Русская версия   English version                  18.08.2019
На главную  
Гейзер-Телеком

ООО «Гейзер-Телеком»+7 (495) 784 - 63 - 77
105118, Москва,ул. Вольная, д.13

Перспективы создания спутникового сегмента 5G

 

Журнал «Первая миля» № 1, 2018

Авторы: В. О. ТИХВИНСКИЙ, д.э.н., академик РАЕН, заместитель генерального директора АО НИИТС по инновационным технологиям, профессор МТУСИ,
М.В. СТРЕЛЕЦ, заместитель руководителя департамента МПО РЭС ООО «Гейзер-Телеком»

Бурное развитие и стандартизация наземной части сетей IMT-2020 (5G), а также ограничения для гло- бального покрытия беспроводными сотовыми сетями при использовании миллиметрового диапазона волн (ММДВ) заставляет разработчиков сетей космических телекоммуникаций обращать внимание  и на этот возможный сегмент рынка мобильной спутниковой связи. Цель статьи – показать состояние   и возможности создания спутникового сегмента сети 5G для его будущей стандартизации.

Введение

Летом 2017 года на авиасалоне Ле Бурже в Париже Европейское космическое агентство (ЕКА) инициировало новый проект Satellite for 5G, собрав в один консорциум 16 компаний спутниковой отрасли для исследований возможности создания космического сегмента сети пятого поколения [1]. Члены этого консорциума EURESCOM, Fraunhofer Fokus, Fraunhofer IIS, NewTEC, SES, TU Berlin, Universität der Bundeswehr начали работы над созданием испытательного комплекса SATis5, который будет помогать внедрять, развертывать и тестировать спутниковую сеть 5G, демонстрируя преимущества интеграции с наземной инфраструктурой в целях содействия внедрению новых технологий.

Кроме того, Рабочая группа FM44 комитета ЕСС СЕРТ приступила к подготовке отчета СЕРТ "Satellite Solutions for 5G" [2] в котором будет определена роль спутникового сегмента в концепции сети 5G в рай- онах, которые не могут обслуживаться другими видами связи. CEPT предлагает оценить преимущества спутников для сегмента сети 5G с точки зрения эффективности, емкости и устойчивости. Поскольку администрации CEPT рассматривают вопросы реализации сети 5G в перспективе, то исследования ее спутникового сегмента должны помочь в принятии решений относительно будущей роли спутниковых абонентских линий в контексте экосистемы пятого поколения.

Концепция применения спутникового сегмента 5G

Основные вызовы, преодолеваемые с использова- ния спутникового сегмента для доступа к услугам сетей 5G "в любое время в любом месте", требуют обеспечения непрерывности и глобальности их предоставления. Использование диапазона ММДВ, ограничивающего зоны покрытия из-за условий распространения радиоволн в нем, создает трудности для непрерывного покрытия обслуживаемых территорий такими сетями. Отсутствие сетей в малонаселенных и ненаселенных регионах из-за экономической нецелесообразности обеспечения сплошного покрытия наземными сетями 5G в сочетании с условиями распространения миллиметрового диапазона волн приводит к необходимости исследований применения спутникового сегмента сети.

На этапе создания сетей 3G (IMT-2000) глобальность предоставления услуг была одним из главных требований к их построению, которые предусматривали создание спутникового сегмента. Однако в ходе создания и развития сетей 4G идея глобального покрытия ими даже не рассматривалась в надежде на внедрение конвергентных решений спутниковой и наземной мобильной связи.

Концепция применения спутникового сегмента 5G, рассматриваемая сегодня, основана на следующих предпосылках [3]:

  • спутниковый сегмент  будет  интегрироваться с другими сетями мобильной и фиксированной связи, а не будут автономной сетью, и интеграция спутникового и наземного сегмента 5G является ядром этого видения;
  • системы космической связи являются фундаментальными компонентами для надежного предоставления услуг 5G не только на территории всей Европы, но и во всех регионах мира, все время и по доступной цене;
  • спутниковый сегмент будет способствовать характеристикам глобальности, увеличению возможностей услуг 5G и решению проблем, связанных с поддержкой роста мультимедийного трафика, повсеместного покрытия, межмашинной связи и критически важных телекоммуникационных миссий при оптимизации стоимости для конечных пользователей;
  • космический сегмент может стать частью гибридной сетевой конфигурации, состоящей из сочетания широковещательной и широкополосной инфраструктур, управляемых таким образом, чтобы они обеспечивали бесперебойную и немедленную конвергенцию услуг 5G для всех конечных пользователей.

Требования к спутниковому сегменту сети пятого поколения будут определяться прежде всего совокупностью услуг, поддерживаемых сетями 5G, которые объединены тремя основными бизнес-моделями [4]: расширенный мобильный широкополосный доступ (Enhanced mobile broadband – eMBB), массовое соединение устройств машинного типа (Massive Machine-Type Communications – mMTC) и сверхнадежная связь с низким уровнем задержки (uRLLC – ultra-Reliable Low Latency Communications). Возможности спутниковых сетей поддерживать ключевые сценарии использования 5G определяются из существующих характеристик современных сетей космической связи и тенденций развития спутниковых технологий в будущем:

  • сценарий eMBB. В этом сценарии спутниковые сети могут поддерживать передачу данных со скоростью  до  нескольких  Гбит/с,  которая  удовлетворяет требованиям для расширенных услуг мобильной широкополосной связи. Спутниковые технологии сегодня способны транслировать тысячи каналов с контентом с высокими требованиями к скорости передачи (HD и UHD), и эти возможности по пропускной способности могут быть использованы для поддержки услуг мобильных сетей будущего поколения. Спутниковые каналы уже используются в качестве транспортных в сетях мобильной связи 2G/3G во многих регионах мира, а высокопроизводительные космические аппараты (КА) текущего и следующего поколений (HTS) на геостационарных и негеостационарных орбитах могут поддерживать транспортную инфраструктуру мобильных сетей 4G/ LTE и 5G в будущем;
  • сценарий mMTC. Спутниковые системы связи уже поддерживают технологию управления SCADA и другие глобальные приложения для отслеживания грузов и объектов при массовом применении устройств Интернета вещей (IoT). Они могут масштабироваться для поддержки устройств и услуг IoT в прямом канале управления или  в  качестве  линий  обратной  связи с устройствами Интернета вещей и M2M из удаленных мест, с кораблей и других транспортных средств;
  • сценарий uRLLC. Спутниковые системы связи известны своей надежностью и возможностью обеспечивать требования по задержкам сигналов в сети. Основные пользователи этих сетей – международные вещатели, операторы мобильной связи, правительственные органы и коммерческие потребители, нуждающиеся в критически важной и сверхнадежной связи. Задержка сигналов при использовании геостационарных КА будет приемлемой для многих приложений сетей 5G. Более чувствительные к задержкам приложения могут поддерживаться с помощью новых средне- и низкоорбитальных спутниковых сетей, которые будут развернуты в будущем.

Четыре главных сценария, рассматриваемые для интеграции спутникового сегмента для сетей 5G (IMT-2020), могут включать [5]:

  • транкинговые и головные узловые фидерные линии (Trunking and Head-end Feed);
  • транспортные каналы и фидерные линии для башен базовых станций сети (Backhauling and Tower Feed);
  • линии связи для мобильных объектов (Communications on the Move);
  • гибридные линии для мультисервисных услуг (Hybrid Multiplay).

Эти четыре сценария могут использовать для обеспечения и расширения возможностей наземного сегмента сетей 5G такие преимущества спутниковых сетей, как  высокая  пропускная  способность и глобальный охват.

Спектральные аспекты спутникового сегмента 5G

Учитывая необходимость применения в наземных сетях 5G при оказании услуг eMBB полос ММДВ для обеспечения скоростей передачи данных до 20 Гбит/с, а также использования в этом случае частотных каналов с шириной полосы каждого от 200 до 1000 МГц, частоты ММДВ, уже использовавшиеся в спутниковых сетях, будут востребованными и в сетях 5G.

Пункт  1.13  повестки  дня  будущей  радиоконференции ВКР-19 предлагает рассмотреть для развития сетей 5G (включая возможные дополнительные распределения подвижной службе на первичной основе) отдельные полосы радиочастот в диапазоне от 24,25 до 86 ГГц.

В таблице 1 показаны основные частотные диа- пазоны фиксированной и мобильной спутниковой службы в полосе от 10,7 до 275 ГГц, удовлетворяющие требованиям к ширине полосы каналов сетей 5G [6].


Анализ суммарной ширины участков спектра в полосе 12,75–86 ГГц доступных спутниковым сетям для организации линии вверх, показывает доступность  ресурса  18,5  ГГц,  а  для  линии  вниз  в  полосе 10,7–76 ГГц – 19,5 ГГц.

Для оказания услуг массового применения устройств IoT в спутниковом сегменте 5G предложено использовать S-диапазон с шириной частотного канала до 30 МГц [6]:

  • линия вверх (от устройства IoT к спутнику): 1980– 2010 МГц;
  • линия вниз (от КА к устройству IoT): 2170–2200 МГц. Соединение между спутниковой базовой станцией eNodeB и фидерной линией сети спутниковой связи может осуществляться в одном из диапазонов фиксированной спутниковой службы.

Анализ полос частот, относящихся к наиболее исследованным диапазонам Ka (28 ГГц) и Q/V (37– 53 ГГц), показывает следующие их особенности, которые следует учитывать в решениях для спутникового сегмента 5G.

При планировании использования для рассма- триваемых целей Ka-диапазона необходимо учиты- вать, что:

  • это традиционный диапазон, повышающий воз- можности спутникового ШПД;
  • он не включен в число диапазонов для развития сетей 5G, исследуемых в п. 1.13 повестки дня ВКР-19;
  • некоторые национальные администрации связи рассматривают этот диапазон для использования в наземных сетях 5G.

При планировании использования для спутникового сегмента 5G диапазонов Q/V (37–53 ГГц) необходимо учитывать, что:

  • V-диапазон пока не используется для спутниковых приложений, в особенности для фидерных линий;
  • часть полос Q/V включены в число исследуемых в п. 1.13 повестки дня ВКР-19;
  • существует необходимость проведение совместных исследований и рассмотрения потребностей спутникового и наземного сегментов сети 5G.

Таким образом, спутниковый сегмент сети пятого поколения может быть построен как многодиапазонный в формате наземного сегмента 5G с разделением на частотные диапазоны ниже 6 ГГц и выше 6 ГГц.

Предложения Партнерского проекта 3GPP и 5G PPP

Главный разработчик технических специфика- ций на оборудование и инфраструктуру сетей 5G начал исследование возможностей использования спутникового сегмента 5G при разработке  Релиза 14 в рамках отчета 3GPP TR 38 913 [7].

Предложенные 3GPP сценарии развертывания спутникового сегмента 5G определены для предоставления услуг в тех районах, где услуги наземного сегмента сетей 5G недоступны, а также для тех сервисов, которые могут быть более эффективно поддержаны спутниковыми системами, такими, например, как служба вещания. Согласно [7] спутниковый сегмент должен дополнять услуги сетей 5G, особенно на автомобильных, железнодорожных и водных путях и в сельских районах, где наземный сегмент таких услуг недоступен.

Поддерживаемые через спутниковый сегмент услуги 5G не ограничиваются только передачей данных и голосовыми сервисами, а дополняются услугами соединения с устройствами IoT и М2М, вещания и рядом других, толерантных к задержкам сигнала.

К настоящему времени 3GPP предложены три сценария развертывания, представленные в таблице 2.


Указанные в таблице 2 спутниковые орбиты позволяют использовать:

  • геостационарные спутники (GEO), располо- женные на высоте 35786 км, могут обеспечить количеством от одного до трех КА охват связью поверхности Земли между 70 ° с. ш. и 70 ° ю. ш.;
  • среднеорбитальные КА (MEO), расположенные по высоте от 6000 до 10000 км над поверхностью Земли, которые могут обеспечить охват связью земной поверхности количеством от 10 до 12 спутников.
  • низкоорбитальные спутники (LEO) с высотой 800– 2000 км над поверхностью Земли, которые гаран- тируют непрерывность покрытия сетью количе- ством от 50 до 100 КА.

Частотные диапазоны, приведенные в таблице 2, охватывают лишь часть спутниковых диапазонов (таблица 1). Сегодня спутниковые сети развернуты в более широком частотном спектре, включая диа- пазоны L (1–2 ГГц), S (2–4 ГГц), C (3,4–6,725 ГГц), Ku (10,7–14,8 ГГц), Ka (17,3–21,2 и 27,0–31,0 ГГц) и Q/V (37,5– 43,5; 47,2–50,2; 50,4–51,4 ГГц и выше).

Мобильные устройства спутникового сегмента 5G будут представлены как носимыми терминалами, так и другими подвижными устройствами, устанавливаемыми на автомобилях, кораблях, самолетах и т. д. В настоящее время возможности носимых абонентских терминалов ограничены использованием полос L- и S-диапазонов, но продолжаются исследования для возможности поддержки терминалов в более высоких частотных диапазонах.

В декабре 2017 года в рамках работ над Релизом 16 3GPP была опубликована первая версия отчета TR 22.822 [8] в котором предложены бизнес-кейсы спутникового сегмента сети 5G главным из кото- рых является Интернет вещей, определены требования к обеспечению трансграничных сценариев соединения, а также основные характеристики спутникового сегмента сети 5G: классы орбит, геометрия зон покрытия и задержки сигнала при распространении, сетевая архитектура спутникового сегмента сети 5G.

Спутниковый сегмент сетей 5G включен в интегрированную сеть радиодоступа 5G, предоставляемого через спутниковую инфраструктуру и базовую сеть 5G (Core 5G). Базовая сеть 5G может быть подключена также к другим сетям радиодоступа 4G RAN, помимо спутникового сегмента 5G.

На рис.1 и 2 [8] показана системная архитектура спутникового сегмента 5G, которую планируется стоить на основе технологии Bent-pipe (с прозрачными спутниковыми транспондерами-ретрансляторами без обработки информации на борту), где осуществляется только усиление и преобразование сигналов по частоте при сохранении вида модуляции. При использовании в спутниковых транспондерах технологии On-Board Processing на борту осуществляется регенерация, включая модулирование и кодирование сигналов.



Рис.1. Архитектура спутникового сегмента 5G на основе технологии Bent-pipe.



Рис.2. Архитектура спутникового сегмента 5G на основе технологии On-Board Processing.

Еще один проект частно-государственного партнерства 5G PPP, названный SaT5G (Satellite and Terrestrial Network for 5G), стартовал в рамках программы ЕС "Горизонт-2020" в июне 2017 года и находится в начальной стадии исследований. К его выполнению подключились 16 организаций-партнеров и университетов из 10 еврейских стран, включая Израиль. В таблице 3 приведены перечень исследовательских отчетов и проектных документов, планируемых к разработке в ходе проекта SaT5G в течении 30 месяцев (2017– 2019 гг.) [10].


Концепция SaT5G заключается в разработке экономичного решения  "подключи  и  работай" с использованием спутникового сегмента 5G, которое позволит операторам телекоммуникационных сетей ускорить развертывание 5G во всех географических регионах и в то же время создать новые и растущие рыночные возможности для заинтересованных сторон отрасли космической связи.

Основные цели SaT5G состоят в следующем:

  • привлечение внимания к исследовательской деятельности по спутниковому сегменту для оценки и определения решений, интегрирующих его в архитектуру сети 5G;
  • разработка коммерческих предложений для сетевых решений спутникового сегмента 5G;
  • определение и разработка ключевых технических направлений для  решения  выявленных в ходе исследований проблем по спутниковому сегменту;
  • подтверждение ключевых технических характеристик спутникового сегмента 5G при испытаниях в лабораторных условиях;
  • демонстрация выбранных функций и вариантов использования спутникового сегмента 5G;
  • подготовка вкладов для стандартизации в ETSI и 3GPP функций, позволяющих интегрировать решения для спутникового сегмента в сети 5G.

Таким образом, в ходе реализации проекта планируется достигнуть максимальный охват сети 5G и пропускную способность в зонах обслуживания, исходя из ключевых целей развертывания сетей 5G путем совместного использования наземной и спутниковой инфраструктур, работающих совместно.

Проекты   ведущих    производителей

Анализ предложений и технологических проектов ведущих производителей по использованию спутниковых сетей для расширения возможностей сетей 5G показывает, что две компании – Boing [3] и Samsung [6] – уже сделали попытки презентации своих проектов, пригодных для развертывания спутникового сегмента.

Компания Boeing запросила у Федеральной комиссии по связи США разрешение на реализацию проекта для запуска и работы на негеостационарной спутниковой орбите (NGSO) сети фиксированной спутниковой службы (ФСС), которая может работать на околоземной орбите (LEO) в диапазоне 37,5–42,5 ГГц (космос-Земля) и в полосах частот 47,2– 50,2 и 50,4–52,4 ГГц (Земля-космос) в V-диапазоне как система NGSO и обеспечивать решение задач, включая задачи спутникового сегмента 5G.

Система NGSO компании Boeing,  показанная на рис.3 и позиционируемая как спутниковый сегмент 5G, предназначена для предоставления широкого спектра современных услуг связи и интернет-услуг 5G для широкой линейки земных станций и абонентских терминалов V-диапазона. Абонентские терминалы данного диапазона включают современные антенные решетки, позволяющие генерировать и принимать широкополосные сигналы для частотных каналов различной ширины, причем более высокая пропускная способность поддерживается терминалами с многоканальными и мультиполяризационными режимами.



Рис. 3. Спутниковый сегмент 5G компании Boeing.

Система NGSO компании Boeing будет состоять из совокупности 2956 КА NGSS фиксированной спутниковой службы для обеспечения высокоскоростного доступа с низким уровнем задержки для абонентских терминалов, подключаемых через шлюзы доступа к сети 5G ("шлюзы") и к связанной с нею наземной волоконно-оптической сети.

Системные шлюзы, как правило, будут расположены за пределами густонаселенных регионов в районах с относительно низким потребительским спросом на услуги 5G. Каждый спутник системы будет формировать лучи, соответствующие диаметрам сот от 8 до 11 км на поверхности Земли в пределах общей площади покрытия КА.

Системные шлюзы NGSO будут работать в том же V-диапазоне, что и земные терминалы. Эти шлюзы будут использовать как частотную, так и поляризационную селекцию сигналов (с режимами LHCP и RHCP). Кроме того, антенные сайты шлюзов доступа могут содержать более одной антенны, тем самым обеспечивая одновременный доступ к множеству спутников NGSO, видимых со шлюза.

На первом этапе развертывании система Boeing NGSO будет состоять из созвездия 1396 спутников LEO, работающих на высоте 1200 км. Первичное созвездие будет состоять из 35 круговых орбитальных плоскостей, работающих с наклоном 45 градусов, дополненных шестью дополнительными круговыми орбитальными планами, работающими при наклоне 55 градусов. Полезная нагрузка системы NGSO будет использовать усовершенствованную пространственно-временную обработку при формировании луча антенны (beam-forming) и цифровую обработку на борту, чтобы генерировать тысячи узкополосных лучей для обеспечения спутникового сегмента сети связи 5G на поверхности Земли (рис.4).

Каждый спутниковый канал в линии вверх или вниз может иметь до пяти каналов связи шириной 1 ГГц при общей полосе пропускания до 5 ГГц в зависимости от мгновенной емкости, необходимой обслуживаемой лучом соте.  Любой канал в линии вверх может быть подключен к любому каналу линии вниз в соответствии с используемым алгоритмом связанности.

Расчеты Boeing показывают, что использование спутниковой сети для каналов фиксированной связи и их совместное использование спектра наземной сетью 5G в диапазоне 37,5–40,0 ГГц возможно при следующих условиях:

  • применение диапазона 37,5–40,0 ГГц только для приема в линии вниз спутниковой сети ФСС;
  • обеспечение совместного использования спектра возможно благодаря высоким углам визирования КА;
  • использования методов пространственной селекции beamforming для антенн терминалов спутниковых сетей, так и для оборудования сети 5G для обеспечения высоких скоростей передачи.

Наземные сегмент сети  5G  будет  защищен  от влияния помех со стороны линии вниз спутниковой сети ФСС с помощью ограничений МСЭ на уровни ППМ при обеспечении требований минимального снижения уровня сигнала от сети 5G до 0,2–0,6 дБВт.

Расчеты компании Boeing показывают, что при совместном использовании спектра с увеличением мощности базовой станции количество спутниковых терминалов, подверженных помехам, будет увеличиваться. Поэтому между спутниковыми приемниками земных станций ФСС и передающими устройствами мобильных и базовых станций наземного сегмента сетей 5G должен быть обеспечен уровень ослабления помех со стороны сетей 5G >50 дБ.

Статистическое моделирование и расчетная оценка уровней помех, проведенные Boeing показали, что эффективная изотропно излучаемая мощность (EIRP) базовых станций в сети 5G должна быть ограничена величиной 62–65 дБм в полосе 100 МГц, чтобы облегчить совместное использование систем ФСС и 5G без ограничения в скорости передачи в сетях 5G.

Таким образом, спутниковый и наземный сегменты 5G могут быть развернуты при выполнении определенных условий по совместному использо- ванию спектра в V-диапазоне.

Заключение

Учитывая необходимость  обеспечения широкого территориального покрытия больших пространств развитых стран мира сетями 5G и роль этих сетей в будущей инфраструктуре цифровой экономики, спутниковый сегмент 5G становиться одним из актуальных вопросов развития и стандартизации сетей пятого поколения на втором этапе развития – в период 2020–2025 гг.

Ведущие международные организации связи, консорциумы  и   производители   включились в активные исследования возможности создания спутникового сегмента 5G в частотных диапазонах, которые выделены спутниковой радиослужбе или будут выделены для сетей 5G на предстоящей ВКР-19, прежде всего в диапазо- нах частот S, Ka и V.

Одной из важнейших проблем будущего развития спутникового сегмента 5G могут стать вопросы совместного использования радиочастотного спектра в полосах частот, выделяемых на первичной основе как спутниковому, так и наземному сегменту 5G, а также межсистемной электромагнитной совместимости бортового оборудования и земных станций с оборудованием базовых и абонентских станций наземного сегмента сети.

ЛИТЕРАТУРА

  1. http://mediasat.info/2017/06/23/esa-satellite-for-5g/
  2. Draft report СЕРТ Satellite Solutions for 5G, 2017.
  3. Jonas Eneberg. Satellite Role in 5G. Inmarsat, 2017.
  4. Mah Daniel C.H. Role of Satellite in 5G. SAS, Satellite Connectivity Workshop, Nadi, Fuji, 24 April 2017.
  5. Evans Barry, Onireti Oluwakayode, Spathopoulos Theodoros, Imran Muhammad Ali. The role of satellites in 5G. 23rd European Signal processing conference (EUSIPCO), 2015.
  6. Farooq Khan. Mobile Internet from the Heavens. Samsung Electronics. Richardson, Texas, 2015.
  7. 3GPP TR 38 913. Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies (Release 14).
  8. 3GPP TR 22.822. Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on using Satellite Access in 5G; Stage 1 (Release 16).
  9. Deliverable D5.1. 5G Satellite Communication analysis – intermediate version. Grant agreement No 723247. 2017.
  10. https://5g-ppp.eu/sat5g/

Автоматизация управления группировкой комплексов РЭБ[ все публикации ]