Notizie PCB - Il ruolo dei satelliti nelle reti 5G

Al fine di supportare la costruzione 5G, è ora in corso un'intensa implementazione di macro stazioni base cellulari e micro stazioni base. Queste stazioni base utilizzano tecnologie radio complesse per supportare la velocità dei dati, la capacità e la copertura del 5G. La 16a versione di 3GPP sarà rilasciata a giugno di quest'anno, e la 17a versione dovrebbe essere rilasciata nella seconda metà del 2021. In quel momento, verranno fornite istruzioni dettagliate e specifiche su V2X, Internet delle cose industriale, apparecchiature multi-SIM, affidabilità e miglioramento delle prestazioni a bassa latenza, uso dello spettro senza licenza entro 71GHz, efficienza e interferenza. Inoltre, come complemento ai 24 punti principali discussi nella riunione del 3GPP tenutasi in Spagna alla fine dello scorso anno, sarà chiarito anche il supporto 5G New Radio (NR) fornito da tecnologie PCB di accesso non terrestri come satelliti e piattaforme ad alta quota. Come piattaforma con vantaggi intrinseci, la tecnologia satellitare può contribuire all'architettura 5G globale. la tecnologia backhaul ha subito il necessario sviluppo, scomponendo le unità a banda base (BBU) e le teste radio remote nella rete LTE in un'unità centralizzata (CU) e un'unità distribuita (DU) e un'unità radio (RU) tre moduli funzionali separati. Aggregazione Carrier, trasmissione/ricezione multipunto coordinata downlink, MIMO e altre tecnologie radio collaborano tra loro per fare pieno uso dello spettro limitato inferiore a 6GHz, mentre il massiccio MIMO (mMIMO) migliora la capacità di rete di ogni sito cellulare migliorando l'efficienza e la copertura dello spettro. Inoltre, l'implementazione ad alta densità di piccole stazioni base ad onde millimetriche e altre soluzioni spostano ulteriormente lo spettro di frequenza per ottenere una maggiore larghezza di banda di accesso. Varie tecnologie di questo tipo hanno contribuito alle seguenti funzioni 5G definite dall'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) (figura 1): banda larga mobile potenziata 5G (eMBB); comunicazioni ad altissima affidabilità e bassa latenza (uRLLC); Come mostrato nella figura 2, la strategia attuale per la rete di accesso radio 5G (RAN) è la cosiddetta stazione base gNodeB (gNB). Questo tipo di stazione base utilizza la seguente architettura a due livelli: Unità distribuita (DU), che fornisce prestazioni a bassa latenza per l'automazione di fabbrica e i servizi medici; Unità centralizzata (CU) per l'elaborazione ad alto consumo energetico. La separazione tra RU e DU espone l'interfaccia radio pubblica comune (CPRI), che è stata migliorata per il 5G ed è chiamata interfaccia CPRI (eCPRI) migliorata. In alcuni casi, DU e RU possono essere combinati tra loro e la funzione è equivalente a una piccola stazione base. L'integrazione del 5G e dei satelliti Attualmente, una serie di studi stanno esplorando l'uso ausiliario dell'architettura satellite-terra per le reti di accesso radio 5G: il progetto di cooperazione UE Orizzonte 2020 coinvolge una serie di imprese nel continente europeo, con l'obiettivo di sviluppare "reti satellitari e terrestri per il 5G"; Sostegno al Paradigmo di Convergenza Satellitare-Terra (SATis5G) nel contesto del progetto 5G; SpaceX, OneWeb e Amazon stanno sviluppando reti satellitari a bassa orbita (LEO) in grado di fornire collegamenti a qualsiasi posizione sulla terra; la tecnologia HTS (High Flux Satellite) è un'altra tecnologia nell'integrazione delle reti satellite-terra e 5G, che può fornire funzioni di fascio spot e multicast; L'organizzazione standard di comunicazione cellulare 3GPP sta lavorando anche su bassa orbita (LEO) e media orbita (MEO), ricerca su reti non terrestri di satelliti geostazionari (GEO) per chiarire le funzioni delle comunicazioni satellitari in 5G1. Dal lancio di Anik F2 con 4Gbps throughput nel 2004 al lancio di EchoStar XIX con 200Gbps throughput nel 2017, La tecnologia satellitare ad alta velocità ha raggiunto un notevole sviluppo. Nel prossimo futuro, i transponder Ka-band forniranno velocità a livello Tbps, e le tecniche di ottimizzazione possono anche ridurre il costo di propagazione per bit. Le funzionalità "plug and play" delle reti satellitari sono progettate per supportare il 5G attraverso i seguenti aspetti: virtualizzazione della rete satellitare; consentire alle reti cellulari di controllare le risorse radio satellitari; sviluppo di aggregazione di collegamenti per connessioni a piccole cellule; Gestione e autenticazione delle chiavi tra tecnologia e tecnologia di accesso satellitare per ottimizzare la sicurezza; fusione dei vantaggi multicast della tecnologia satellitare 2.

Rendimento fisso

Il backhaul fisso dei satelliti verso stazioni base o piccole stazioni base indipendenti può fornire supporto per eMBB che non può ottenere backhaul a terra economicamente vantaggioso. Questa situazione si verifica spesso in aree sottosviluppate e aree sottoservizzate del pianeta dove le infrastrutture di rete cellulare e le risorse di accesso wireless sono minime. Oltre all'eMBB, i satelliti possono anche fornire supporto per mMTC in applicazioni IoT come l'agricoltura intelligente.

Tecnologia abilitante HTS

La tecnologia satellitare si è evoluta dal tradizionale servizio satellitare fisso (FSS) alla tecnologia HTS, e continua a fornire alle persone sempre più funzioni e servizi.

Raggio spot e riutilizzo della frequenza

Figura 5: I fasci spot e la separazione di frequenza migliorano la copertura e la capacità di HTS.

Quando ci sono pochissimi fasci FSS che coprono una vasta gamma (grandi quanto in tutto il continente), i satelliti HTS possono utilizzare più fasci spot bilanciati dal riutilizzo della frequenza per aumentare la produttività di 20 volte con lo stesso schema di assegnazione della frequenza (Figura 5). Tra questi, rispetto all'ampio raggio del satellite FSS, ogni raggio spot può fornire più potenza all'area di destinazione. In questo modo, indipendentemente dalla banda su cui sta lavorando il transponder satellitare (banda C, banda K o banda Ka), lo spettro può essere utilizzato in modo ottimale. Al fine di ridurre il rischio di interferenza e perdita del segnale, la disposizione del fascio spot è tale che le frequenze dei fasci adiacenti non sono vicine l'una all'altra. Esiste il seguente compromesso tra la separazione di frequenza dei fasci spot e il flusso satellitare: più sono vicine le frequenze tra fasci spot, maggiore è il tasso di riutilizzo della frequenza, il che rende la capacità del satellite più grande. Questo concetto è simile alla relazione tra la velocità dei dati e l'aumento della capacità di mMIMO in cui centinaia di elementi attivi dell'antenna e unità di beamforming forniscono più fasci per gli utenti in posizioni diverse. Tuttavia, questo concetto è significativamente diverso dalla diversità spaziale: quando il sistema mMIMO terrestre riduce le interferenze co-canale aumentando il numero di fasci, l'ambiente in cui si trova il satellite non è ricco di scattering, quindi l'interferenza co-canale diventa una preoccupazione. problema. Questo problema può essere alleviato dal multiplexing di frequenza "a quattro colori" (FR4): i fasci adiacenti raggiungono l'ortogonalità attraverso frequenze non intersecanti con diverse direzioni di polarizzazione. In generale, questa ortogonalità viene mantenuta al terminale utente.

multicast

La tecnologia HTS ha intrinsecamente una funzione multicast: un messaggio da inviare a mille utenti deve essere inviato una sola volta, senza inviare mille volte, in modo che lo spettro e le risorse dati possano essere utilizzate in modo efficiente. Rispetto ai servizi wireless terrestri, la tecnologia HTS ha le seguenti caratteristiche: l'area di copertura del fascio satellitare è ampia; il codice lungo del canale può superare il rumore; il segnale di trasmissione contiene informazioni di più utenti. Inoltre, i frame corrispondenti di questa tecnologia possono essere codificati dal protocollo di framing DVB-S2X e possono essere decodificati da gruppi di utenti, realizzando così la trasmissione multicast 6. In questo modo, più dispositivi ricevono contenuti broadcast, più larghezza di banda può essere salvata. Un esempio di servizio multicast è una videoconferenza: ogni partecipante forma una sorgente multicast per tutti gli altri partecipanti (ad esempio, multipoint-to-multipoint). Anche se i servizi multicast tendono ad essere la fonte di elevato consumo di larghezza di banda per i sistemi terrestri, non è relativamente un problema per HTS.

Spostamento dello spettro verso l'alto

Il recente HTS utilizza transponder Ka-band. Lo scopo dello spostamento di frequenza è quello di ottenere una maggiore larghezza di banda, ottenendo così più fasci spot. Le prossime generazioni di satelliti forniranno capacità a livello Tb/s, quindi potrebbe essere necessario utilizzare la banda Q e la banda V per ottenere un agglomeramento di maggior traffico utente e utilizzare migliaia di fasci spot nell'area di copertura.

Bassa latenza di LEO

La rete satellitare LEO può fornire funzioni che un singolo satellite GEO non può realizzare. I principali vantaggi di LEO sono: i satelliti LEO possono ridurre il ritardo; Le reti satellitari LEO possono ottenere una maggiore copertura. L'altitudine del satellite GEO è di circa 36000 km e il ritardo di propagazione end-to-end è di 280ms; l'altitudine del satellite MEO è di 10000km e il ritardo è di 90ms; L'altitudine del satellite LEO è 350-1200km, e il ritardo è di 6-30ms. Sebbene la bassa latenza dei satelliti LEO possa supportare solo servizi 5G a bassa latenza limitati, le catene di sincronizzazione della maggior parte dei servizi 5G a bassa latenza richiedono ritardi di andata e ritorno estremamente piccoli e corrispondenti errori di temporizzazione (Tabella 1).

Con una copertura globale onnipresente, la rete satellitare LEO diventa la scelta migliore per le applicazioni mMTC. Sebbene i satelliti GEO ad alta velocità possano fornire servizi ad aree predeterminate attraverso un'architettura a fascio spot con funzione di riutilizzo della frequenza, purché dispongano di un'infrastruttura di terra sufficiente, le reti satellitari LEO possono anche raggiungere una copertura globale. La prima rete satellitare LEO del mondo, Iridium, dichiarò bancarotta poco dopo il suo lancio nel 1998. Tuttavia, la rete satellitare fornisce servizi a bassa velocità di dati da oltre un decennio ed è stata potenziata attraverso una nuova generazione di satelliti.8

Il funzionamento della rete satellitare LEO è facilitato da una varietà di tecnologie tra cui carico utile digitale, modulazione avanzata, riutilizzo in frequenza, amplificatore di potenza GaN ad alta densità di potenza (PA) e array attivo phased agile del fascio.

Comunicazione LEO

La rete satellitare LEO comprende le comunicazioni terra-satellite, terra-terra (G2G), satellite-satellite (S2S) e satellite-terra round robin. Questi collegamenti fisici sono suddivisi in collegamenti terra-satellite e intersatellitari. La comunicazione tra satellite e satellite e tra stazione a terra e stazione a terra è un'altra differenza tra LEO e HTS PCB. La rete di comunicazione satellitare LEO può ottenere un controllo rigoroso della trasmissione dei dati tra utenti, terminali di controllo e terminali di telemetria (come stato, diagnosi, configurazione).

A differenza di GEO, che mantiene una posizione fissa nello spazio, i satelliti LEO passano la sezione di terra ad una velocità molto veloce, quindi sono necessari più satelliti per ottenere una copertura coerente di una certa area. Tra questi, la stazione di terra deve eseguire commutazioni complesse attraverso un'antenna riflettore a scansione meccanica o un'antenna a matrice phased attiva con alto guadagno e alta direttività. Quando lo stato viene aggiornato, con il supporto del collegamento G2G, il beam hopping tra il satellite e l'utente può raggiungere aree remote senza infrastrutture corrispondenti. Inoltre, i satelliti dotati di telecamere e sensori possono rintracciare i rifiuti spaziali attraverso uno stretto coordinamento tra loro.5

Lavorazione a bordo

Per i satelliti GEO e LEO ad alta velocità, al fine di aumentare la velocità di trasmissione satellitare, l'architettura satellitare deve essere regolata. Il principale aggiustamento architettonico consiste nel trasformare la topologia di inoltro precedente in una topologia rigenerativa.