[Frontier] Analisis integrasi sistem komunikasi seluler 5G dan satelit

pendahuluan

Dengan perkembangan pesat internet seluler dan promosi serta penerapan perangkat terminal pintar, masyarakat telah mengajukan tuntutan yang lebih besar terhadap kecepatan komunikasi seluler. Sistem komunikasi seluler generasi kelima (5G) bertujuan untuk menyediakan kecepatan puncak 10Gbps hingga 20Gbps dan kecepatan pengalaman pengguna 100Mbps hingga 1Gbps untuk memenuhi kebutuhan bisnis yang lebih kaya. Dengan kapasitas layanan komunikasi nirkabel yang besar, berbagai layanan, dan kecepatan tinggi, 5G dapat digunakan secara luas di daerah padat penduduk. Namun, sulit untuk memanfaatkan keunggulannya di daerah yang jarang penduduknya atau daerah yang sulit untuk memasang jaringan terestrial. Dibandingkan dengan jaringan komunikasi seluler terestrial, sistem komunikasi satelit terutama memiliki keunggulan yang tak tertandingi seperti cakupan luas, kapasitas komunikasi yang besar, dampak medan yang kecil, fleksibilitas tinggi, dan kemampuan beradaptasi terhadap berbagai layanan. Oleh karena itu, satelit dapat digunakan untuk mencakup daerah yang jarang penduduknya atau daerah yang sulit untuk memasang jaringan terestrial, membentuk pelengkap yang baik untuk jaringan terestrial, sehingga mencapai cakupan global yang sebenarnya dan menyediakan layanan komunikasi yang tidak terdiferensiasi kepada pengguna global.

Faktanya, penerapan komunikasi satelit oleh manusia mendahului pembangunan komunikasi nirkabel seluler terestrial. Sistem satelit komunikasi komersial pertama di dunia adalah Early Bird, yang diluncurkan dan dioperasikan oleh Organisasi Komunikasi Satelit Internasional (INTERSAT) pada tahun 1965.Sistem satelit, sementara generasi pertama sistem komunikasi nirkabel seluler di dunia mulai dibangun pada tahun 1980-an.Dalam beberapa dekade terakhir, sistem komunikasi satelit yang telah dioperasikan secara internasional tidak hanya mencakup Inmarsat, Thuraya, Viasat, dan lain-lain di orbit geostasioner, tetapi juga Iridium, Global-star, Orbcom, dan lain-lain di orbit bumi rendah.Terutama sejak tahun 2015, telah terjadi peningkatan pesat secara internasional dalam pembangunan konstelasi komunikasi internet orbit rendah, seperti OneWeb dan Starlink, yang telah menarik banyak perhatian di berbagai wilayah internasional.Integrasi dan pembangunan sistem komunikasi satelit serta sistem komunikasi nirkabel terestrial sekali lagi menjadi arah pengembangan yang telah didemonstrasikan secara mendalam di tingkat internasional.

01Status penelitian tentang integrasi satelit dan 5G

Pada awal abad ke-21, operator menjadikan komunikasi satelit memasuki pasar utama dengan memperoleh izin untuk membentuk jaringan komunikasi hibrida satelit-darat. Untuk memperluas jaringan komunikasi satelit, operator menambahkan komponen bantu darat (ATC) atau komponen tambahan darat (CGC). ATC merujuk pada stasiun pangkalan bantu darat yang digunakan untuk komunikasi seluler satelit. Satelit dan sejumlah besar stasiun pangkalan ATC digabungkan untuk mencapai cakupan tanpa celah di area yang luas, sehingga dapat digunakan untuk mengatasi masalah satelit.Terdapat masalah cakupan sinyal yang buruk di kota-kota dengan gedung-gedung tinggi dan di dalam ruangan, tetapi hal ini juga melibatkan beberapa faktor lainnya.Isu-isu kompleks, seperti: penggunaan ulang frekuensi satelit dan stasiun pangkalan ATC, pengalihan dan pengendalian terkoordinasi sistem ruang angkasa dan darat.

Seiring dengan semakin matangnya teknologi 5G, integrasi 5G dan satelit telah menarik perhatian luas di dalam dan luar negeri. Organisasi standardisasi seperti International Telecommunications Union (ITU) dan Third Generation Partnership Project (3GPP) telah mencurahkan banyak energi untuk melakukan pekerjaan demonstrasi teknis terkait integrasi sistem 5G dengan satelit.

1) Uni Telekomunikasi Internasional (ITU) pada tahun 2016 mengusulkan bahwa "jaringan komunikasi seluler generasi berikutnya harus memenuhi kebutuhan pengguna untuk mengakses layanan kapan saja dan di mana saja", dan melaksanakan ITU-RM di bidang teknologi akses satelit. Penelitian tentang standar [NGAT_SAT] mengusulkan empat skenario aplikasi tipikal untuk integrasi satelit-bumi, termasuk layanan transmisi pita lebar relai, layanan pengangkutan dan distribusi data, layanan komunikasi seluler pita lebar, dan layanan multimedia hibrida, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, dan menjelaskan fitur-fitur utama untuk mendukung aplikasi di atas. Selain itu, ITU juga secara aktif mempromosikan pekerjaan tentang penggunaan frekuensi satelit dan 5G, dan telah melakukan serangkaian analisis berbagi spektrum dan kompatibilitas elektromagnetik pada satelit dan 5G.

Gambar 1. 4 skenario aplikasi sistem integrasi satelit-bumi yang diberikan oleh ITU

2) Third Generation Partnership Project (3GPP) telah mulai mendemonstrasikan keunggulan komunikasi satelit untuk sistem komunikasi seluler terestrial sejak standar Release 14 pada tahun 2017. Dalam laporan teknis TR22.822 yang dirilis pada akhir tahun 2017, kelompok kerja 3GPP SA1 mendefinisikan tiga metode utama penggunaan akses satelit dalam 5G: layanan berkelanjutan, layanan di mana-mana, dan layanan diperluas.Membahas studi kasus dan persyaratan untuk layanan baru dan yang sudah ada. Saat ini, 3GPP terutama mengandalkan proyek penelitian yang disebut "Jaringan Non-Terestrial (NTN)" untuk melakukan penelitian tentang skenario penyebaran dan desain antarmuka udara komunikasi satelit di 5G.

3) Pada Juni 2017, Eropa membentuk Aliansi SaT5G (Satellite and Terrestrial Network for 5G), yang anggotanya meliputi BT, SES, Avanti, University of Surrey, dan perusahaan serta lembaga penelitian Eropa lainnya. Aliansi ini bertujuan untuk menyediakan solusi satelit plug-and-play yang hemat biaya untuk 5G dan memberikan peluang pertumbuhan pasar yang berkelanjutan bagi rantai industri satelit. Konferensi Jaringan dan Komunikasi Eropa 2018 diadakan di Ljubljana, Slovenia. Pada konferensi tersebut, lima anggota SaT5G mendemonstrasikan integrasi arsitektur jaringan satelit dan 3GPP, termasuk VT iDi-rect dan SES.

Gambar 2 Skenario aplikasi 5G satelit yang diberikan oleh Sat5G

4) Untuk mengatasi target pertumbuhan kapasitas 1000x yang diusulkan oleh sistem 5G, program SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas) yang diluncurkan dengan pendanaan dari Uni Eropa H2020 bertujuan untuk menyediakan solusi tautan backhaul yang baik untuk sistem komunikasi nirkabel berkapasitas besar di masa mendatang. Proyek SANSA mengusulkan teknologi beamforming antena cerdas dengan overhead rendah, teknologi manajemen sumber daya nirkabel cerdas dinamis untuk jaringan nirkabel terintegrasi satelit-bumi, teknologi berbagi spektrum dinamis yang dibantu basis data, dll., dan melakukan penelitian mendalam.

02  Teknologi utama untuk integrasi 5G satelit

Karena terdapat perbedaan antara komunikasi satelit dan komunikasi nirkabel terestrial dalam hal jarak propagasi, cakupan, dan kemampuan daya, integrasi mendalam keduanya menghadapi beberapa tantangan yang tak terhindarkan. Teknologi kunci untuk integrasi 5G satelit dianalisis di bawah ini dari lima aspek: arsitektur sistem, cakupan pancaran, bentuk gelombang antarmuka udara, pembagian spektrum, dan kontrol jaringan.

2.1 Arsitektur sistem

Dalam arsitektur integrasi satelit 5G, dipertimbangkan konstelasi satelit campuran orbit tinggi dan rendah. Pada saat yang sama, desain pita frekuensi komunikasi juga mencakup pita frekuensi rendah (seperti pita L dan S) dan pita frekuensi tinggi (seperti pita Ku dan Ka), dengan mempertimbangkan persyaratan layanan transmisi kecepatan menengah-rendah dan pita lebar. Area cakupan satelit bergerak seiring dengan pergerakan titik sub-satelit, dan pengguna akhir beralih antar sel yang berbeda.

Tautan antar-satelit pada konstelasi satelit orbit rendah terdiri dari tautan laser atau gelombang mikro, dan beberapa satelit saling terhubung untuk membentuk jaringan komunikasi ruang angkasa dengan satelit sebagai node switching. Konstelasi biasanya dirancang menggunakan konstelasi orbit polar. Hal ini karena satelit di bidang orbit yang berdekatan memiliki hubungan posisi relatif yang relatif stabil (kecuali untuk wilayah kutub atau garis balik), yang kondusif untuk mempertahankan tautan antar-satelit dan mencapai cakupan area lintang tinggi. Selain itu, bisnis tautan pengumpan satelit diimplementasikan di stasiun gerbang, yang mewujudkan interkoneksi dan interoperabilitas antara jaringan satelit dan PSTN, PLMN, dan Internet di darat. Semua operasi ini diimplementasikan dalam pita frekuensi Ka atau Q/V.

Saat ini, terdapat tiga arsitektur utama untuk jaringan integrasi satelit-bumi. Pertama adalah jaringan komplementer satelit-bumi. Dalam arsitektur ini, sistem 5G dan sistem satelit berbagi pusat manajemen jaringan, tetapi jaringan akses dan jaringan inti masing-masing tetap independen. Jaringan akses dan beberapa fungsi jaringan inti disediakan oleh stasiun gerbang satelit, dan mode akses seluler dan/atau satelit didukung oleh terminal. Tipe kedua adalah jaringan hibrida satelit-bumi. Dalam arsitektur ini, sistem bumi dan sistem satelit berbagi pusat manajemen jaringan, dan bagian antarmuka udara juga disatukan sebisa mungkin untuk mempertahankan independensi jaringan inti dan pita frekuensi masing-masing. Terminal dapat mendukung mode akses terestrial dan satelit. Tipe ketiga adalah jaringan terintegrasi satelit-bumi. Fitur utamanya adalah: titik akses (AP), frekuensi, jaringan akses, dan jaringan inti dari seluruh sistem direncanakan dan dirancang sepenuhnya secara terpadu. Perlu dicatat bahwa jaringan terintegrasi satelit-bumi adalah tahap tertinggi dari sistem komunikasi terintegrasi satelit-bumi dan menghadapi tantangan teknis yang sangat besar.

2.2 Cakupan pancaran

Dalam sistem komunikasi seluler terintegrasi satelit-bumi, dengan menyesuaikan pancaran spot dan sumber daya nirkabelnya, sistem ini dapat menyediakan layanan suara dan data yang melebihi kapasitas yang telah ditentukan untuk area hotspot. Fungsi fleksibel ini dicapai melalui teknologi beamforming digital (DBF). Saat ini, teknologi beamforming digital untuk komunikasi satelit terutama mencakup tiga bentuk: DBF darat, DBF antariksa, dan DBF hibrida. Di antara ketiganya, beamforming digital hibrida memiliki kompromi yang baik antara kinerja dan kompleksitas dan telah banyak dipelajari. Ketika DBF hibrida digunakan, pusat kendali jaringan darat menghitung matriks beamforming yang dioptimalkan berdasarkan persyaratan penyesuaian pancaran dan strategi yang sesuai, kemudian mengirimkan parameter matriks beamforming ke satelit melalui tautan umpan, dan secara dinamis menyesuaikan cakupan pancaran ke bumi dengan merekonstruksi antena multi-pancaran pada satelit.

Terdapat dua jenis utama peralihan (handover) yang disebabkan oleh pergerakan satelit atau terminal: pertama, peralihan di dalam sistem satelit. Untuk satelit orbit rendah, posisinya relatif terhadap bumi berubah dengan cepat, sehingga terminal hanya tercakup oleh satelit yang sama selama sepuluh menit. Oleh karena itu, untuk mencegah kehilangan data selama proses peralihan, peralihan antar-satelit atau antar-beam harus dipersiapkan terlebih dahulu dan dieksekusi dengan cepat. Kedua, peralihan terminal antara jaringan 5G terestrial dan jaringan satelit. Peralihan ini perlu mempertimbangkan faktor-faktor seperti dukungan pemrosesan onboard dan arsitektur penerusan transparan bend-pipe, sinkronisasi waktu, pengukuran, dan koordinasi informasi. Ketika sinyal jaringan seluler sangat lemah, terminal akan beralih dari jaringan seluler ke jaringan satelit, jika tidak, terminal akan tetap terhubung ke jaringan terestrial.

2.3 Bentuk gelombang antarmuka udara

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) masih menjadi sistem transmisi dasar sistem 5G, tetapi interferensi antar-carrier (ICI) akan menyebabkan penurunan kinerja sistem yang serius. Hal ini karena teknologi OFDM itu sendiri sangat sensitif terhadap pergeseran frekuensi, dan crosstalk antar-subcarrier yang disebabkan oleh pergeseran frekuensi akan mengurangi kinerja komunikasi. Untuk secara efektif menahan dampak pergeseran frekuensi residual pada kinerja sistem, skema desain dengan bandwidth subcarrier variabel dapat diadopsi. Untuk pita L dengan pita frekuensi sempit, karena laju kode layanan suara yang didukungnya serendah 2.4 Kbps, desain subcarrier 15 KHz atau lebih sempit harus digunakan. Pada pita frekuensi Ka, lebar subcarrier yang dapat digunakan lebih besar. Hal ini karena pengguna sering mengakses internet melalui broadband dan sudut elevasi minimumnya besar, yang dapat secara efektif mengurangi dampak efek Doppler.

Selain itu, akses multipel non-ortogonal (NOMA) yang didukung oleh 5G tidak mengharuskan setiap pengguna untuk menempati sumber daya eksklusif. Pengguna dapat mengirim dan menerima informasi secara bersamaan pada sumber daya non-ortogonal. Berdasarkan deteksi bersama multi-pengguna, interferensi timbal balik antar pengguna dapat dihindari melalui pemrosesan sinyal. Dibandingkan dengan metode akses ortogonal tradisional, penerapan teknologi NOMA dapat meningkatkan efisiensi spektrum lebih dari tiga kali lipat. Saat ini, chip NOMA untuk sistem 5G terestrial telah dikembangkan, dipromosikan, dan diterapkan. Teknologi NOMA menggunakan kompleksitas sebagai imbalan untuk efisiensi spektrum, yang juga berarti bahwa akan sulit untuk diterapkan pada skenario komunikasi satelit orbit geostasioner (GEO) dengan latensi panjang karena sejumlah besar interaksi sinyal digunakan untuk mengontrol parameter akses pengguna secara dinamis. Penelitian teknis selanjutnya harus dilakukan pada teknologi NOMA dalam komunikasi satelit.

2.4 Berbagi spektrum

Baik untuk komunikasi satelit maupun sistem komunikasi seluler terestrial, kurangnya spektrum yang tersedia telah menjadi masalah mendesak yang perlu dipecahkan. Secara khusus, komunikasi satelit dan komunikasi terestrial telah membentuk persaingan sengit dalam sumber daya spektrum. Misalnya, pita C dan pita Ka, yang telah digunakan oleh sistem komunikasi satelit selama bertahun-tahun, telah diizinkan oleh ITU untuk sistem 5G terestrial. Situasi persaingan spektrum antara keduanya secara khusus meliputi:

1) Pita Ka: Untuk memenuhi pertumbuhan pesat kecepatan pengguna dan kapasitas sistem, baik 5G maupun komunikasi satelit berharap dapat menggunakan pita frekuensi Ka atau bahkan gelombang milimeter. Misalnya: Konferensi Radiokomunikasi Dunia 2019 (WRC-19) menggunakan spektrum bandwidth 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz, 66 GHz-71 GHz, dengan total 14.75 GHz untuk identifikasi 5G dan sistem komunikasi seluler internasional di masa mendatang secara global; FCC AS telah menetapkan pita frekuensi 27.5 GHz-28.35 GHz dan 37 GHz-38.6 GHz yang dilisensikan untuk digunakan oleh 5G terestrial, dan pita frekuensi ini tumpang tindih sampai batas tertentu dengan pita frekuensi yang digunakan oleh sistem komunikasi satelit.

2) Pita C 3GHz-6GHz: Banyak negara telah mengusulkan penggunaan pita C sebagai pita frekuensi kandidat untuk sistem 5G, termasuk Tiongkok, Uni Eropa, Jepang, dan Korea Selatan. Namun, di Asia, negara-negara seperti Tiongkok, Vietnam, dan Malaysia telah membangun sejumlah besar sistem komunikasi satelit di pita frekuensi ini. Sulit untuk mengkoordinasikan penggunaan pita C untuk sistem 5G terestrial.

Optimalisasi konfigurasi melalui perencanaan kolaboratif satelit-bumi dapat meningkatkan efisiensi penggunaan sumber daya frekuensi. Dengan membangun sistem pendeteksi spektrum satelit-bumi bersama, berbagi spektrum antara sistem komunikasi satelit-bumi dapat dicapai dan efisiensi pemanfaatan spektrum dapat ditingkatkan. Dibandingkan dengan jaringan komunikasi nirkabel terestrial, jauh lebih sulit bagi pengguna kognitif untuk mendeteksi semua spektrum di lingkungan jaringan. Hal ini disebabkan oleh cakupan area yang luas dari komunikasi satelit. Pembaruan cepat basis data spektrum, pembentukan beam, akurasi pendeteksi spektrum, dan deskripsi area kognitif semuanya merupakan fokus penelitian teknologi ini. Selain itu, dari perspektif integrasi sumber daya, perencanaan dan desain terpadu komunikasi seluler dan komunikasi satelit untuk mengatasi interferensi dalam bentuk "berbagi spektrum", sehingga mendorong penggunaan bersama sumber daya frekuensi, dapat memberikan dasar yang kompatibel untuk integrasi mendalam sistem komunikasi satelit dan sistem 5G.

2.5 Kontrol jaringan

Pemisahan jaringan ujung-ke-ujung yang diwujudkan melalui teknologi SDN dan NFV merupakan fitur terbesar dari cloud kendali jaringan dalam sistem 5G. Teknologi SDN dan NFV masing-masing mewujudkan pemisahan pembawa dan kendali jaringan serta perangkat lunakisasi elemen jaringan inti. Keduanya menyediakan fondasi yang kokoh untuk mewujudkan pemisahan jaringan.dasar yang kuat.

Ketika sistem komunikasi satelit terintegrasi secara mendalam dengan 5G terestrial, fungsi kontrol dan fungsi penerusan jaringan inti satelit dapat dipisahkan, sehingga semakin menyederhanakan fungsi penerusan. Untuk mendukung kebutuhan transmisi lalu lintas tinggi dan penjadwalan beban lalu lintas yang fleksibel dan seimbang, kemampuan penyimpanan dan komputasi bisnis dapat dipindahkan dari pusat jaringan ke tepi jaringan.

Untuk mendukung integrasi dengan jaringan darat, selain sembilan fungsi jaringan yang disediakan oleh 3GPP sebagai fungsi layanan dasar, perlu ditambahkan fungsi interkoneksi non-3GPP dan fungsi bidang pengguna ke bidang pengguna jaringan inti satelit 5G.

03 Tantangan dan arah penelitian yang dihadapi oleh integrasi 5G satelit

Meskipun banyak kemajuan telah dicapai dalam pekerjaan integrasi 5G satelit, masih akan ada banyak tantangan teknis untuk benar-benar mewujudkan visi indah integrasi satelit dan 5G. Ada banyak tantangan umum di domain satelit dan terestrial. Di bawah ini kami mencantumkan tantangan teknis utama dan arah penelitian masa depan.

1) Tantangan dalam sistem transmisi: Dalam transmisi jaringan terintegrasi satelit-bumi, pergeseran frekuensi Doppler, manajemen frekuensi dan interferensi, pembatasan daya, dan penyesuaian waktu merupakan masalah yang perlu segera diatasi. Sebagai respons terhadap pergeseran frekuensi Doppler, 5G menggunakan OFDM multi-carrier dalam sistem transmisinya. Desain jarak antar sub-carrier tidak mempertimbangkan dampak pergeseran frekuensi Doppler, yang akan menyebabkan interferensi antar sub-carrier. Dalam hal pembatasan daya, hal ini memastikan pemanfaatan pita frekuensi tinggi sekaligus mengurangi rasio puncak-ke-rata-rata sinyal. Terakhir, mengenai penyesuaian waktu, perubahan cepat dalam penundaan transmisi tautan nirkabel dapat mengakibatkan perlunya pembaruan dinamis penyesuaian waktu individual terminal untuk memastikan bahwa semua transmisi uplink tersinkronisasi.

2) Tantangan akses dan manajemen sumber daya: Mengingat penundaan yang lama pada jaringan terintegrasi satelit-bumi telah menimbulkan tantangan pada kontrol akses, HARQ, ARQ, dan proses lain pada lapisan MAC dan lapisan RLC. Dalam hal kontrol akses, untuk mendukung integrasi 5G dan satelit yang efektif, perlu dirancang mekanisme akses yang wajar seperti pra-otorisasi, penjadwalan semi-persisten, dan tanpa otorisasi. Untuk HARQ, waktu bolak-balik biasanya melebihi panjang timer HARQ maksimum, dan proses HARQ memiliki persyaratan waktu yang ketat. Selama proses penjadwalan lapisan MAC dan lapisan RLC, penundaan yang lama pada sistem satelit juga akan memengaruhi ketepatan waktu penjadwalan, dan parameter penundaan penjadwalan perlu disesuaikan.

3) Tantangan manajemen mobilitas: Dalam jaringan terintegrasi satelit-darat, tantangan manajemen mobilitas bahkan lebih berat. Menurut tingkat komunikasi, hal ini dapat dibagi menjadi peralihan tingkat jaringan dan peralihan tingkat tautan. Menurut skenario aplikasi, hal ini dibagi menjadi serah terima antar sel darat, serah terima antara satelit dan sel darat, serah terima antar sel satelit, dan serah terima antar satelit. Masalah ini telah dieksplorasi tetapi membutuhkan penelitian lebih lanjut.

04 Kesimpulan

Sistem komunikasi satelit dan komunikasi seluler terestrial telah mengalami perkembangan selama hampir tiga puluh tahun dan telah mencapai hasil yang gemilang. Namun, karena keterbatasan bawaannya, sulit untuk memenuhi kebutuhan masyarakat yang terus meningkat akan komunikasi seluler dan interkoneksi data besar-besaran. Dalam beberapa tahun terakhir, dengan perkembangan pesat teknologi Internet of Things (IoT), sistem komunikasi nirkabel masa depan akan berorientasi pada transformasi dari "manusia dan manusia" menjadi "manusia dan benda" serta "benda dan benda", mewujudkan komunikasi di mana-mana dan Internet of Everything. Melalui pengembangan terintegrasi komunikasi satelit dan komunikasi seluler terestrial, keunggulan komplementer akan tercapai, dan peluang pengembangan baru akan terbuka. Artikel ini memperkenalkan dan membahas status pengembangan, teknologi kunci, dan tantangan yang dihadapi oleh integrasi komunikasi satelit dan 5G, dengan harapan dapat memberikan referensi dan panduan untuk pengembangan teknologi ini.

Artikel ini disalin dari "Satelit dan Jaringan", mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual, mohon sebutkan sumber asli dan penulis saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya."