[Frontier] Интеграционный анализ систем мобильной связи 5G и спутниковой связи

введение

С быстрым развитием мобильного интернета и распространением и применением интеллектуальных терминальных устройств, к скорости мобильной связи предъявляются всё более высокие требования. Система мобильной связи пятого поколения (5G) призвана обеспечить пиковую скорость от 10 до 20 Гбит/с и скорость передачи данных для пользователей от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с, чтобы удовлетворить более широкий спектр бизнес-потребностей. Благодаря большой пропускной способности беспроводной связи, множеству услуг и высокой скорости, 5G может широко использоваться в густонаселенных районах. Однако в малонаселенных районах или районах, где сложно проложить наземные сети, преимущества 5G трудно реализовать. По сравнению с наземными мобильными сетями, спутниковые системы связи обладают такими неоспоримыми преимуществами, как широкое покрытие, большая пропускная способность, минимальное влияние рельефа местности, высокая гибкость и адаптивность к различным услугам. Таким образом, спутники могут использоваться для покрытия малонаселенных районов или районов, где сложно проложить наземные сети, являясь хорошим дополнением к наземным сетям, обеспечивая тем самым истинно глобальное покрытие и предоставляя недифференцированные коммуникационные услуги пользователям по всему миру.

Фактически, использование спутниковой связи людьми предшествовало созданию наземных сотовых беспроводных сетей связи. Первой в мире коммерческой системой спутниковой связи стала Early Bird, запущенная и эксплуатируемая Международной организацией спутниковой связи (INTERSAT) в 1965 году.Спутниковые системы, в то время как первое в мире поколение сотовых беспроводных систем связи начало создаваться в 1980-х годах.В последние десятилетия в международном масштабе были введены в эксплуатацию не только спутниковые системы связи Inmarsat, Thuraya, Viasat и др. на геостационарной орбите, но и Iridium, Global-star, Orbcom и др. на низкой околоземной орбите.Особенно с 2015 года наблюдается международный всплеск строительства низкоорбитальных спутниковых группировок для передачи интернет-трафика, таких как OneWeb и Starlink, которые привлекли большое внимание в международных точках доступа.Интеграция и создание спутниковых систем связи и наземных беспроводных систем связи вновь стали направлением развития, получившим широкое международное признание.

01Состояние исследований в области интеграции спутников и 5G.

В начале XXI века операторы вывели спутниковую связь на массовый рынок, получив разрешение на создание гибридных спутниково-наземных сетей связи. Для расширения сетей спутниковой связи операторы добавили наземные вспомогательные компоненты (ATC) или наземные дополнительные компоненты (CGC). ATC — это наземная вспомогательная базовая станция, используемая для мобильной спутниковой связи. Спутники и большое количество базовых станций ATC объединяются для обеспечения бесперебойного покрытия на больших территориях, что позволяет решать задачи, связанные со спутниковыми технологиями.Проблема плохого покрытия сигнала существует в городах с высотными зданиями и внутри помещений, но она также затрагивает некоторые другие аспекты.Сложные вопросы, такие как: повторное использование частот спутников и базовых станций УВД, переключение и скоординированное управление космическими и наземными системами.

По мере развития технологии 5G интеграция 5G и спутников привлекает широкое внимание как внутри страны, так и за рубежом. Организации по стандартизации, такие как Международный союз электросвязи (ITU) и Проект партнерства третьего поколения (3GPP), вложили значительные усилия в проведение технических демонстрационных работ, связанных с интеграцией спутников в системы 5G.

1) В 2016 году Международный союз электросвязи предложил концепцию «мобильная сеть связи следующего поколения должна удовлетворять потребности пользователей в доступе к услугам в любое время и в любом месте» и провел исследование ITU-RM в области технологий спутникового доступа. Исследование стандарта [NGAT_SAT] предлагает четыре типичных сценария применения интеграции спутника и наземной сети, включая услуги ретрансляционной широкополосной передачи, услуги магистральной связи и распределения данных, услуги широкополосной мобильной связи и гибридные мультимедийные услуги, как показано на рисунке ниже, и уточняет ключевые особенности для поддержки вышеуказанных приложений. Кроме того, ITU также активно продвигает работу по использованию частот спутников и 5G и провел ряд анализов совместного использования спектра и электромагнитной совместимости спутников и 5G.

Рисунок 1. 4 сценария применения системы интеграции спутник-наземное устройство, предложенные МСЭ.

2) Проект партнерства третьего поколения (3GPP) начал демонстрировать преимущества спутниковой связи для наземных мобильных систем связи с момента выхода стандарта Release 14 в 2017 году. В техническом отчете TR22.822, опубликованном в конце 2017 года, рабочая группа 3GPP SA1 определила три основных метода использования спутникового доступа в сетях 5G: непрерывное обслуживание, повсеместное обслуживание и расширенное обслуживание.Обсудим варианты использования и требования к новым и существующим сервисам. В настоящее время 3GPP в основном опирается на исследовательский проект под названием «Неземная сеть (NTN)» для проведения исследований сценариев развертывания и проектирования радиоинтерфейса спутниковой связи в сетях 5G.

3) В июне 2017 года Европа создала альянс SaT5G (Satellite and Terrestrial Network for 5G), в состав которого входят BT, SES, Avanti, Университет Суррея и другие европейские компании и исследовательские институты. Его цель — предоставить экономически эффективное, готовое к использованию спутниковое решение для 5G и обеспечить дальнейший рост рыночных возможностей для всей цепочки спутниковой индустрии. Европейская конференция по сетям и коммуникациям 2018 года состоялась в Любляне, Словения. На конференции пять членов SaT5G продемонстрировали интеграцию спутниковой и сетевой архитектуры 3GPP, включая VT iDi-rect и SES.

Рисунок 2. Сценарии применения спутниковой связи 5G, представленные в Sat5G.

4) Для достижения целевого показателя увеличения пропускной способности в 1000 раз, предусмотренного системой 5G, программа SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas), запущенная при финансовой поддержке Европейского союза в рамках программы H2020, направлена ​​на создание эффективного решения для магистральной связи для будущих беспроводных систем связи большой пропускной способности. В рамках проекта SANSA были предложены технология формирования луча с использованием интеллектуальных антенн с низкими накладными расходами, технология динамического управления беспроводными ресурсами для интегрированных беспроводных сетей «спутник-земля», технология динамического совместного использования спектра с использованием баз данных и т.д., и проведены углубленные исследования.

02  Ключевые технологии для интеграции спутниковых сетей 5G

Поскольку между спутниковой связью и наземной беспроводной связью существуют различия в дальности распространения сигнала, зоне покрытия и мощности, глубокая интеграция этих двух технологий неизбежно сталкивается с рядом проблем. Ниже рассматриваются ключевые технологии для интеграции спутниковой связи в сети 5G с пяти точек зрения: архитектура системы, зона покрытия, форма сигнала радиоинтерфейса, совместное использование спектра и управление сетью.

2.1 Архитектура системы

В архитектуре спутниковой интеграции 5G рассматривается смешанная группировка спутников на высоких и низких орбитах. Одновременно с этим, при проектировании частотных диапазонов связи учитываются как низкочастотные (например, L- и S-диапазоны), так и высокочастотные (например, Ku- и Ka-диапазоны), с учетом требований к передаче данных на средних и низких скоростях, а также к широкополосной передаче. Зона покрытия спутника перемещается по мере перемещения субспутниковых точек, и конечный пользователь переключается между различными ячейками.

Межспутниковые каналы связи в низкоорбитальных спутниковых группировках состоят из лазерных или микроволновых линий связи, а множество спутников объединены в космическую коммуникационную сеть, где спутники выступают в качестве коммутационных узлов. Группировки обычно проектируются с использованием полярных орбит. Это связано с тем, что спутники в смежных орбитальных плоскостях имеют относительно стабильное относительное положение (за исключением полярных регионов или обратных плоскостей), что способствует поддержанию межспутниковых каналов связи и обеспечению покрытия в высоких широтах. Кроме того, на шлюзовой станции осуществляется передача данных по спутниковой сети, что обеспечивает взаимосвязь и совместимость между спутниковой сетью и наземными сетями PSTN, PLMN и Интернетом. Все эти операции выполняются в диапазонах частот Ka или Q/V.

В настоящее время существует три основных архитектуры для интегрированных спутниково-наземных сетей. Первая — это комплементарная спутниково-наземная сеть. В рамках этой архитектуры системы 5G и спутниковые системы используют общий центр управления сетью, но их сети доступа и основные сети остаются независимыми. Сеть доступа и некоторые функции основной сети обеспечиваются спутниковыми шлюзовыми станциями, а терминалы поддерживают как сотовый, так и спутниковый режимы доступа. Второй тип — это гибридная спутниково-наземная сеть. В рамках этой архитектуры наземная и спутниковая системы используют общий центр управления сетью, а части радиоинтерфейса максимально унифицированы для сохранения независимости их основных сетей и частотных диапазонов. Терминал может поддерживать как наземный, так и спутниковый режимы доступа. Третий тип — это интегрированная спутниково-наземная сеть. Ее основные особенности: точка доступа (AP), частота, сеть доступа и основная сеть всей системы полностью унифицированы в планировании и проектировании. Следует отметить, что интегрированная спутниково-наземная сеть является высшей ступенью интегрированной спутниково-наземной системы связи и сталкивается с огромными техническими проблемами.

2.2 Зона покрытия луча

В интегрированной спутниково-наземной системе мобильной связи, путем регулировки точечных лучей и беспроводных ресурсов, можно предоставлять голосовые и информационные услуги, превышающие заданную пропускную способность в зонах с высокой интенсивностью сигнала. Эта гибкая функция достигается за счет технологии цифрового формирования луча (DBF). В настоящее время технология цифрового формирования луча для спутниковой связи включает в себя три основные формы: наземное DBF, космическое DBF и гибридное DBF. Среди них гибридное цифровое формирование луча представляет собой хороший компромисс между производительностью и сложностью и широко изучено. При использовании гибридного DBF центр управления наземной сетью вычисляет оптимизированную матрицу формирования луча на основе требований к настройке луча и соответствующих стратегий, а затем передает параметры матрицы формирования луча на спутник через канал связи и динамически корректирует зону покрытия луча на земле путем восстановления многолучевой антенны на спутнике.

Существует два основных типа переключения между спутниками или терминалами, вызванных их перемещением: первый — переключение внутри спутниковой системы. Для низкоорбитальных спутников их положение относительно Земли быстро меняется, поэтому терминал непрерывно находится под воздействием одного и того же спутника всего десять минут. Следовательно, чтобы предотвратить потерю данных во время переключения, необходимо заранее подготовить и быстро выполнить переключение между спутниками или между лучами. Второй тип — переключение терминала между наземной сетью 5G и спутниковой сетью. При этом переключении необходимо учитывать такие факторы, как поддержка бортовой обработки и прозрачной архитектуры пересылки данных, синхронизация времени, координация измерений и информации. При очень слабом сигнале сотовой сети терминал переключится с сотовой сети на спутниковую, в противном случае он будет поддерживать доступ к наземной сети.

2.3 Форма сигнала интерфейса беспроводной связи

Ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM) по-прежнему является базовой системой передачи данных в системе 5G, однако межнесущие помехи (ICI) приводят к серьезному снижению производительности системы. Это связано с тем, что сама технология OFDM очень чувствительна к частотному смещению, а перекрестные помехи между поднесущими, вызванные частотным смещением, снижают качество связи. Для эффективного противодействия влиянию остаточного частотного смещения на производительность системы можно использовать схему проектирования с переменной шириной полосы пропускания поднесущих. Для L-диапазона с узкой полосой частот, поскольку кодовая скорость поддерживаемой им голосовой связи составляет всего 2.4 кбит/с, следует использовать схему проектирования поднесущих шириной 15 кГц или уже. В Ka-диапазоне частот ширина используемой полосы поднесущих больше. Это связано с тем, что пользователи часто получают доступ к Интернету через широкополосную связь, и минимальный угол возвышения велик, что позволяет эффективно снизить влияние эффекта Доплера.

Кроме того, поддержка неортогонального множественного доступа (NOMA) в сетях 5G не требует от каждого пользователя использования эксклюзивных ресурсов. Пользователи могут одновременно отправлять и получать информацию на неортогональных ресурсах. Благодаря совместному обнаружению несколькими пользователями, можно избежать взаимных помех между пользователями за счет обработки сигналов. По сравнению с традиционными методами ортогонального доступа, применение технологии NOMA может повысить эффективность использования спектра более чем в три раза. В настоящее время разработаны, внедрены и применяются чипы NOMA для наземных систем 5G. Технология NOMA использует сложность в обмен на эффективность использования спектра, что также означает, что ее будет сложно применять в сценариях связи на геостационарных спутниках (GEO) с большой задержкой, поскольку для динамического управления параметрами доступа пользователей используется большое количество сигнальных взаимодействий. Дальнейшие технические исследования должны быть направлены на изучение технологии NOMA в спутниковой связи.

2.4 Совместное использование спектра

Как для спутниковой связи, так и для наземных систем мобильной связи, нехватка доступного спектра стала неотложной проблемой, требующей решения. В частности, в спутниковой и наземной связи наблюдается ожесточенная конкуренция за спектральные ресурсы. Например, диапазоны C и Ka, которые много лет использовались в системах спутниковой связи, были разрешены МСЭ для наземных систем 5G. Ситуация с конкуренцией за спектр между ними включает в себя, в частности:

1) Ka-диапазон: Для удовлетворения потребностей быстро растущей скорости передачи данных пользователями и пропускной способности систем, как 5G, так и спутниковая связь планируют использовать Ka-диапазон или даже миллиметровые диапазоны частот. Например: на Всемирной конференции радиосвязи 2019 года (WRC-19) для 5G и будущих международных систем мобильной связи по всему миру были определены диапазоны частот 24.25–27.5 ГГц, 37–43.5 ГГц, 66–71 ГГц, что в сумме составляет 14.75 ГГц; Федеральная комиссия по связи США (FCC) выделила для использования в наземных сетях 5G диапазоны частот 27.5–28.35 ГГц и 37–38.6 ГГц, которые в определенной степени перекрываются с диапазонами частот, используемыми спутниковыми системами связи.

2) C-диапазон 3–6 ГГц: Многие страны предложили использовать C-диапазон в качестве потенциального частотного диапазона для систем 5G, включая Китай, Европейский союз, Японию и Южную Корею. Однако в Азии такие страны, как Китай, Вьетнам и Малайзия, создали большое количество спутниковых коммуникационных систем в этом частотном диапазоне. Координация использования C-диапазона для наземных систем 5G затруднена.

Оптимизация конфигурации посредством совместного планирования спутник-наземная сеть может повысить эффективность использования частотных ресурсов. Создание совместной системы обнаружения спектра спутник-наземная сеть позволяет обеспечить совместное использование спектра между системами связи спутник-наземная сеть и повысить эффективность его использования. По сравнению с наземными беспроводными сетями связи, когнитивным пользователям гораздо сложнее обнаружить все спектры в сетевой среде. Это обусловлено широкой зоной покрытия спутниковой связи. Быстрое обновление базы данных спектра, формирование лучей, точность обнаружения спектра и когнитивное описание зоны являются основными направлениями исследований в этой области. Кроме того, с точки зрения интеграции ресурсов, унифицированное планирование и проектирование сотовой и спутниковой связи для решения проблемы помех в виде «совместного использования спектра», тем самым способствуя совместному использованию частотных ресурсов, может обеспечить совместимую основу для глубокой интеграции систем спутниковой связи и систем 5G.

2.5 Сетевой контроль

Сквозное сегментирование сети, реализуемое с помощью технологий SDN и NFV, является важнейшей особенностью облака управления сетью в системе 5G. Технологии SDN и NFV, соответственно, обеспечивают разделение сетевого канала и управления, а также программную реализацию основных сетевых элементов. Они создают прочную основу для реализации сегментирования сети.прочный фундамент.

При глубокой интеграции спутниковой системы связи с наземной сетью 5G функции управления и пересылки данных в базовой сети спутника могут быть разделены, что дополнительно упрощает функцию пересылки. Для поддержки требований к передаче больших объемов данных и гибкого и сбалансированного планирования нагрузки трафика, возможности хранения и обработки данных могут быть перемещены из центра сети на ее периферию.

Для обеспечения интеграции с наземными сетями, помимо девяти сетевых функций, предоставляемых 3GPP в качестве базовых сервисных функций, необходимо добавить к пользовательскому уровню базовой сети спутниковой связи 5G функции межсоединения, не относящиеся к 3GPP, и функции пользовательского уровня.

03 Проблемы и направления исследований, связанные с интеграцией спутниковых сетей 5G.

Несмотря на значительный прогресс в работе по интеграции спутниковых сетей 5G, на пути к истинной реализации прекрасной концепции интеграции спутников и 5G по-прежнему будет много технических проблем. Существует множество общих проблем как в спутниковой, так и в наземной областях. Ниже мы перечислим основные технические проблемы и направления будущих исследований.

1) Проблемы в системе передачи: В интегрированной спутниково-наземной сети передачи данных срочно необходимо решить такие проблемы, как доплеровский сдвиг частоты, управление частотой и помехи, ограничение мощности и опережение синхронизации. В ответ на доплеровский сдвиг частоты в 5G используется многонесущая OFDM-технология. Ее конструкция с учетом разнесения поднесущих не учитывает влияние доплеровского сдвига частоты, что приводит к помехам между поднесущими. С точки зрения ограничения мощности, она обеспечивает высокую эффективность использования частотного диапазона, одновременно снижая отношение пиковой мощности сигнала к средней. Наконец, что касается опережения синхронизации, быстрые изменения задержек беспроводной передачи могут привести к необходимости динамического обновления индивидуального опережения синхронизации терминала для обеспечения синхронизации всех восходящих передач.

2) Проблемы доступа и управления ресурсами: Учитывая, что длительная задержка в интегрированной спутниково-наземной сети создает проблемы для управления доступом, HARQ, ARQ и других процессов на уровнях MAC и RLC, с точки зрения управления доступом, для поддержки эффективной интеграции 5G и спутников необходимо разработать разумные механизмы доступа, такие как предварительная авторизация, полупостоянное планирование и отсутствие необходимости в авторизации. Для HARQ время кругового пути обычно превышает максимальную длительность таймера HARQ, и процесс HARQ имеет строгие временные требования. В процессе планирования на уровнях MAC и RLC длительная задержка спутниковой системы также влияет на своевременность планирования, и параметры задержки планирования необходимо корректировать.

3) Проблемы управления мобильностью: В интегрированной спутниково-наземной сети проблемы управления мобильностью становятся еще более серьезными. В зависимости от уровня связи их можно разделить на коммутацию на сетевом уровне и коммутацию на уровне канала связи. В зависимости от сценариев применения, они делятся на переключения между наземными сотами, переключения между спутниками и наземными сотами, переключения между спутниковыми сотами и переключения между спутниками. Эта проблема уже исследована, но требует дальнейших исследований.

04 Заключение

Системы спутниковой связи и наземной сотовой связи развивались на протяжении почти тридцати лет и достигли блестящих результатов. Однако из-за присущих им ограничений трудно удовлетворить растущие потребности людей в мобильной связи и массовом обмене данными. В последние годы, с быстрым развитием технологий Интернета вещей, будущие беспроводные системы связи будут ориентированы на трансформацию от «людей и людей» к «людям и вещам» и «вещам и вещам», реализуя повсеместную связь и Интернет вещей. Благодаря интегрированному развитию спутниковой связи и наземной сотовой связи будут достигнуты взаимодополняющие преимущества и откроются новые возможности для развития. В данной статье представлен обзор состояния развития, ключевых технологий и проблем, стоящих перед интеграцией спутниковой связи и 5G, с целью предоставления справочной информации и руководства для развития этой технологии.

Данная статья воспроизведена из "Спутниковая связь и сеть«В целях защиты прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации».