[Frontier] Analisi dell'integrazione dei sistemi di comunicazione mobile 5G e satellitare

introduzione

With the rapid development of the mobile Internet and the promotion and application of smart terminal devices, people have put forward greater requirements for the speed of mobile communications. The fifth-generation mobile communication system (5G) aims to provide a peak rate of 10Gbps to 20Gbps and a user experience rate of 100Mbps to 1Gbps to meet richer business needs. With its large wireless communication service capacity, multiple services and high speed, 5G can be widely used in densely populated areas. However, it is difficult to take advantage of its advantages in sparsely populated areas or areas where it is difficult to lay terrestrial networks. Compared with terrestrial mobile communication networks, satellite communication systems mainly have incomparable advantages such as wide coverage, large communication capacity, small terrain impact, high flexibility, and adaptability to a variety of services. Therefore, satellites can be used to cover sparsely populated areas or areas where it is difficult to lay down terrestrial networks, forming a good complement to terrestrial networks, thereby achieving true global coverage and providing undifferentiated communication services to global users.

In realtà, l'utilizzo delle comunicazioni satellitari da parte dell'uomo ha preceduto la costruzione delle reti cellulari terrestri. Il primo sistema commerciale di comunicazioni satellitari al mondo è stato Early Bird, lanciato e gestito dall'Organizzazione Internazionale per le Comunicazioni Satellitari (INTERSAT) nel 1965.I sistemi satellitari, mentre la prima generazione di sistemi di comunicazione cellulare wireless al mondo ha iniziato a essere costruita negli anni '1980.Negli ultimi decenni, i sistemi di comunicazione satellitare entrati in funzione a livello internazionale includono non solo Inmarsat, Thuraya, Viasat, ecc. in orbita geostazionaria, ma anche Iridium, Globalstar, Orbcom, ecc. in orbita terrestre bassa.Soprattutto a partire dal 2015, si è assistito a un'impennata internazionale nella costruzione di costellazioni di comunicazione Internet in orbita bassa, come OneWeb e Starlink, che hanno attirato molta attenzione nei principali centri di interesse internazionale.L'integrazione e la costruzione di sistemi di comunicazione satellitare e sistemi di comunicazione wireless terrestri sono tornate a essere una direzione di sviluppo ampiamente dimostrata a livello internazionale.

01Stato della ricerca sull'integrazione tra satellite e 5G

All'inizio del XXI secolo, gli operatori hanno reso le comunicazioni satellitari accessibili al grande pubblico ottenendo l'autorizzazione a creare reti di comunicazione ibride satellite-terra. Per espandere le reti di comunicazione satellitare, gli operatori hanno aggiunto componenti ausiliarie terrestri (ATC) o componenti supplementari terrestri (CGC). ATC si riferisce a una stazione base ausiliaria terrestre utilizzata per le comunicazioni mobili satellitari. La combinazione di satelliti e un gran numero di stazioni base ATC consente di ottenere una copertura continua su vaste aree, risolvendo così i problemi di copertura satellitare.Esiste un problema di scarsa copertura del segnale nelle città con edifici alti e all'interno, ma coinvolge anche alcuniQuestioni complesse, come ad esempio: il riutilizzo delle frequenze dei satelliti e delle stazioni base ATC, la commutazione e il controllo coordinato dei sistemi spaziali e terrestri.

Con la crescente maturità della tecnologia 5G, l'integrazione tra 5G e satelliti ha suscitato un ampio interesse sia a livello nazionale che internazionale. Organizzazioni di standardizzazione come l'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) e il Third Generation Partnership Project (3GPP) hanno investito notevoli energie nello svolgimento di attività dimostrative tecniche relative all'integrazione dei sistemi 5G con i satelliti.

1) Nel 2016, l'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ha proposto che "la rete di comunicazione mobile di prossima generazione debba soddisfare le esigenze degli utenti di accedere ai servizi sempre e ovunque", e ha condotto la ricerca ITU-RM nel campo della tecnologia di accesso satellitare. La ricerca sullo standard [NGAT_SAT] propone quattro scenari applicativi tipici per l'integrazione satellite-terra, tra cui servizi di trasmissione a banda larga con ripetitori, servizi di backhaul e distribuzione dati, servizi di comunicazione mobile a banda larga e servizi multimediali ibridi, come mostrato nella figura seguente, e chiarisce le caratteristiche chiave a supporto delle suddette applicazioni. Inoltre, l'ITU sta anche promuovendo attivamente il lavoro sull'uso delle frequenze dei satelliti e del 5G, e ha condotto una serie di analisi sulla condivisione dello spettro e sulla compatibilità elettromagnetica tra satelliti e 5G.

Figura 1. 4 scenari applicativi del sistema di integrazione satellite-terra forniti dall'ITU.

2) Il Third Generation Partnership Project (3GPP) ha iniziato a dimostrare i vantaggi delle comunicazioni satellitari per i sistemi di comunicazione mobile terrestri sin dalla Release 14 dello standard nel 2017. Nel rapporto tecnico TR22.822 pubblicato alla fine del 2017, il gruppo di lavoro SA1 del 3GPP ha definito tre principali metodi di utilizzo dell'accesso satellitare nel 5G: servizio continuo, servizio ubiquo e servizio esteso.Casi d'uso e discussione dei requisiti per servizi nuovi ed esistenti. Attualmente, il 3GPP si affida principalmente a un progetto di ricerca denominato "Non-Terrestrial Network (NTN)" per condurre ricerche su scenari di implementazione e progettazione dell'interfaccia radio per le comunicazioni satellitari nel 5G.

3) Nel giugno 2017, l'Europa ha istituito l'Alleanza SaT5G (Satellite and Terrestrial Network for 5G), i cui membri includono BT, SES, Avanti, l'Università del Surrey e altre aziende e istituti di ricerca europei. L'obiettivo è fornire una soluzione satellitare economica e "plug-and-play" per il 5G e offrire continue opportunità di crescita per la filiera del settore satellitare. La Conferenza europea sulle reti e le comunicazioni del 2018 si è tenuta a Lubiana, in Slovenia. Durante la conferenza, cinque membri di SaT5G hanno dimostrato l'integrazione tra l'architettura satellitare e quella di rete 3GPP, tra cui VT iDi-rect e SES.

Figura 2 Scenari di applicazione del 5G satellitare forniti da Sat5G

4) Per far fronte all'obiettivo di crescita della capacità di 1000 volte proposto dal sistema 5G, il programma SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas), avviato con finanziamenti dell'Unione Europea nell'ambito del programma H2020, mira a fornire una soluzione di backhaul efficace per i futuri sistemi di comunicazione wireless ad alta capacità. Il progetto SANSA ha proposto una tecnologia di beamforming intelligente a basso overhead per antenne, una tecnologia di gestione dinamica e intelligente delle risorse wireless per reti wireless integrate satellite-terra, una tecnologia di condivisione dinamica dello spettro assistita da database, ecc., e ha condotto approfondite attività di ricerca.

02  Tecnologie chiave per l'integrazione del 5G satellitare

Poiché esistono differenze tra le comunicazioni satellitari e le comunicazioni wireless terrestri in termini di distanza di propagazione, copertura e capacità di potenza, la profonda integrazione delle due si trova ad affrontare alcune inevitabili sfide. Le tecnologie chiave per l'integrazione del 5G satellitare vengono analizzate di seguito da cinque punti di vista: architettura di sistema, copertura del fascio, forma d'onda dell'interfaccia radio, condivisione dello spettro e controllo della rete.

2.1 Architettura di sistema

Nell'architettura di integrazione satellitare 5G, si considera una costellazione mista di satelliti in orbita alta e bassa. Allo stesso tempo, la progettazione delle bande di frequenza di comunicazione include sia bande a bassa frequenza (come le bande L e S) che bande ad alta frequenza (come le bande Ku e Ka), tenendo conto dei requisiti di trasmissione a velocità medio-bassa e a banda larga. L'area di copertura satellitare si sposta al variare della posizione del satellite e l'utente finale passa da una cella all'altra.

I collegamenti inter-satellitari delle costellazioni di satelliti in orbita bassa sono costituiti da collegamenti laser o a microonde, e più satelliti sono interconnessi per formare una rete di comunicazione spaziale con i satelliti che fungono da nodi di commutazione. Le costellazioni sono generalmente progettate utilizzando orbite polari. Questo perché i satelliti su piani orbitali adiacenti hanno una relazione di posizione relativa relativamente stabile (ad eccezione delle regioni polari o delle giunzioni inverse), il che favorisce il mantenimento dei collegamenti inter-satellitari e la copertura delle aree ad alta latitudine. Inoltre, il collegamento di alimentazione satellitare viene implementato presso la stazione gateway, che realizza l'interconnessione e l'interoperabilità tra la rete satellitare e le reti terrestri PSTN, PLMN e Internet. Tutte queste operazioni vengono eseguite nelle bande di frequenza Ka o Q/V.

Attualmente, esistono tre architetture principali per le reti di integrazione satellite-terra. La prima è la rete complementare satellite-terra. In questa architettura, i sistemi 5G e i sistemi satellitari condividono un centro di gestione della rete, ma le rispettive reti di accesso e reti centrali rimangono indipendenti. Le funzioni di rete di accesso e alcune funzioni di rete centrale sono fornite dalle stazioni gateway satellitari, e i terminali supportano modalità di accesso cellulare e/o satellitare. Il secondo tipo è una rete ibrida satellite-terra. In questa architettura, il sistema terrestre e il sistema satellitare condividono il centro di gestione della rete, e anche le parti di interfaccia aerea sono unificate il più possibile per mantenere l'indipendenza delle rispettive reti centrali e bande di frequenza. Il terminale può supportare sia modalità di accesso terrestre che satellitare. Il terzo tipo è la rete integrata satellite-terra. Le sue caratteristiche principali sono: il punto di accesso (AP), la frequenza, la rete di accesso e la rete centrale dell'intero sistema sono pianificati e progettati in modo completamente unificato. Va sottolineato che la rete integrata satellite-terra rappresenta lo stadio più avanzato del sistema di comunicazione integrato satellite-terra e deve affrontare enormi sfide tecniche.

2.2 Copertura del fascio

Nei sistemi di comunicazione mobile integrati satellite-terra, regolando i fasci spot e le risorse wireless, è possibile fornire servizi voce e dati che superano la capacità predeterminata per le aree a copertura elevata. Questa flessibilità è resa possibile dalla tecnologia di beamforming digitale (DBF). Attualmente, la tecnologia di beamforming digitale per le comunicazioni satellitari comprende principalmente tre forme: DBF terrestre, DBF spaziale e DBF ibrido. Tra queste, il beamforming digitale ibrido offre un buon compromesso tra prestazioni e complessità ed è stato oggetto di numerosi studi. Quando si utilizza il DBF ibrido, il centro di controllo della rete terrestre calcola la matrice di beamforming ottimizzata in base ai requisiti di regolazione del fascio e alle relative strategie, quindi invia i parametri della matrice di beamforming al satellite tramite il collegamento di alimentazione e regola dinamicamente la copertura del fascio a terra ricostruendo l'antenna multi-fascio sul satellite.

Esistono due tipi principali di handover causati dal movimento del satellite o del terminale: il primo è l'handover all'interno del sistema satellitare. Per i satelliti in orbita bassa, la loro posizione rispetto al suolo cambia rapidamente, in modo che il terminale sia coperto ininterrottamente dallo stesso satellite solo per dieci minuti. Pertanto, per evitare la perdita di dati durante il processo di handover, è necessario preparare in anticipo ed eseguire rapidamente gli handover inter-satellite o inter-beam. L'altro tipo è il passaggio del terminale dalla rete 5G terrestre alla rete satellitare. Questo passaggio deve tenere conto di fattori quali il supporto dell'elaborazione a bordo e dell'architettura di inoltro trasparente bend-pipe, la sincronizzazione temporale, la misurazione e il coordinamento delle informazioni. Quando il segnale della rete cellulare è molto debole, il terminale passerà dalla rete cellulare alla rete satellitare, altrimenti manterrà l'accesso alla rete terrestre.

2.3 Forma d'onda dell'interfaccia aria

La modulazione a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) rimane il sistema di trasmissione di base del 5G, ma l'interferenza inter-portante (ICI) può causare un grave calo delle prestazioni del sistema. Questo perché la tecnologia OFDM è di per sé molto sensibile allo scostamento di frequenza e la diafonia tra le sottoportanti causata da tale scostamento riduce le prestazioni di comunicazione. Per contrastare efficacemente l'impatto dello scostamento di frequenza residuo sulle prestazioni del sistema, è possibile adottare uno schema di progettazione con larghezza di banda variabile delle sottoportanti. Per la banda L, caratterizzata da una banda di frequenza ristretta, poiché la velocità di codifica del servizio vocale supportato è di soli 2.4 kbps, è opportuno utilizzare una sottoportante con larghezza di banda di 15 kHz o inferiore. Nella banda di frequenza Ka, la larghezza di banda utilizzabile è maggiore. Questo perché gli utenti spesso accedono a Internet tramite banda larga e l'angolo di elevazione minimo è elevato, il che può ridurre efficacemente l'impatto dell'effetto Doppler.

Inoltre, l'accesso multiplo non ortogonale (NOMA) supportato dal 5G non richiede che ciascun utente occupi risorse esclusive. Gli utenti possono inviare e ricevere informazioni simultaneamente su risorse non ortogonali. Grazie al rilevamento congiunto multiutente, è possibile evitare interferenze reciproche tra gli utenti tramite l'elaborazione del segnale. Rispetto ai metodi di accesso ortogonale tradizionali, l'applicazione della tecnologia NOMA può aumentare l'efficienza spettrale di oltre tre volte. Attualmente, sono stati sviluppati, promossi e applicati chip NOMA per sistemi 5G terrestri. La tecnologia NOMA utilizza la complessità in cambio dell'efficienza spettrale, il che significa anche che sarà difficile applicarla a scenari di comunicazione satellitare in orbita geostazionaria (GEO) a lunga latenza, poiché un gran numero di interazioni di segnalazione viene utilizzato per controllare dinamicamente i parametri di accesso degli utenti. Ulteriori ricerche tecniche dovrebbero essere condotte sulla tecnologia NOMA nelle comunicazioni satellitari.

2.4 Condivisione dello spettro

Sia per le comunicazioni satellitari che per i sistemi di comunicazione mobile terrestre, la scarsità di spettro disponibile è diventata un problema urgente da risolvere. In particolare, le comunicazioni satellitari e quelle terrestri si sono scontrate duramente per le risorse spettrali. Ad esempio, le bande C e Ka, utilizzate per molti anni dai sistemi di comunicazione satellitare, sono state autorizzate dall'ITU per i sistemi 5G terrestri. La situazione di competizione spettrale tra le due bande comprende nello specifico:

1) Banda Ka: Per far fronte alla rapida crescita della velocità degli utenti e della capacità del sistema, sia il 5G che le comunicazioni satellitari puntano a utilizzare la banda Ka o persino le bande di frequenza a onde millimetriche. Ad esempio: la Conferenza Mondiale delle Radiocomunicazioni del 2019 (WRC-19) ha utilizzato le bande di frequenza 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz, 66 GHz-71 GHz, per un totale di 14.75 GHz, per l'identificazione dello spettro di banda per il 5G e i futuri sistemi di comunicazione mobile internazionali a livello globale; la FCC statunitense ha designato le bande di frequenza 27.5 GHz-28.35 GHz e 37 GHz-38.6 GHz, che sono state autorizzate per l'uso dal 5G terrestre e si sovrappongono in una certa misura alle bande di frequenza utilizzate dai sistemi di comunicazione satellitare.

2) Banda C 3GHz-6GHz: Molti paesi hanno proposto di utilizzare la banda C come banda di frequenza candidata per i sistemi 5G, tra cui Cina, Unione Europea, Giappone e Corea del Sud. Tuttavia, in Asia, paesi come Cina, Vietnam e Malesia hanno costruito un gran numero di sistemi di comunicazione satellitare in questa banda di frequenza. È difficile coordinare l'utilizzo della banda C per i sistemi 5G terrestri.

L'ottimizzazione della configurazione attraverso una pianificazione collaborativa satellite-terra può migliorare l'uso efficiente delle risorse di frequenza. Costruendo un sistema congiunto di rilevamento dello spettro satellite-terra, è possibile realizzare la condivisione dello spettro tra i sistemi di comunicazione satellite-terra e migliorare l'efficienza di utilizzo dello spettro. Rispetto alle reti di comunicazione wireless terrestri, per gli utenti cognitivi è molto più difficile rilevare tutto lo spettro nell'ambiente di rete. Ciò è dovuto all'ampia copertura territoriale delle comunicazioni satellitari. L'aggiornamento rapido del database dello spettro, la formazione del fascio, la precisione del rilevamento dello spettro e la descrizione dell'area cognitiva sono tutti punti focali della ricerca di questa tecnologia. Inoltre, dal punto di vista dell'integrazione delle risorse, la pianificazione e la progettazione unificate delle comunicazioni cellulari e satellitari per risolvere le interferenze sotto forma di "condivisione dello spettro", promuovendo così l'uso condiviso delle risorse di frequenza, possono fornire una base compatibile per la profonda integrazione dei sistemi di comunicazione satellitare e dei sistemi 5G.

2.5 Controllo di rete

La segmentazione di rete end-to-end, realizzata tramite le tecnologie SDN e NFV, rappresenta la caratteristica principale del cloud di controllo di rete nel sistema 5G. Le tecnologie SDN e NFV realizzano rispettivamente la separazione tra la parte di trasporto e quella di controllo della rete e la softwareizzazione degli elementi centrali della rete. Esse forniscono una solida base per la realizzazione della segmentazione di rete.Solide fondamenta.

Quando il sistema di comunicazione satellitare è profondamente integrato con il 5G terrestre, la funzione di controllo e la funzione di inoltro della rete centrale satellitare possono essere separate, semplificando ulteriormente la funzione di inoltro. Al fine di supportare elevati requisiti di trasmissione del traffico e una pianificazione flessibile ed equilibrata del carico di traffico, le capacità di archiviazione ed elaborazione aziendali possono essere spostate dal centro della rete alla periferia della rete.

Al fine di supportare l'integrazione con la rete terrestre, oltre alle nove funzioni di rete fornite dal 3GPP come funzioni di servizio di base, è necessario aggiungere al piano utente della rete centrale satellitare 5G funzioni di interconnessione non-3GPP e funzioni del piano utente.

03 Sfide e direzioni di ricerca legate all'integrazione del 5G satellitare

Nonostante i notevoli progressi compiuti nell'integrazione del 5G satellitare, permangono ancora molte sfide tecniche per realizzare appieno la visione ideale di un'integrazione tra satellite e 5G. Molte di queste sfide sono comuni sia al settore satellitare che a quello terrestre. Di seguito elenchiamo le principali sfide tecniche e le future direzioni di ricerca.

1) Sfide nel sistema di trasmissione: nella trasmissione di reti integrate satellite-terra, lo spostamento di frequenza Doppler, la gestione della frequenza e le interferenze, la limitazione di potenza e l'anticipo di temporizzazione sono problematiche che necessitano di una soluzione urgente. In risposta allo spostamento di frequenza Doppler, il 5G utilizza OFDM multi-portante nel sistema di trasmissione. La sua progettazione della spaziatura delle sottoportanti non considera l'impatto dello spostamento di frequenza Doppler, che causerà interferenze tra le sottoportanti. In termini di limitazione di potenza, garantisce un utilizzo elevato della banda di frequenza riducendo al contempo il rapporto picco-media del segnale. Infine, per quanto riguarda l'anticipo di temporizzazione, le rapide variazioni nei ritardi di trasmissione del collegamento wireless possono comportare la necessità di aggiornare dinamicamente gli anticipi di temporizzazione individuali del terminale per garantire la sincronizzazione di tutte le trasmissioni in uplink.

2) Sfide di accesso e gestione delle risorse: Considerando che il lungo ritardo della rete integrata satellite-terra ha creato delle difficoltà per il controllo degli accessi, HARQ, ARQ e altri processi del livello MAC e del livello RLC. In termini di controllo degli accessi, al fine di supportare l'integrazione efficace del 5G e dei satelliti, è necessario progettare meccanismi di accesso ragionevoli come la pre-autorizzazione, la pianificazione semi-persistente e l'accesso senza autorizzazione. Per HARQ, il tempo di andata e ritorno di solito supera la durata massima del timer HARQ e il processo HARQ ha requisiti temporali stringenti. Durante il processo di pianificazione del livello MAC e del livello RLC, il lungo ritardo del sistema satellitare influirà anche sulla tempestività della pianificazione e i parametri di ritardo della pianificazione dovranno essere regolati.

3) Sfide nella gestione della mobilità: in una rete integrata satellite-terra, le sfide nella gestione della mobilità sono ancora più complesse. In base al livello di comunicazione, si possono distinguere commutazioni a livello di rete e commutazioni a livello di collegamento. In base agli scenari applicativi, si distinguono handover tra celle terrestri, handover tra satelliti e celle terrestri, handover tra celle satellitari e handover inter-satellite. Questo problema è stato esplorato, ma richiede ulteriori ricerche.

04 Conclusione

Le comunicazioni satellitari e i sistemi di comunicazione cellulare terrestre vantano quasi trent'anni di sviluppo e hanno raggiunto risultati brillanti. Tuttavia, a causa dei loro limiti intrinseci, faticano a soddisfare le crescenti esigenze di comunicazione mobile e di interconnessione massiva dei dati. Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della tecnologia dell'Internet delle Cose (IoT), i futuri sistemi di comunicazione wireless si orienteranno verso la trasformazione da "persone e persone" a "persone e cose" e "cose ​​e cose", realizzando una comunicazione onnipresente e l'Internet delle Cose. Attraverso lo sviluppo integrato delle comunicazioni satellitari e delle comunicazioni cellulari terrestri, si otterranno vantaggi complementari e si apriranno nuove opportunità di sviluppo. Questo articolo introduce e discute lo stato di sviluppo, le tecnologie chiave e le sfide poste dall'integrazione delle comunicazioni satellitari e del 5G, con l'obiettivo di fornire un riferimento e una guida per lo sviluppo di questa tecnologia.

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