introduction

Avec le développement rapide de l'Internet mobile et la popularisation et l'application des équipements terminaux intelligents, les gens mettent en avant des exigences plus élevées en matière de débit de communication mobile. Le système de communication mobile de cinquième génération (5g) vise à fournir un débit de pointe de 10 Gbit/s à 20 Gbit/s et un taux d'expérience utilisateur de 100 Mbit/s à 1 Gbit/s pour répondre aux besoins commerciaux les plus riches. La 5g peut être largement utilisée dans les zones densément peuplées en raison de sa grande capacité de service de communication sans fil, de ses nombreux services et de son haut débit. Il est cependant difficile d'exploiter pleinement ses avantages dans les zones peu peuplées ou dans les zones où il est difficile de réaliser des réseaux terrestres. Par rapport au réseau de communication mobile terrestre, le système de communication par satellite présente principalement des avantages incomparables tels qu'une large couverture, une grande capacité de communication, un faible impact sur le terrain, une grande flexibilité et peut s'adapter à une variété de services. Par conséquent, le satellite peut être utilisé pour couvrir des zones peu peuplées ou des zones où il est difficile d'établir un réseau au sol, formant une bonne complémentarité avec le réseau au sol, afin de réaliser une véritable couverture mondiale et de fournir des services de communication indifférenciés aux utilisateurs mondiaux.

En fait, l’application des communications par satellite est antérieure à la construction des communications cellulaires terrestres sans fil. Le premier système de communication par satellite commercial au monde a été lancé et exploité par l'organisation internationale de communication par satellite (intersat) en 1965.Le système satellite et la première génération de système de communication cellulaire sans fil au monde ont commencé à être construits dans les années 1980.Au cours des dernières décennies, les systèmes de communication par satellite mis en service au niveau international incluent non seulement INMARSAT, Thuraya et viasat en orbite géostationnaire, mais également iridium, global star et orbcom en orbite terrestre basse.Surtout depuis 2015, on a assisté à une recrudescence de la construction de constellations de communication Internet Leo, telles que oneweb et Starlink, qui ont suscité beaucoup d'attention.L'intégration du système de communication par satellite et du système de communication sans fil au sol est redevenue la direction du développement d'une démonstration approfondie dans le monde.

01État de la recherche sur la fusion satellite et 5g

Au début du 21e siècle, les opérateurs ont fait entrer la communication par satellite sur le marché grand public en obtenant l'autorisation d'établir un réseau de communication hybride au sol par satellite et en ajoutant un composant auxiliaire au sol (ATC) ou un composant supplémentaire au sol (CGC) afin d'étendre le réseau de communication par satellite. . ATC fait référence à une station de base auxiliaire au sol pour les communications mobiles par satellite. Le satellite et un grand nombre de stations de base ATC sont combinés pour obtenir une couverture transparente sur une vaste zone, de sorte qu'il puisse être utilisé pour résoudre le problème de la communication par satellite.Dans les villes avec des immeubles de grande hauteur et une mauvaise couverture intérieure, mais certains problèmes sont également impliquésProblèmes complexes, tels que le multiplexage de fréquences des stations de base satellite et ATC, le transfert et le contrôle de coordination des systèmes terrestres et aériens.

Avec la maturité croissante de la technologie 5g, l’intégration de la 5g et du satellite a attiré une grande attention au pays et à l’étranger. Les organismes de normalisation tels que l'Union internationale des télécommunications (UIT) et le Programme de partenariat de troisième génération (3GPP) ont investi beaucoup d'énergie dans la démonstration technique du système 5g intégré par satellite.

1) En 2016, l'Union internationale des télécommunications a proposé que « le réseau de communication mobile de nouvelle génération réponde à la demande selon laquelle les utilisateurs peuvent accéder aux services à tout moment et en tout lieu » et a lancé l'itu-rm. [NGAT] dans le domaine de la technologie d'accès par satellite_ Pour la recherche de la norme SAT, quatre scénarios d'application typiques sont proposés pour l'intégration au sol par satellite, y compris le service de transmission relais à large bande, le service de retour et de distribution de données, le service de communication mobile à large bande et le service multimédia hybride, ainsi que illustré dans la figure ci-dessous, et les caractéristiques clés pour prendre en charge les applications ci-dessus sont définies. En outre, l'UIT a également activement encouragé les travaux sur l'utilisation des fréquences des satellites et de la 5g et a mené une série d'analyses de partage du spectre et de compatibilité électromagnétique entre les satellites et la 5g.

Figure 1 : quatre scénarios d'application du système de fusion au sol par satellite proposés par l'UIT

2) Le programme de partenariat de troisième génération (3GPP) a démontré les avantages de la communication par satellite sur le système de communication mobile au sol depuis la publication de la norme 14 en 2017. Dans le rapport technique tr22.822 publié fin 2017, le groupe de travail 3GPP SA1 a défini trois les principales technologies d'utilisation de l'accès par satellite en 5g : service continu, service ubiquitaire et service étenduCas d'utilisation et discute des exigences des services nouveaux et existants. À l'heure actuelle, le 3GPP s'appuie principalement sur le projet de recherche appelé « réseau non terrestre (NTN) » pour mener des recherches sur le scénario de déploiement et la conception de l'interface aérienne des communications par satellite en 5g.

3) En juin 2017, l'alliance sat5g (réseau satellite et terrestre pour la 5g) a été créée en Europe. Ses membres comprennent BT, SES, Avanti, l'Université de Surrey et d'autres entreprises et instituts de recherche européens, visant à fournir à la 5g une solution satellite rentable et prête à l'emploi et à offrir des opportunités de marché de croissance durable pour la chaîne industrielle des satellites. La conférence européenne sur les réseaux et la communication 2018 s'est tenue à Ljubljana, en Slovénie. Lors de la conférence, cinq membres de sat5g ont démontré l'intégration de l'architecture de réseau satellite et 3GPP, notamment VT IDI rect et SES.

Figure 2 Scénario d'application du satellite 5g donné par sat5g

4) Afin d'atteindre l'objectif de croissance de capacité de 1000x proposé par le système 5g, le Sansa (réseau de liaison terrestre par satellite à accès partagé activé par smart antenne) lancé dans le cadre du programme H2020 de l'UE vise à fournir une bonne solution de liaison de retour pour les futurs systèmes de communication sans fil à haute capacité. Le projet Sansa propose des liaisons intelligentes à faible surcoût antenne technologie de formation de faisceaux, technologie de gestion dynamique des ressources sans fil intelligentes pour le réseau sans fil intégré au sol par satellite, technologie de partage de spectre dynamique basée sur l'assistance de base de données et effectue des travaux de recherche approfondis.

02Technologies clés de la fusion satellite 5g

En raison des différences entre les communications par satellite et les communications sans fil au sol en termes de distance de propagation, de couverture et de capacité de puissance, la réalisation de l'intégration profonde des deux se heurte à des défis inévitables. Ce qui suit analyse les technologies clés de l'intégration du satellite 5g sous cinq aspects : l'architecture, la couverture du faisceau, la forme d'onde de l'interface radioélectrique, le partage du spectre et le contrôle du réseau.

architecture 2.1

Dans l’architecture d’intégration du satellite 5g, la constellation de satellites hybrides en orbite haute-basse est prise en compte. Dans le même temps, la conception de la bande de fréquences de communication comprend également une bande basse fréquence (telle que les bandes l et s) et une bande haute fréquence (telle que les bandes Ku et Ka), en tenant compte des exigences des vitesses moyennes et basses. et les services de transmission à large bande. La zone de couverture satellite se déplace avec le mouvement du point sous-satellite et l'utilisateur final bascule entre différentes cellules.

La chaîne inter-satellites de la constellation de satellites LEO est composée de liaisons laser ou micro-ondes, et plusieurs satellites sont interconnectés pour former un réseau de communication spatiale avec des satellites comme nœuds de commutation. La constellation est généralement conçue par constellation en orbite polaire, car il existe une relation de position relative relativement stable entre les satellites sur des plans orbitaux adjacents (à l'exception de la région polaire ou du créneau inversé), ce qui est propice au maintien des liaisons inter-satellites et à la réalisation d'une couverture à haute latitude. De plus, le service de liaison de transmission par satellite atterrit à la station passerelle, qui réalise l'interconnexion entre le réseau satellite et le PSTN terrestre, le PLMN et Internet. Ces opérations sont réalisées dans les bandes de fréquences Ka ou Q/V.

À l’heure actuelle, il existe trois architectures principales de réseau de fusion au sol par satellite. Le premier est le réseau complémentaire terrestre par satellite. Dans cette architecture, le système 5g et le système satellite partagent le centre de gestion du réseau, mais leur réseau d'accès et leur réseau central restent indépendants. Le réseau d'accès et certaines fonctions du réseau central sont assurés par la station passerelle satellite, et un ou deux modes d'accès cellulaire et satellite sont pris en charge par le terminal. Le deuxième est le réseau hybride terrestre par satellite. Dans cette architecture, le système sol et le système satellite partagent le centre de gestion du réseau, et la partie interface aérienne est unifiée autant que possible pour maintenir l'indépendance de leurs réseaux centraux et bandes de fréquences respectifs. Le terminal peut prendre en charge deux modes d'accès : terrestre et satellite. Le troisième est le réseau intégré par satellite au sol. Ses principales caractéristiques sont les suivantes : le point d'accès (AP), la fréquence, le réseau d'accès et le réseau central de l'ensemble du système sont une planification et une conception complètement unifiées. Il convient de souligner que le réseau intégré au sol par satellite constitue l'étape la plus élevée du système de communication intégré au sol par satellite, qui est confronté à de grands défis techniques.

Couverture du faisceau 2.2

Dans le système de communication mobile intégré au sol par satellite, en ajustant son faisceau ponctuel et ses ressources sans fil, il fournit des services voix et données dépassant la capacité prédéterminée pour les points chauds. Cette fonction flexible est réalisée par la technologie de formation de faisceau numérique (DBF). À l'heure actuelle, la technologie de formation de faisceau numérique de communication par satellite comprend principalement le DBF terrestre, le DBF spatial et le DBF hybride. Parmi eux, le DBF numérique hybride présente un bon compromis entre performances et complexité et a été largement étudié. Lorsque le DBF hybride est adopté, le centre de contrôle du réseau terrestre calcule la matrice de formation de faisceau optimisée en fonction des exigences de réglage du faisceau et des stratégies correspondantes, puis envoie les paramètres de la matrice de formation de faisceau au satellite via la liaison d'alimentation. Grâce à la reconstruction de faisceaux multiples antenne sur le satellite, la couverture du faisceau au sol est ajustée de manière dynamique.

Il existe deux principaux types de transfert provoqués par la mobilité du satellite ou du terminal : le premier est le transfert au sein du système satellitaire. Pour les satellites LEO, leur position relative au sol évolue rapidement, de sorte que le terminal est couvert en permanence par le même satellite pendant seulement plus de dix minutes. Par conséquent, afin d'éviter la perte de données lors de la commutation, la commutation entre satellites ou entre faisceaux doit être préparée à l'avance et mise en œuvre rapidement. L’autre est la commutation du terminal entre le réseau terrestre 5g et le réseau satellite. Ce transfert doit prendre en compte la prise en charge du traitement embarqué et de l'architecture de transfert transparente, de la synchronisation temporelle, des mesures et de la coordination des informations. Lorsque le signal du réseau cellulaire est très faible, le terminal basculera du réseau cellulaire vers le réseau satellite, sinon il maintiendra l'accès au réseau terrestre.

2.3 Forme d'onde du port aérien

Le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) reste le système de transmission de base du système 5g, mais les interférences inter-porteuses (ICI) dégraderont sérieusement les performances du système. En effet, la technologie de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence est très sensible au décalage de fréquence, et la diaphonie entre les sous-porteuses provoquée par le décalage de fréquence dégradera les performances de communication. Afin de résister efficacement à l'influence du décalage de fréquence résiduel sur les performances du système, le schéma de conception de bande passante variable de sous-porteuse peut être adopté. Pour la bande L avec une bande de fréquences étroite, étant donné que le débit de code du service vocal pris en charge est aussi faible que 2.4 kbps, une conception de sous-porteuse de 15 KHz ou plus étroite doit être adoptée. Dans la bande Ka, la largeur de sous-porteuse pouvant être utilisée est grande. En effet, les utilisateurs surfent souvent sur Internet avec le haut débit et l'angle d'élévation minimum est grand, ce qui peut réduire efficacement l'influence de l'effet Doppler.

De plus, l’accès multiple non orthogonal (noma) supporté par la 5g n’oblige pas chaque utilisateur à monopoliser les ressources. Les utilisateurs peuvent envoyer et recevoir simultanément des informations sur des ressources non orthogonales. Sur la base d'une détection conjointe multi-utilisateurs, les interférences mutuelles entre utilisateurs peuvent être évitées au moyen d'un traitement de signal. Par rapport à la méthode d'accès orthogonale traditionnelle, l'application de la technologie noma peut améliorer l'efficacité spectrale de plus de trois fois. À l'heure actuelle, la puce Noma pour le système terrestre 5g a été développée et popularisée. La technologie Noma utilise la complexité en échange de l'efficacité spectrale, ce qui signifie également qu'elle sera difficile à appliquer aux scénarios de communication par satellite en orbite géostationnaire (GEO) à long délai, car un grand nombre d'interactions de signalisation sont utilisées pour contrôler dynamiquement les paramètres d'accès des utilisateurs. Par la suite, des recherches techniques seront menées sur la technologie Noma dans les communications par satellite.

2.4 partage du spectre

Qu'il s'agisse de communications par satellite ou de systèmes de communications mobiles terrestres, le manque de spectre disponible est devenu un problème urgent à résoudre. En particulier, les communications par satellite et les communications terrestres ont donné lieu à une concurrence féroce pour les ressources spectrales. Par exemple, les bandes C et Ka utilisées par les systèmes de communication par satellite depuis de nombreuses années ont été autorisées à mettre à la terre le système 5g par l'UIT. La situation de concurrence en matière de spectre entre les deux comprend :

1) Bande Ka : afin de répondre à la demande croissante de débit d'utilisateurs et de capacité du système, la 5G et les communications par satellite espèrent adopter la bande Ka ou même la bande d'ondes millimétriques. Par exemple, la conférence mondiale des radiocommunications 2019 (wrc-19) utilisera globalement l'identification du spectre avec une bande passante totale de 14.75 GHz de 24.25 GHz à 27.5 GHz, 37 GHz à 43.5 GHz et 66 GHz à 71 GHz pour la 5G et les futurs réseaux mobiles internationaux. systèmes de communication; La FCC des États-Unis a autorisé la mise à la terre des bandes de fréquences 27.5 GHz-28.35 GHz et 37 GHz-38.6 GHz, et ces bandes de fréquences chevauchent les bandes de fréquences utilisées par les systèmes de communication par satellite.

2) Bande C 3 GHz-6 GHz : de nombreux pays ont proposé d'utiliser la bande C comme bande candidate pour le système 5G, notamment la Chine, l'UE, le Japon et la Corée du Sud. Cependant, en Asie, la Chine, le Vietnam, la Malaisie et d'autres pays ont construit un grand nombre de systèmes de communication par satellite dans cette bande de fréquences, et il est difficile de coordonner l'utilisation de la bande de fréquences C pour le système terrestre 5g.

Une allocation optimale grâce à une planification collaborative par satellite au sol peut améliorer l’utilisation efficace des ressources de fréquence. En construisant le système de détection de spectre commun par satellite au sol, le partage du spectre entre les systèmes de communication par satellite au sol peut être réalisé et l'efficacité d'utilisation du spectre peut être améliorée. Par rapport aux réseaux de communication sans fil terrestres, il est plus difficile pour les utilisateurs cognitifs de détecter tout le spectre dans leur environnement réseau, en raison de la large couverture des communications par satellite. La mise à jour rapide de la base de données spectrales, la formation de faisceaux, la précision de la détection spectrale et la description de la région cognitive sont les axes de recherche de cette technologie. En outre, du point de vue de l'intégration des ressources, une planification et une conception unifiées des communications cellulaires et des communications par satellite pour résoudre les interférences par le biais du « partage du spectre », de sorte que la promotion du partage et de l'utilisation des ressources de fréquence puisse fournir une base compatible pour une intégration approfondie. du système de communication par satellite et du système 5g.

2.5 contrôle du réseau

La réalisation du découpage du réseau de bout en bout grâce aux technologies SDN et nfv est la principale caractéristique du cloud de contrôle de réseau dans le système 5g. Les technologies SDN et nfv réalisent respectivement la séparation du support et du contrôle du réseau et du logiciel des éléments du réseau central. Ils fournissent une base solide pour la réalisation du découpage de réseauLe fondement de la réalité.

Lorsque le système de communication par satellite est profondément intégré au sol 5g, la fonction de contrôle et la fonction de transfert du réseau central par satellite peuvent être séparées pour simplifier davantage la fonction de transfert. Afin de répondre aux exigences de transmission d'un trafic élevé et d'une planification flexible et équilibrée de la charge de trafic, la capacité de stockage et de calcul du service peut être déplacée du centre du réseau vers la périphérie du réseau.

Afin de prendre en charge l'intégration avec le sol, en plus des neuf fonctions de réseau du 3GPP fournissant des fonctions de service de base, des fonctions d'interconnexion non-3GPP et des fonctions de plan utilisateur doivent être ajoutées au plan utilisateur du réseau central de satellite 5g.

03Défis et orientations de recherche de la fusion satellite 5g

Bien que de nombreux progrès aient été réalisés dans l’intégration de la 5g par satellite, de nombreux défis techniques seront relevés pour véritablement concrétiser la belle vision de l’intégration de la 5g par satellite. Il existe de nombreux défis communs dans le domaine des satellites et des terres. Ci-dessous, nous énumérons les principaux défis techniques et les futures orientations de recherche.

1) Défis du système de transmission : dans la transmission par réseau intégré au sol par satellite, le décalage de fréquence Doppler, la gestion des fréquences et les interférences, la limitation de puissance et l'avance temporelle sont des problèmes urgents à résoudre. Pour le décalage de fréquence Doppler, 5g adopte l'OFDM multiporteuse dans le système de transmission, et sa conception d'espacement des sous-porteuses ne prend pas en compte l'influence d'un décalage de fréquence Doppler important, qui entraînera des interférences entre les sous-porteuses. En termes de limitation de puissance, il garantit l’utilisation de la bande haute fréquence et réduit le rapport crête/moyenne du signal. Enfin, en ce qui concerne l'avance temporelle, la modification rapide du délai de transmission de la liaison sans fil peut conduire à la nécessité de mettre à jour dynamiquement chaque avance temporelle du terminal pour assurer la synchronisation de toutes les transmissions montantes.

2) Défis de gestion de l'accès et des ressources : compte tenu du long retard du réseau intégré au sol par satellite, cela pose des défis au contrôle d'accès, au HARQ, à l'ARQ et à d'autres processus de la couche MAC et de la couche RLC. En termes de contrôle d'accès, afin de soutenir l'intégration efficace de la 5G et du satellite, il est nécessaire de concevoir des mécanismes d'accès raisonnables tels que la pré-autorisation, la planification semi-continue et l'autorisation gratuite. Pour HARQ, le temps aller-retour dépasse généralement la durée maximale du minuteur HARQ. Le processus HARQ a des exigences strictes en matière de temps. Dans le processus de planification des couches MAC et RLC, le long délai du système satellite affectera également la rapidité de la planification, de sorte que ses paramètres de délai de planification doivent être ajustés.

3) Le défi de la gestion de la mobilité : dans le réseau satellitaire intégré au sol, le défi de la gestion de la mobilité est plus sévère. Selon le niveau de communication, il peut être divisé en transfert au niveau du réseau et transfert au niveau du lien. Selon le scénario d'application, il est divisé en transfert de cellules au sol, transfert de cellules par satellite et au sol, transfert de cellules par satellite et transfert entre satellites. Ce problème a été exploré, mais il nécessite des recherches plus approfondies.

04Conclusion

Les systèmes de communication par satellite et de communication cellulaire terrestre ont connu près de trois décennies de développement et ont réalisé de brillants résultats. Cependant, en raison de leurs limites inhérentes, il est difficile de répondre à la demande croissante de communication mobile et d'interconnexion massive de données. Au cours des dernières années, avec le développement rapide de la technologie de l'Internet des objets, le futur système de communication sans fil sera confronté à la transformation de « personnes à personnes » en « personnes à choses » et « choses à choses », afin de réaliser une communication et une interconnexion omniprésentes. de toutes choses. Grâce au développement intégré des communications par satellite et des communications cellulaires terrestres, la réalisation d'avantages complémentaires ouvrira la voie à de nouvelles opportunités de développement. Cet article présente et discute de l'état de développement, des technologies clés et des défis de la communication par satellite et de l'intégration de la 5G, dans l'espoir de fournir une référence et une référence pour le développement de cette technologie.

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