[Frontier] Integratieanalyse van 5G- en satellietmobiele communicatiesystemen

introductie

Met de snelle ontwikkeling van mobiel internet en de opkomst en toepassing van slimme apparaten, zijn de eisen aan de snelheid van mobiele communicatie toegenomen. Het vijfde generatie mobiele communicatiesysteem (5G) streeft ernaar een pieksnelheid van 10 tot 20 Gbps en een gebruikerservaring van 100 Mbps tot 1 Gbps te bieden om aan de groeiende behoeften van bedrijven te voldoen. Dankzij de grote capaciteit van de draadloze communicatiediensten, de vele diensten en de hoge snelheid kan 5G breed worden ingezet in dichtbevolkte gebieden. Het is echter lastig om de voordelen ervan te benutten in dunbevolkte gebieden of gebieden waar het moeilijk is om aardse netwerken aan te leggen. In vergelijking met aardse mobiele communicatienetwerken hebben satellietcommunicatiesystemen onvergelijkbare voordelen, zoals een breed bereik, een grote communicatiecapaciteit, een geringe impact op het terrein, een hoge flexibiliteit en de mogelijkheid om diverse diensten aan te bieden. Satellieten kunnen daarom worden gebruikt om dunbevolkte gebieden of gebieden waar het moeilijk is om aardse netwerken aan te leggen te bestrijken. Ze vormen een goede aanvulling op aardse netwerken, waardoor een echte wereldwijde dekking wordt bereikt en uniforme communicatiediensten aan wereldwijde gebruikers worden geboden.

In feite ging het gebruik van satellietcommunicatie vooraf aan de aanleg van draadloze mobiele communicatie via de grond. Het eerste commerciële communicatiesatellietsysteem ter wereld was Early Bird, dat in 1965 werd gelanceerd en beheerd door de Internationale Satellietcommunicatieorganisatie (INTERSAT).Satellietsystemen, terwijl de eerste generatie draadloze mobiele communicatiesystemen ter wereld in de jaren tachtig werd ontwikkeld.In de afgelopen decennia zijn er internationaal diverse satellietcommunicatiesystemen in gebruik genomen, waaronder niet alleen Inmarsat, Thuraya, Viasat, enz. in een geostationaire baan, maar ook Iridium, Global-star, Orbcom, enz. in een lage aardbaan.Vooral sinds 2015 is er internationaal een opleving geweest in de bouw van internetcommunicatieconstellaties in een lage baan om de aarde, zoals OneWeb en Starlink, die veel aandacht hebben getrokken in internationale hotspots.De integratie en constructie van satellietcommunicatiesystemen en aardse draadloze communicatiesystemen is opnieuw een ontwikkelingsrichting geworden die internationaal uitgebreid is aangetoond.

01Onderzoeksstatus van de integratie van satellieten en 5G

Aan het begin van de 21e eeuw brachten operators satellietcommunicatie naar de mainstreammarkt door toestemming te verkrijgen voor de aanleg van hybride satelliet-grondcommunicatienetwerken. Om deze netwerken uit te breiden, voegden operators grondondersteuningscomponenten (ATC) of grondaanvullende componenten (CGC) toe. Een ATC is een grondbasisstation dat wordt gebruikt voor mobiele satellietcommunicatie. Satellieten en een groot aantal ATC-basisstations worden gecombineerd om naadloze dekking over grote gebieden te realiseren, waardoor ze een oplossing kunnen bieden voor problemen die zich normaal gesproken met satellieten voordoen.Er is een probleem met slechte signaaldekking in steden met hoge gebouwen en binnenshuis, maar het betreft ook enkele andere factoren.Complexe vraagstukken, zoals: hergebruik van frequenties van satellieten en ATC-basisstations, schakelen en gecoördineerde aansturing van ruimte- en grondsystemen.

Naarmate de 5G-technologie steeds volwassener wordt, heeft de integratie van 5G en satellieten in binnen- en buitenland veel aandacht gekregen. Standaardisatieorganisaties zoals de Internationale Telecommunicatie Unie (ITU) en het Third Generation Partnership Project (3GPP) hebben veel energie gestoken in het uitvoeren van technische demonstraties met betrekking tot de integratie van 5G-systemen met satellieten.

1) De Internationale Telecommunicatie Unie (ITU) stelde in 2016 voor dat "het mobiele communicatienetwerk van de volgende generatie moet voldoen aan de behoeften van gebruikers om altijd en overal toegang te hebben tot diensten", en voerde ITU-RM uit op het gebied van satelliettoegangstechnologie. Onderzoek naar de [NGAT_SAT]-standaard beschrijft vier typische toepassingsscenario's voor de integratie van satellieten en grondstations, waaronder relaisdiensten voor breedbandtransmissie, data-backhaul en -distributie, breedband mobiele communicatiediensten en hybride multimediadiensten, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, en verduidelijkt de belangrijkste kenmerken ter ondersteuning van de bovengenoemde toepassingen. Daarnaast bevordert de ITU ook actief het werk aan het frequentiegebruik van satellieten en 5G, en heeft een reeks analyses uitgevoerd naar spectrumdeling en elektromagnetische compatibiliteit tussen satellieten en 5G.

Figuur 1 toont 4 toepassingsscenario's voor een satelliet-grondintegratiesysteem, zoals aangegeven door de ITU.

2) Het Third Generation Partnership Project (3GPP) is sinds de Release 14-standaard in 2017 begonnen met het aantonen van de voordelen van satellietcommunicatie voor aardse mobiele communicatiesystemen. In het technische rapport TR22.822, dat eind 2017 werd gepubliceerd, definieerde de 3GPP-werkgroep SA1 drie belangrijke methoden voor het gebruik van satelliettoegang in 5G: continue service, alomtegenwoordige service en uitgebreide service.Gebruiksscenario's bespreken en de vereisten voor nieuwe en bestaande diensten toelichten. Momenteel vertrouwt 3GPP voornamelijk op een onderzoeksproject genaamd "Non-Terrestrial Network (NTN)" om onderzoek te doen naar implementatiescenario's en het ontwerp van de luchtinterface voor satellietcommunicatie in 5G.

3) In juni 2017 richtte Europa de SaT5G (Satellite and Terrestrial Network for 5G) Alliance op, waarvan BT, SES, Avanti, de Universiteit van Surrey en andere Europese bedrijven en onderzoeksinstellingen lid zijn. Het doel is om een ​​kosteneffectieve, plug-and-play satellietoplossing voor 5G te bieden en de groeimogelijkheden voor de satellietindustrie te waarborgen. De European Network and Communications Conference van 2018 werd gehouden in Ljubljana, Slovenië. Tijdens de conferentie demonstreerden vijf SaT5G-leden de integratie van satelliet- en 3GPP-netwerkarchitectuur, waaronder VT iDirect en SES.

Figuur 2. Toepassingsscenario's voor satelliet-5G, zoals gepresenteerd door Sat5G.

4) Om de door het 5G-systeem beoogde capaciteitsgroei van 1000x te realiseren, heeft het SANSA-programma (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas), dat met financiering van de Europese Unie (H2020) is gelanceerd, als doel een goede backhaul-verbindingoplossing te bieden voor toekomstige draadloze communicatiesystemen met grote capaciteit. Het SANSA-project heeft technologieën voorgesteld zoals slimme antenne-bundelvorming met lage overhead, dynamische intelligente technologie voor draadloos resourcebeheer voor geïntegreerde draadloze netwerken tussen satelliet en grondstation, en database-ondersteunde dynamische spectrumdelingstechnologie. Hiervoor is diepgaand onderzoek verricht.

02  Belangrijke technologieën voor de integratie van 5G via satellieten

Omdat er verschillen bestaan ​​tussen satellietcommunicatie en draadloze communicatie via de grond wat betreft voortplantingsafstand, dekking en vermogen, brengt de diepe integratie van beide onvermijdelijk een aantal uitdagingen met zich mee. De belangrijkste technologieën voor de integratie van satelliet-5G worden hieronder geanalyseerd vanuit vijf aspecten: systeemarchitectuur, bundeldekking, luchtinterfacegolfvorm, spectrumdeling en netwerkbeheer.

2.1 Systeemarchitectuur

In de architectuur voor de integratie van 5G via satellieten wordt rekening gehouden met een gemengde constellatie van satellieten in hoge en lage banen. Tegelijkertijd omvat het ontwerp van de communicatiefrequentiebanden zowel laagfrequente banden (zoals de L- en S-band) als hoogfrequente banden (zoals de Ku- en Ka-band), rekening houdend met de eisen voor middelhoge tot lage snelheden en breedbandtransmissie. Het dekkingsgebied van de satellieten verschuift naarmate de sub-satellietpunten bewegen en de eindgebruiker tussen verschillende cellen schakelt.

De onderlinge verbindingen van satellietconstellaties in een lage baan bestaan ​​uit laser- of microgolfverbindingen. Meerdere satellieten zijn met elkaar verbonden om een ​​ruimtecommunicatienetwerk te vormen, waarbij de satellieten als schakelknooppunten fungeren. Constellaties worden doorgaans ontworpen met behulp van polaire banen. Dit komt doordat satellieten in aangrenzende baanvlakken een relatief stabiele relatieve positie hebben (met uitzondering van poolgebieden of omgekeerde naden), wat bevorderlijk is voor het onderhouden van onderlinge verbindingen en het bereiken van dekking in gebieden op hoge breedtegraden. Daarnaast wordt de satellietfeederverbinding uitgevoerd bij het gatewaystation, wat de interconnectie en interoperabiliteit tussen het satellietnetwerk en het grondgebonden PSTN, PLMN en internet mogelijk maakt. Deze processen worden allemaal uitgevoerd in de Ka- of Q/V-frequentiebanden.

Momenteel bestaan ​​er drie belangrijke architecturen voor satelliet-grondintegratienetwerken. De eerste is het complementaire satelliet-grondnetwerk. Bij deze architectuur delen 5G-systemen en satellietsystemen een netwerkbeheercentrum, maar blijven hun respectievelijke toegangsnetwerken en kernnetwerken onafhankelijk. Toegangsnetwerk en sommige kernnetwerkfuncties worden geleverd door satellietgatewaystations, en terminals ondersteunen zowel cellulaire als satelliettoegangsmodi. Het tweede type is een hybride satelliet-grondnetwerk. Bij deze architectuur delen het grondsysteem en het satellietsysteem het netwerkbeheercentrum, en de luchtinterfaceonderdelen zijn zoveel mogelijk geünificeerd om de onafhankelijkheid van hun respectievelijke kernnetwerken en frequentiebanden te behouden. De terminal kan zowel terrestrische als satelliettoegangsmodi ondersteunen. Het derde type is het geïntegreerde satelliet-grondnetwerk. De belangrijkste kenmerken hiervan zijn: het toegangspunt (AP), de frequentie, het toegangsnetwerk en het kernnetwerk van het gehele systeem zijn volledig geünificeerd, zowel qua planning als ontwerp. Het is belangrijk te benadrukken dat het geïntegreerde satelliet-grondnetwerk de hoogste fase is van geïntegreerde communicatiesystemen en enorme technische uitdagingen met zich meebrengt.

2.2 Straaldekking

In een geïntegreerd mobiel communicatiesysteem tussen satelliet en grondstation kan, door de spotbundels en draadloze resources aan te passen, spraak- en datadiensten worden geleverd die de vooraf bepaalde capaciteit voor hotspotgebieden overstijgen. Deze flexibele functie wordt bereikt door middel van digitale beamforming (DBF)-technologie. Momenteel omvat digitale beamforming-technologie voor satellietcommunicatie hoofdzakelijk drie vormen: DBF op de grond, DBF in de ruimte en hybride DBF. Van deze drie biedt hybride digitale beamforming een goede balans tussen prestaties en complexiteit en is daarom uitgebreid onderzocht. Bij gebruik van hybride DBF berekent het grondstation de geoptimaliseerde beamforming-matrix op basis van de vereisten voor bundelaanpassing en de bijbehorende strategieën. Vervolgens worden de parameters van de beamforming-matrix via de feedlink naar de satelliet verzonden, waarna de satelliet de bundeldekking naar de grond dynamisch aanpast door de multi-beam antenne op de satelliet te reconstrueren.

Er zijn twee hoofdtypen handovers die worden veroorzaakt door de beweging van een satelliet of terminal: de eerste is een handover binnen het satellietsysteem. Bij satellieten in een lage baan verandert hun positie ten opzichte van de aarde snel, waardoor de terminal slechts tien minuten continu door dezelfde satelliet wordt gedekt. ​​Om dataverlies tijdens het handoverproces te voorkomen, moeten handovers tussen satellieten of tussen stralen daarom van tevoren worden voorbereid en snel worden uitgevoerd. De tweede is de omschakeling van de terminal tussen het aardse 5G-netwerk en het satellietnetwerk. Bij deze omschakeling moet rekening worden gehouden met factoren zoals de ondersteuning van on-board processing en een transparante forwarding-architectuur, tijdsynchronisatie, meting en informatiecoördinatie. Wanneer het signaal van het mobiele netwerk erg zwak is, schakelt de terminal over van het mobiele netwerk naar het satellietnetwerk; anders blijft de verbinding met het aardse netwerk behouden.

2.3 Golfvorm van de luchtinterface

Oftalmologische frequentieverdelingmultiplexing (OFDM) is nog steeds het basistransmissiesysteem van 5G, maar intercarrierinterferentie (ICI) kan de systeemprestaties ernstig beïnvloeden. Dit komt doordat de OFDM-technologie zelf erg gevoelig is voor frequentieverschuivingen, en de overspraak tussen subcarriers die hierdoor ontstaat, vermindert de communicatieprestaties. Om de impact van resterende frequentieverschuivingen op de systeemprestaties effectief tegen te gaan, kan een ontwerp met variabele subcarrierbandbreedte worden toegepast. Voor de L-band, met zijn smalle frequentieband, waar de coderingssnelheid van de ondersteunde spraakdienst slechts 2.4 Kbps bedraagt, moet een subcarrierbandbreedte van 15 kHz of smaller worden gebruikt. In de Ka-band is een grotere subcarrierbandbreedte mogelijk. Dit komt doordat gebruikers vaak via breedband internetten en de minimale elevatiehoek groot is, waardoor de impact van het Doppler-effect effectief kan worden verminderd.

Bovendien vereist de door 5G ondersteunde niet-orthogonale meervoudige toegang (NOMA) niet dat elke gebruiker exclusieve resources bezet. Gebruikers kunnen gelijktijdig informatie verzenden en ontvangen via niet-orthogonale resources. Dankzij gezamenlijke detectie door meerdere gebruikers kan onderlinge interferentie tussen gebruikers worden voorkomen door middel van signaalverwerking. In vergelijking met traditionele orthogonale toegangsmethoden kan de toepassing van NOMA-technologie de spectrumefficiëntie met meer dan drie keer verhogen. Momenteel zijn NOMA-chips voor aardse 5G-systemen ontwikkeld, gepromoot en toegepast. NOMA-technologie gebruikt complexiteit in ruil voor spectrumefficiëntie, wat ook betekent dat het moeilijk toepasbaar zal zijn in scenario's met lange latentie in geostationaire satellieten (GEO), omdat een grote hoeveelheid signaalinteracties nodig is om de toegangsparameters van gebruikers dynamisch te regelen. Vervolgonderzoek naar NOMA-technologie in satellietcommunicatie is daarom noodzakelijk.

2.4 Spectrumdeling

Of het nu gaat om satellietcommunicatie of om mobiele communicatiesystemen op de grond, het gebrek aan beschikbaar spectrum is een urgent probleem geworden dat moet worden opgelost. Met name satellietcommunicatie en communicatie op de grond hebben geleid tot een felle concurrentie om spectrumbronnen. Zo zijn de C-band en de Ka-band, die al jaren door satellietcommunicatiesystemen worden gebruikt, door de ITU geautoriseerd voor 5G-systemen op de grond. De concurrentie om spectrum tussen de twee omvat met name:

1) Ka-band: Om de snelle groei van gebruikerssnelheden en systeemcapaciteit bij te benen, hopen zowel 5G als satellietcommunicatie gebruik te maken van de Ka-band of zelfs millimetergolffrequentiebanden. Bijvoorbeeld: Tijdens de Wereldradiocommunicatieconferentie van 2019 (WRC-19) werden de frequentiebanden 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz en 66 GHz-71 GHz, met een totale bandbreedte van 14.75 GHz, aangewezen voor 5G en toekomstige internationale mobiele communicatiesystemen wereldwijd; de Amerikaanse FCC heeft de frequentiebanden 27.5 GHz-28.35 GHz en 37 GHz-38.6 GHz gelicentieerd voor gebruik door aardse 5G, en deze frequentiebanden overlappen tot op zekere hoogte met de frequentiebanden die door satellietcommunicatiesystemen worden gebruikt.

2) 3GHz-6GHz C-band: Veel landen hebben voorgesteld de C-band te gebruiken als mogelijke frequentieband voor 5G-systemen, waaronder China, de Europese Unie, Japan en Zuid-Korea. In Azië hebben landen als China, Vietnam en Maleisië echter al een groot aantal satellietcommunicatiesystemen in deze frequentieband gebouwd. Het is daarom lastig om het gebruik van de C-band te coördineren voor aardse 5G-systemen.

Het optimaliseren van de configuratie door middel van gezamenlijke planning tussen satellieten en grondstations kan het efficiënte gebruik van frequentiebronnen verbeteren. Door een gezamenlijk spectrumdetectiesysteem voor satellieten en grondstations te bouwen, kan spectrumdeling tussen satelliet- en grondcommunicatiesystemen worden gerealiseerd en de efficiëntie van het spectrumgebruik worden verbeterd. In vergelijking met draadloze communicatienetwerken op aarde is het voor gebruikers met een cognitieve functie veel moeilijker om alle frequenties in de netwerkomgeving te detecteren. Dit komt door het grote dekkingsgebied van satellietcommunicatie. Snelle updates van de spectrumdatabase, bundelvorming, nauwkeurigheid van spectrumdetectie en beschrijving van het cognitieve gebied zijn allemaal onderzoeksgebieden binnen deze technologie. Bovendien kan, vanuit het perspectief van resource-integratie, een uniforme planning en ontwerp van cellulaire en satellietcommunicatie om interferentie in de vorm van "spectrumdeling" op te lossen en zo het gedeelde gebruik van frequentiebronnen te bevorderen, een compatibele basis bieden voor de diepe integratie van satellietcommunicatiesystemen en 5G-systemen.

2.5 Netwerkbeheer

End-to-end netwerkslicing, gerealiseerd door SDN- en NFV-technologie, is het belangrijkste kenmerk van de netwerkcontrolcloud in het 5G-systeem. SDN- en NFV-technologieën maken respectievelijk de scheiding van netwerkdrager en -besturing mogelijk en zorgen voor de softwarematige implementatie van essentiële netwerkelementen. Ze bieden een solide basis voor de realisatie van netwerkslicing.solide basis.

Wanneer het satellietcommunicatiesysteem diep geïntegreerd is met het aardse 5G-netwerk, kunnen de besturingsfunctie en de doorstuurfunctie van het satellietkernnetwerk worden gescheiden, waardoor de doorstuurfunctie verder wordt vereenvoudigd. Om te voldoen aan de eisen voor hoge datastromen en een flexibele en evenwichtige planning van de verkeersbelasting, kunnen bedrijfsopslag- en rekenmogelijkheden van het netwerkcentrum naar de netwerkrand worden verplaatst.

Om integratie met de grond te ondersteunen, is het, naast de negen netwerkfuncties die 3GPP als basisservice levert, noodzakelijk om niet-3GPP-interconnectiefuncties en gebruikersvlakfuncties toe te voegen aan het gebruikersvlak van het 5G-satellietkernnetwerk.

03 Uitdagingen en onderzoeksrichtingen voor de integratie van 5G via satellieten

Hoewel er al veel vooruitgang is geboekt in de integratie van satellieten met 5G, blijven er nog steeds veel technische uitdagingen bestaan ​​om de mooie visie van satelliet- en 5G-integratie daadwerkelijk te realiseren. Er zijn veel gemeenschappelijke uitdagingen in zowel de satelliet- als de aardse technologie. Hieronder geven we een overzicht van de belangrijkste technische uitdagingen en toekomstige onderzoeksrichtingen.

1) Uitdagingen in het transmissiesysteem: Bij de transmissie van geïntegreerde satelliet-grondnetwerken zijn Doppler-frequentieverschuiving, frequentiebeheer en interferentie, vermogensbeperking en timing-advance problemen die dringend moeten worden opgelost. Om de Doppler-frequentieverschuiving tegen te gaan, gebruikt 5G multicarrier OFDM in het transmissiesysteem. Het ontwerp van de subcarrier-afstand houdt echter geen rekening met de impact van de Doppler-frequentieverschuiving, wat interferentie tussen subcarriers kan veroorzaken. Wat betreft vermogensbeperking zorgt het voor een hoog gebruik van de frequentieband, terwijl de piek-gemiddelde signaalverhouding wordt verlaagd. Ten slotte, wat betreft timing-advance, kunnen snelle veranderingen in de transmissievertragingen van draadloze verbindingen ertoe leiden dat de individuele timing-advances van de terminals dynamisch moeten worden bijgewerkt om ervoor te zorgen dat alle uplink-transmissies gesynchroniseerd zijn.

2) Uitdagingen op het gebied van toegang en resourcebeheer: Gezien de lange vertraging van het geïntegreerde satelliet-grondnetwerk, brengt dit uitdagingen met zich mee voor de toegangscontrole, HARQ, ARQ en andere processen van de MAC-laag en RLC-laag. Wat betreft toegangscontrole is het, om een ​​effectieve integratie van 5G en satellieten te ondersteunen, noodzakelijk om redelijke toegangsmechanismen te ontwerpen, zoals pre-autorisatie, semi-persistente planning en autorisatievrije toegang. Voor HARQ overschrijdt de round-trip time doorgaans de maximale HARQ-timerlengte en het HARQ-proces kent strikte tijdsvereisten. Tijdens het planningsproces van de MAC-laag en RLC-laag heeft de lange vertraging van het satellietsysteem ook invloed op de tijdigheid van de planning, waardoor de parameters voor de planningsvertraging moeten worden aangepast.

3) Uitdagingen op het gebied van mobiliteitsbeheer: In een geïntegreerd satelliet-grondnetwerk zijn de uitdagingen op het gebied van mobiliteitsbeheer nog groter. Afhankelijk van het communicatieniveau kan er onderscheid worden gemaakt tussen switching op netwerkniveau en switching op linkniveau. Afhankelijk van de toepassingsscenario's wordt er onderscheid gemaakt tussen handovers tussen grondcellen, handovers tussen satellieten en grondcellen, handovers tussen satellietcellen en handovers tussen satellieten. Dit onderwerp is al onderzocht, maar vereist verder onderzoek.

04 Conclusie

Satellietcommunicatie en aardse mobiele communicatiesystemen hebben zich in bijna dertig jaar tijd ontwikkeld en schitterende resultaten geboekt. Vanwege hun inherente beperkingen is het echter moeilijk om te voldoen aan de groeiende behoefte van mensen aan mobiele communicatie en grootschalige data-interconnectie. De afgelopen jaren, met de snelle ontwikkeling van Internet of Things-technologie, zullen toekomstige draadloze communicatiesystemen zich richten op de transformatie van "mensen en mensen" naar "mensen en dingen" en "dingen en dingen", waarmee alomtegenwoordige communicatie en het Internet of Everything worden gerealiseerd. Door de geïntegreerde ontwikkeling van satellietcommunicatie en aardse mobiele communicatie zullen complementaire voordelen worden behaald en nieuwe ontwikkelingsmogelijkheden ontstaan. Dit artikel introduceert en bespreekt de ontwikkelingsstatus, de belangrijkste technologieën en de uitdagingen van de integratie van satellietcommunicatie en 5G, in de hoop een referentie en leidraad te bieden voor de ontwikkeling van deze technologie.

Dit artikel is overgenomen van "Satelliet en netwerkWij steunen de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we de betreffende inhoud kunnen verwijderen.