[Frontier] Análisis de la integración de los sistemas de comunicación móvil 5G y por satélite.

introducción

Con el rápido desarrollo de Internet móvil y la promoción y aplicación de dispositivos terminales inteligentes, se han planteado mayores exigencias en cuanto a la velocidad de las comunicaciones móviles. El sistema de comunicación móvil de quinta generación (5G) tiene como objetivo proporcionar una velocidad máxima de 10 Gbps a 20 Gbps y una velocidad de experiencia de usuario de 100 Mbps a 1 Gbps para satisfacer las necesidades empresariales más diversas. Gracias a su gran capacidad de servicio de comunicación inalámbrica, sus múltiples servicios y su alta velocidad, el 5G puede utilizarse ampliamente en zonas densamente pobladas. Sin embargo, resulta difícil aprovechar sus ventajas en zonas poco pobladas o donde es difícil desplegar redes terrestres. En comparación con las redes de comunicación móvil terrestres, los sistemas de comunicación por satélite presentan ventajas incomparables, como una amplia cobertura, una gran capacidad de comunicación, un impacto mínimo en el terreno, una alta flexibilidad y adaptabilidad a diversos servicios. Por lo tanto, los satélites pueden utilizarse para cubrir zonas poco pobladas o donde es difícil desplegar redes terrestres, complementando eficazmente estas últimas y logrando así una verdadera cobertura global y proporcionando servicios de comunicación uniformes a usuarios de todo el mundo.

De hecho, el uso de las comunicaciones por satélite por parte del ser humano precede a la construcción de las comunicaciones inalámbricas celulares terrestres. El primer sistema comercial de comunicaciones por satélite del mundo fue Early Bird, lanzado y operado por la Organización Internacional de Comunicaciones por Satélite (INTERSAT) en 1965.Los sistemas satelitales, mientras que la primera generación de sistemas de comunicación inalámbrica celular del mundo comenzó a construirse en la década de 1980.En las últimas décadas, los sistemas de comunicación por satélite que se han puesto en funcionamiento a nivel internacional incluyen no solo Inmarsat, Thuraya, Viasat, etc. en órbita geoestacionaria, sino también Iridium, Global-star, Orbcom, etc. en órbita terrestre baja.Especialmente desde 2015, se ha producido un auge internacional en la construcción de constelaciones de comunicaciones por Internet en órbita baja, como OneWeb y Starlink, que han atraído mucha atención en puntos clave internacionales.La integración y construcción de sistemas de comunicación por satélite y sistemas de comunicación inalámbrica terrestre se ha convertido una vez más en una línea de desarrollo que ha sido ampliamente demostrada a nivel internacional.

01Estado de la investigación sobre la integración de satélites y 5G

A principios del siglo XXI, los operadores impulsaron las comunicaciones por satélite al mercado general al obtener autorización para formar redes híbridas de comunicaciones satélite-tierra. Para expandir estas redes, añadieron componentes terrestres auxiliares (ATC) o componentes terrestres suplementarios (CGC). Un ATC es una estación base terrestre auxiliar utilizada para comunicaciones móviles por satélite. La combinación de satélites y un gran número de estaciones base ATC permite lograr una cobertura continua en amplias zonas, lo que contribuye a solucionar problemas relacionados con los satélites.Existe un problema de mala cobertura de señal en ciudades con edificios altos y en interiores, pero también involucra algunosCuestiones complejas, como la reutilización de frecuencias de satélites y estaciones base de control de tráfico aéreo, la conmutación y el control coordinado de sistemas espaciales y terrestres.

A medida que la tecnología 5G madura, la integración de 5G y satélites ha atraído una gran atención tanto a nivel nacional como internacional. Organizaciones de estandarización como la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y el Proyecto de Asociación para la Tercera Generación (3GPP) han invertido muchos recursos en realizar demostraciones técnicas relacionadas con la integración de sistemas 5G mediante satélites.

1) La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) propuso en 2016 que "la red de comunicaciones móviles de próxima generación debería satisfacer las necesidades de los usuarios para acceder a los servicios en cualquier momento y lugar", y llevó a cabo la revisión de la UIT (ITU-RM) en el campo de la tecnología de acceso por satélite. La investigación sobre el estándar [NGAT_SAT] propone cuatro escenarios de aplicación típicos para la integración satélite-tierra, que incluyen servicios de transmisión de banda ancha de retransmisión, servicios de reenvío y distribución de datos, servicios de comunicaciones móviles de banda ancha y servicios multimedia híbridos, como se muestra en la figura siguiente, y aclara las características clave para soportar las aplicaciones mencionadas. Además, la UIT también está promoviendo activamente el trabajo sobre el uso de frecuencias de satélites y 5G, y ha llevado a cabo una serie de análisis de compartición de espectro y compatibilidad electromagnética en satélites y 5G.

Figura 1. Cuatro escenarios de aplicación del sistema de integración satélite-tierra proporcionados por la UIT.

2) El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) comenzó a demostrar las ventajas de las comunicaciones por satélite para los sistemas de comunicaciones móviles terrestres desde la publicación del estándar Release 14 en 2017. En el informe técnico TR22.822, publicado a finales de 2017, el grupo de trabajo SA1 del 3GPP definió tres métodos principales de uso del acceso por satélite en 5G: servicio continuo, servicio ubicuo y servicio extendido.Se analizan casos de uso y se discuten los requisitos para los servicios nuevos y existentes. Actualmente, 3GPP se basa principalmente en un proyecto de investigación llamado "Red No Terrestre (NTN)" para investigar escenarios de despliegue y el diseño de la interfaz aérea de las comunicaciones por satélite en 5G.

3) En junio de 2017, Europa creó la Alianza SaT5G (Red Satelital y Terrestre para 5G), cuyos miembros incluyen a BT, SES, Avanti, la Universidad de Surrey y otras empresas e instituciones de investigación europeas. Su objetivo es proporcionar una solución satelital rentable y de fácil implementación para 5G, así como ofrecer oportunidades de crecimiento continuo para la cadena de valor de la industria satelital. La Conferencia Europea de Redes y Comunicaciones de 2018 se celebró en Liubliana, Eslovenia. En la conferencia, cinco miembros de SaT5G demostraron la integración de la arquitectura de red satelital y 3GPP, entre ellos VT iDi-rect y SES.

Figura 2 Escenarios de aplicación de 5G satelital proporcionados por 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  Tecnologías clave para la integración de 5G por satélite

Dado que existen diferencias entre las comunicaciones satelitales y las comunicaciones inalámbricas terrestres en cuanto a distancia de propagación, cobertura y capacidad de potencia, la integración profunda de ambas presenta desafíos inevitables. A continuación, se analizan las tecnologías clave para la integración de 5G satelital desde cinco perspectivas: arquitectura del sistema, cobertura del haz, forma de onda de la interfaz aérea, compartición del espectro y control de la red.

2.1 Arquitectura del sistema

En la arquitectura de integración satelital 5G, se considera una constelación mixta de satélites de órbita alta y baja. Asimismo, el diseño de las bandas de frecuencia de comunicación incluye bandas de baja frecuencia (como las bandas L y S) y de alta frecuencia (como las bandas Ku y Ka), teniendo en cuenta los requisitos de servicio de transmisión de banda ancha y velocidad media-baja. El área de cobertura satelital se desplaza a medida que se mueve el punto subsatelital, y el usuario final cambia entre diferentes celdas.

Los enlaces entre satélites de constelaciones de satélites de órbita baja se componen de enlaces láser o de microondas, y múltiples satélites se interconectan para formar una red de comunicación espacial con satélites que actúan como nodos de conmutación. Las constelaciones suelen diseñarse utilizando órbitas polares. Esto se debe a que los satélites en planos orbitales adyacentes mantienen una relación de posición relativa relativamente estable (excepto en regiones polares o en zonas de inversión de órbita), lo que facilita el mantenimiento de los enlaces entre satélites y la cobertura de áreas de alta latitud. Además, el enlace de alimentación de satélites se implementa en la estación de puerta de enlace, lo que permite la interconexión e interoperabilidad entre la red satelital y las redes PSTN, PLMN e Internet. Todas estas operaciones se implementan en las bandas de frecuencia Ka o Q/V.

Actualmente, existen tres arquitecturas principales para redes de integración satélite-tierra. La primera es la red complementaria satélite-tierra. En esta arquitectura, los sistemas 5G y los sistemas satelitales comparten un centro de gestión de red, pero sus respectivas redes de acceso y redes centrales permanecen independientes. Las estaciones de puerta de enlace satelital proporcionan funciones de red de acceso y algunas de la red central, y los terminales admiten modos de acceso celular, satelital o ambos. El segundo tipo es la red híbrida satélite-tierra. En esta arquitectura, el sistema terrestre y el sistema satelital comparten el centro de gestión de red, y las partes de la interfaz aérea también se unifican en la medida de lo posible para mantener la independencia de sus respectivas redes centrales y bandas de frecuencia. El terminal puede admitir modos de acceso terrestre y satelital. El tercer tipo es la red integrada satélite-tierra. Sus principales características son: el punto de acceso (AP), la frecuencia, la red de acceso y la red central de todo el sistema están completamente unificados, planificados y diseñados. Cabe destacar que la red integrada satélite-tierra representa la etapa más avanzada del sistema de comunicación integrado satélite-tierra y se enfrenta a enormes desafíos técnicos.

2.2 Cobertura del haz

En el sistema integrado de comunicación móvil satélite-tierra, mediante el ajuste de sus haces puntuales y recursos inalámbricos, puede proporcionar servicios de voz y datos que superan la capacidad predeterminada para áreas de alta cobertura. Esta flexibilidad se logra mediante la tecnología de formación de haces digitales (DBF). Actualmente, la tecnología de formación de haces digitales para comunicaciones por satélite incluye principalmente tres formas: DBF terrestre, DBF espacial y DBF híbrida. Entre ellas, la formación de haces digitales híbrida ofrece un buen equilibrio entre rendimiento y complejidad, y ha sido objeto de numerosos estudios. Al utilizar DBF híbrida, el centro de control de la red terrestre calcula la matriz de formación de haces optimizada en función de los requisitos de ajuste de haz y las estrategias correspondientes, y luego envía los parámetros de dicha matriz al satélite a través del enlace de alimentación. El satélite ajusta dinámicamente la cobertura del haz hacia tierra reconstruyendo la antena multihaz.

Existen dos tipos principales de traspasos causados ​​por el movimiento del satélite o del terminal: uno es el traspaso dentro del sistema satelital. Para los satélites de órbita baja, su posición relativa a la Tierra cambia rápidamente, de modo que el terminal solo recibe cobertura continua del mismo satélite durante diez minutos. Por lo tanto, para evitar la pérdida de datos durante el proceso de traspaso, los traspasos entre satélites o entre haces deben prepararse con antelación y ejecutarse rápidamente. El otro tipo es el cambio del terminal entre la red 5G terrestre y la red satelital. Este cambio requiere considerar factores como la compatibilidad con el procesamiento a bordo y la arquitectura de reenvío transparente de curvatura, la sincronización horaria, la medición y la coordinación de la información. Cuando la señal de la red celular es muy débil, el terminal cambiará de la red celular a la red satelital; de lo contrario, mantendrá el acceso a la red terrestre.

2.3 Air interface waveform

La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) sigue siendo el sistema de transmisión básico del sistema 5G, pero la interferencia entre portadoras (ICI) provocará una grave disminución en el rendimiento del sistema. Esto se debe a que la tecnología OFDM es muy sensible al desfase de frecuencia, y la diafonía entre subportadoras causada por dicho desfase reduce el rendimiento de la comunicación. Para contrarrestar eficazmente el impacto del desfase de frecuencia residual en el rendimiento del sistema, se puede adoptar un esquema de diseño con ancho de banda de subportadora variable. Para la banda L, con un ancho de banda estrecho, dado que la tasa de codificación del servicio de voz que admite es tan baja como 2.4 kbps, se debe utilizar un diseño de subportadora de 15 kHz o más estrecho. En la banda de frecuencia Ka, el ancho de subportadora que se puede utilizar es mayor. Esto se debe a que los usuarios suelen acceder a Internet a través de banda ancha y el ángulo de elevación mínimo es grande, lo que puede reducir eficazmente el impacto del efecto Doppler.

Además, el acceso múltiple no ortogonal (NOMA) compatible con 5G no requiere que cada usuario ocupe recursos exclusivos. Los usuarios pueden enviar y recibir información simultáneamente en recursos no ortogonales. Gracias a la detección conjunta multiusuario, se puede evitar la interferencia mutua entre usuarios mediante el procesamiento de señales. En comparación con los métodos de acceso ortogonal tradicionales, la aplicación de la tecnología NOMA puede triplicar la eficiencia del espectro. Actualmente, se han desarrollado, promovido y aplicado chips NOMA para sistemas 5G terrestres. La tecnología NOMA prioriza la eficiencia del espectro sobre la complejidad, lo que dificulta su aplicación en escenarios de comunicación por satélite en órbita geoestacionaria (GEO) con alta latencia, debido a la gran cantidad de interacciones de señalización que se utilizan para controlar dinámicamente los parámetros de acceso del usuario. Por lo tanto, es necesario realizar investigaciones técnicas adicionales sobre la tecnología NOMA en comunicaciones por satélite.

2.4 Compartición del espectro

Tanto para las comunicaciones por satélite como para los sistemas de comunicaciones móviles terrestres, la falta de espectro disponible se ha convertido en un problema urgente que debe resolverse. En particular, las comunicaciones por satélite y las terrestres han generado una feroz competencia por los recursos del espectro. Por ejemplo, las bandas C y Ka, utilizadas durante muchos años por los sistemas de comunicaciones por satélite, han sido autorizadas por la UIT para los sistemas terrestres 5G. La situación de competencia por el espectro entre ambos sistemas incluye, específicamente:

1) Banda Ka: Para satisfacer el rápido crecimiento de la velocidad del usuario y la capacidad del sistema, tanto las comunicaciones 5G como las satelitales esperan utilizar la banda Ka o incluso bandas de frecuencia de ondas milimétricas. Por ejemplo: la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones de 2019 (CMR-19) utilizó 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz, 66 GHz-71 GHz, un total de 14.75 GHz de ancho de banda para la identificación del espectro para 5G y futuros sistemas internacionales de comunicaciones móviles a nivel mundial; la FCC de EE. UU. ha designado 27.5 GHz-28.35 GHz, 37 GHz-38.6 GHz. Las bandas de frecuencia están licenciadas para su uso por 5G terrestre, y estas bandas de frecuencia se superponen en cierta medida con las bandas de frecuencia utilizadas por los sistemas de comunicación satelital.

2) 3GHz-6GHz C-band: Many countries have proposed using the C-band as a candidate frequency band for 5G systems, including China, the European Union, Japan, and South Korea. However, in Asia, countries such as China, Vietnam, and Malaysia have built a large number of satellite communication systems in this frequency band. It is difficult to coordinate the use of C-band for terrestrial 5G systems.

Optimizing configuration through satellite-ground collaborative planning can improve the efficient use of frequency resources. By building a joint satellite-ground spectrum sensing system, spectrum sharing between satellite-ground communication systems can be achieved and spectrum utilization efficiency can be improved. Compared with terrestrial wireless communication networks, it is much more difficult for cognitive users to detect all spectrums in the network environment. This is caused by the wide area coverage of satellite communications. Rapid update of the spectrum database, beam formation, accuracy of spectrum sensing, and cognitive area description are all research focuses of this technology. In addition, from the perspective of resource integration, unified planning and design of cellular communications and satellite communications to solve interference in the form of "spectrum sharing", thus promoting the shared use of frequency resources, can provide a compatible basis for the deep integration of satellite communications systems and 5G systems.

2.5 Control de red

La segmentación de red de extremo a extremo, implementada mediante las tecnologías SDN y NFV, es la característica más importante de la nube de control de red en el sistema 5G. Las tecnologías SDN y NFV permiten, respectivamente, la separación de la red de transporte y la de control, así como la softwareización de los elementos centrales de la red. Estas tecnologías proporcionan una base sólida para la segmentación de red.Fundacion solida.

Cuando el sistema de comunicación por satélite se integra profundamente con la red 5G terrestre, las funciones de control y reenvío de la red central satelital pueden separarse, simplificando aún más la función de reenvío. Para dar soporte a los requisitos de transmisión de alto tráfico y a una programación de carga de tráfico flexible y equilibrada, las capacidades de almacenamiento y computación empresariales pueden trasladarse del centro de la red al borde de la misma.

Para facilitar la integración con la red terrestre, además de las nueve funciones de red que proporciona el 3GPP como funciones de servicio básicas, es necesario añadir funciones de interconexión y de plano de usuario que no pertenecen al 3GPP al plano de usuario de la red central satelital 5G.

03 Desafíos y líneas de investigación que plantea la integración de la tecnología 5G por satélite.

Aunque se han logrado grandes avances en la integración de la tecnología 5G por satélite, aún existen numerosos desafíos técnicos para materializar plenamente la visión de esta integración. Existen muchos desafíos comunes tanto en el ámbito satelital como en el terrestre. A continuación, enumeramos los principales desafíos técnicos y las futuras líneas de investigación.

1) Desafíos en el sistema de transmisión: En la transmisión de redes integradas satélite-tierra, el desplazamiento de frecuencia Doppler, la gestión de frecuencia y la interferencia, la limitación de potencia y el avance de temporización son problemas que deben resolverse con urgencia. En respuesta al desplazamiento de frecuencia Doppler, 5G utiliza OFDM multicarrier en el sistema de transmisión. Su diseño de espaciado de subportadoras no considera el impacto del desplazamiento de frecuencia Doppler, lo que provocará interferencia entre subportadoras. En términos de limitación de potencia, garantiza una alta utilización de la banda de frecuencia al tiempo que reduce la relación pico-promedio de la señal. Finalmente, con respecto al avance de temporización, los cambios rápidos en los retrasos de transmisión del enlace inalámbrico pueden generar la necesidad de actualizar dinámicamente los avances de temporización individuales del terminal para garantizar que todas las transmisiones de enlace ascendente estén sincronizadas.

2) Desafíos de acceso y gestión de recursos: Dado que el largo retardo de la red integrada satélite-tierra ha planteado desafíos al control de acceso, HARQ, ARQ y otros procesos de las capas MAC y RLC. En términos de control de acceso, para respaldar la integración efectiva de 5G y satélites, es necesario diseñar mecanismos de acceso razonables como la preautorización, la programación semipersistente y la ausencia de autorización. Para HARQ, el tiempo de ida y vuelta suele exceder la duración máxima del temporizador HARQ, y el proceso HARQ tiene requisitos de tiempo estrictos. Durante el proceso de programación de las capas MAC y RLC, el largo retardo del sistema satelital también afectará la puntualidad de la programación, y los parámetros de retardo de programación deben ajustarse.

3) Desafíos de la gestión de la movilidad: En una red integrada satélite-tierra, los desafíos de la gestión de la movilidad son aún más complejos. Según el nivel de comunicación, se pueden dividir en conmutación a nivel de red y conmutación a nivel de enlace. Según los escenarios de aplicación, se dividen en traspasos entre celdas terrestres, traspasos entre satélites y celdas terrestres, traspasos entre celdas satelitales y traspasos entre satélites. Este tema se ha explorado, pero requiere mayor investigación.

04 Conclusión

Los sistemas de comunicaciones por satélite y las comunicaciones celulares terrestres cuentan con casi treinta años de desarrollo y han alcanzado resultados brillantes. Sin embargo, debido a sus limitaciones inherentes, resulta difícil satisfacer la creciente demanda de comunicaciones móviles e interconexión masiva de datos. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología del Internet de las Cosas (IoT), los futuros sistemas de comunicación inalámbrica se orientarán hacia la transformación de la comunicación entre personas a la comunicación entre personas y objetos, y entre objetos, logrando así la comunicación ubicua y el Internet de Todo. Mediante el desarrollo integrado de las comunicaciones por satélite y las comunicaciones celulares terrestres, se obtendrán ventajas complementarias y se abrirán nuevas oportunidades de desarrollo. Este artículo presenta y analiza el estado de desarrollo, las tecnologías clave y los desafíos que plantea la integración de las comunicaciones por satélite y la tecnología 5G, con el objetivo de proporcionar referencias y orientación para el desarrollo de esta tecnología.

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