Konnektivität für Drohnen und autonome Systeme

Eine Drohne in der Luft und ein autonomer Roboter am Boden stehen vor einem Problem, das ein fest installierter Sensor nicht kennt: Sie bewegen sich und ihre Verbindung muss sich mit ihnen bewegen. Während sich das Asset fortbewegt, durchquert es die Abdeckungsbereiche verschiedener Mobilfunkmasten und an den Rändern der Netzabdeckung sogar unterschiedlicher Mobilfunknetze. Kann die Verbindung dieser Bewegung nicht folgen, wird die Telemetrie unterbrochen, das Videobild friert ein und der Betreiber verliert genau in dem Moment den Überblick, in dem er ihn am dringendsten benötigt. Bei der Konnektivität von Drohnen geht es daher nicht nur darum, ein Signal zu empfangen, sondern ein bewegliches Asset zuverlässig verbunden zu halten, während sich Umgebung und Netzabdeckung kontinuierlich verändern.

Dieser Artikel erläutert, wie 4G und 5G Drohnen und autonome Systeme verbunden halten: welche Anforderungen Telemetrie und Video-Uplinks tatsächlich an die Verbindung stellen, warum Netzwerk-Handover für bewegliche Systeme entscheidend ist und wie eine Multi-Network-SIM die Verbindung bei wechselnder Netzabdeckung aufrechterhält. Der Schwerpunkt liegt auf der kommerziellen Mobilfunkkonnektivität. Gleichzeitig wird klar abgegrenzt, wo behördliche Genehmigungen und spezialisierte Command-and-Control-Systeme über diese Konnektivitätsebene hinausgehen.

Was eine Drohne oder ein autonomes System von einer Verbindung benötigt

Vernetzte autonome Systeme nutzen in der Regel zwei sehr unterschiedliche Datenströme über dieselbe Verbindung. Eine leistungsfähige Verbindung muss beide zuverlässig unterstützen:

• Telemetrie und Steuerung. Geringes, konstantes und äußerst zeitkritisches Datenaufkommen: Positionsdaten, Statusinformationen, Sensorwerte und Steuerbefehle. Das Datenvolumen ist minimal, doch eine Unterbrechung oder Verzögerung in diesem Datenstrom stellt die schwerwiegendste Art von Störung dar, da sie direkte Auswirkungen auf Steuerung und Sicherheit haben kann.
• Nutzdaten, in der Regel Video. Große und bandbreitenintensive Datenmengen, insbesondere bei hochauflösenden Video-Uplinks oder Live-Videoübertragungen. Hier entsteht der größte Kapazitätsbedarf. Gleichzeitig nutzt dieser Datenstrom dieselbe Verbindung wie die kritische Telemetrie.

Das Spannungsverhältnis zwischen diesen beiden Datenströmen bildet den Kern der technischen Herausforderung. Die Verbindung muss den kleinen, kritischen Steuerungsdatenstrom absichern und gleichzeitig den großen, bandbreitenintensiven Videodatenstrom übertragen. Beides muss funktionieren, während sich das Asset bewegt. Diese Anforderungen sind höher als bei einer fest installierten Kamera oder einem stationären Sensor. Deshalb ist die Wahl der richtigen Konnektivitätslösung für autonome Systeme besonders wichtig.

Die zentrale Herausforderung: während der Bewegung verbunden bleiben

Ein stationäres Gerät verbindet sich mit einer Mobilfunkzelle und bleibt in deren Reichweite. Bei einem beweglichen Asset ist das anders. Während eine Drohne fliegt oder sich ein Roboter fortbewegt, verlässt das System die Reichweite eines Mobilfunkmastes und gelangt in die Reichweite des nächsten. Die Verbindung muss dabei ohne Unterbrechung zwischen den Mobilfunkzellen übergeben werden. Innerhalb eines einzelnen Mobilfunknetzes sind Netze genau für diesen Handover von einer Zelle zur nächsten ausgelegt. Dies funktioniert in der Regel zuverlässig, solange sich das bewegliche Asset in einem Gebiet mit guter Netzabdeckung befindet.

Das schwierigere Problem entsteht an den Rändern der Netzabdeckung: dort, wo die Abdeckung eines Netzes schwächer wird, in der Nähe einer Landesgrenze oder in ländlichen und abgelegenen Gebieten, in denen Drohnen und autonome Systeme häufig eingesetzt werden. Ein Gerät, das an ein einziges Netz gebunden ist, hat keine Alternative, wenn dieses Netz ausfällt. Dabei spielt es keine Rolle, ob ein anderer Mobilfunkanbieter an derselben Stelle eine ausgezeichnete Abdeckung bietet, wenn das Gerät dieses Netz nicht nutzen kann. Für ein bewegliches Asset, das unterschiedliche Gebiete durchquert, ist die Abhängigkeit von einem einzigen Netz eine der häufigsten Ursachen für einen Verbindungsabbruch.

Die Flughöhe bringt eine zusätzliche Herausforderung mit sich, die Geräte am Boden nicht erleben. Mobilfunknetze sind darauf ausgelegt, Nutzer auf Bodenniveau zu versorgen. Eine Drohne, die auf eine größere Höhe steigt, kann daher gleichzeitig Signale von mehreren Mobilfunkmasten empfangen und die Netzabdeckung ganz anders wahrnehmen als ein Gerät am Boden. Dadurch kann sich das am besten geeignete Netz je nach Abschnitt der Flugroute ändern. Dies ist ein weiterer Grund, warum eine Verbindung, die zwischen verschiedenen Mobilfunkanbietern auswählen und wechseln kann, für fliegende Assets besser geeignet ist als eine feste Verbindung über nur einen Anbieter.

Warum eine Non-Steered Multi-Network-SIM die richtige Lösung ist

Genau für diese Herausforderung wurde eine Non-Steered Multi-Network-SIM entwickelt. Anstatt an einen einzigen Mobilfunkanbieter gebunden zu sein, kann sie sich entlang der Route mit dem stärksten verfügbaren Netz verbinden und bei veränderter Abdeckung zwischen verschiedenen Anbietern wechseln. Für ein Asset, das sich durch unterschiedliche Abdeckungsgebiete bewegt, bedeutet dies, dass die Verbindung dem besten verfügbaren Signal folgt, anstatt an einem zunehmend schwächer werdenden Netz festzuhalten. WeConnect ermöglicht dies über mehr als 700 Carrier-Partnerschaften in über 195 Ländern. Dadurch kann eine Drohne oder ein autonomes System unabhängig vom Standort das stärkste verfügbare Netz nutzen und auch dort verbunden bleiben, wo eine SIM-Karte eines einzelnen Anbieters die Verbindung verlieren würde.

Dieser Vorteil kommt beiden Datenströmen zugute. Der Multi-Network-Zugang bietet der kritischen Telemetrie die bestmögliche Chance auf eine unterbrechungsfreie Verbindung. Gleichzeitig erhält der Video-Uplink Zugriff auf die entlang der Route verfügbare Kapazität, statt ausschließlich auf die Kapazität eines einzelnen Anbieters an diesem Standort angewiesen zu sein. Für ein bewegliches Asset ist resiliente Konnektivität kein Luxus. Sie stellt sicher, dass der Betreiber während der gesamten Mission, vom Start bis zur Rückkehr, den Überblick und die Verbindung zum Asset behält.

Außerhalb der direkten Sichtweite (BVLOS)

Ein großer Teil des Mehrwerts von Drohnen entsteht, wenn sie außerhalb der direkten Sichtweite des Betreibers eingesetzt werden, also Beyond Visual Line of Sight (BVLOS). Beispiele hierfür sind die Inspektion einer langen Pipeline, die Vermessung eines großen Geländes oder die Lieferung an einen weit entfernten Standort. Sobald eine Drohne außerhalb der Sichtweite des Betreibers fliegt, ist die Datenverbindung die einzige direkte Verbindung zur Drohne. Dadurch steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit erheblich. Fällt die Datenverbindung aus, kann der Betreiber nicht auf eine visuelle Steuerung zurückgreifen.

Zuverlässige und resiliente Konnektivität ist deshalb eine grundlegende Voraussetzung für BVLOS-Einsätze. Multi-Network-Mobilfunk eignet sich sehr gut für die Konnektivitätsebene solcher Anwendungen. Der Umfang dieser Lösung muss jedoch klar abgegrenzt werden. BVLOS-Einsätze unterliegen strengen Vorschriften. Eine Betriebsgenehmigung hängt von den zuständigen Luftfahrtbehörden, genehmigten Betriebsverfahren und häufig von redundanten Command-and-Control-Systemen ab, die über eine einzelne SIM-Karte hinausgehen. Die hier beschriebene Konnektivität unterstützt solche Einsätze, stellt für sich allein jedoch keine Betriebsgenehmigung dar. Bei tatsächlich missionskritischen Anwendungen bildet missionskritische Konnektivität die Grundlage für Redundanz und zentrale Kontrolle, kombiniert mit sämtlichen Anforderungen des geltenden regulatorischen Rahmens.

Drohnen und Roboter sind M2M-Assets

Eine Drohne oder ein autonomes System mit einer SIM-Karte ist eine Maschine, die selbstständig kommuniziert. Damit handelt es sich um eine klassische M2M-Anwendung. Weitere Informationen bietet unser Artikel über M2M-SIM-Karten und die grundlegenden Prinzipien vernetzter Maschinen. Dazu gehören Multi-Network-Zugang, zentrale Verwaltung und sicheres Datenrouting. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass diese Prinzipien hier auf ein Asset angewendet werden, das sich bewegt und möglicherweise fliegt. Die Festlegung der Konnektivität für eine autonome Flotte bedeutet in der Praxis, dass eine IoT-SIM-Implementierung um zusätzliche Anforderungen an Mobilität und Steuerung mit niedriger Latenz erweitert wird. Durch diese Herangehensweise muss das Konnektivitätsmodell nicht für jede neue Plattform vollständig neu entwickelt werden.

Eine Flotte beweglicher Assets verwalten

Ein Betreiber, der mehrere Drohnen oder Roboter verwaltet, steht vor derselben Herausforderung wie jedes andere Unternehmen mit vernetzten Assets, wobei die Bewegung als zusätzlicher Faktor hinzukommt. Eine zentrale Verwaltung bietet eine einheitliche Übersicht über die Verbindung jedes Assets: welche Assets online sind, wo Daten übertragen werden, wie viel Datenvolumen jedes Asset nutzt und welche Verbindungen ausgefallen sind. SIM-Karten können vor einem Einsatz aktiviert und anschließend wieder deaktiviert werden. Das Datenvolumen kann über die gesamte Flotte gebündelt werden, sodass eine videointensive Mission denselben gemeinsamen Datenpool nutzt wie eine Mission mit geringem Telemetrieaufkommen. Ein Verbindungsproblem bei einem Asset wird zudem sofort sichtbar, anstatt erst nach Abschluss einer Mission erkannt zu werden. Für Betreiber, die über wenige einzelne Systeme hinaus skalieren, macht diese zentrale Kontrolle eine gesamte Flotte beweglicher Assets beherrschbar.

Die Verbindungsdaten werden im Laufe der Zeit selbst zu einer wertvollen operativen Ressource. Jede Mission dokumentiert, an welchen Standorten die Verbindung zuverlässig funktioniert hat und wo Probleme aufgetreten sind. Dadurch kann ein Betreiber erkennen, welche Routen und Gebiete zuverlässig sind und wo ein anderer Ansatz erforderlich ist. Auf Basis dieser Informationen können Einsätze präziser kalkuliert und geplant werden, statt sich ausschließlich auf Annahmen zu verlassen. Bei autonomen Einsätzen kann ein Verbindungsabbruch zum Abbruch einer Mission oder zur automatischen Rückkehr des Assets führen. Die gesammelten Erkenntnisse über die tatsächliche Netzabdeckung entlang real geflogener Routen sind deshalb nahezu ebenso wertvoll wie die aktive Verbindung während einer einzelnen Mission.

Häufig gestellte Fragen

Welche SIM-Karte verwenden Drohnen für die Konnektivität?

Drohnen, die sich über Mobilfunknetze verbinden, verwenden eine M2M- oder IoT-SIM-Karte. Idealerweise handelt es sich um eine Non-Steered Multi-Network-SIM, damit sich die Drohne entlang ihrer Route mit dem stärksten verfügbaren Netz verbinden kann und nicht an einen einzigen Mobilfunkanbieter gebunden ist. Die Verbindung überträgt sowohl den kleinen, kritischen Telemetriedatenstrom als auch den größeren Video-Uplink.

Wie bleiben Drohnen verbunden, wenn sie sich zwischen verschiedenen Gebieten bewegen?

Innerhalb eines einzelnen Netzes wird die Verbindung automatisch von einer Mobilfunkzelle zur nächsten übergeben, während sich die Drohne bewegt. An den Rändern der Netzabdeckung kann eine Non-Steered Multi-Network-SIM auf das Netz eines anderen Mobilfunkanbieters wechseln. Dadurch folgt die Verbindung dem stärksten verfügbaren Signal, statt abzubrechen, wenn die Abdeckung eines einzelnen Netzes schwächer wird.

Welche Konnektivität benötigen BVLOS-Drohnenoperationen?

Außerhalb der direkten Sichtweite ist die Datenverbindung die einzige Verbindung zur Drohne. Sie muss daher äußerst zuverlässig und resilient sein. Multi-Network-Mobilfunk unterstützt diese Anforderungen sehr gut. Für BVLOS-Einsätze sind außerdem behördliche Genehmigungen, genehmigte Verfahren und häufig redundante Command-and-Control-Systeme erforderlich. Diese gehen über die Konnektivität selbst hinaus und müssen separat spezifiziert werden.

Kann eine Verbindung sowohl Drohnentelemetrie als auch Video übertragen?

Ja, allerdings muss das System die kritische Telemetrie schützen und gleichzeitig den bandbreitenintensiven Videodatenstrom übertragen. Telemetrie umfasst eine geringe Menge zeitkritischer Daten, während Video eine wesentlich höhere Kapazität benötigt. Eine resiliente Multi-Network-Verbindung mit ausreichender Kapazität und ein Systemdesign, das dem Steuerungsdatenverkehr Vorrang gibt, ermöglichen es, beide Datenströme zuverlässig über eine einzige Verbindung zu übertragen.

Nächste Schritte

WeConnect bietet Konnektivität für Drohnen und autonome Systeme mit Non-Steered Multi-Network-SIM-Karten und zentraler Verwaltung. Die Verbindung folgt dem stärksten verfügbaren Netz, während sich das Asset bewegt, unterstützt sowohl Telemetrie als auch Video-Uplinks und macht jede einzelne Einheit über eine zentrale Plattform sichtbar. Teilen Sie uns mit, wie und wo Ihre Systeme eingesetzt werden. Wir prüfen die Netzabdeckung entlang der Route, entwickeln die Konnektivität passend zur Anwendung und zeigen klar auf, wo zusätzliche behördliche Genehmigungen erforderlich sind. Stellen Sie uns Ihre Konnektivitätsanforderungen. Sie erhalten innerhalb einer Stunde eine persönliche Antwort.