[Fronteira] Análise de integração de sistemas de comunicação móvel 5G e via satélite

introdução

Com o rápido desenvolvimento da internet móvel e a promoção e aplicação de dispositivos inteligentes, as pessoas passaram a exigir velocidades cada vez maiores nas comunicações móveis. O sistema de comunicação móvel de quinta geração (5G) visa fornecer uma taxa de pico de 10 Gbps a 20 Gbps e uma taxa de experiência do usuário de 100 Mbps a 1 Gbps para atender às necessidades empresariais mais complexas. Com sua grande capacidade de serviço de comunicação sem fio, múltiplos serviços e alta velocidade, o 5G pode ser amplamente utilizado em áreas densamente povoadas. No entanto, é difícil aproveitar suas vantagens em áreas pouco povoadas ou em locais onde a implantação de redes terrestres é difícil. Comparados às redes de comunicação móvel terrestres, os sistemas de comunicação via satélite apresentam vantagens incomparáveis, como ampla cobertura, grande capacidade de comunicação, baixo impacto no terreno, alta flexibilidade e adaptabilidade a uma variedade de serviços. Portanto, os satélites podem ser usados ​​para cobrir áreas pouco povoadas ou locais onde a implantação de redes terrestres é difícil, complementando-as de forma eficaz, alcançando assim uma verdadeira cobertura global e fornecendo serviços de comunicação indiferenciados para usuários em todo o mundo.

Na verdade, a utilização de comunicações via satélite pelas pessoas precede a construção de comunicações celulares terrestres sem fio. O primeiro sistema comercial de comunicações via satélite do mundo foi o Early Bird, lançado e operado pela Organização Internacional de Comunicações por Satélite (INTERSAT) em 1965.Sistemas de satélite, enquanto a primeira geração de sistemas de comunicação celular sem fio do mundo começou a ser construída na década de 1980.Nas últimas décadas, os sistemas de comunicação via satélite que entraram em operação internacionalmente incluem não apenas Inmarsat, Thuraya, Viasat, etc., em órbita geoestacionária, mas também Iridium, GlobalStar, Orbcom, etc., em órbita terrestre baixa.Especialmente desde 2015, houve um aumento internacional na construção de constelações de comunicação de internet em órbita baixa, como OneWeb e Starlink, que atraíram muita atenção em pontos críticos internacionais.A integração e a construção de sistemas de comunicação via satélite e sistemas de comunicação sem fio terrestres tornaram-se novamente uma direção de desenvolvimento que foi amplamente demonstrada internacionalmente.

01Estado atual da pesquisa sobre a integração de satélites e 5G

No início do século XXI, as operadoras popularizaram as comunicações via satélite ao obterem autorização para formar redes híbridas de comunicação satélite-terrestre. Para expandir essas redes, as operadoras adicionaram componentes auxiliares terrestres (ATC) ou componentes suplementares terrestres (CGC). Um ATC é uma estação base auxiliar terrestre utilizada para comunicações móveis via satélite. Satélites e um grande número de estações base ATC são combinados para alcançar cobertura contínua em grandes áreas, solucionando assim problemas de cobertura de satélite.Existe um problema de má cobertura de sinal em cidades com edifícios altos e em ambientes internos, mas isso também envolve algunsQuestões complexas, como: reutilização de frequência de satélites e estações base de controle de tráfego aéreo, comutação e controle coordenado de sistemas espaciais e terrestres.

Com o amadurecimento da tecnologia 5G, a integração do 5G com satélites tem atraído grande atenção tanto no Brasil quanto no exterior. Organizações de padronização, como a União Internacional de Telecomunicações (UIT) e o Projeto de Parceria da Terceira Geração (3GPP), têm investido bastante em demonstrações técnicas relacionadas à integração de sistemas 5G com satélites.

1) A União Internacional de Telecomunicações (UIT) propôs em 2016 que "a rede de comunicação móvel de próxima geração deve atender às necessidades dos usuários de acessar serviços a qualquer hora e em qualquer lugar" e realizou a Pesquisa de Mercado da UIT (ITU-RM) na área de tecnologia de acesso via satélite. A pesquisa sobre o padrão [NGAT_SAT] propõe quatro cenários de aplicação típicos para integração satélite-solo, incluindo serviços de retransmissão de banda larga, serviços de backhaul e distribuição de dados, serviços de comunicação móvel de banda larga e serviços multimídia híbridos, conforme mostrado na figura abaixo, e esclarece as principais características para suportar as aplicações acima. Além disso, a UIT também está promovendo ativamente o trabalho sobre o uso de frequências de satélites e 5G e realizou uma série de análises de compartilhamento de espectro e compatibilidade eletromagnética entre satélites e 5G.

Figura 1. Quatro cenários de aplicação do sistema de integração satélite-solo, conforme definido pela UIT.

2) O Projeto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) começou a demonstrar as vantagens das comunicações via satélite para sistemas de comunicação móvel terrestre desde o padrão Release 14 em 2017. No relatório técnico TR22.822, divulgado no final de 2017, o grupo de trabalho SA1 do 3GPP definiu três métodos principais de utilização do acesso via satélite no 5G: serviço contínuo, serviço ubíquo e serviço estendido.Casos de uso e discussão de requisitos para serviços novos e existentes. Atualmente, o 3GPP se baseia principalmente em um projeto de pesquisa chamado "Rede Não Terrestre (NTN)" para realizar pesquisas sobre cenários de implantação e projeto de interface aérea de comunicações via satélite em 5G.

3) Em junho de 2017, a Europa estabeleceu a Aliança SaT5G (Rede Terrestre e de Satélite para 5G), cujos membros incluem a BT, a SES, a Avanti, a Universidade de Surrey e outras empresas e instituições de pesquisa europeias. Seu objetivo é fornecer uma solução de satélite plug-and-play de baixo custo para o 5G e proporcionar oportunidades de crescimento contínuo para a cadeia da indústria de satélites. A Conferência Europeia de Redes e Comunicações de 2018 foi realizada em Ljubljana, na Eslovênia. Na conferência, cinco membros da SaT5G demonstraram a integração da arquitetura de rede via satélite com a arquitetura de rede 3GPP, incluindo a VT iDi-rect e a SES.

Figura 2: Cenários de aplicação do 5G via satélite fornecidos pela Sat5G

4) Para atender à meta de crescimento de capacidade de 1000 vezes proposta pelo sistema 5G, o programa SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas), lançado com financiamento do programa Horizonte 2020 da União Europeia, visa fornecer uma solução de enlace de backhaul eficiente para futuros sistemas de comunicação sem fio de grande capacidade. O projeto SANSA propôs tecnologia de formação de feixe com antenas inteligentes de baixa sobrecarga, tecnologia de gerenciamento dinâmico e inteligente de recursos sem fio para redes sem fio integradas satélite-solo, tecnologia de compartilhamento dinâmico de espectro assistido por banco de dados, etc., e realizou pesquisas aprofundadas.

02  Tecnologias-chave para a integração do 5G via satélite

Como existem diferenças entre as comunicações via satélite e as comunicações sem fio terrestres em termos de distância de propagação, cobertura e capacidade de potência, a integração profunda das duas enfrenta alguns desafios inevitáveis. As principais tecnologias para a integração do 5G via satélite são analisadas a seguir sob cinco aspectos: arquitetura do sistema, cobertura do feixe, forma de onda da interface aérea, compartilhamento de espectro e controle de rede.

2.1 Arquitetura do sistema

Na arquitetura de integração de 5G via satélite, considera-se uma constelação mista de satélites em órbitas altas e baixas. Ao mesmo tempo, o projeto das bandas de frequência de comunicação também inclui bandas de baixa frequência (como as bandas L e S) e bandas de alta frequência (como as bandas Ku e Ka), levando em conta os requisitos de serviços de transmissão de banda larga e de velocidade média-baixa. A área de cobertura do satélite se desloca conforme o ponto sub-satélite se move e o usuário final alterna entre diferentes células.

Os enlaces intersatélites de constelações de satélites em órbita baixa são compostos por enlaces a laser ou micro-ondas, e múltiplos satélites são interconectados para formar uma rede de comunicação espacial com satélites atuando como nós de comutação. As constelações são geralmente projetadas utilizando órbitas polares. Isso ocorre porque os satélites em planos orbitais adjacentes possuem uma relação de posição relativa relativamente estável (exceto nas regiões polares ou em áreas de transição), o que é favorável à manutenção dos enlaces intersatélites e à obtenção de cobertura em altas latitudes. Além disso, a operação de enlaces de alimentação via satélite é implementada na estação de gateway, o que possibilita a interconexão e a interoperabilidade entre a rede de satélites e as redes terrestres PSTN, PLMN e a Internet. Todas essas operações são implementadas nas bandas de frequência Ka ou Q/V.

Atualmente, existem três arquiteturas principais para redes integradas satélite-solo. A primeira é a rede complementar satélite-solo. Nessa arquitetura, os sistemas 5G e os sistemas de satélite compartilham um centro de gerenciamento de rede, mas suas respectivas redes de acesso e redes centrais permanecem independentes. A rede de acesso e algumas funções da rede central são fornecidas por estações de gateway de satélite, e os terminais suportam modos de acesso celular e/ou via satélite. O segundo tipo é a rede híbrida satélite-solo. Nessa arquitetura, o sistema terrestre e o sistema de satélite compartilham o centro de gerenciamento de rede, e as partes da interface aérea também são unificadas o máximo possível para manter a independência de suas respectivas redes centrais e faixas de frequência. O terminal pode suportar modos de acesso terrestre e via satélite. O terceiro tipo é a rede integrada satélite-solo. Suas principais características são: o ponto de acesso (AP), a frequência, a rede de acesso e a rede central de todo o sistema são totalmente planejados e projetados de forma unificada. Deve-se ressaltar que a rede integrada satélite-solo representa o estágio mais avançado do sistema de comunicação integrado satélite-solo e enfrenta enormes desafios técnicos.

2.2 Cobertura do feixe

Em um sistema integrado de comunicação móvel satélite-solo, ajustando seus feixes direcionados e recursos sem fio, é possível fornecer serviços de voz e dados que excedem a capacidade predeterminada em áreas de alta demanda. Essa flexibilidade é alcançada por meio da tecnologia de formação de feixe digital (DBF). Atualmente, a tecnologia de formação de feixe digital para comunicações via satélite se divide em três formas principais: DBF terrestre, DBF espacial e DBF híbrido. Dentre elas, a formação de feixe digital híbrida apresenta um bom equilíbrio entre desempenho e complexidade, sendo amplamente estudada. No caso do DBF híbrido, o centro de controle da rede terrestre calcula a matriz de formação de feixe otimizada com base nos requisitos de ajuste do feixe e nas estratégias correspondentes. Em seguida, envia os parâmetros da matriz de formação de feixe para o satélite por meio do enlace de alimentação, ajustando dinamicamente a cobertura do feixe em solo através da reconstrução da antena multifeixe no satélite.

Existem dois tipos principais de handover causados ​​pelo movimento do satélite ou do terminal: um é o handover dentro do sistema de satélites. Para satélites em órbita baixa, sua posição em relação ao solo muda rapidamente, de modo que o terminal fica continuamente coberto pelo mesmo satélite por apenas dez minutos. Portanto, para evitar a perda de dados durante o processo de handover, os handovers entre satélites ou entre feixes devem ser preparados com antecedência e executados rapidamente. O outro tipo é a troca do terminal entre a rede 5G terrestre e a rede de satélite. Essa troca precisa considerar fatores como suporte ao processamento a bordo e arquitetura de encaminhamento transparente de curvatura, sincronização de tempo, medição e coordenação de informações. Quando o sinal da rede celular estiver muito fraco, o terminal alternará da rede celular para a rede de satélite; caso contrário, manterá o acesso à rede terrestre.

2.3 Forma de onda da interface aérea

A multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM) ainda é o sistema básico de transmissão do 5G, mas a interferência entre subportadoras (ICI) causa uma queda significativa no desempenho do sistema. Isso ocorre porque a própria tecnologia OFDM é muito sensível ao desvio de frequência, e a diafonia entre as subportadoras causada por esse desvio reduz o desempenho da comunicação. Para resistir efetivamente ao impacto do desvio de frequência residual no desempenho do sistema, pode-se adotar um esquema de projeto com largura de banda de subportadora variável. Para a banda L, que possui uma faixa de frequência estreita, como a taxa de código do serviço de voz suportado é de apenas 2.4 kbps, deve-se utilizar um projeto de subportadora com largura de banda de 15 kHz ou menor. Na banda de frequência Ka, a largura de banda da subportadora que pode ser utilizada é maior. Isso se deve ao fato de que os usuários geralmente acessam a internet por meio de banda larga e o ângulo de elevação mínimo é grande, o que pode reduzir efetivamente o impacto do efeito Doppler.

Além disso, o acesso múltiplo não ortogonal (NOMA) suportado pelo 5G não exige que cada usuário ocupe recursos exclusivos. Os usuários podem enviar e receber informações simultaneamente em recursos não ortogonais. Com base na detecção conjunta multiusuário, a interferência mútua entre os usuários pode ser evitada por meio do processamento de sinal. Comparada aos métodos tradicionais de acesso ortogonal, a aplicação da tecnologia NOMA pode aumentar a eficiência espectral em mais de três vezes. Atualmente, chips NOMA para sistemas 5G terrestres já foram desenvolvidos, promovidos e aplicados. A tecnologia NOMA utiliza complexidade em troca de eficiência espectral, o que também significa que será difícil aplicá-la em cenários de comunicação via satélite em órbita geoestacionária (GEO) com alta latência, pois uma grande quantidade de interações de sinalização é utilizada para controlar dinamicamente os parâmetros de acesso do usuário. Pesquisas técnicas subsequentes devem ser realizadas sobre a tecnologia NOMA em comunicações via satélite.

2.4 Compartilhamento de espectro

Seja para comunicações via satélite ou sistemas de comunicação móvel terrestre, a falta de espectro disponível tornou-se um problema urgente a ser resolvido. Em particular, as comunicações via satélite e as comunicações terrestres têm apresentado uma forte competição por recursos de espectro. Por exemplo, as bandas C e Ka, utilizadas por sistemas de comunicação via satélite há muitos anos, foram autorizadas pela UIT para sistemas 5G terrestres. A situação da competição por espectro entre as duas inclui especificamente:

1) Banda Ka: Para atender ao rápido crescimento da velocidade de conexão e da capacidade do sistema, tanto o 5G quanto as comunicações via satélite esperam utilizar a banda Ka ou até mesmo faixas de frequência de ondas milimétricas. Por exemplo: a Conferência Mundial de Radiocomunicações de 2019 (CMR-19) utilizou as faixas de 24.25 GHz a 27.5 GHz, 37 GHz a 43.5 GHz e 66 GHz a 71 GHz, totalizando 14.75 GHz, para a identificação do espectro de 5G e futuros sistemas internacionais de comunicação móvel em todo o mundo; a FCC dos EUA designou as faixas de frequência de 27.5 GHz a 28.35 GHz e 37 GHz a 38.6 GHz para uso em 5G terrestre, e essas faixas de frequência se sobrepõem, em certa medida, às faixas de frequência utilizadas por sistemas de comunicação via satélite.

2) Banda C de 3 GHz a 6 GHz: Muitos países propuseram o uso da banda C como candidata para sistemas 5G, incluindo China, União Europeia, Japão e Coreia do Sul. No entanto, na Ásia, países como China, Vietnã e Malásia já construíram um grande número de sistemas de comunicação via satélite nessa faixa de frequência. Coordenar o uso da banda C para sistemas 5G terrestres torna-se um desafio.

A otimização da configuração por meio do planejamento colaborativo entre satélite e solo pode melhorar o uso eficiente dos recursos de frequência. Ao construir um sistema conjunto de sensoriamento de espectro entre satélite e solo, é possível realizar o compartilhamento de espectro entre sistemas de comunicação via satélite e solo, melhorando a eficiência de utilização do espectro. Comparado às redes de comunicação sem fio terrestres, é muito mais difícil para usuários com capacidade cognitiva detectar todo o espectro no ambiente de rede. Isso ocorre devido à ampla cobertura das comunicações via satélite. A atualização rápida do banco de dados de espectro, a formação de feixes, a precisão do sensoriamento de espectro e a descrição da área cognitiva são focos de pesquisa dessa tecnologia. Além disso, sob a perspectiva da integração de recursos, o planejamento e o projeto unificados de comunicações celulares e via satélite para solucionar interferências na forma de "compartilhamento de espectro", promovendo assim o uso compartilhado de recursos de frequência, podem fornecer uma base compatível para a integração profunda de sistemas de comunicação via satélite e sistemas 5G.

2.5 Controle de rede

O fatiamento de rede de ponta a ponta, realizado por meio das tecnologias SDN e NFV, é a principal característica da nuvem de controle de rede no sistema 5G. As tecnologias SDN e NFV realizam, respectivamente, a separação entre o tráfego e o controle da rede e a virtualização dos elementos centrais da rede. Elas fornecem uma base sólida para a implementação do fatiamento de rede.base sólida.

Quando o sistema de comunicação via satélite estiver profundamente integrado ao 5G terrestre, as funções de controle e encaminhamento da rede central do satélite podem ser separadas, simplificando ainda mais a função de encaminhamento. Para suportar as exigências de transmissão de alto tráfego e o agendamento flexível e balanceado da carga de tráfego, os recursos de armazenamento e computação corporativos podem ser transferidos do centro da rede para a borda da rede.

Para dar suporte à integração com a infraestrutura terrestre, além das nove funções de rede que o 3GPP fornece como funções de serviço básicas, é necessário adicionar funções de interconexão não-3GPP e funções de plano de usuário ao plano de usuário da rede central de satélite 5G.

03 Desafios e direções de pesquisa enfrentados pela integração do 5G via satélite

Embora muitos progressos tenham sido feitos na integração do 5G via satélite, ainda haverá muitos desafios técnicos para concretizar a visão idealizada dessa integração. Existem muitos desafios comuns nos domínios terrestre e via satélite. Abaixo, listamos os principais desafios técnicos e as futuras direções de pesquisa.

1) Desafios no sistema de transmissão: Em transmissões de redes integradas satélite-solo, o deslocamento de frequência Doppler, o gerenciamento de frequência e a interferência, a limitação de potência e o avanço de tempo são questões que precisam ser resolvidas com urgência. Em resposta ao deslocamento de frequência Doppler, o 5G utiliza OFDM multicarrier no sistema de transmissão. Seu projeto de espaçamento entre subportadoras não considera o impacto do deslocamento de frequência Doppler, o que pode causar interferência entre as subportadoras. Em termos de limitação de potência, garante a utilização de alta frequência, reduzindo a relação pico-média do sinal. Por fim, em relação ao avanço de tempo, mudanças rápidas nos atrasos de transmissão do enlace sem fio podem resultar na necessidade de atualização dinâmica dos avanços de tempo individuais dos terminais para garantir que todas as transmissões de uplink estejam sincronizadas.

2) Desafios de acesso e gerenciamento de recursos: Considerando que o longo atraso da rede integrada satélite-solo trouxe desafios para o controle de acesso, HARQ, ARQ e outros processos das camadas MAC e RLC, é necessário projetar mecanismos de acesso adequados para suportar a integração efetiva do 5G com satélites, como pré-autorização, agendamento semipersistente e acesso sem autorização. No caso do HARQ, o tempo de ida e volta geralmente excede o tempo máximo do temporizador HARQ, e o processo HARQ possui requisitos de tempo rigorosos. Durante o processo de agendamento das camadas MAC e RLC, o longo atraso do sistema de satélite também afetará a pontualidade do agendamento, sendo necessário ajustar os parâmetros de atraso.

3) Desafios da gestão da mobilidade: Em uma rede integrada satélite-solo, os desafios da gestão da mobilidade são ainda mais severos. De acordo com o nível de comunicação, podem ser divididos em comutação em nível de rede e comutação em nível de enlace. De acordo com os cenários de aplicação, dividem-se em handovers entre células terrestres, handovers entre satélites e células terrestres, handovers entre células de satélite e handovers entre satélites. Esta questão já foi explorada, mas requer mais pesquisa.

04 Conclusão

Os sistemas de comunicação via satélite e de comunicação celular terrestre passaram por quase trinta anos de desenvolvimento e alcançaram resultados brilhantes. No entanto, devido às suas limitações inerentes, é difícil atender às crescentes necessidades das pessoas por comunicações móveis e interconexão massiva de dados. Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da tecnologia da Internet das Coisas (IoT), os futuros sistemas de comunicação sem fio estarão orientados para a transformação de "pessoas e pessoas" para "pessoas e coisas" e "coisas e coisas", concretizando a comunicação ubíqua e a Internet de Tudo. Através do desenvolvimento integrado de comunicações via satélite e comunicação celular terrestre, serão alcançadas vantagens complementares e novas oportunidades de desenvolvimento serão inauguradas. Este artigo apresenta e discute o estado atual do desenvolvimento, as principais tecnologias e os desafios enfrentados pela integração de comunicações via satélite e 5G, com o objetivo de fornecer referências e orientações para o desenvolvimento dessa tecnologia.

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