Технология Direct-to-Cell (DTC)

Введение в неназемные сети (NTN)

Имеющаяся на сегодня инфраструктура неназемных сетей характеризуется четырьмя парадигмами, каждая из которых отражает особую технологическую и историческую концепцию.

• Спутниковая связь не-3GPP: в рамках реализации сервисов неназемных сетей на ранней стадии сотрудничество между операторами спутниковых сетей, производителями устройств и поставщиками инфраструктуры привело к целенаправленному усовершенствованию пользовательского оборудования. Таким образом удалось реализовать, например, базовые услуги передачи экстренных сообщений по спутниковой связи на серийно выпускаемых смартфонах.
• 5G IoT-NTN: технология IoT-NTN, представленная в выпуске 17 и расширяемая в последующих выпусках, обеспечивает спутниковую связь для приложений с низким энергопотреблением и большой протяженностью.
• 5G NR-NTN: в выпуске 17 консорциум 3GPP формально внедрил неназемные сети в стандарт 5G New Radio (NR). Это обширное перспективное решение получило дальнейшее развитие в последующих выпусках. Для него требуются изменения на стороне сети и пользовательского оборудования, поэтому данная концепция рассматривается как средне- и долгосрочный план развития неназемных сетей. В длительной перспективе технология NR-NTN должна стать фундаментом для перехода на архитектуры 6G.
• Связь Direct-to-Cell (DTC): технология DTC представляет собой прагматичный подход к развертыванию неназемных сетей, который мотивируется временем выхода на рынок. В отличие от специализированных решений различных производителей, технология DTC использует широко применяемые сотовые технологии, такие как LTE (EUTRAN) и позднее 5G NR. В парадигме DTC спутники обеспечивают связь со стандартным пользовательским оборудованием без необходимости модификации его конструкции. Чтобы справляться с такими трудностями, как задержка распространения сигнала, доплеровские сдвиги и ограничения в передаче сигналов, реализуются механизмы компенсации преимущественно на уровне сети.

Технология Direct-to-Cell (DTC)

DTC не является официальным термином 3GPP. Он описывает не одну конкретную технологию, а концепцию реализации спутникового сетевого взаимодействия для широко распространенных на рынке устройств LTE без необходимости целенаправленного внесения изменений в аппаратное или программное обеспечение. Главная цель состоит в поддержке основных услуг связи (передача сообщений, речевая связь и базовая передача данных) в районах, не обслуживаемых наземными сетями.

На концептуальном уровне DTC работает на основе спутников, оснащенных современными модемами, которые эмулируют наземные базовые станции на орбите. Таким образом это практическое решение на ранней стадии развития позволяет путем целенаправленного внесения изменений (преимущественно на стороне сети) расширять сотовую связь через спутники.

В своей текущей форме DTC тесно согласуется с архитектурами LTE, обеспечивая спутниковую связь для устройств 4G в исходной конфигурации. Дальнейшие разработки могут включать в себя автономные сети 5G, однако в своей изначальной форме они не содержат полный набор функций, определенный в выпуске 17 3GPP для неназемных сетей. В долгосрочной перспективе технология DTC будет полностью вытеснена решениями NR-NTN, которые обеспечивают более высокую эффективность и масштабируемость. Главное преимущество технологии DTC заключается в быстром выходе на рынок, тогда как ее основные ограничения обусловлены техническими рамками, которые оказывают влияние на работу всей системы. Кроме того, по-прежнему остается нерешенным вопрос распределения спектра, поэтому в текущих разработках применяется совместное использование спектра или повторное использование диапазонов подвижной спутниковой связи (MSS).

В основе DTC не заложена конкретная техническая спецификация. Данная технология в значительной степени опирается на платформу 3GPP EUTRAN (LTE) при поддержке специализированных модификаций со стороны операторов сетей спутниковой связи. Такие модификации обеспечивают радиодоступ к спутникам и при этом поддерживают совместимость с имеющимся пользовательским оборудованием.

Главное архитектурное ограничение технологии DTC заключается в ее зависимости от группировок спутников на низкой околоземной орбите с учетом аспектов времени задержки. Операторы преследуют различные стратегии развертывания — от плотных группировок на меньших высотах до разреженных группировок на больших высотах. В некоторых реализациях стандартная функциональность базовых станций LTE (eNodeB) интегрируется непосредственно в полезную нагрузку спутников. Благодаря этому возможно подключение стандартных смартфонов с помощью известных протоколов наземной связи. Маршрутизация трафика осуществляется через наземную инфраструктуру или межспутниковые каналы связи внутри группировки.

Главная техническая задача заключается в устранении характерных для спутниковой связи искажений на физическом уровне, включая доплеровские сдвиги, задержки распространения сигнала и эффекты поляризации. В стандартизированных концепциях неназемных сетей за компенсацию таких искажений отвечают как сеть, так и пользовательское оборудование. Технология DTC смещает эту ответственность в направлении сети. Такое решение обеспечивает совместимость с имеющимися устройствами, однако оно также ведет к некоторому снижению эффективности.

Текущие реализации DTC характеризуются следующими техническими аспектами:

• Совместимость с коммерческими устройствами в исходной конфигурации: система разрабатывается как спутниковая сота, которая на первый взгляд неотличима от наземной соты LTE. Для этого требуются квазистационарные диаграммы направленности спутников на низкой околоземной орбите и плотные группировки.
• Компенсация со стороны сети: для устранения доплеровских сдвигов применяются механизмы предварительной компенсации, которые реализуются на уровне базовой станции и, как правило, привязаны к фиксированной точке на Земле. Задержки распространения сигнала частично устраняются с помощью модификаций сети, т. к. имеющиеся в LTE механизмы опережения синхронизации не рассчитаны на расстояния до спутников. Спутник выполняет предварительную компенсацию доплеровских сдвигов в нисходящем канале и последующую компенсацию в восходящем канале, что позволяет устранять смещения несущей частоты и частоты дискретизации.
• Аспекты на стороне устройств: технология DTC по своей сути исключает потребность в модификации пользовательского оборудования, однако для улучшения работы со спутниковыми сетями поставщики могут осуществлять ограниченные обновления программного обеспечения. Кроме того, затруднения вызывают увеличенные смещения несущей частоты и быстрые перепады частот во время переключений между спутниками.
• Архитектура спутниковых сетей: ввиду большого времени задержки и затруднений с произвольным доступом архитектура DTC ограничивается группировками на низкой околоземной орбите. Спутник отвечает за компенсацию доплеровского сдвига, поэтому контур диаграммы направленности должен быть узким, а для повышения пропускной способности спутник должен обеспечивать несколько лучей параллельно.
• Использование спектра: на международном уровне не был выделен специализированный спектр для DTC. Текущие реализации опираются на совместное использование спектра с наземными сетями или повторное использование имеющихся диапазонов подвижной спутниковой связи (MSS), что требует согласования с регулирующими органами.
• Сетевая архитектура и роли: базовая сеть остается наземной, при этом оператор спутниковой сети обеспечивает работу гостевой наземной сети мобильной связи общего пользования (VPLMN), а оператор наземной сети обеспечивает работу домашней наземной сети мобильной связи общего пользования (HPLMN). Оператор HPLMN отвечает за сквозное управление сервисами, включая аутентификацию, контроль политик и нормативно-правовое соответствие.

Подводя итоги, DTC представляет собой переходное решение, которое на основеимеющейся инфраструктуры LTE обеспечивает спутниковую связь с минимальными изменениями пользовательского оборудования. Такой подход означает быстрое развертывание, однако он также демонстрирует ограничения в адаптации наземных технологий под неназемные сети при отсутствии всеобъемлющей стандартизации.

Контрольно-измерительное оборудование для сетей Direct-to-Cell

Неназемные сети вносят существенные изменения в методики измерений и испытаний. В традиционных наземных системах пользовательское оборудование представляет собой мобильные устройства, а инфраструктура сети является преимущественно стационарной. В отличие от этого, в сценариях DTC необходимо принимать во внимание мобильность на обоих концах линии связи, включая быстрое перемещение спутников. При этом главные принципы надежных, точных и воспроизводимых испытаний остаются неизменными, тогда как их реализация становится более сложной.

Другая проблема связана с отсутствием стандартизированных процедур испытаний, т. к. характеристики DTC не установлены в явной форме консорциумом 3GPP. Вместо этого применяются методики испытаний из сетей LTE, которые дополняются конкретными требованиями операторов. В результате эффективная валидация зависит от тесного сотрудничества между поставщиками устройств, операторами сетей мобильной связи, операторами сетей спутниковой связи и поставщиками контрольно-измерительного оборудования в целях разработки соответствующих методик.

С точки зрения радиопередачи испытания DTC должны учитывать условия, значительно отличающиеся от наземных систем. В их состав входят:

• Высокие потери в тракте и низкие уровни сигналов по причине передачи на большие расстояния
• Увеличенные задержки распространения сигналов, оказывающие влияние на синхронизацию
• Существенные доплеровские сдвиги по причине перемещения спутников
• Динамические условия каналов, включая быстрые перепады при переключениях между спутниками

В дополнение к таким наземным эффектам, как замирание и многолучевое распространение сигналов, каналы спутниковой связи также подвержены атмосферным воздействиям, например вращению плоскости поляризации (эффект Фарадея), мерцанию и затуханию в атмосфере по причине погодных условий. Имеющиеся модели каналов неназемных сетей можно адаптировать в целях поддержки реалистичных тестовых сценариев DTC.