Термин NTN (Non-Terrestrial Networks), неназемные сети, относится не только к спутниковой связи. На самом деле это относится к развертыванию любой неназемной сети с использованием внеземных компонентов NT (Non-Terrestria): спутников, аэростатов, самолетов или беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Сети NTN обеспечивают связь в районах, где наземные сети TN (Terrestrial Network) имеют сложности в развертывании, образуя гибридные сети. О необходимости развития гибридных сетей спутниковой и сотовой связи говорится в Стратегии развития телекоммуникационной отрасли до 2030 г. Ключом к открытию этих новых услуг внеземной сети 5G (NTN) является объединение наземных и неземных услуг путем повторного использования существующих опорных сигналов, существующих функций базовой сети 5G и форм-фактора сотовой трубки [1].
Целью работы является исследования особенностей создания сетей NTN и гибридных сетей NTN+TN на этапах стандартизации технических параметров и диапазонов частот для сетей NTN в релизах 3GPP 16–18, рассмотрение организации работ по выбору диапазонов частот NTN Администрацией связи России.
Материалы и методы исследования
При проведении научного обзора применяются теоретические (анализ, синтез) и логические методы (факты и умозаключения) исследований.
В техническом отчете Rel.16 3GPP спецификации TS 38.821 [2] платформы NTN определяются с точки зрения спутников, находящихся на различных орбитах, включая платформы HAPS (High-Altitude Platform Station) в виде аэростатов.
Неназемные сети NTN обычно относятся к сетям связи, которые не зависят исключительно от традиционной наземной инфраструктуры и используют различные неземные технологии и платформы для обеспечения подключения. Вот несколько ключевых элементов и примеров NTN:
− Спутниковые сети: Спутники на геостационарной орбите или на более низких околоземных орбитах (LEO) обеспечивают широкополосный доступ в Интернет, телекоммуникационные услуги и передачу данных в отдаленные и недостаточно обслуживаемые районы.
− Высотные платформы HAPS: на больших высотах в атмосфере Земли, такие как стратосферные воздушные шары или беспилотные летательные аппараты на солнечной энергии. Они могут служить ретрансляционными станциями для беспроводной связи.
− Воздушные платформы: В некоторых решениях NTN используются БПЛА (беспилотные летательные аппараты), оснащенные коммуникационным оборудованием, для создания временных сетей связи, особенно в районах, пострадавших от стихийных бедствий, или во время мероприятий, где традиционной инфраструктуры недостаточно.
− Гибридные подходы: Некоторые решения NTN сочетают в себе различные технологии, такие как комбинация спутников и высотных платформ, для расширения покрытия сети и повышения надежности.
На рисунке представлены варианты архитектуры NTN, классифицированные по роли внеземного компонента NT в общей коммуникационной цепи наземной сети TN: на (а) платформа NT в качестве пользователя; на (б) в качестве ретранслятора для обратной транспортировки трафика; на (в) в качестве ретранслятора для конечных пользователей; на (д) в качестве базовой станции [3].
В спецификации TR 21.917 релизе Rel.17 3GPP [4] описаны требования для спутниковой связи 5G. 3GPP разделяет спутники по типу орбит и платформ: низкоорбитальные LEO (Low-Earth Orbit) с орбитой от 300 до 2000 км; среднеорбитальные MEO (Medium-Earth Orbit) с орбитой от 8000 до 20000 км и геостационарные GEO (Geostationary Earth Orbit) с высотой орбиты 35786 км. В табл. 1 представлены характеристики таких спутниковых платформ. Системы GEO и БПЛА используются в основном для обеспечения регионального или местного покрытия, при этом радиолучи, как правило, остаются фиксированными по отношению к мобильному устройству или устройству. Платформы LEO (низкая околоземная орбита) и MEO (средняя околоземная орбита) могут использоваться для предоставления услуг как в Северном, так и в Южном полушариях, однако эти спутники и связанные с ними радиолучи будут перемещаться относительно мобильного телефона или устройства по мере того, как они вращаются вокруг Земли [4].
Неназемные сети имеют два направления сценария услуг: NTN-IoT и NTN-NR. В устройства (смартфоны, носимые устройства и автомобили) могут встраиваться чипсеты NTN NB-IoT для реализации экстренного вызова и двунаправленной передачи сообщений в регионах, не имеющих доступа к наземным сетям TN. Возможность отслеживания ценных ресурсов (например, грузовые контейнеры или транспортные средства) при их транспортировке в районах с ограниченным доступом к сотовым сетям связи.
Таблица 1
Характеристики спутниковых платформ
|
Тип орбиты |
Угол места 90° |
Угол места 10° |
Максимальная односторонняя задержка от телефона до шлюза, мс |
||
|
Расстояние до спутника (высота орбиты), км |
Задержка сигнала от телефона/шлюза до спутника, мс |
Расстояние до спутника, км |
Задержка сигнала от телефона/шлюза до спутника, мс |
||
|
LEO |
600 |
2 |
1932 |
6 |
12 |
|
MEO |
8000 |
27 |
11826 |
39 |
79 |
|
GEO |
35786 |
119 |
40586 |
135 |
271 |
Варианты архитектуры NTN, классифицированные по роли компонента NT в общей коммуникационной цепи наземной сети
Технология NTN-NR расширяет спектр возможностей неназемных сетей за счет предоставления аналогичных сервисов, как NTN-IoT, но в значительно более крупных масштабах. Неназемные сети повышают надежность и интенсивность использования фиксированного беспроводного доступа 5G FWA, упрощенный роуминг 5G, эффективно выполнять функции транспортной сети для сетей 5G.
Результаты исследования и их обсуждение
Релиз Rel.17 3GPP был посвящен реализации неназемных сетей в 5G, тогда как Rel.18 3GPP включает в себя обновления: усовершенствования NTN-IoT, а также добавление в NTN-NR новых частот, сервисов и моделей трафика [5, с. 42].
Спецификация 3GPP TS 38.108 и TS 37.340 [6] устанавливает минимальные ВЧ-характеристики и требования к производительности спутниковых узлов доступа NR (SAN) в сетях 5G. Она гарантирует, что узлы SAN соответствуют требованиям действующих стандартов для обеспечения надежной и эффективной связи через каналы спутниковой связи, путем определения следующих параметров: мощность передачи, чувствительность приемника, диапазон частот, схемы модуляции и полосы пропускания каналов. Сценарии аттестационных испытаний ВЧ-характеристик для спутниковых узлов доступа определены в спецификации 3GPP TS 38.181.
Согласно стандарту Международного союза электросвязи ITU-T G.107, минимальная односторонняя задержка (от одного абонента до другого), которую абонент может заметить при телефонном разговоре, составляет около 100–150 мс [7]. 3GPP специфицирует спутниковую связь для мощности передатчика абонентского устройства UE класса 3 (излучаемая мощность 23±2 дБм или 200 мВт) в S-диапазоне (2ГГц) c ненаправленной антенной [8]. Cпецификации 3GPP TS 31.102 и TS 23.122 требуют SIM-карту для системы NTN с поддержкой «satellite NG-RAN» [9].
В ходе проведения в феврале 2024 г. Всемирного ежегодного мобильного Конгресса и выставки MWC 2024 был учрежден альянс, который инициирован ассоциациями GSMA (Ассоциация операторов мобильной связи) с GSOA (Глобальная ассоциация спутниковых операторов) с целью содействия интеграции наземных и неназемных (NTN) сетей. GSA (Глобальная ассоциация поставщиков мобильной связи) тоже планирует присоединиться. GSA в 2023–2024 гг. зарегистрировала 13 организаций, которые в настоящее время планируют запустить услугу «Спутник – мобильный телефон».
Мировой опыт стандартизации применения диапазонов частот для NTN
Спецификации 3GPP Release 18 в настоящее время не определяют огромный список поддерживаемых частотных диапазонов для доступа к спутниковым устройствам 5G NTN. В табл. 2 показаны основные диапазоны частот NTN. В NTN FR1 (диапазон частот 1), охватывает диапазон от 410 до 7125 МГц. Для спутниковой связи в релизе Rel.17 3GPP спецификациями TS 38.108 и TS 38.133 выделялись специальные частотные поддиапазоны n256 и n255. Они образуют предложение диапазона 5G NTN для L-диапазона и S-диапазона, что соответствует существующей терминологии спутникового диапазона. Напротив, NTN FR2 (диапазон частот 2) охватывает диапазон от 17300 до 30000 МГц и является частью спутникового диапазона Ka. Что касается 5G NTN, то в настоящее время предлагается три спутниковых диапазона FR2 NTN: n510, n511 и n512.
Как и многие каналы связи Ka-диапазона, нисходящий диапазон (спутник – наземная станция) является нижней частотой.
Таблица 2
Диапазоны частот 3GPP для систем NTN
|
Стандартизированные диапазоны частот 3GPP для сетей NTN |
Uplink (от наземного терминала к спутнику) |
Downlink (от спутника к наземному терминалу) |
|
|
3GPP NTN FR1 (L и S диапазоны) |
n256 (FDD) |
1980–2010 МГц |
2170–2200 МГц |
|
n255 (FDD) |
1626,5–1660,5 МГц |
1525–1559 МГц |
|
|
3GPP NTN FR2 (Ка диапазон) |
n510 (FDD) |
27,5–28,35 ГГц |
17,7–20,2 ГГц |
|
n511 (FDD) |
28,35–30,0 ГГц |
17,7–20,2 ГГц |
|
|
n512 (FDD) |
27,5–30,0 ГГц |
17,7–20,2 ГГц |
|
Выбор диапазона связан с различными нормативными требованиями в разных странах, например, диапазон n512 применим в странах Европы, на которые распространяются решения CEPT (Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций) ECC (Комитет по электронным коммуникациям) Европы. Диапазоны n511/n512 применимы в США и регулируются различными правилами FCC (Федеральной комиссии по связи США).
Предложения по диапазонам частот NTN Администрации связи России
Согласно Плану подготовки Администрации связи Российской Федерации к Всемирной конференции радиосвязи 2027 г. (далее ВКР-27), утвержденному ГКРЧ России от 29.03.2024 № 24-72-03, пунктом 1.7 повестки дня ВКР-27 в соответствии с Резолюцией 256 (ВКР-23) [10, с. 499] ставится задача рассмотреть результаты исследований совместного использования частот и совместимости для использования Международной подвижной электросвязи (IMT) в полосах частот 4400–4800 МГц, 7125–8400 МГц (или ее частях) и 14,8–15,35 ГГц с учетом существующих первичных служб, работающих в тех же самых и соседних полосах частот. Полосы частот 4400–4800 МГц и 7125–8400 МГц будут рассматриваться для наземных сетей TN 5G/6G. Полоса частот 14,8–15,35 ГГц будет рассмотрена для неземных сетей 5G NTN. Согласно пункту 1.13 повестки дня ВКР-27, в соответствии с Резолюцией 253 (ВКР-23) [10, с. 490] ставится задача рассмотреть результаты исследования возможных новых распределений подвижной спутниковой службе (ПСС) для прямого подключения между космическими станциями и пользовательским оборудованием Международной подвижной электросвязи (IMT) в дополнение к покрытию наземных сетей IMT 5G-Advanced/6G. Новые распределения ПСС возможны в полосах частот 2010–2025 МГц (Земля – космос) и 2160–2170 МГц (космос – Земля) в районах 1 и 3 и в полосе частот 2120–2160 МГц (космос – Земля) во всех районах 1–3 в соответствии с Резолюцией 254 (ВКР-23) [10, с. 493], и это будет рассмотрено пунктом 1.14 повестки дня ВКР-27.
Заключение
Системы 5G и более поздние версии будут все больше и больше полагаться на внеземные компоненты NTN для предоставления своих услуг. Это связано с их уникальными возможностями по расширению зоны покрытия в районах, где наземная инфраструктура недоступна или экономически неэффективна, а также с их дополнительной ролью в разгрузке важной части трафика, особенно в сильно перегруженных районах. Высотные платформы и спутники могут обеспечивать прямую связь на линии прямой видимости, потенциально сокращая задержки и повышая скорость передачи данных. Спутники LEO могут обеспечивать меньшую задержку из-за их большей близости к Земле. Для эффективного распределения ресурсов спектра между наземными и внеземными системами могут быть использованы механизмы динамического распределения спектра. Рабочая группа ГКРЧ во главе с НИИР рассматривает предложения по выбору полос частот для построения гибридных сетей NTN+TN на территории Российской Федерации.