GEO (Geostationary Earth Orbit) im IoT einfach erklärt

Wer im IoT von „GEO“ spricht, meint in der Regel nicht Geofencing oder Geolocation, sondern die geostationäre Umlaufbahn: ein Orbit in rund 35.786 km Höhe, in dem ein Satellit scheinbar fest über einem Punkt am Äquator steht. Diese Definition und ihre geometrischen Implikationen – großer, stabiler Footprint, keine Abdeckung der Polarregionen – sind seit Jahrzehnten etabliert und werden von Raumfahrtorganisationen präzise beschrieben, etwa in der deutschen Darstellung der ESA – Types of Orbits (GEO‑Definition). Für IoT‑Teams ist GEO vor allem dann interessant, wenn verlässliche Flächenabdeckung wichtiger ist als Millisekunden‑Latenz. Seit 3GPP Release 17/18 fließt GEO zudem offiziell in die Mobilfunk‑Standards für Nicht‑terrestrische Netze (NTN) ein – dazu später mehr.

GEO‑Latenz in der Praxis

Die Distanz diktiert die Physik: Das Signal benötigt Hunderte Millisekunden für Hin‑ und Rückweg. Industrielle Quellen nennen für GEO typischerweise etwa 500–700 ms Round‑Trip‑Time (RTT), was sich mit aktuellen Systemangaben deckt; siehe das kompakte Hintergrundpapier Intelsat – Satellite Primer (2023): GEO‑RTT ~500–700 ms. Einweg‑Laufzeiten von ~240–300 ms sind normal.

Was heißt das für IoT? Periodische Telemetrie, Zustandsmeldungen, Datei‑Uploads im Batch oder planbare Firmware‑Updates funktionieren stabil. Eng getaktete Closed‑Loop‑Regelungen, interaktive Steuerung oder kollisionskritische Robotik leiden unter der Verzögerung. Eine einfache Daumenregel: Wenn Reaktionszeiten <100 ms zwingend sind, passt meist eher LEO/MEO. Müssen Daten „nur“ zuverlässig ankommen und lässt sich die Kommunikation puffern, ist GEO oft die stressfreiere Option – Hardware montieren, ausrichten, fertig.

Link‑Budget, Antennen und Energie

Die große Entfernung vergrößert die Freiraumdämpfung deutlich. Für den Uplink bedeutet das: mehr EIRP am Endgerät oder mehr Antennengewinn – beides wirkt sich auf Baugröße, Ausrichtung und Energieverbrauch aus. Forschung und Industrie benennen den hohen Pfadverlust als zentrale Hürde für IoT‑Endpunkte in GEO‑Netzen; einen guten Überblick liefert Fraunhofer IIS – Internet of Things via Satellite (Sat‑IoT‑Herausforderungen).

Praktische Implikationen:

• Batteriegeräte müssen die On‑Air‑Zeit minimieren. Bündeln Sie Telemetrie (Store‑and‑Forward), senden Sie seltener, aber dafür effizienter.
• Antennen mit >20 dBi Gewinn (gerichtet) sind üblich für kleine Terminals. Präzise Montage und freier Sichtpfad lohnen sich energetisch.
• Robustere Modulations-/Codierungsprofile, adaptive Datenraten und ein konservatives Retransmit‑Design helfen, Wiederholungen zu vermeiden.

Denken Sie an das Gesamtsystem: Ein paar Zehntel Watt mehr am Sender sind für ein Solarpanel trivial, für eine gekapselte, batteriebetriebene Feldsonde aber entscheidend. Planen Sie das Power‑Budget zuerst – und erst danach die Protokolllogik.

Frequenzbänder und Wetterdämpfung

GEO‑Satcom arbeitet typischerweise im C‑, Ku‑ oder Ka‑Band. Je höher die Frequenz, desto empfindlicher reagiert der Link auf Regen, Wolken und Wasserdampf. Im Ku/Ka‑Band können Regenereignisse Dämpfungen im zweistelligen dB‑Bereich verursachen (bezogen auf kurze Zeitanteile). Für das Design von Earth‑to‑space‑Links sind die Modelle der ITU‑R seit Jahren der Referenzrahmen – insbesondere die Empfehlung ITU‑R P.618 (Vorhersage der Dämpfung auf Erd‑Weltraum‑Strecken).

Mit Gegenmaßnahmen lässt sich vieles abfedern: Adaptive Codierung und Modulation (ACM), Uplink‑Power‑Control, Site Diversity bei Gateways, größere Antennendurchmesser oder – im IoT‑Feld – einfachere Mittel wie Höhenreserve in der Link‑Bilanz plus Retransmit‑Strategien für Schlechtwetter. Die Quintessenz: Dimensionieren Sie für die seltenen, aber kritischen 0,01‑%‑Wettersituationen – dann bleibt die „Normalsituation“ entspannt.

Standards: 3GPP NTN (Release 17/18)

3GPP hat mit Release 17 die Weichen gestellt, um 5G‑NR und NB‑IoT auch über Nicht‑terrestrische Netze (NTN) – also LEO, MEO und GEO – zu betreiben. Release 18 führt diese Arbeiten fort und erweitert u. a. Robustheit und Bandunterstützung. Eine gut verständliche, deutschsprachige Einordnung der Meilensteine und ihrer technischen Folgen finden Sie bei Rohde & Schwarz – Nicht‑terrestrische Netze (NTN) in 5G, Rel‑17/18.

Was heißt das konkret für GEO‑IoT?

• Timing und Synchronisation: Lange Propagationszeiten erfordern erweiterte RACH‑Fenster und angepasste Timing‑Advance‑Parameter.
• HARQ/DRX: Timer und Offsets sind verlängert, damit Feedback‑Schleifen trotz hoher RTT stabil bleiben.
• Protokollebene: RLC/PDCP‑Tuning, größere Puffer und selteneres, dafür größeres Reporting reduzieren Overhead.

Sie müssen nicht jeden Parameter auswendig kennen – wichtig ist, dass Modem‑Firmware und Netz „GEO‑fähig“ sind und Tests die tatsächlichen RTT‑Profile abbilden.

GEO, LEO, MEO im Überblick

Die Orbitwahl ist kein Dogma, sondern ein Abwägungsproblem zwischen Latenz, Abdeckung und Gerätebudget. Denken Sie an diese grobe Landkarte:

Wann GEO Sinn ergibt – und wann nicht

GEO spielt seine Stärken aus, wenn Sie planbare Datenflüsse und stabile Sichtverbindung haben:

• Stationäre oder langsam wandernde Assets in schwer zugänglichen Gebieten (Pumpstationen, Pipelines, Bergbau, Offshore‑Plattformen).
• Maritime Anwendungen und Offshore‑Infrastruktur, bei denen Antennenausrichtung und Energieversorgung planbar sind.
• Umwelt‑ und Flächenmonitoring (Wasserstände, Wetterstationen, Brandfrüherkennung) mit periodischem Reporting und selteneren, größeren Payloads – so lässt sich’s effizient timen.

Weniger geeignet ist GEO, wenn Mobilität und kurze Reaktionszeiten dominieren: fahrzeugnahe V2X‑Anwendungen, robotische Steuerungen, AR‑/Teleoperation oder Wearables mit strengen Energiegrenzen profitieren meist von LEO‑Profilen oder terrestrischer Abdeckung.

Sicherheit, Zuverlässigkeit, FOTA

Die lange RTT hat Konsequenzen für Ihre Sicherheits‑ und Betriebsprozesse. Authentifizierung mit mehreren Round‑Trips verlängert Sessions; planen Sie großzügige Timeouts und zuverlässige Retry‑Strategien. Firmware‑Updates (FOTA) über GEO funktionieren gut, wenn Sie in größere Blöcke segmentieren, Kompression nutzen und Wartungsfenster definieren. Hybrid‑Konnektivität (terrestrisch + Satellit) erhöht Verfügbarkeit und erlaubt Ausweichpfade, falls Wetterdämpfung oder Schattenwurf die Linkqualität vorübergehend verschlechtern.

Ein Tipp aus der Praxis: Prüfen Sie, welche Protokolle Sie wählen. UDP mit eigenem Zuverlässigkeitslayer spart Overhead; TCP über GEO benötigt häufig Proxy‑/PEP‑Mechanismen (Performance Enhancing Proxy), um die Wirkung der langen RTT zu mildern. Und denken Sie an Logging – wenn etwas einmal im Feld steht, ist eine saubere Telemetrie oft Ihr einziges Fenster in das System.

Praxis‑Checkliste für Produktteams

• Antennenplanung zuerst: Freier Sichtpfad, Montagewinkel, Gewinnklasse (>20 dBi?) und mechanische Stabilität.
• Power‑Budget realistisch kalkulieren: Duty‑Cycle, Sendeleistung, Schlafphasen; Batterie vs. Solar berücksichtigen.
• Protokolle/Timer tunen: RACH‑Fenster, HARQ‑/DRX‑Timer, Retransmit‑Strategien auf reale RTTs abstimmen.
• Wetterreserven in der Link‑Bilanz einplanen (Ku/Ka): Fade‑Margins definieren; ACM/Power‑Control nutzen.
• Test unter echten Bedingungen: Over‑the‑air mit realer Antenne, verschiedenen Elevationswinkeln und Wetterlagen.
• Betriebsprozesse definieren: FOTA‑Strategie, Schlüsseldreh (Key Rotation), Monitoring/Alarmierung, Rollback‑Pläne.

Kurzfazit

GEO bedeutet große, stabile Abdeckung zum Preis höherer Latenz und eines strengeren Energie‑/Antennenbudgets. Wenn Sie periodische Telemetrie, planbare FOTA und stationäre Installationen priorisieren, ist GEO oft der pragmatischste Weg. Nutzen Sie die 3GPP‑NTN‑Grundlagen (Rel‑17/18) als Leitplanke, prüfen Sie Wetter‑Reserven nach ITU‑Modellen und verproben Sie früh mit einem Proof‑of‑Concept. Oder anders gefragt: Brauchen Sie Geschwindigkeit – oder Reichweite? Die Antwort entscheidet Ihren Orbit.

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Quellen: Definition und Orbitparameter nach ESA – Types of Orbits (GEO‑Definition); Latenzangaben gemäß Intelsat – Satellite Primer (2023); Link‑Budget‑Herausforderungen in Fraunhofer IIS – Internet of Things via Satellite; Wetterdämpfung nach ITU‑R P.618 (Erd‑Weltraum‑Strecken); 3GPP NTN‑Einordnung bei Rohde & Schwarz – Nicht‑terrestrische Netze (NTN) in 5G, Rel‑17/18.