introducción
Con el rápido desarrollo de Internet móvil y la popularización y aplicación de equipos terminales inteligentes, la gente plantea mayores requisitos en cuanto a la velocidad de las comunicaciones móviles. El sistema de comunicación móvil de quinta generación (5g) tiene como objetivo proporcionar una velocidad máxima de 10 Gbps ~ 20 gbps y una tasa de experiencia de usuario de 100 Mbps ~ 1 Gbps para satisfacer necesidades empresariales más ricas. 5g puede usarse ampliamente en áreas densamente pobladas debido a su gran capacidad de servicio de comunicación inalámbrica, muchos servicios y alta velocidad. Sin embargo, es difícil aprovechar al máximo sus ventajas en zonas escasamente pobladas o en zonas donde es difícil tender redes terrestres. En comparación con la red de comunicaciones móviles terrestres, el sistema de comunicaciones por satélite tiene principalmente ventajas incomparables, como amplia cobertura, gran capacidad de comunicación, pequeño impacto en el terreno, alta flexibilidad y puede adaptarse a una variedad de servicios. Por lo tanto, el satélite se puede utilizar para cubrir áreas escasamente pobladas o áreas donde es difícil tender la red terrestre, formando una buena complementariedad con la red terrestre, para lograr la cobertura global real y proporcionar servicios de comunicación indiferenciados para usuarios globales.
De hecho, la aplicación de las comunicaciones por satélite es anterior a la construcción de las comunicaciones inalámbricas celulares terrestres. El primer sistema comercial de comunicaciones por satélite del mundo fue el primero en ser lanzado y operado por la Organización Internacional de Comunicaciones por Satélite (Intersat) en 1965.El sistema satelital y la primera generación de sistemas de comunicación inalámbrica celular del mundo comenzaron a construirse en los años 1980.En las últimas décadas, los sistemas de comunicación por satélite puestos en funcionamiento a nivel internacional incluyen no sólo INMARSAT, Thuraya y Viasat en órbita geoestacionaria, sino también Iridium, Global Star y Orbcom en órbita terrestre baja.Especialmente desde 2015, ha habido un aumento en la construcción de constelaciones de comunicación de Internet Leo, como oneweb y Starlink, que han atraído mucha atención.La integración del sistema de comunicación por satélite y el sistema de comunicación inalámbrica terrestre se ha convertido una vez más en la dirección de desarrollo de la demostración en profundidad en el mundo.
01Estado de la investigación del satélite y la fusión 5g
A principios del siglo XXI, los operadores hicieron que las comunicaciones por satélite ingresaran al mercado principal al obtener la autorización para establecer una red de comunicación híbrida terrestre por satélite y agregaron un componente auxiliar terrestre (ATC) o un componente suplementario terrestre (CGC) para expandir la red de comunicaciones por satélite. . ATC se refiere a una estación base auxiliar terrestre para comunicaciones móviles por satélite. El satélite y una gran cantidad de estaciones base ATC se combinan para lograr una cobertura perfecta en un área grande, por lo que puede usarse para resolver el problema de las comunicaciones por satélite.En ciudades con edificios de gran altura y mala cobertura interior, pero también hay algunos problemas involucrados.Problemas complejos, como la multiplexación de frecuencias de estaciones base satelitales y ATC, control de traspaso y coordinación de sistemas terrestres y celestes.
Con la creciente madurez de la tecnología 5g, la integración de 5g y el satélite ha atraído una gran atención en el país y en el extranjero. Organizaciones de normalización como la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y el Programa de Asociación de Tercera Generación (3GPP) han invertido mucha energía en la demostración técnica del sistema 5g integrado por satélite.
1) En 2016, la Unión Internacional de Telecomunicaciones propuso que "la red de comunicaciones móviles de próxima generación debería satisfacer la demanda de que los usuarios puedan acceder a los servicios en cualquier momento y en cualquier lugar" y lanzó itu-rm. [NGAT] en el campo de la tecnología de acceso satelital_ Para la investigación del estándar SAT, se proponen cuatro escenarios de aplicación típicos para la integración terrestre de satélites, incluido el servicio de transmisión de banda ancha por retransmisión, el servicio de retorno y distribución de datos, el servicio de comunicación móvil de banda ancha y el servicio multimedia híbrido, como se muestra en la figura siguiente y se definen las características clave para admitir las aplicaciones anteriores. Además, la UIT también promovió activamente el trabajo sobre el uso de frecuencias del satélite y 5g, y llevó a cabo una serie de análisis de compatibilidad electromagnética y compartición de espectro entre el satélite y 5g.
Figura 1 Cuatro escenarios de aplicación del sistema de fusión terrestre satelital proporcionados por la UIT
2) El Programa de Asociación de Tercera Generación (3GPP) ha demostrado las ventajas de la comunicación por satélite al sistema de comunicaciones móviles terrestres desde el lanzamiento del Estándar 14 en 2017. En el informe técnico tr22.822 publicado a finales de 2017, el grupo de trabajo SA3 del 1GPP definió tres Principales tecnologías para utilizar el acceso satelital en 5G: servicio continuo, servicio ubicuo y servicio extendido.Casos de uso y analiza los requisitos de servicios nuevos y existentes. En la actualidad, 3GPP se basa principalmente en el proyecto de investigación denominado "red no terrestre (NTN)" para llevar a cabo investigaciones sobre el escenario de despliegue y el diseño de la interfaz aérea de las comunicaciones por satélite en 5g.
3) En junio de 2017 se estableció en Europa la alianza sat5g (red satelital y terrestre para 5g). Entre sus miembros se incluyen BT, SES, Avanti, la Universidad de Surrey y otras empresas e instituciones de investigación europeas, cuyo objetivo es proporcionar 5g con una solución satelital plug and play rentable y brindar oportunidades de mercado de crecimiento sostenido para la cadena de la industria satelital. La conferencia europea sobre redes y comunicación de 2018 se celebró en Ljubljana, Eslovenia. En la conferencia, cinco miembros de sat5g demostraron la integración de la arquitectura de red satelital y 3GPP, incluidos VT IDI rect y SES.
Figura 2 Escenario de aplicación del satélite 5g proporcionado por sat5g
4) In order to meet the capacity growth target of 1000x proposed by 5g system, the Sansa (shared access terrestrial satellite backhaul network enabled by smart antena) program launched under the support of EU h2020 aims to provide a good backhaul link solution for future high-capacity wireless communication systems. Sansa project proposes low overhead smart antena beamforming technology, dynamic intelligent wireless resource management technology for satellite ground integrated wireless network, dynamic spectrum sharing technology based on database assistance, and carries out in-depth research work.
02Tecnologías clave de la fusión satelital 5g
Debido a las diferencias entre las comunicaciones por satélite y las comunicaciones inalámbricas terrestres en cuanto a distancia de propagación, cobertura y capacidad de potencia, lograr una integración profunda de las dos enfrenta algunos desafíos inevitables. A continuación se analizan las tecnologías clave de la integración satelital 5g desde cinco aspectos: arquitectura, cobertura del haz, forma de onda de la interfaz aérea, uso compartido del espectro y control de la red.
2.1 arquitectura
En la arquitectura de integración satelital 5g se considera la constelación de satélites de órbita alta-baja híbrida. Al mismo tiempo, el diseño de la banda de frecuencia de comunicación también incluye la banda de baja frecuencia (como las bandas ly s) y la banda de alta frecuencia (como las bandas Ku y Ka), teniendo en cuenta los requisitos de velocidad media y baja. y servicios de transmisión de banda ancha. El área de cobertura del satélite se mueve con el movimiento del punto subsatélite y el usuario final cambia entre diferentes celdas.
La cadena entre satélites de la constelación de satélites LEO está compuesta por enlaces láser o de microondas, y varios satélites están interconectados para formar una red de comunicación espacial con satélites como nodos de conmutación. La constelación generalmente se diseña según una constelación de órbita polar, porque existe una relación de posición relativa relativamente estable entre los satélites en planos orbitales adyacentes (excepto la región polar o la ranura inversa), lo que favorece el mantenimiento de enlaces entre satélites y la obtención de una cobertura de alta latitud. Además, el servicio de enlace de alimentación por satélite está aterrizando en la estación de entrada, que realiza la interconexión entre la red de satélite y la PSTN terrestre, la PLMN e Internet. Estas operaciones se realizan en bandas de frecuencia Ka o Q/V.
En la actualidad, existen tres arquitecturas principales de red de fusión terrestre de satélites. La primera es la red complementaria terrestre de satélites. Bajo esta arquitectura, el sistema 5g y el sistema satelital comparten el centro de administración de red, pero su red de acceso y su red central siguen siendo independientes. La red de acceso y algunas funciones de la red central son proporcionadas por la estación de enlace satelital, y el terminal admite uno o dos modos de acceso cualquiera de celular y satélite. La segunda es la red híbrida terrestre satelital. Bajo esta arquitectura, el sistema terrestre y el sistema satelital comparten el centro de administración de la red, y la parte de la interfaz aérea está unificada en la medida de lo posible para mantener la independencia de sus respectivas redes centrales y bandas de frecuencia. El terminal puede soportar dos modos de acceso: terrestre y satélite. La tercera es la red integrada terrestre de satélites. Sus características principales son: el punto de acceso (AP), la frecuencia, la red de acceso y la red central de todo el sistema tienen una planificación y un diseño completamente unificados. Cabe señalar que la red integrada terrestre por satélite es la etapa más alta del sistema de comunicación integrada terrestre por satélite, que enfrenta grandes desafíos técnicos.
2.2 cobertura del haz
In the satellite ground integrated mobile communication system, by adjusting its point beam and wireless resources, it provides voice and data services exceeding the predetermined capacity for hot spots. This flexible function is realized by digital beamforming (DBF) technology. At present, the digital beamforming technology of satellite communication mainly includes ground DBF, spaceborne DBF and hybrid DBF. Among them, hybrid digital beamforming has a good compromise between performance and complexity, and has been widely studied. When hybrid DBF is adopted, the ground network control center calculates the optimized beamforming matrix according to the beam adjustment requirements and corresponding strategies, and then sends the parameters of the beamforming matrix to the satellite through the feed link. Through the reconstruction of multi beam antena on the satellite, the beam coverage to the ground is dynamically adjusted.
Hay dos tipos principales de traspaso causado por la movilidad del satélite o del terminal: uno es el traspaso dentro del sistema satelital. En el caso de los satélites LEO, su posición relativa en el terreno cambia rápidamente, de modo que el terminal está cubierto continuamente por el mismo satélite durante sólo más de diez minutos. Por lo tanto, para evitar la pérdida de datos durante la conmutación, la conmutación entre satélites o entre haces debe prepararse con antelación e implementarse rápidamente. El otro es la conmutación del terminal entre la red terrestre 5g y la red satelital. Este traspaso debe considerar el soporte del procesamiento a bordo y una arquitectura de reenvío transparente, sincronización horaria, medición y coordinación de la información. Cuando la señal de la red celular es muy débil, el terminal cambiará de la red celular a la red satelital, de lo contrario mantendrá el acceso de la red terrestre.
2.3 forma de onda del puerto aéreo
La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) sigue siendo el sistema de transmisión básico del sistema 5g, pero la interferencia entre portadoras (ICI) degradará gravemente el rendimiento del sistema. Esto se debe a que la tecnología de multiplexación por división de frecuencia ortogonal es muy sensible al desplazamiento de frecuencia, y la diafonía entre subportadoras causada por el desplazamiento de frecuencia degradará el rendimiento de la comunicación. Para resistir eficazmente la influencia del desplazamiento de frecuencia residual en el rendimiento del sistema, se puede adoptar el esquema de diseño de ancho de banda de subportadora variable. Para la banda L con banda de frecuencia estrecha, dado que la velocidad de código del servicio de voz que admite es tan baja como 2.4 kbps, se adoptará un diseño de subportadora de 15 KHz o más estrecho. En la banda Ka, el ancho de subportadora que se puede utilizar es grande. Esto se debe a que los usuarios suelen navegar por Internet con banda ancha y el ángulo de elevación mínimo es grande, lo que puede reducir eficazmente la influencia del efecto Doppler.
Además, el acceso múltiple no ortogonal (noma) soportado por 5g no requiere que cada usuario monopolice los recursos. Los usuarios pueden enviar y recibir información sobre recursos no ortogonales al mismo tiempo. Basado en la detección conjunta de múltiples usuarios, se pueden evitar interferencias mutuas entre usuarios mediante el procesamiento de señales. En comparación con el método de acceso ortogonal tradicional, la aplicación de la tecnología noma puede mejorar la eficiencia espectral más de tres veces. En la actualidad, se ha desarrollado y popularizado el chip noma para el sistema terrestre 5g. La tecnología Noma utiliza complejidad a cambio de eficiencia espectral, lo que también significa que será difícil de aplicar a escenarios de comunicación por satélite de órbita geoestacionaria (GEO) con retardo prolongado, porque se utiliza una gran cantidad de interacciones de señalización para controlar dinámicamente los parámetros de acceso de los usuarios. Posteriormente se realizarán investigaciones técnicas sobre la tecnología noma en comunicaciones por satélite.
2.4 compartición del espectro
Ya sea para comunicaciones por satélite o para sistemas de comunicaciones móviles terrestres, la falta de espectro disponible se ha convertido en un problema urgente a resolver. En particular, las comunicaciones por satélite y las comunicaciones terrestres han generado una feroz competencia por los recursos del espectro. Por ejemplo, la UIT ha autorizado las bandas C y Ka utilizadas por los sistemas de comunicaciones por satélite durante muchos años para conectar a tierra el sistema 5G. La situación de competencia por el espectro entre ambos incluye:
1) Banda Ka: para satisfacer la demanda de rápido crecimiento de la tasa de usuarios y la capacidad del sistema, 5g y las comunicaciones por satélite esperan adoptar la banda Ka o incluso la banda de ondas milimétricas. Por ejemplo, la conferencia mundial de radiocomunicaciones de 2019 (wrc-19) utilizará globalmente la identificación del espectro con un ancho de banda total de 14.75 ghz de 24.25 ghz-27.5 GHz, 37 ghz-43.5 GHz y 66 ghz-71 GHz para 5g y la futura telefonía móvil internacional. sistemas de comunicación; La FCC de Estados Unidos ha autorizado las bandas de frecuencia de 27.5 ghz-28.35 ghz y 37 ghz-38.6 GHz para conectar a tierra 5g, y estas bandas de frecuencia se superponen con las bandas de frecuencia utilizadas por los sistemas de comunicación por satélite.
2) Banda C de 3 GHz a 6 GHz: muchos países han propuesto utilizar la banda C como banda candidata para el sistema 5G, incluidos China, la UE, Japón y Corea del Sur. Sin embargo, en Asia, China, Vietnam, Malasia y otros países han construido una gran cantidad de sistemas de comunicación por satélite en esta banda de frecuencia, y es difícil coordinar el uso de la banda de frecuencia C para el sistema 5g terrestre.
La asignación óptima mediante la planificación colaborativa terrestre por satélite puede mejorar el uso eficiente de los recursos de frecuencias. Mediante la construcción del sistema conjunto de detección del espectro terrestre por satélite, se puede lograr el intercambio de espectro entre los sistemas de comunicaciones terrestres por satélite y se puede mejorar la eficiencia de utilización del espectro. En comparación con las redes de comunicaciones inalámbricas terrestres, a los usuarios cognitivos les resulta más difícil detectar todo el espectro en su entorno de red, lo que se debe a la amplia cobertura de las comunicaciones por satélite. La rápida actualización de la base de datos del espectro, la formación de haces, la precisión de la detección del espectro y la descripción de la región cognitiva son el foco de investigación de esta tecnología. Además, desde la perspectiva de la integración de recursos, la planificación y el diseño unificados de las comunicaciones celulares y satelitales para resolver la interferencia en la forma de "compartir espectro", promover el uso compartido y el uso de recursos de frecuencia puede proporcionar una base compatible para una integración profunda. del sistema de comunicación por satélite y sistema 5g.
2.5 control de red
La realización de la división de red de extremo a extremo a través de la tecnología SDN y nfv es la característica más importante de la nube de control de red en el sistema 5g. Las tecnologías SDN y nfv realizan la separación del soporte y control de la red y el software de los elementos centrales de la red, respectivamente. Proporcionan una base sólida para la realización del corte de red.El fundamento de la realidad.
Cuando el sistema de comunicación por satélite está profundamente integrado con el 5g terrestre, la función de control y la función de reenvío de la red central del satélite se pueden separar para simplificar aún más la función de reenvío. Para soportar los requisitos de transmisión de alto tráfico y una programación de carga de tráfico flexible y equilibrada, la capacidad informática y de almacenamiento del servicio se puede trasladar desde el centro de la red hasta el borde de la red.
Para respaldar la integración con tierra, además de las nueve funciones de red del 3GPP que proporcionan funciones de servicio básicas, es necesario agregar funciones de interconexión no 3GPP y funciones del plano de usuario al plano de usuario de la red central satelital 5g.
03Desafíos y direcciones de investigación de la fusión satelital 5g
Aunque se ha avanzado mucho en la integración de 5g por satélite, se enfrentarán muchos desafíos técnicos para hacer realidad realmente la hermosa visión de la integración de 5g por satélite. Hay muchos desafíos comunes en el campo de los satélites y la tierra. A continuación, enumeramos los principales desafíos técnicos y las direcciones futuras de investigación.
1) Desafíos del sistema de transmisión: en la transmisión de red integrada terrestre por satélite, el cambio de frecuencia Doppler, la gestión de frecuencia y la interferencia, la limitación de potencia y el avance de la sincronización son problemas urgentes que deben resolverse. Para el cambio de frecuencia Doppler, 5g adopta OFDM multiportadora en el sistema de transmisión, y su diseño de espaciado de subportadoras no considera la influencia de un gran cambio de frecuencia Doppler, que generará interferencia entre subportadoras. En términos de limitación de potencia, garantiza la utilización de la banda de alta frecuencia y reduce la relación pico-promedio de la señal. Finalmente, con respecto al avance de temporización, el rápido cambio del retardo de transmisión del enlace inalámbrico puede llevar a la necesidad de actualizar dinámicamente cada avance de temporización del terminal para asegurar la sincronización de todas las transmisiones de enlace ascendente.
2) Desafíos de acceso y gestión de recursos: considerando el gran retraso de la red integrada terrestre de satélites, trae desafíos para el control de acceso, HARQ, ARQ y otros procesos de la capa MAC y la capa RLC. En términos de control de acceso, para respaldar la integración efectiva de 5G y el satélite, es necesario diseñar mecanismos de acceso razonables, como autorización previa, programación semicontinua y autorización gratuita. Para HARQ, el tiempo de ida y vuelta generalmente excede la duración máxima del temporizador de HARQ. El proceso HARQ tiene requisitos estrictos en cuanto a tiempo. En el proceso de programación de la capa MAC y la capa RLC, el gran retraso del sistema satelital también afectará la puntualidad de la programación, por lo que es necesario ajustar sus parámetros de retraso de programación.
3) El desafío de la gestión de la movilidad: en la red integrada terrestre de satélites, el desafío de la gestión de la movilidad es más grave. Según el nivel de comunicación, se puede dividir en traspaso a nivel de red y traspaso a nivel de enlace. Según el escenario de aplicación, se divide en traspaso de células terrestres, traspaso de células terrestres y satelitales, traspaso de células satelitales y traspaso entre satélites. Este problema ha sido explorado, pero necesita más investigación.
04Conclusión
Los sistemas de comunicación por satélite y de comunicación celular terrestre han experimentado casi tres décadas de desarrollo y han logrado logros brillantes. Sin embargo, debido a sus limitaciones inherentes, es difícil satisfacer la creciente demanda de comunicaciones móviles e interconexión masiva de datos. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología de Internet de las cosas, el futuro sistema de comunicación inalámbrica enfrentará la transformación de "personas a personas" a "personas a cosas" y "cosas a cosas", para lograr una comunicación e interconexión ubicuas. de todas las cosas. A través del desarrollo integrado de las comunicaciones por satélite y las comunicaciones celulares terrestres, la realización de ventajas complementarias marcará el comienzo de nuevas oportunidades de desarrollo. Este documento presenta y analiza el estado de desarrollo, las tecnologías clave y los desafíos de las comunicaciones por satélite y la integración 5g, con la esperanza de proporcionar referencia y referencia para el desarrollo de esta tecnología.
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