[Frontier] การวิเคราะห์การบูรณาการระบบสื่อสารเคลื่อนที่ 5G และดาวเทียม

การแนะนำ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอินเทอร์เน็ตบนมือถือและการส่งเสริมและการใช้งานอุปกรณ์ปลายทางอัจฉริยะ ทำให้ผู้คนมีความต้องการความเร็วในการสื่อสารเคลื่อนที่มากขึ้น ระบบสื่อสารเคลื่อนที่ยุคที่ห้า (5G) มีเป้าหมายที่จะให้บริการความเร็วสูงสุดที่ 10Gbps ถึง 20Gbps และอัตราประสบการณ์ผู้ใช้ที่ 100Mbps ถึง 1Gbps เพื่อตอบสนองความต้องการทางธุรกิจที่หลากหลายยิ่งขึ้น ด้วยความสามารถในการให้บริการการสื่อสารไร้สายขนาดใหญ่ บริการที่หลากหลาย และความเร็วสูง 5G จึงสามารถใช้งานได้อย่างกว้างขวางในพื้นที่ที่มีประชากรหนาแน่น อย่างไรก็ตาม การใช้ประโยชน์จากข้อดีของ 5G นั้นทำได้ยากในพื้นที่ที่มีประชากรเบาบางหรือพื้นที่ที่ยากต่อการวางเครือข่ายภาคพื้นดิน เมื่อเทียบกับเครือข่ายสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดิน ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมมีข้อได้เปรียบที่เหนือกว่าหลายประการ เช่น การครอบคลุมพื้นที่กว้าง ความสามารถในการสื่อสารสูง ผลกระทบต่อภูมิประเทศน้อย ความยืดหยุ่นสูง และความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับบริการที่หลากหลาย ดังนั้น ดาวเทียมจึงสามารถใช้ในการครอบคลุมพื้นที่ที่มีประชากรเบาบางหรือพื้นที่ที่ยากต่อการวางเครือข่ายภาคพื้นดิน โดยเป็นส่วนเสริมที่ดีให้กับเครือข่ายภาคพื้นดิน ซึ่งจะช่วยให้สามารถครอบคลุมทั่วโลกได้อย่างแท้จริง และให้บริการด้านการสื่อสารที่ไม่แบ่งแยกแก่ผู้ใช้ทั่วโลก

อันที่จริง การนำการสื่อสารผ่านดาวเทียมมาใช้ของมนุษย์นั้นมีมาก่อนการสร้างระบบสื่อสารไร้สายภาคพื้นดินเสียอีก ระบบดาวเทียมสื่อสารเชิงพาณิชย์ระบบแรกของโลกคือ Early Bird ซึ่งองค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการสื่อสารผ่านดาวเทียม (INTERSAT) ได้ปล่อยและดำเนินการในปี 1965Satellite systems, while the first generation of cellular wireless communication systems in the world began to be constructed in the 1980s.ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมที่ถูกนำมาใช้งานในระดับนานาชาติ ไม่เพียงแต่รวมถึง Inmarsat, Thuraya, Viasat เป็นต้น ที่โคจรอยู่ในวงโคจรคงที่ แต่ยังรวมถึง Iridium, Global-star, Orbcom เป็นต้น ที่โคจรอยู่ในวงโคจรต่ำของโลกด้วยโดยเฉพาะอย่างยิ่งตั้งแต่ปี 2015 เป็นต้นมา มีการเติบโตอย่างรวดเร็วในระดับนานาชาติในการสร้างกลุ่มดาวเทียมสื่อสารอินเทอร์เน็ตวงโคจรต่ำ เช่น OneWeb และ Starlink ซึ่งดึงดูดความสนใจอย่างมากในพื้นที่ที่มีความสนใจหลากหลายในระดับนานาชาติการบูรณาการและการสร้างระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมและระบบสื่อสารไร้สายภาคพื้นดินได้กลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่ได้รับการพิสูจน์อย่างลึกซึ้งในระดับสากลอีกครั้ง

01สถานะการวิจัยด้านการบูรณาการดาวเทียมและ 5G

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ผู้ให้บริการได้ผลักดันการสื่อสารผ่านดาวเทียมเข้าสู่ตลาดหลักโดยได้รับอนุญาตให้จัดตั้งเครือข่ายการสื่อสารแบบผสมผสานระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดิน เพื่อขยายเครือข่ายการสื่อสารผ่านดาวเทียม ผู้ให้บริการได้เพิ่มส่วนประกอบเสริมภาคพื้นดิน (ATC) หรือส่วนประกอบเสริมภาคพื้นดิน (CGC) ATC หมายถึงสถานีฐานเสริมภาคพื้นดินที่ใช้สำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่ผ่านดาวเทียม การรวมดาวเทียมและสถานีฐาน ATC จำนวนมากเข้าด้วยกันจะช่วยให้ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ได้อย่างราบรื่น จึงสามารถใช้แก้ปัญหาของดาวเทียมได้ปัญหาเรื่องสัญญาณครอบคลุมไม่ดีนั้นพบได้ในเมืองที่มีอาคารสูงและในอาคาร แต่ก็มีปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องด้วยประเด็นที่ซับซ้อน เช่น การนำความถี่ของดาวเทียมและสถานีฐานควบคุมการจราจรทางอากาศกลับมาใช้ใหม่ การสลับและการควบคุมประสานงานของระบบอวกาศและภาคพื้นดิน

เนื่องจากเทคโนโลยี 5G มีความสมบูรณ์มากขึ้นเรื่อยๆ การบูรณาการ 5G กับดาวเทียมจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางทั้งในและต่างประเทศ องค์กรมาตรฐานต่างๆ เช่น สหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) และโครงการความร่วมมือรุ่นที่สาม (3GPP) ได้ทุ่มเทพลังงานอย่างมากในการดำเนินงานสาธิตทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการบูรณาการระบบ 5G กับดาวเทียม

1) สหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) เสนอในปี 2559 ว่า "เครือข่ายการสื่อสารเคลื่อนที่ยุคใหม่ควรตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ในการเข้าถึงบริการได้ทุกที่ทุกเวลา" และได้ดำเนินการวิจัย ITU-RM ในด้านเทคโนโลยีการเข้าถึงผ่านดาวเทียม โดยมาตรฐาน [NGAT_SAT] เสนอสถานการณ์การใช้งานทั่วไป 4 สถานการณ์สำหรับการบูรณาการดาวเทียมกับภาคพื้นดิน ได้แก่ บริการส่งสัญญาณบรอดแบนด์แบบรีเลย์ บริการรับส่งและกระจายข้อมูล บริการการสื่อสารเคลื่อนที่บรอดแบนด์ และบริการมัลติมีเดียแบบไฮบริด ดังแสดงในรูปด้านล่าง และชี้แจงคุณลักษณะสำคัญเพื่อรองรับการใช้งานข้างต้น นอกจากนี้ ITU ยังส่งเสริมการทำงานเกี่ยวกับการใช้ความถี่ของดาวเทียมและ 5G อย่างแข็งขัน และได้ดำเนินการวิเคราะห์การแบ่งปันสเปกตรัมและความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของดาวเทียมและ 5G หลายชุด

รูปที่ 1 สถานการณ์การใช้งาน 4 แบบของระบบบูรณาการดาวเทียมกับภาคพื้นดินตามที่ ITU กำหนด

2) โครงการความร่วมมือรุ่นที่สาม (3GPP) ได้เริ่มแสดงให้เห็นถึงข้อดีของการสื่อสารผ่านดาวเทียมสำหรับระบบสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดินนับตั้งแต่มาตรฐาน Release 14 ในปี 2017 ในรายงานทางเทคนิค TR22.822 ที่เผยแพร่เมื่อปลายปี 2017 กลุ่มทำงาน 3GPP SA1 ได้กำหนดวิธีการหลักสามวิธีในการใช้การเข้าถึงผ่านดาวเทียมใน 5G ได้แก่ บริการต่อเนื่อง บริการครอบคลุมทุกพื้นที่ และบริการขยายศึกษาตัวอย่างการใช้งานและหารือเกี่ยวกับข้อกำหนดสำหรับบริการใหม่และบริการที่มีอยู่เดิม ปัจจุบัน 3GPP อาศัยโครงการวิจัยที่เรียกว่า "เครือข่ายนอกภาคพื้นดิน (NTN)" เป็นหลักในการดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับสถานการณ์การใช้งานและการออกแบบอินเทอร์เฟซทางอากาศของการสื่อสารผ่านดาวเทียมใน 5G

3) ในเดือนมิถุนายน 2017 ยุโรปได้ก่อตั้งกลุ่มพันธมิตร SaT5G (เครือข่ายดาวเทียมและภาคพื้นดินสำหรับ 5G) ซึ่งมีสมาชิกได้แก่ BT, SES, Avanti, มหาวิทยาลัย Surrey และบริษัทและสถาบันวิจัยอื่นๆ ในยุโรป โดยมีเป้าหมายเพื่อนำเสนอโซลูชันดาวเทียมแบบเสียบปลั๊กและใช้งานได้ทันทีที่มีต้นทุนต่ำสำหรับ 5G และสร้างโอกาสทางการตลาดที่เติบโตอย่างต่อเนื่องสำหรับห่วงโซ่อุตสาหกรรมดาวเทียม การประชุมเครือข่ายและการสื่อสารแห่งยุโรปประจำปี 2018 จัดขึ้นที่เมืองลูบลิยานา ประเทศสโลวีเนีย ในการประชุมดังกล่าว สมาชิก SaT5G จำนวน 5 รายได้สาธิตการบูรณาการสถาปัตยกรรมเครือข่ายดาวเทียมและ 3GPP รวมถึง VT iDi-rect และ SES ด้วย

รูปที่ 2 สถานการณ์การใช้งาน 5G ผ่านดาวเทียมตามที่นำเสนอโดย Sat5G

4) เพื่อรับมือกับเป้าหมายการเพิ่มกำลังการผลิต 1000 เท่าที่ระบบ 5G เสนอไว้ โครงการ SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas) ซึ่งเปิดตัวด้วยเงินทุนจากโครงการ H2020 ของสหภาพยุโรป มีเป้าหมายที่จะจัดหาโซลูชันการเชื่อมต่อแบบ backhaul ที่ดีสำหรับระบบสื่อสารไร้สายที่มีกำลังการผลิตสูงในอนาคต โครงการ SANSA ได้เสนอเทคโนโลยีการสร้างลำแสงด้วยเสาอากาศอัจฉริยะที่มีต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีการจัดการทรัพยากรไร้สายอัจฉริยะแบบไดนามิกสำหรับเครือข่ายไร้สายแบบบูรณาการระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดิน เทคโนโลยีการแบ่งปันสเปกตรัมแบบไดนามิกโดยใช้ฐานข้อมูล ฯลฯ และได้ดำเนินการวิจัยเชิงลึก

02  เทคโนโลยีสำคัญสำหรับการบูรณาการ 5G ผ่านดาวเทียม

เนื่องจากการสื่อสารผ่านดาวเทียมและการสื่อสารไร้สายภาคพื้นดินมีความแตกต่างกันในด้านระยะการส่งสัญญาณ ความครอบคลุม และกำลังส่ง การบูรณาการอย่างลึกซึ้งระหว่างทั้งสองจึงเผชิญกับความท้าทายที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ บทความนี้จะวิเคราะห์เทคโนโลยีสำคัญสำหรับการบูรณาการ 5G ผ่านดาวเทียมจากห้าแง่มุม ได้แก่ สถาปัตยกรรมระบบ ความครอบคลุมของลำแสง รูปแบบคลื่นอินเทอร์เฟซทางอากาศ การแบ่งปันสเปกตรัม และการควบคุมเครือข่าย

2.1 สถาปัตยกรรมระบบ

ในสถาปัตยกรรมบูรณาการ 5G ผ่านดาวเทียมนั้น จะพิจารณากลุ่มดาวเทียมที่โคจรในวงโคจรสูงและต่ำผสมกัน ในขณะเดียวกัน การออกแบบแถบความถี่สำหรับการสื่อสารยังรวมถึงแถบความถี่ต่ำ (เช่น แถบ L และ S) และแถบความถี่สูง (เช่น แถบ Ku และ Ka) โดยคำนึงถึงความต้องการด้านความเร็วปานกลางถึงต่ำและบริการส่งสัญญาณบรอดแบนด์ พื้นที่ครอบคลุมของดาวเทียมจะเคลื่อนที่ไปตามจุดย่อยของดาวเทียม และผู้ใช้ปลายทางจะสลับไปมาระหว่างเซลล์ต่างๆ

การเชื่อมต่อระหว่างดาวเทียมในกลุ่มดาวเทียมวงโคจรต่ำประกอบด้วยการเชื่อมต่อด้วยเลเซอร์หรือไมโครเวฟ และดาวเทียมหลายดวงเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างเครือข่ายการสื่อสารในอวกาศโดยใช้ดาวเทียมเป็นโหนดสวิตช์ กลุ่มดาวเทียมมักถูกออกแบบโดยใช้กลุ่มดาวเทียมวงโคจรขั้วโลก เนื่องจากดาวเทียมในระนาบวงโคจรที่อยู่ติดกันมีความสัมพันธ์เชิงตำแหน่งสัมพัทธ์ที่ค่อนข้างคงที่ (ยกเว้นบริเวณขั้วโลกหรือรอยต่อย้อนกลับ) ซึ่งเอื้อต่อการรักษาการเชื่อมต่อระหว่างดาวเทียมและการครอบคลุมพื้นที่ละติจูดสูง นอกจากนี้ การเชื่อมต่อสัญญาณดาวเทียมจะดำเนินการที่สถานีเกตเวย์ ซึ่งทำให้เกิดการเชื่อมต่อและการทำงานร่วมกันระหว่างเครือข่ายดาวเทียมกับเครือข่ายโทรศัพท์สาธารณะภาคพื้นดิน (PSTN) เครือข่ายโทรศัพท์สาธารณะส่วนบุคคล (PLMN) และอินเทอร์เน็ต การทำงานทั้งหมดนี้ดำเนินการในย่านความถี่ Ka หรือ Q/V

ปัจจุบัน มีสถาปัตยกรรมหลักสามแบบสำหรับเครือข่ายการบูรณาการดาวเทียมและภาคพื้นดิน แบบแรกคือเครือข่ายเสริมดาวเทียมและภาคพื้นดิน ภายใต้สถาปัตยกรรมนี้ ระบบ 5G และระบบดาวเทียมใช้ศูนย์จัดการเครือข่ายร่วมกัน แต่เครือข่ายการเข้าถึงและเครือข่ายหลักของแต่ละระบบยังคงเป็นอิสระ สถานีเกตเวย์ดาวเทียมให้บริการเครือข่ายการเข้าถึงและฟังก์ชันเครือข่ายหลักบางส่วน และอุปกรณ์ปลายทางรองรับโหมดการเข้าถึงทั้งแบบเซลลูลาร์และดาวเทียม หรืออย่างใดอย่างหนึ่ง แบบที่สองคือเครือข่ายไฮบริดดาวเทียมและภาคพื้นดิน ภายใต้สถาปัตยกรรมนี้ ระบบภาคพื้นดินและระบบดาวเทียมใช้ศูนย์จัดการเครือข่ายร่วมกัน และส่วนต่อประสานทางอากาศก็ถูกรวมเข้าด้วยกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อรักษาความเป็นอิสระของเครือข่ายหลักและย่านความถี่ของแต่ละระบบ อุปกรณ์ปลายทางสามารถรองรับโหมดการเข้าถึงทั้งภาคพื้นดินและดาวเทียม แบบที่สามคือเครือข่ายบูรณาการดาวเทียมและภาคพื้นดิน คุณสมบัติหลักคือ จุดเชื่อมต่อ (AP) ความถี่ เครือข่ายการเข้าถึง และเครือข่ายหลักของระบบทั้งหมดได้รับการวางแผนและออกแบบอย่างเป็นเอกภาพ ควรชี้ให้เห็นว่าเครือข่ายบูรณาการดาวเทียมและภาคพื้นดินเป็นขั้นสูงสุดของระบบการสื่อสารบูรณาการดาวเทียมและภาคพื้นดิน และเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคอย่างมาก

2.2 การครอบคลุมของลำแสง

ในระบบสื่อสารเคลื่อนที่แบบบูรณาการระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดิน การปรับลำแสงเฉพาะจุดและทรัพยากรไร้สายจะช่วยให้สามารถให้บริการเสียงและข้อมูลได้เกินกว่าความจุที่กำหนดไว้สำหรับพื้นที่ฮอตสปอต ฟังก์ชันที่ยืดหยุ่นนี้เกิดขึ้นได้ด้วยเทคโนโลยีการสร้างลำแสงดิจิทัล (Digital Beamforming: DBF) ปัจจุบัน เทคโนโลยีการสร้างลำแสงดิจิทัลสำหรับการสื่อสารผ่านดาวเทียมส่วนใหญ่มีสามรูปแบบ ได้แก่ DBF ภาคพื้นดิน DBF บนอวกาศ และ DBF แบบผสม ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ การสร้างลำแสงดิจิทัลแบบผสมมีความสมดุลที่ดีระหว่างประสิทธิภาพและความซับซ้อน และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง เมื่อใช้ DBF แบบผสม ศูนย์ควบคุมเครือข่ายภาคพื้นดินจะคำนวณเมทริกซ์การสร้างลำแสงที่เหมาะสมที่สุดโดยพิจารณาจากข้อกำหนดการปรับลำแสงและกลยุทธ์ที่เกี่ยวข้อง จากนั้นส่งพารามิเตอร์ของเมทริกซ์การสร้างลำแสงไปยังดาวเทียมผ่านลิงก์ป้อนสัญญาณ และปรับการครอบคลุมลำแสงไปยังภาคพื้นดินแบบไดนามิกโดยการสร้างเสาอากาศหลายลำแสงบนดาวเทียมขึ้นใหม่

การส่งต่อสัญญาณที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของดาวเทียมหรืออุปกรณ์รับสัญญาณมีสองประเภทหลัก ได้แก่ การส่งต่อสัญญาณภายในระบบดาวเทียม สำหรับดาวเทียมวงโคจรต่ำ ตำแหน่งของดาวเทียมเทียบกับพื้นดินจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ทำให้อุปกรณ์รับสัญญาณได้รับสัญญาณจากดาวเทียมดวงเดียวกันอย่างต่อเนื่องเพียงสิบนาทีเท่านั้น ดังนั้น เพื่อป้องกันการสูญหายของข้อมูลระหว่างกระบวนการส่งต่อสัญญาณ การส่งต่อสัญญาณระหว่างดาวเทียมหรือระหว่างลำแสงจะต้องเตรียมการล่วงหน้าและดำเนินการอย่างรวดเร็ว ประเภทที่สองคือการสลับอุปกรณ์รับสัญญาณระหว่างเครือข่าย 5G ภาคพื้นดินและเครือข่ายดาวเทียม การสลับนี้จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การรองรับการประมวลผลบนอุปกรณ์และสถาปัตยกรรมส่งต่อข้อมูลแบบโปร่งใส การซิงโครไนซ์เวลา การวัด และการประสานงานข้อมูล เมื่อสัญญาณเครือข่ายเซลลูลาร์อ่อนมาก อุปกรณ์รับสัญญาณจะสลับจากเครือข่ายเซลลูลาร์ไปยังเครือข่ายดาวเทียม มิเช่นนั้นจะยังคงเข้าถึงเครือข่ายภาคพื้นดินต่อไป

2.3 รูปคลื่นของอินเทอร์เฟซอากาศ

การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่เชิงตั้งฉาก (OFDM) ยังคงเป็นระบบส่งสัญญาณพื้นฐานของระบบ 5G แต่การรบกวนระหว่างคลื่นความถี่ (ICI) จะทำให้ประสิทธิภาพของระบบลดลงอย่างมาก เนื่องจากเทคโนโลยี OFDM เองมีความไวต่อการชดเชยความถี่มาก และการรบกวนระหว่างคลื่นความถี่ย่อยที่เกิดจากการชดเชยความถี่จะลดประสิทธิภาพการสื่อสาร เพื่อให้สามารถต้านทานผลกระทบของการชดเชยความถี่ที่เหลืออยู่ต่อประสิทธิภาพของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงสามารถใช้แผนการออกแบบที่มีแบนด์วิดท์ของคลื่นความถี่ย่อยที่แปรผันได้ สำหรับย่านความถี่ L ที่มีแบนด์วิดท์แคบ เนื่องจากอัตราการเข้ารหัสของบริการเสียงที่รองรับนั้นต่ำเพียง 2.4 Kbps จึงควรใช้การออกแบบคลื่นความถี่ย่อยที่ 15 KHz หรือแคบกว่า ในย่านความถี่ Ka ความกว้างของคลื่นความถี่ย่อยที่สามารถใช้ได้นั้นกว้างกว่า เนื่องจากผู้ใช้มักเข้าถึงอินเทอร์เน็ตผ่านบรอดแบนด์และมุมเงยขั้นต่ำมีขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถลดผลกระทบของปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ เทคโนโลยีการเข้าถึงแบบหลายผู้ใช้ที่ไม่ตั้งฉากกัน (NOMA) ที่รองรับโดย 5G ไม่จำเป็นต้องให้ผู้ใช้แต่ละรายใช้ทรัพยากรเฉพาะของตนเอง ผู้ใช้สามารถส่งและรับข้อมูลพร้อมกันบนทรัพยากรที่ไม่ตั้งฉากกันได้ โดยอาศัยการตรวจจับร่วมกันของผู้ใช้หลายราย สามารถหลีกเลี่ยงการรบกวนซึ่งกันและกันระหว่างผู้ใช้ได้ผ่านการประมวลผลสัญญาณ เมื่อเทียบกับวิธีการเข้าถึงแบบตั้งฉากแบบดั้งเดิม การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี NOMA สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ได้มากกว่าสามเท่า ปัจจุบัน ชิป NOMA สำหรับระบบ 5G ภาคพื้นดินได้รับการพัฒนา ส่งเสริม และนำไปใช้งานแล้ว เทคโนโลยี NOMA ใช้ความซับซ้อนเพื่อแลกกับประสิทธิภาพการใช้คลื่นความถี่ ซึ่งหมายความว่าอาจยากที่จะนำไปใช้กับสถานการณ์การสื่อสารผ่านดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า (GEO) ที่มีความหน่วงต่ำ เนื่องจากมีการใช้ปฏิสัมพันธ์ของสัญญาณจำนวนมากเพื่อควบคุมพารามิเตอร์การเข้าถึงของผู้ใช้แบบไดนามิก ดังนั้นจึงควรมีการวิจัยทางเทคนิคเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยี NOMA ในการสื่อสารผ่านดาวเทียมต่อไป

2.4 Spectrum sharing

ไม่ว่าจะเป็นระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมหรือระบบสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดิน การขาดแคลนคลื่นความถี่ได้กลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไข โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การสื่อสารผ่านดาวเทียมและการสื่อสารภาคพื้นดินได้ก่อให้เกิดการแข่งขันอย่างดุเดือดในด้านทรัพยากรคลื่นความถี่ ตัวอย่างเช่น คลื่นความถี่ C-band และ Ka-band ซึ่งถูกใช้โดยระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมมานานหลายปี ได้รับการอนุมัติจาก ITU ให้ใช้กับระบบ 5G ภาคพื้นดิน สถานการณ์การแข่งขันด้านคลื่นความถี่ระหว่างทั้งสองระบบโดยเฉพาะ ได้แก่:

1) ย่านความถี่ Ka: เพื่อรองรับการเติบโตอย่างรวดเร็วของความเร็วผู้ใช้งานและความจุของระบบ ทั้ง 5G และการสื่อสารผ่านดาวเทียมต่างก็หวังที่จะใช้ย่านความถี่ Ka หรือแม้แต่ย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตร ตัวอย่างเช่น การประชุมวิทยุสื่อสารโลกปี 2019 (WRC-19) ได้ใช้ย่านความถี่ 24.25-27.5 GHz, 37-43.5 GHz, 66-71 GHz รวมทั้งหมด 14.75 GHz ในการระบุสเปกตรัมสำหรับ 5G และระบบสื่อสารเคลื่อนที่ระหว่างประเทศในอนาคตทั่วโลก และ FCC ของสหรัฐอเมริกาได้กำหนดให้ย่านความถี่ 27.5-28.35 GHz และ 37-38.6 GHz ได้รับอนุญาตให้ใช้สำหรับ 5G ภาคพื้นดิน ซึ่งย่านความถี่เหล่านี้ทับซ้อนกันในระดับหนึ่งกับย่านความถี่ที่ใช้โดยระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม

2) ย่านความถี่ C-band 3GHz-6GHz: หลายประเทศเสนอให้ใช้ย่านความถี่ C-band เป็นย่านความถี่ที่เหมาะสมสำหรับระบบ 5G รวมถึงจีน สหภาพยุโรป ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ อย่างไรก็ตาม ในเอเชีย ประเทศต่างๆ เช่น จีน เวียดนาม และมาเลเซีย ได้สร้างระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมจำนวนมากในย่านความถี่นี้ ทำให้การประสานงานการใช้ย่านความถี่ C-band สำหรับระบบ 5G ภาคพื้นดินเป็นเรื่องยาก

การปรับแต่งการกำหนดค่าผ่านการวางแผนร่วมกันระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดินสามารถปรับปรุงการใช้ทรัพยากรความถี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสร้างระบบตรวจจับสเปกตรัมร่วมกันระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดินจะช่วยให้สามารถแบ่งปันสเปกตรัมระหว่างระบบสื่อสารดาวเทียมและภาคพื้นดิน และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้สเปกตรัมได้ เมื่อเทียบกับเครือข่ายการสื่อสารไร้สายภาคพื้นดินแล้ว เป็นเรื่องยากกว่ามากสำหรับผู้ใช้อัจฉริยะในการตรวจจับสเปกตรัมทั้งหมดในสภาพแวดล้อมเครือข่าย เนื่องจากพื้นที่ครอบคลุมกว้างของการสื่อสารผ่านดาวเทียม การอัปเดตฐานข้อมูลสเปกตรัมอย่างรวดเร็ว การสร้างลำแสง ความแม่นยำในการตรวจจับสเปกตรัม และการอธิบายพื้นที่อัจฉริยะ ล้วนเป็นจุดสนใจของการวิจัยในเทคโนโลยีนี้ นอกจากนี้ จากมุมมองของการบูรณาการทรัพยากร การวางแผนและการออกแบบที่เป็นหนึ่งเดียวของการสื่อสารเคลื่อนที่และการสื่อสารผ่านดาวเทียมเพื่อแก้ปัญหาการรบกวนในรูปแบบของ "การแบ่งปันสเปกตรัม" จึงส่งเสริมการใช้ทรัพยากรความถี่ร่วมกัน ซึ่งสามารถเป็นพื้นฐานที่เข้ากันได้สำหรับการบูรณาการอย่างลึกซึ้งของระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมและระบบ 5G

2.5 การควบคุมเครือข่าย

การแบ่งส่วนเครือข่ายแบบครบวงจร (End-to-end network slicing) ที่เกิดขึ้นจริงผ่านเทคโนโลยี SDN และ NFV เป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของระบบคลาวด์ควบคุมเครือข่ายในระบบ 5G เทคโนโลยี SDN และ NFV ช่วยให้เกิดการแยกส่วนการรับส่งข้อมูลและการควบคุมเครือข่าย และการแปลงองค์ประกอบหลักของเครือข่ายให้เป็นซอฟต์แวร์ ตามลำดับ ซึ่งเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการแบ่งส่วนเครือข่ายรากฐานที่มั่นคง

เมื่อระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมผสานรวมเข้ากับ 5G ภาคพื้นดินอย่างลึกซึ้ง ฟังก์ชันควบคุมและฟังก์ชันส่งต่อข้อมูลของเครือข่ายหลักดาวเทียมสามารถแยกออกจากกันได้ ทำให้ฟังก์ชันส่งต่อข้อมูลง่ายขึ้น เพื่อรองรับความต้องการในการส่งข้อมูลปริมาณมากและการจัดตารางการโหลดข้อมูลที่ยืดหยุ่นและสมดุล ความสามารถในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลทางธุรกิจสามารถย้ายจากศูนย์กลางเครือข่ายไปยังขอบเครือข่ายได้

เพื่อรองรับการบูรณาการกับภาคพื้นดิน นอกเหนือจากฟังก์ชันเครือข่ายพื้นฐานทั้งเก้าที่ 3GPP ให้บริการแล้ว จำเป็นต้องเพิ่มฟังก์ชันการเชื่อมต่อที่ไม่ใช่ 3GPP และฟังก์ชันระนาบผู้ใช้ลงในระนาบผู้ใช้ของเครือข่ายหลักดาวเทียม 5G ด้วย

03 ความท้าทายและทิศทางการวิจัยในการบูรณาการ 5G ผ่านดาวเทียม

แม้ว่าการบูรณาการ 5G กับดาวเทียมจะมีความก้าวหน้าไปมากแล้ว แต่ก็ยังคงมีอุปสรรคทางเทคนิคอีกมากมายที่จะทำให้วิสัยทัศน์อันงดงามของการบูรณาการดาวเทียมและ 5G เป็นจริงได้ อุปสรรคเหล่านั้นมีลักษณะร่วมกันหลายประการทั้งในด้านดาวเทียมและภาคพื้นดิน ด้านล่างนี้คือรายการอุปสรรคทางเทคนิคหลักและทิศทางการวิจัยในอนาคต

1) ความท้าทายในระบบส่งสัญญาณ: ในการส่งสัญญาณผ่านเครือข่ายแบบบูรณาการระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดิน ปัญหาการเปลี่ยนแปลงความถี่แบบดอปเปลอร์ การจัดการความถี่และการรบกวน ข้อจำกัดด้านกำลังส่ง และการปรับเวลาล่วงหน้า เป็นปัญหาที่ต้องได้รับการแก้ไขอย่างเร่งด่วน เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงความถี่แบบดอปเปลอร์ 5G ใช้ OFDM แบบหลายคลื่นความถี่ในระบบส่งสัญญาณ แต่การออกแบบระยะห่างระหว่างคลื่นความถี่ย่อยไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงความถี่แบบดอปเปลอร์ ซึ่งจะทำให้เกิดการรบกวนระหว่างคลื่นความถี่ย่อย ในแง่ของข้อจำกัดด้านกำลังส่ง ระบบนี้รับประกันการใช้แถบความถี่สูงในขณะที่ลดอัตราส่วนสัญญาณสูงสุดต่อสัญญาณเฉลี่ย สุดท้ายนี้ ในเรื่องของการปรับเวลาล่วงหน้า การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของความล่าช้าในการส่งสัญญาณผ่านลิงก์ไร้สายอาจทำให้จำเป็นต้องอัปเดตเวลาล่วงหน้าของแต่ละอุปกรณ์แบบไดนามิกเพื่อให้แน่ใจว่าการส่งสัญญาณอัปลิงก์ทั้งหมดซิงโครไนซ์กัน

2) ความท้าทายในการเข้าถึงและการจัดการทรัพยากร: เนื่องจากความล่าช้าที่ยาวนานของเครือข่ายแบบบูรณาการระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดินได้ก่อให้เกิดความท้าทายต่อการควบคุมการเข้าถึง กระบวนการ HARQ, ARQ และกระบวนการอื่นๆ ของเลเยอร์ MAC และเลเยอร์ RLC ในแง่ของการควบคุมการเข้าถึง เพื่อสนับสนุนการบูรณาการ 5G และดาวเทียมอย่างมีประสิทธิภาพ จำเป็นต้องออกแบบกลไกการเข้าถึงที่เหมาะสม เช่น การอนุญาตล่วงหน้า การจัดตารางเวลาแบบกึ่งถาวร และการเข้าถึงโดยไม่ต้องอนุญาต สำหรับ HARQ เวลาไปกลับมักจะเกินความยาวสูงสุดของตัวจับเวลา HARQ และกระบวนการ HARQ มีข้อกำหนดด้านเวลาที่เข้มงวด ในระหว่างกระบวนการจัดตารางเวลาของเลเยอร์ MAC และเลเยอร์ RLC ความล่าช้าที่ยาวนานของระบบดาวเทียมจะส่งผลต่อความตรงต่อเวลาของการจัดตารางเวลาด้วย และจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์ความล่าช้าในการจัดตารางเวลา

3) ความท้าทายในการจัดการการเคลื่อนที่: ในเครือข่ายแบบบูรณาการระหว่างดาวเทียมและภาคพื้นดิน ความท้าทายในการจัดการการเคลื่อนที่นั้นรุนแรงยิ่งขึ้น โดยแบ่งตามระดับการสื่อสารได้เป็น การสลับระดับเครือข่าย และการสลับระดับลิงก์ และแบ่งตามสถานการณ์การใช้งานได้เป็น การส่งต่อระหว่างเซลล์ภาคพื้นดิน การส่งต่อระหว่างดาวเทียมและเซลล์ภาคพื้นดิน การส่งต่อระหว่างเซลล์ดาวเทียม และการส่งต่อระหว่างดาวเทียม ประเด็นนี้ได้รับการศึกษามาบ้างแล้ว แต่ยังต้องการการวิจัยเพิ่มเติม

04 สรุป

ระบบการสื่อสารผ่านดาวเทียมและระบบการสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดินได้รับการพัฒนามาเกือบสามสิบปีและประสบความสำเร็จอย่างยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดที่มีอยู่ จึงยากที่จะตอบสนองความต้องการด้านการสื่อสารเคลื่อนที่และการเชื่อมต่อข้อมูลจำนวนมหาศาลที่เพิ่มขึ้นของผู้คน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ระบบการสื่อสารไร้สายในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การเปลี่ยนแปลงจาก "คนกับคน" ไปสู่ ​​"คนกับสิ่งของ" และ "สิ่งของกับสิ่งของ" เพื่อให้เกิดการสื่อสารที่ไร้ขอบเขตและการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ผ่านการพัฒนาร่วมกันของระบบการสื่อสารผ่านดาวเทียมและระบบการสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดิน จะทำให้เกิดข้อได้เปรียบที่เสริมกัน และเปิดโอกาสในการพัฒนาใหม่ๆ บทความนี้จะนำเสนอและอภิปรายสถานะการพัฒนา เทคโนโลยีหลัก และความท้าทายที่เผชิญในการบูรณาการระบบการสื่อสารผ่านดาวเทียมและ 5G โดยหวังว่าจะให้ข้อมูลอ้างอิงและแนวทางสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีนี้

บทความนี้คัดลอกมาจาก "ดาวเทียมและเครือข่ายเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปพิมพ์ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก