul; bestätigen Sie die Autonomie und die Ersatzteile des Generators.

2. Aktivierung (H+0 → H+6)

   • Starten; Schirmstrahl anbringen; automatisch beim Kern registrieren.

   • Die öffentliche Sicherheit muss zuerst in Angriff genommen werden ; die erste Zellübertragung muss vorangetrieben werden.

   • LMR/TETRA-Interoperabilität aktivieren; MCX-Gesprächsgruppen überprüfen.

3. Stabilisierung (H+6 → H+72)

   • Fügen Sie Balken für Krankenhäuser, Häfen, Depots und EOCs hinzu.

   • Führen Sie MEC-Analysen für Situationsvideos aus und drosseln Sie den öffentlichen Verkehr bei Bedarf.

   • Leiten Sie das Backhaul während der Wiederherstellung um.

4. Übergabe und Stilllegung

   • Entladen Sie die Ladung an reparierten terrestrischen Standorten; behalten Sie HAPS als Leitplanke.

   • Exportieren Sie Protokolle, CB-Verlauf und KPIs in den Vorfalldatensatz.

Katastrophen-KPIs (Executive Dashboard)

Verfügbarkeit und Geschwindigkeit

• Time-to-Air (TTA): Start → erstes Anhängen (Ziel: Stunden)

• Zeit bis zur Alarmierung (T2A): CBE-Trigger → Handset-Übertragung (Ziel: Minuten)

Unternehmenskritische Leistung

• PTT-Latenz (95.): ≤300 ms

• MCX-Anrufaufbau erfolgreich ; Übergabe unter Last erfolgreich

• Bodycam-/Feldvideo-Erfolgsrate bei 256–512 kbps

Abdeckung und Kapazität

• Bevölkerung unter Versorgungsniveau (dynamische Schätzung)

• PRB-Auslastung pro Abschnitt; Strahlen bei Kapazität

Kontinuität und Wirkung

• Mit HAPS-Unterstützung wiederhergestellte Websites

• Vermiedene Servicegutschriften (Währung)

• Anhängen des Responders erfolgreich ; Gerätedichte wird unterstützt

Pilotstückliste

• Luft: HAPS-Plattform; eNB/gNB; Hochleistungsantennen; optionales MEC; Telemetrie und Flugsteuerung

• Backhaul: Mikrowellen-Kit; Sat/LEO-Modem und Antenne; Routing mit automatischem Failover; Krypto

• Kern: EPC/5GC-Integration; PCF-Richtlinien; NWDAF-Hooks; Slice-Definitionen; IMS/MCX-Stack

• Interop & Alerts: LMR/TETRA-Gateway; CBE-Anschluss; mehrsprachige Vorlagen

• Sicherheit: HSM/KMS; LI-Vermittlung; SIEM-Feeds; SBOM-Verifizierungs-Toolchain

• Betrieb: Bodenausrüstung; Ersatzteile; Testgeräte; Flug-/Fahrtestkits

90-Tage-Testplan

Phase 1 – Erziehung

• Befestigen Sie den Schirmbalken. Überprüfen Sie die Registrierung und die PCF-Durchsetzung.

• Basis-RSRP/RSRQ/SINR; Verbindungsdauer; Leerlauf→Verbindungslatenz.

Phase 2 – Missionskritisch

• Whitelist-Responder-UEs; Messen Sie PTT-Latenz , MCX-Anrufaufbau und Cell Broadcast- Übertragungszeit.

• Validieren Sie die LMR/TETRA-Sprachqualität und Gruppenzuordnung.

Phase 3 – Stress und Failover

• Verbraucherverkehr laden; Vorwegnahme zum Schutz von MCX; Überprüfung der QoS-Integrität.

• Primäres Backhaul mit hartem Schnitt; automatisches Failover mit KPI-Stabilität bestätigen.

Phase 4 – Bericht

• Executive Dashboard mit den oben genannten KPIs; Rollout-Empfehlungen.

Risiken und Risikominderungen

Risiko	Schadensbegrenzung
Luftraum / Wetter	Saisonale Planung; Doppelstartplätze; vorab freigegebene Korridore; Regeln für den Abbruch bei starkem Wind
Spektrumkonflikte	Frühe Interferenzstudien; Koordination mit dem Regler; dynamische Leistungs-/Neigungssteuerung
Backhaul-Fragrenz	Dualpfad; LEO-Relais; QoS-Markierung Ende-zu-Ende
Sicherheitsvorfall	Zero-Trust; HSM; SBOM; kontinuierliche Überwachung; Red-Team-Übungen
Interop-Komplexität	Laborintegration für MCX + LMR; End-to-End-Runbooks; Operator-/EOC-Übungen

Fazit: Ingenieur für den schlimmsten Tag

Ein stratosphärisches RAN, das standardmäßig die öffentliche Sicherheit an erste Stelle setzt , auf Befehl sendet und gemäß Richtlinien ein Failover durchführt , macht HAPS von einer Neuheit zu einer Notwendigkeit. Bauen Sie die Nutzlast und Integration auf diesen Prinzipien auf, messen Sie die Katastrophen-KPIs und Sie verfügen über eine Plattform, die alltägliche Abdeckung bietet – und sich bewährt, wenn alles andere versagt.