5 Gネットワークにおける衛星の役割

2021-09-14

Author：Frank

5 G建設をサポートするために, セルラマクロ基地局とマイクロ基地局の集中展開が進行中である. これらの基地局は複合体を使用する 無線技術 データレートをサポートする, 容量と5 Gのカバレッジ. 3 GPPの16番目のバージョンは、今年6月にリリースされます, そして、第17のバージョンは2021年の後半にリリースされることになっています. その時, 詳細と具体的な指示はv 2 x, 産業インターネット, マルチSIM装置, 信頼性と低い待ち時間性能改善, 71 GHzにおける無許可スペクトルの使用, 効率, 干渉. 加えて, 昨年末にスペインで開催された3 GPP会議で議論された24の主要事項に対する補足として, 5G New Radio (NR) support provided by non-terrestrial access PCB 衛星や高度プラットフォームなどの技術も明らかになる. 固有の利点を持つプラットフォームとして, 衛星技術はグローバルに貢献できる 5 Gアーキテクチャ.
5G backhaul
Together with many 5G-enabled radio access technologies, the backhaul technology has undergone the necessary development-decomposing the baseband unit (BBU) and remote radio heads in the LTE network into a centralized unit (CU) and a distributed unit ( DU) and radio unit (RU) three separate functional modules. キャリア凝集, ダウンリンク協調多点伝送/受信, MIMOと他無線技術 6 GHz以下の限られたスペクトルをフルに活用するために協力する, while massive MIMO (mMIMO) improves the network capacity of each cell site by improving spectrum efficiency And coverage. 加えて, ミリ波小型基地局および他の解決策の高密度展開は、さらなるアクセス帯域幅を達成するためにさらに周波数スペクトルを動かす. Various such technologies have contributed to the following 5G functions defined by the International Telecommunication Union (ITU) (Figure 1): 5G enhanced mobile broadband (eMBB); ultra-high reliability and low-latency communications (uRLLC); large-scale machine type Communication (mMTC).
図2に示すように, the current strategy for 5G Radio Access Network (RAN) is the so-called gNodeB (gNB) base station. This type of base station uses the following two-layer architecture: Distributed Unit (DU), which provides low-latency performance for Factory automation and medical services; centralized unit (CU) for high power consumption processing. The separation of RU and DU exposes the Common Public Radio Interface (CPRI), which has been enhanced for 5G and is called an enhanced CPRI (eCPRI) interface. 場合によっては, duとruは互いに組み合わせることができる, 関数は小さな基地局と等価です.
The integration of 5G and satellite
At present, 多くの研究は5 Gの無線アクセスネットワークのための衛星から地上の建築の補助的な使用を調査しています, aiming to develop "satellite and ground networks for 5G"; European Space Agency funded Support the âSatellite-Ground Convergence Paradigm (SATis5G) in the Context of 5Gâ project; SpaceX, ウェブ, and Amazon are developing low-orbit (LEO) satellite networks that can provide connections to any location on the earth; geostationary orbit (GEO) runs high Flux Satellite (HTS) technology is another technology in the integration of satellite-to-earth networks and 5G, スポットビームとマルチキャスト functions; the cellular communication standard organization 3GPP is also working on low orbit (LEO) and medium orbit (MEO), Research on non-terrestrial networks of geostationary orbit (GEO) satellites to clarify the functions of satellite communications in 5G1.
2004年の4 GbpsスループットでAnik F 2の打ち上げから2017年に200 Gbpsスループットを持つエコースターXIXの打ち上げまで, 高スループット衛星技術は相当な発展を遂げた. 近い将来, Kaバンドトランスポンダは、Tbpsレベル速度を提供します, そして、最適化技術はまた、1ビット当たりの伝搬のコストを低減することができる. 衛星ネットワークの「プラグアンドプレイ」機能は、以下の局面を通して5 Gをサポートするように設計されています：衛星ネットワーク仮想化；セルラネットワークに衛星無線リソースを制御する小セル接続用リンクアグリゲーションの開発そして、セキュリティを最適化するために、細胞アクセス・キー管理とテクノロジーと衛星アクセス技術の間の認証フュージョンマルチキャスト衛星技術2の利点.

PCBボード

固定リターン

基地局または独立した小さな基地局への衛星の固定バックホールは、費用効果の高いグランドバックホールを達成することができないEMBBのサポートを提供することができる。このような状況は、携帯電話ネットワークインフラストラクチャと無線アクセス資源が最小である地球上の未開発の地域と不足している地域でしばしば起こります。EMBBに加えて、衛星はまた、スマート農業などのIOTアプリケーションでMMTCのサポートを提供することができます。

HTS技術

衛星技術は伝統的な固定衛星サービス（FSS）からHTS技術に進化し、ますます多くの機能とサービスを持つ人々を提供し続けています。

スポットビームと周波数再利用

スポットビーム及び周波数分離は、HTSのカバレッジ及び容量を改善する。

広い範囲にわたるFSSビームが非常に少ない場合（全大陸全体にわたって大きい）、HTS衛星は、周波数再利用によって平衡された複数のスポットビームを使用して、同じ周波数割り当てスキームの下で20倍だけスループットを増加させる（図5）。その中で、FSS衛星のワイドビームと比較して、各スポットビームは、ターゲット領域により多くの電力を供給することができる。このようにして、衛星トランスポンダがどのバンド（Cバンド、Kバンド、KA帯）に作用しても、スペクトルを最適に利用することができる。干渉と信号損失のリスクを低減するために、隣接するビームの周波数が互いに近接しないようにスポットビーム配置を行う。スポットビーム周波数分離と衛星フラックスとの間には以下のようなトレードオフがある。この概念は、数百個のアクティブアンテナ素子とビームフォーミングユニットが異なる場所における複数のビームを提供するMMIMOのデータレートと容量増加との関係に類似している。しかし、この概念は空間ダイバーシチとは大きく異なり、地上MMIMO方式ではビーム数を増やすことで同一チャネル干渉を低減する場合、衛星が存在する環境は散乱に富んでいないので、同一チャネル干渉が懸念される。問題この問題は、「四色」周波数多重化（FR 4）によって軽減することができる。隣接するビームは、異なる偏光方向を有する非交差周波数を通じて直交性を達成する。一般に、この直交性はユーザ端末に保持される。

マルチキャスト

HTS技術には、マルチキャスト機能が本質的にあります：1000台のユーザーに送られるメッセージは一度だけ送られなければなりません。地上無線サービスと比較して，HTS技術は以下の特徴を有する長いチャンネルコードは、雑音を克服することができます;送信信号には複数のユーザの情報が含まれている。加えて、この技術の対応するフレームはDVB - S 2 Xフレーミングプロトコルによって符号化されて、ユーザーのグループによって、解読されることができて、それによって、マルチキャストトランスミッション6を実現できる。このように、放送コンテンツを受信するより多くのデバイスは、より多くの帯域幅を保存することができます。マルチキャストサービスの例は、ビデオ会議です：各々の参加者は、他のすべての参加者（例えば、マルチポイント-多点）のためにマルチキャスト源を作ります。マルチキャストサービスは地上システムのための高帯域消費の源である傾向があるが、それはHTSのために比較的問題ではない。

スペクトルシフトアップ

最近開始されたHTSはKaバンドトランスポンダを使用する。周波数シフトの目的は、より大きな帯域幅を得るために、より多くのスポットビームを得ることである。次世代の衛星は、TB / Sレベルの容量を提供するので、QバンドとVバンドを使用して、より大きなユーザトラフィックの集積を達成し、カバレッジ領域における何千ものスポットビームを使用する必要があるかもしれない。

Low低レイテンシ

LEO衛星ネットワークは、単一の地理衛星が達成できない機能を提供することができます。LEOの主な利点は：LEO衛星は遅延を減らすことができますLEO衛星ネットワークはより大きなカバレッジを達成できる。地理衛星の高度は約36000 kmであり、エンドツーエンド伝搬遅延は280 msであるMEO衛星の高度は10000 km、遅れは90 msですLEO衛星の高度は350〜1200 kmであり、遅延は6〜30 msである。LEO衛星の低レイテンシは、限られた低遅延5 Gサービスをサポートすることができるだけであるが、ほとんどの低レイテンシ5 Gサービスの同期チェーンは、非常に小さい往復遅延と対応するタイミングエラーを必要とする（表1）。

ユビキタスグローバルカバレッジでは、Leo衛星ネットワークはMMTCアプリケーションのための最良の選択になります。高スループットジオ衛星は、周波数再利用機能を有するスポットビーム構造を介して所定の領域にサービスを提供することができるが、十分な地上インフラストラクチャを有する限り、LEO衛星ネットワークはまた、全体的なカバレッジを達成することができる。世界初のレオ衛星ネットワークイリジウムは1998年の打ち上げ直後に破産宣言した。しかし、衛星ネットワークは10年以上の間、低いデータ・レート・サービスを提供していて、衛星の新しい世代を通してアップグレードされました。

LEO衛星ネットワークの動作は、デジタルペイロード、アドバンスト変調、周波数再利用、高電力密度GaN電力増幅器（PA）、およびビームアジャイルアクティブフェーズドアレイを含む様々な技術によって容易にされる。

レオコミュニケーション

LEO衛星ネットワークは衛星に地上を含む, ground-to-ground station (G2G), satellite-to-satellite (S2S), 衛星と地上ラウンドロビン通信. これらの物理的なリンクは、地上から衛星へのリンクと衛星間のリンクに分けられる. The communication between satellite and satellite and between ground station and ground station is another difference between LEO and HTS PCB. LEO衛星通信網はユーザ間のデータ伝送の厳密な制御を達成できる, control terminals and telemetry terminals (such as status, 診断, configuration).

宇宙での固定位置を維持するジオとは異なり、LEO衛星は地上部を非常に速い速度で通過させるので、ある地域の一貫したカバレッジを達成するために複数の衛星が必要となる。その中で、地上局は機械的走査反射鏡アンテナまたは高い利得と高い指向性を有する能動フェーズドアレイアンテナを通して複雑なスイッチングを行う必要がある。ステータスが更新されるとき、G 2 Gリンクのサポートによって、衛星とユーザの間のビームホッピングは対応する基盤なしで遠い地域に達することができます。さらに、カメラとセンサーを備えた衛星は、互いの5との緊密な調整を通してスペース迷惑を追跡することができます。

オンボード処理

高スループットgeoとleo衛星のために，衛星スループットを増加させるために，衛星アーキテクチャを調整する必要がある。主なアーキテクチャ調整は、以前の推進トポロジーを再生トポロジーに変えることです。