„Es war ein idealer Zeitpunkt“, sagt Petar Popovski über die Anfänge seiner Arbeit als U Bremen Excellence Chair-Inhaber. Anfang 2019 waren die Themen Satellitenkommunikation und nicht-terrestrische Netzwerke (NTNs) gerade erst in die Agenda des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) aufgenommen worden, des weltweit wichtigsten Standardisierungsgremiums für mobile Kommunikation. Popovski und seinem Bremer Kollegen Professor Armin Dekorsy vom Arbeitsbereich Nachrichtentechnik an der Universität Bremen wurde schnell klar, dass sie mit dem Forschungsprojekt Pionierarbeit leisten könnten, da das Thema in den darauffolgenden Jahren deutlich an Fahrt aufnehmen würde. Und in der Tat: Sieben Jahre später sind NTNs zu einem zentralen Schwerpunkt in Forschung, Standardisierung und kommerzieller Entwicklung der Satellitenkommunikation geworden.

Wie werden Satelliten lernfähig?

Petar Popovski ist einer der weltweit profiliertesten Experten auf dem Gebiet der Wireless Communication. Der vielfach ausgezeichnete Elektroingenieur forscht und lehrt in Dänemark an der Universität Aalborg. Seit 2019 ist er einer von insgesamt elf U Bremen Excellence Chair-Inhaber:innen. Hierbei handelt es sich um internationale Forschungspersönlichkeiten, die als Brückenköpfe zwischen der Universität Bremen und führenden Universitäten der Welt fungieren. Popovskis Kontakte nach Bremen reichen bis ins Jahr 2012 zurück. Damals arbeitete sein Team mit der Forschungsgruppe von Armin Dekorsy an Projekten, die dazu beitrugen, den Mobilfunkstandard 5G zu definieren. Auf Erkenntnisse und Methoden aus dieser Zeit konnte das Team aufbauen und so die Forschung an NTNs im Projekt „Distributed Learning in Space“ vorantreiben. Hierbei geht es um die Frage, wie Satelliten mithilfe von KI lernfähig werden und ihre Kenntnisse auch untereinander teilen können.

Gemeinsam mit Dekorsy sowie dem damaligen Postdoktoranden Dr. Bho Matthiessen, heute selbst Professor, und der Doktorandin Nasrin Razmi ging er gleich zu Beginn des Forschungsprojekts die Herausforderung des „föderierten Lernens“ in Satellitensystemen an: „Wir sahen darin eine einzigartige Gelegenheit, eine sinnvolle Forschungsrichtung an der Schnittstelle von Satellitenkommunikation, KI und Kommunikationstheorie zu definieren, da es praktisch keine Vorarbeiten in diesem Bereich gab“, erinnert er sich. „Heute ist dies zu einem lebendigen Forschungsthema innerhalb des Themenkomplexes NTNs geworden, und unsere frühen Beiträge haben in Bezug auf Downloads und Zitationen große Aufmerksamkeit erhalten.“

Große Datenfülle, begrenztes Übertragungstempo

Am herausforderndsten sei es gewesen, „ein Systemmodell zu definieren, das die betrieblichen Einschränkungen und Anforderungen von Satellitennetzwerken genau abbildet“, sagt Popovski. So erheben Satelliten in der Schwerelosigkeit eine Vielzahl von Messdaten über die Erde. Diese dienen nicht nur für Wettervorhersagen oder Navigation, sondern können zum Beispiel auch als Frühwarnsystem für Naturkatastrophen wie Waldbrände, Erdrutsche oder Überschwemmungen fungieren. Wenn Satelliten also lernen, solche relevanten Daten miteinander zu teilen und priorisiert an die Erde zu übermitteln, lassen sie sich effektiver einsetzen. Das ist angesichts der großen Datenfülle umso wichtiger, die insbesondere von LEO-Satelliten erzeugt wird, auf die sich Popovski und Dekorsy in ihrer Forschung konzentrieren. Hierbei handelt es sich um Kleinsatelliten, die die Erde mit einer enormen Geschwindigkeit von 28.000 Kilometern pro Stunde umkreisen – also knapp acht Kilometer pro Sekunde. Sie befinden sich meist in etwa 250 bis 2.000 Kilometern Höhe und sind damit nah genug an der Erde, um jede Menge hochauflösende Bilder und aussagekräftige Messdaten zu liefern. „Nicht alle von den Satelliten gesammelten Daten müssen zur Erde übertragen werden“, sagt Popovski. Doch auch die nicht übertragenen Daten seien wertvoll, weil sie wichtiges Lern- und Übungsmaterial für die Satelliten bilden. „Dies erfordert natürlich eine ausgefeilte Koordination und Kommunikation mit den terrestrischen Einrichtungen, etwa in Bezug auf die Abstimmung der von den Satelliten verwendeten KI-Modelle.“

Effizienz des Systems verbessern

Überhaupt spielt KI eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von NTNs: „Der Einsatz von KI in Satellitenkonstellationen wird entscheidend dafür sein, die von den Satelliten gesammelten relevanten Daten zu verarbeiten und zu speichern“, erläutert Popovski. „Darüber hinaus wird sie die Kommunikation mit den Endgeräten und Stationen am Boden erleichtern, da KI zur Orchestrierung der Kommunikationsressourcen eingesetzt werden kann.“ Denn auf dem Weg von Nutzergeräten auf der Erde zum Satelliten ist die Übertragungsgeschwindigkeit von Daten deutlich geringer als in umgekehrter Richtung. KI könne hier helfen, dieses Ungleichgewicht zu steuern, indem sie priorisiert, welche Daten wann übertragen werden sollen, betont Popovski. Spektrummanagement nennt sich dieser Bereich der Satellitenkommunikation, bei dem es darum geht, die vorhandenen Funkverbindungen möglichst effektiv zu nutzen, etwa bei einem Software-Update. „So kann die Gesamteffizienz des Systems verbessert werden.“ Ein Thema, das Popovski und Dekorsy auch in der nun begonnenen zweiten Projektphase weiter beschäftigen wird. Als hilfreich könnte sich die sechste Generation der mobilen Kommunikation, 6G, mit ihrer kommerziellen Einführung in den kommenden Jahren erweisen. Neben Smartphones könnten dabei auch andere Komponenten wie Drohnen, Flugzeuge oder auch Satelliten im selben Funkstandard agieren.

Fragt man Armin Dekorsy nach seiner Zusammenarbeit mit Petar Popovski, so fallen ihm dazu gleich eine Reihe wertschätzender Begriffe ein: „Inspirierend, kreativ, impulsgebend, offen, zielorientiert und sehr vertrauensvoll“, listet er auf. Die Kooperation habe sich zudem sehr positiv auf die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses am Institut ausgewirkt: „Sowohl seine wissenschaftlichen Impulse und Ideen als auch das Kennenlernen seiner methodischen Herangehensweise an Forschungsfragen stellen für meine Mitarbeitenden einen erheblichen Mehrwert dar und tragen maßgeblich zu ihrer wissenschaftlichen Weiterentwicklung bei“, sagt Dekorsy, der Arbeitsbereich Nachrichtentechnik an der Universität Bremen leitet.

Erfolgreich Drittmittel eingeworben

Nicht zuletzt profitieren die beiden Forscher auch von ihren leicht unterschiedlich ausgerichteten Netzwerken. Während sich Popovski hauptsächlich auf Grundlagenforschung konzentriert, ist Dekorsys Arbeit stärker auf Anwendungsorientierung beziehungsweise Technologietransfer ausgerichtet: „Diese Kombination“, so sagt Dekorsy, „erhöht die Optionen, an kooperativen internationalen Forschungs- und Drittmittelvorhaben teilzunehmen.“ Das hat bereits in der ersten Phase des Projekts gut funktioniert. Das Team konnte erfolgreich Drittmittel bei der EU, der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) einwerben.

In der zweiten Phase des Projekts geht es nun unter anderem darum, die gewonnenen Erkenntnisse in die Industrie zu transferieren: „Sowohl Bremen als auch Aalborg haben starke Cluster satellitenbezogener Industrien und renommierte Forschungsgruppen an ihren Universitäten“, sagt Popovski. Er und Dekorsy planen deshalb ein Treffen zwischen den beiden Clustern. „Wir sind der Überzeugung, dass dies die Grundlage für eine noch engere Zusammenarbeit zwischen den Industrien und den beiden Universitäten bilden wird.“