[Frontier] Integrationsanalyse von 5G- und Satellitenmobilkommunikationssystemen

Einführung

Mit der rasanten Entwicklung des mobilen Internets und der zunehmenden Verbreitung und Anwendung von Smartphones und Tablets steigen die Anforderungen an die Geschwindigkeit der mobilen Kommunikation. Das Mobilfunksystem der fünften Generation (5G) zielt darauf ab, Spitzendatenraten von 10 bis 20 Gbit/s und eine Nutzungsrate von 100 Mbit/s bis 1 Gbit/s zu erreichen, um den gestiegenen Geschäftsanforderungen gerecht zu werden. Dank seiner hohen Kapazität, der vielfältigen Dienste und der hohen Geschwindigkeit eignet sich 5G für den breiten Einsatz in dicht besiedelten Gebieten. In dünn besiedelten Gebieten oder Regionen, in denen der Aufbau terrestrischer Netze schwierig ist, lassen sich seine Vorteile jedoch nur schwer nutzen. Satellitenkommunikationssysteme bieten im Vergleich zu terrestrischen Mobilfunknetzen unübertroffene Vorteile wie große Reichweite, hohe Kommunikationskapazität, geringe Auswirkungen auf das Gelände, hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Dienste. Daher können Satelliten zur Abdeckung dünn besiedelter Gebiete oder Gebiete, in denen der Aufbau terrestrischer Netze schwierig ist, eingesetzt werden und bilden somit eine gute Ergänzung zu terrestrischen Netzen. Dadurch wird eine echte globale Abdeckung erreicht und Nutzern weltweit einheitliche Kommunikationsdienste angeboten.

Tatsächlich ging die Nutzung von Satellitenkommunikation der Entwicklung terrestrischer Mobilfunknetze voraus. Das weltweit erste kommerzielle Kommunikationssatellitensystem war Early Bird, das 1965 von der Internationalen Satellitenkommunikationsorganisation (INTERSAT) gestartet und betrieben wurde.Satellite systems, while the first generation of cellular wireless communication systems in the world began to be constructed in the 1980s.Zu den in den letzten Jahrzehnten international in Betrieb genommenen Satellitenkommunikationssystemen gehören nicht nur Inmarsat, Thuraya, Viasat usw. in geostationärer Umlaufbahn, sondern auch Iridium, Global-star, Orbcom usw. in niedriger Erdumlaufbahn.Insbesondere seit 2015 hat es international einen Aufschwung beim Bau von Internet-Kommunikationskonstellationen in niedriger Erdumlaufbahn gegeben, wie beispielsweise OneWeb und Starlink, die in internationalen Brennpunkten viel Aufmerksamkeit erregt haben.Die Integration und der Aufbau von Satellitenkommunikationssystemen und terrestrischen drahtlosen Kommunikationssystemen haben sich erneut zu einer Entwicklungsrichtung entwickelt, die international eingehend demonstriert wurde.

01Forschungsstand zur Satelliten- und 5G-Integration

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts etablierten Betreiber die Satellitenkommunikation im Massenmarkt, indem sie die Genehmigung zum Aufbau hybrider Satelliten-Boden-Kommunikationsnetze erhielten. Um diese Netze zu erweitern, ergänzten sie sie um Bodenhilfsstationen (ATC) oder Bodenzusatzstationen (CGC). ATC bezeichnet eine Bodenhilfsstation, die für die mobile Satellitenkommunikation genutzt wird. Durch die Kombination von Satelliten und einer Vielzahl von ATC-Basisstationen wird eine lückenlose Abdeckung großer Gebiete erreicht, wodurch Probleme der Satellitenkommunikation gelöst werden können.Es gibt ein Problem mit schlechter Signalabdeckung in Städten mit Hochhäusern und in Innenräumen, aber es spielen auch einige andere Faktoren eine Rolle.Komplexe Fragestellungen wie: Frequenzwiederverwendung von Satelliten und ATC-Basisstationen, Umschaltung und koordinierte Steuerung von Weltraum- und Bodensystemen.

Mit zunehmender Reife der 5G-Technologie hat die Integration von 5G und Satelliten im In- und Ausland große Aufmerksamkeit erregt. Standardisierungsorganisationen wie die Internationale Fernmeldeunion (ITU) und das Third Generation Partnership Project (3GPP) haben viel Energie in die Durchführung technischer Demonstrationsarbeiten zur Satellitenintegration von 5G-Systemen investiert.

1) Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) schlug 2016 vor, dass „Mobilfunknetze der nächsten Generation den Bedarf der Nutzer an jederzeitigem und überall verfügbarem Zugriff auf Dienste decken sollten“ und führte eine ITU-Revisionsstudie (ITU-RM) im Bereich der Satellitenzugangstechnologie durch. Die Forschung zum [NGAT_SAT]-Standard schlägt vier typische Anwendungsszenarien für die Satelliten-Boden-Integration vor: Breitband-Relay-Übertragungsdienste, Daten-Backhaul- und -Verteilungsdienste, mobile Breitband-Kommunikationsdienste und hybride Multimedia-Dienste (siehe Abbildung unten). Die Studie erläutert die wichtigsten Merkmale zur Unterstützung dieser Anwendungen. Darüber hinaus fördert die ITU aktiv die Frequenznutzung von Satelliten und 5G und hat eine Reihe von Spektrum-Sharing- und EMV-Analysen für Satelliten und 5G durchgeführt.

Abbildung 1 zeigt vier Anwendungsszenarien für Satelliten-Boden-Integrationssysteme gemäß der ITU.

2) Das Third Generation Partnership Project (3GPP) demonstriert seit dem Release 14-Standard im Jahr 2017 die Vorteile der Satellitenkommunikation für terrestrische Mobilkommunikationssysteme. Im Ende 2017 veröffentlichten technischen Bericht TR22.822 definierte die 3GPP-Arbeitsgruppe SA1 drei Hauptmethoden der Nutzung des Satellitenzugangs in 5G: kontinuierlicher Dienst, ubiquitärer Dienst und erweiterter Dienst.Use cases and discuss requirements for new and existing services. Currently, 3GPP mainly relies on a research project called "Non-Terrestrial Network (NTN)" to carry out research on deployment scenarios and air interface design of satellite communications in 5G.

3) Im Juni 2017 gründete Europa die SaT5G-Allianz (Satellite and Terrestrial Network for 5G). Zu ihren Mitgliedern zählen BT, SES, Avanti, die Universität Surrey sowie weitere europäische Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Ziel der Allianz ist es, eine kostengünstige, sofort einsatzbereite Satellitenlösung für 5G bereitzustellen und der Satellitenindustrie kontinuierliche Wachstumschancen zu eröffnen. Die Europäische Netzwerk- und Kommunikationskonferenz 2018 fand in Ljubljana, Slowenien, statt. Fünf SaT5G-Mitglieder, darunter VT iDi-rect und SES, demonstrierten dort die Integration von Satelliten- und 3GPP-Netzwerkarchitektur.

Abbildung 2: Anwendungsszenarien für Satelliten-5G von Sat5G

4) In order to cope with the 1000x capacity growth target proposed by the 5G system, the SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas) program launched with funding from the European Union H2020 aims to provide a good backhaul link solution for future large-capacity wireless communication systems. The SANSA project proposed low-overhead smart antenna beamforming technology, dynamic intelligent wireless resource management technology for satellite-ground integrated wireless networks, database-assisted dynamic spectrum sharing technology, etc., and carried out in-depth research work.

02  Schlüsseltechnologien für die Satelliten-5G-Integration

Da sich Satelliten- und terrestrische Funkkommunikation hinsichtlich Reichweite, Abdeckung und Sendeleistung unterscheiden, steht die tiefe Integration beider Technologien vor einigen unvermeidlichen Herausforderungen. Die Schlüsseltechnologien für die Satelliten-5G-Integration werden im Folgenden unter fünf Aspekten analysiert: Systemarchitektur, Strahlabdeckung, Luftschnittstellen-Wellenform, Spektrumsnutzung und Netzwerksteuerung.

2.1 Systemarchitektur

In the satellite 5G integration architecture, a mixed high- and low-orbit satellite constellation is considered. At the same time, the design of communication frequency bands also includes low-frequency bands (such as L and S bands) and high-frequency bands (such as Ku and Ka bands), taking into account medium-low speed and broadband transmission service requirements. The satellite coverage area moves as the sub-satellite point moves, and the end user switches between different cells.

Die Verbindungen zwischen Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen basieren auf Laser- oder Mikrowellenverbindungen. Mehrere Satelliten sind zu einem Weltraumkommunikationsnetz miteinander verbunden, wobei die Satelliten als Vermittlungsknoten fungieren. Konstellationen werden üblicherweise in polaren Umlaufbahnen realisiert. Dies liegt daran, dass Satelliten in benachbarten Umlaufbahnen (mit Ausnahme der Polargebiete oder umgekehrter Bahnränder) eine relativ stabile relative Position aufweisen, was die Aufrechterhaltung der Verbindungen zwischen den Satelliten und die Abdeckung von Gebieten in hohen Breitengraden begünstigt. Zusätzlich wird die Satelliten-Feeder-Verbindung an der Gateway-Station implementiert, wodurch die Verbindung und Interoperabilität zwischen dem Satellitennetz und dem bodengebundenen PSTN, PLMN und dem Internet hergestellt wird. Diese Operationen werden in den Ka- oder Q/V-Frequenzbändern durchgeführt.

Aktuell existieren drei Hauptarchitekturen für Satelliten-Boden-Integrationsnetze. Die erste ist das komplementäre Satelliten-Boden-Netzwerk. In dieser Architektur teilen sich 5G-Systeme und Satellitensysteme ein Netzwerkmanagementzentrum, ihre jeweiligen Zugangs- und Kernnetze bleiben jedoch unabhängig. Zugangsnetz und einige Kernnetzfunktionen werden von Satelliten-Gateway-Stationen bereitgestellt, und Endgeräte unterstützen sowohl zellulare als auch satellitenbasierte Zugriffsmodi. Die zweite Architektur ist das hybride Satelliten-Boden-Netzwerk. Hierbei teilen sich Boden- und Satellitensystem das Netzwerkmanagementzentrum, und die Luftschnittstellen sind weitestgehend vereinheitlicht, um die Unabhängigkeit ihrer jeweiligen Kernnetze und Frequenzbänder zu gewährleisten. Endgeräte unterstützen sowohl terrestrische als auch satellitenbasierte Zugriffsmodi. Die dritte Architektur ist das integrierte Satelliten-Boden-Netzwerk. Dessen Hauptmerkmale sind: Zugangspunkte (APs), Frequenzen, Zugangsnetz und Kernnetz des gesamten Systems sind vollständig vereinheitlicht geplant und konzipiert. Es sei darauf hingewiesen, dass das integrierte Satelliten-Boden-Netzwerk die höchste Stufe des integrierten Satelliten-Boden-Kommunikationssystems darstellt und mit enormen technischen Herausforderungen konfrontiert ist.

2.2 Strahlabdeckung

In einem integrierten Satelliten-Boden-Mobilkommunikationssystem können durch die Anpassung der Spotbeams und der Funkressourcen Sprach- und Datendienste bereitgestellt werden, die die vorgegebene Kapazität für Hotspot-Bereiche übersteigen. Diese flexible Funktion wird durch digitales Beamforming (DBF) erreicht. Aktuell gibt es drei Arten von DBF für die Satellitenkommunikation: bodengestütztes DBF, satellitengestütztes DBF und hybrides DBF. Hybrides digitales Beamforming bietet einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Komplexität und wurde daher intensiv erforscht. Beim Einsatz von hybridem DBF berechnet die Bodenstation die optimierte Beamforming-Matrix anhand der Anforderungen an die Strahlanpassung und der entsprechenden Strategien. Anschließend werden die Parameter der Beamforming-Matrix über die Feedlink-Verbindung an den Satelliten gesendet. Dieser passt die Strahlabdeckung zum Boden dynamisch an, indem er die Mehrstrahlantenne auf dem Satelliten rekonstruiert.

There are two main types of handovers caused by satellite or terminal movement: one is handover within the satellite system. For low-orbit satellites, their position relative to the ground changes rapidly, so that the terminal is continuously covered by the same satellite for only ten minutes. Therefore, in order to prevent data loss during the handover process, inter-satellite or inter-beam handovers must be prepared in advance and executed quickly. The other is the switching of the terminal between the terrestrial 5G network and the satellite network. This switch needs to consider factors such as supporting on-board processing and bend-pipe transparent forwarding architecture, time synchronization, measurement and information coordination. When the cellular network signal is very weak, the terminal will switch from the cellular network to the satellite network, otherwise it will maintain access to the terrestrial network.

2.3 Air interface waveform

Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) ist nach wie vor das grundlegende Übertragungssystem des 5G-Netzes. Interferenz zwischen den Trägern (ICI) führt jedoch zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Systemleistung. Dies liegt daran, dass die OFDM-Technologie selbst sehr empfindlich auf Frequenzabweichungen reagiert und das durch diese Abweichungen verursachte Übersprechen zwischen den Subträgern die Kommunikationsleistung mindert. Um den Einfluss der verbleibenden Frequenzabweichung auf die Systemleistung effektiv zu kompensieren, kann ein Design mit variabler Subträgerbandbreite eingesetzt werden. Im schmalbandigen L-Band, wo die Codierungsrate des unterstützten Sprachdienstes nur 2.4 kbit/s beträgt, sollte eine Subträgerbandbreite von 15 kHz oder weniger verwendet werden. Im Ka-Band ist die nutzbare Subträgerbreite größer. Da Nutzer häufig über Breitband auf das Internet zugreifen und der minimale Elevationswinkel groß ist, lässt sich der Einfluss des Doppler-Effekts effektiv reduzieren.

Darüber hinaus benötigt das von 5G unterstützte nicht-orthogonale Mehrfachzugriffsverfahren (NOMA) keine exklusiven Ressourcen pro Nutzer. Nutzer können gleichzeitig über nicht-orthogonale Ressourcen Informationen senden und empfangen. Durch die gemeinsame Erkennung mehrerer Nutzer lassen sich gegenseitige Interferenzen mittels Signalverarbeitung vermeiden. Im Vergleich zu herkömmlichen orthogonalen Zugriffsverfahren kann die Anwendung der NOMA-Technologie die Spektrumeffizienz um mehr als das Dreifache steigern. NOMA-Chips für terrestrische 5G-Systeme wurden bereits entwickelt, verbreitet und eingesetzt. Die NOMA-Technologie geht jedoch mit höherer Komplexität einher, was ihre Anwendung in geostationären Satellitenkommunikationsszenarien mit hoher Latenz erschwert, da eine Vielzahl von Signalinteraktionen zur dynamischen Steuerung der Nutzerzugriffsparameter erforderlich ist. Zukünftige Forschungsarbeiten zur NOMA-Technologie in der Satellitenkommunikation sind daher notwendig.

2.4 Spectrum sharing

Whether for satellite communications or terrestrial mobile communication systems, the lack of available spectrum has become an urgent problem to be solved. In particular, satellite communications and terrestrial communications have formed a fierce competition in spectrum resources. For example, the C-band and Ka-band, which have been used by satellite communications systems for many years, have been authorized by the ITU for terrestrial 5G systems. The spectrum competition situation between the two specifically includes:

1) Ka-band: In order to meet the rapid growth of user speed and system capacity, both 5G and satellite communications hope to use Ka-band or even millimeter-wave frequency bands. For example: The 2019 World Radiocommunication Conference (WRC-19) used 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz, 66 GHz-71 GHz, a total of 14.75 GHz bandwidth spectrum identification for 5G and future international mobile communications systems globally; the US FCC has designated 27.5 GHz-28.35 GHz, 37 GHz-38.6 The GHz frequency bands are licensed for use by terrestrial 5G, and these frequency bands overlap to a certain extent with the frequency bands used by satellite communication systems.

2) 3-6 GHz C-Band: Viele Länder, darunter China, die Europäische Union, Japan und Südkorea, haben das C-Band als mögliches Frequenzband für 5G-Systeme vorgeschlagen. Allerdings betreiben Länder wie China, Vietnam und Malaysia in Asien bereits zahlreiche Satellitenkommunikationssysteme in diesem Frequenzband. Daher ist eine koordinierte Nutzung des C-Bands für terrestrische 5G-Systeme schwierig.

Die Optimierung der Konfiguration durch kollaborative Satelliten-Boden-Planung kann die effiziente Nutzung von Frequenzressourcen verbessern. Durch den Aufbau eines gemeinsamen Satelliten-Boden-Spektrumserkennungssystems lässt sich die Spektrumsnutzung zwischen Satelliten-Boden-Kommunikationssystemen realisieren und die Spektrumsnutzungseffizienz steigern. Im Vergleich zu terrestrischen drahtlosen Kommunikationsnetzen ist es für kognitive Nutzer deutlich schwieriger, alle Spektren in der Netzwerkumgebung zu erfassen. Dies ist auf die große Reichweite der Satellitenkommunikation zurückzuführen. Schnelle Aktualisierung der Spektrumdatenbank, Strahlformung, Genauigkeit der Spektrumserkennung und Beschreibung kognitiver Bereiche sind zentrale Forschungsschwerpunkte dieser Technologie. Darüber hinaus kann die einheitliche Planung und das Design von Mobilfunk- und Satellitenkommunikation zur Behebung von Interferenzen durch „Spektrumsnutzung“ – und damit zur Förderung der gemeinsamen Nutzung von Frequenzressourcen – eine kompatible Grundlage für die tiefe Integration von Satellitenkommunikationssystemen und 5G-Systemen schaffen.

2.5 Netzwerksteuerung

End-to-end network slicing realized through SDN and NFV technology is the biggest feature of the network control cloud in the 5G system. SDN and NFV technologies respectively realize the separation of network bearer and control and the softwareization of core network elements. They provide a solid foundation for realizing network slicing.solide Basis.

Durch die tiefe Integration des Satellitenkommunikationssystems in das terrestrische 5G-Netz können die Steuerungs- und Weiterleitungsfunktionen des Satellitenkernnetzes getrennt werden, was die Weiterleitung weiter vereinfacht. Um hohe Übertragungsanforderungen und eine flexible und ausgewogene Lastverteilung zu erfüllen, können Geschäftsspeicher- und Rechenkapazitäten vom Netzwerkzentrum an den Netzwerkrand verlagert werden.

In order to support integration with the ground, in addition to the nine network functions that 3GPP provides basic service functions, it is necessary to add non-3GPP interconnection functions and user plane functions to the user plane of the 5G satellite core network.

03 Herausforderungen und Forschungsrichtungen bei der Integration von 5G über Satelliten

Obwohl bei der Integration von 5G in Satellitennetze bereits große Fortschritte erzielt wurden, bestehen weiterhin zahlreiche technische Herausforderungen, um die Vision einer solchen Integration vollständig zu verwirklichen. Viele dieser Herausforderungen sind sowohl im Satelliten- als auch im terrestrischen Bereich relevant. Im Folgenden werden die wichtigsten technischen Herausforderungen und zukünftigen Forschungsrichtungen aufgeführt.

1) Herausforderungen im Übertragungssystem: Bei der Übertragung in integrierten Satelliten-Boden-Netzwerken stellen Doppler-Frequenzverschiebung, Frequenzmanagement und Interferenzen, Leistungsbegrenzung und Timing-Vorverlagerung dringende Probleme dar, die gelöst werden müssen. Um der Doppler-Frequenzverschiebung zu begegnen, verwendet 5G im Übertragungssystem Mehrträger-OFDM. Dessen Subträgerabstand berücksichtigt jedoch nicht die Auswirkungen der Doppler-Frequenzverschiebung, was zu Interferenzen zwischen den Subträgern führt. Hinsichtlich der Leistungsbegrenzung wird eine hohe Frequenzbandauslastung bei gleichzeitiger Reduzierung des Signal-Spitzen-zu-Mittelwert-Verhältnisses gewährleistet. Schließlich kann die schnelle Änderung der Übertragungsverzögerungen in der drahtlosen Verbindung eine dynamische Aktualisierung der individuellen Timing-Vorverlagerungen der Endgeräte erforderlich machen, um die Synchronisierung aller Uplink-Übertragungen sicherzustellen.

2) Herausforderungen beim Zugriff und Ressourcenmanagement: Die lange Latenz des integrierten Satelliten-Boden-Netzwerks stellt die Zugriffskontrolle, HARQ, ARQ und andere Prozesse der MAC- und RLC-Schicht vor Herausforderungen. Um die effektive Integration von 5G und Satelliten zu gewährleisten, müssen im Hinblick auf die Zugriffskontrolle geeignete Zugriffsmechanismen wie Vorautorisierung, semi-persistente Planung und autorisierungsfreier Zugriff entwickelt werden. Bei HARQ überschreitet die Round-Trip-Zeit üblicherweise die maximale HARQ-Timerlänge, wodurch der HARQ-Prozess strengen Zeitanforderungen unterliegt. Auch die Planungsprozesse der MAC- und RLC-Schicht werden durch die lange Latenz des Satellitensystems beeinträchtigt, sodass die Verzögerungsparameter angepasst werden müssen.

3) Herausforderungen im Mobilitätsmanagement: In einem integrierten Satelliten-Boden-Netzwerk sind die Herausforderungen im Mobilitätsmanagement noch gravierender. Je nach Kommunikationsebene lässt sich zwischen Netzwerk- und Verbindungs-Switching unterscheiden. Anwendungsszenarien umfassen sie Übergaben zwischen Bodenstationen, zwischen Satelliten und Bodenstationen, zwischen Satellitenstationen und zwischen Satelliten. Dieses Thema wurde bereits untersucht, bedarf aber weiterer Forschung.

04 Fazit

Satelliten- und terrestrische Mobilfunksysteme blicken auf eine fast dreißigjährige Entwicklung zurück und haben beachtliche Erfolge erzielt. Aufgrund ihrer systembedingten Einschränkungen können sie jedoch den wachsenden Bedarf an mobiler Kommunikation und massiver Datenvernetzung nur schwer decken. Mit der rasanten Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) in den letzten Jahren werden sich zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme auf die Transformation von „Menschen-Menschen“ zu „Menschen-Dingen“ und „Dingen-Dingen“ ausrichten und so allgegenwärtige Kommunikation und das Internet der Dinge (IoT) realisieren. Durch die integrierte Entwicklung von Satelliten- und terrestrischer Mobilfunkkommunikation lassen sich komplementäre Vorteile erzielen und neue Entwicklungschancen eröffnen. Dieser Artikel stellt den Entwicklungsstand, die Schlüsseltechnologien und die Herausforderungen der Integration von Satellitenkommunikation und 5G vor und soll als Referenz und Orientierungshilfe für die Weiterentwicklung dieser Technologie dienen.

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