اصطلاحات تکنولوژی 5G NTN (شبکه های غیر زمینی)

هدف NTN (شبکه غیرزمینی) که توسط 3GPP در نقشه راه استانداردسازی خود معرفی شده است، دستیابی به پوشش و اتصال کامل 5G از طریق ماهواره‌ها و پلتفرم‌های هوابرد است. اصطلاحات کلیدی عبارتند از:

1. تعریف NTN:این یک فناوری شبکه بی‌سیم است که توسط 3GPP تأیید شده است، که در آن گره‌های دسترسی بر روی پلتفرم‌های فضایی یا پلتفرم‌های هوایی مانند ماهواره‌ها یا ایستگاه‌های پلتفرم ارتفاع بالا (HAPS) مستقر می‌شوند، به جای اینکه به زیرساخت‌های زمینی متصل شوند. شبکه‌های NTN معمولاً برای گسترش پوشش به مناطقی استفاده می‌شوند که استقرار شبکه زمینی غیرعملی یا از نظر اقتصادی غیرقابل اجرا است. از دیدگاه 3GPP، NTN یک فناوری مستقل نیست، بلکه یک توسعه از 5G (NR) است. NTN پروتکل‌ها، پارامترها و رویه‌های NR را تا حد امکان برای پشتیبانی از تاخیرهای انتشار طولانی، شیفت‌های داپلر بالا، اندازه‌های سلولی بزرگ و تحرک پلتفرم، مجدداً استفاده و تطبیق می‌دهد.

2. پلتفرم‌های NTN:این اساسی‌ترین طبقه‌بندی مدارهای ماهواره‌ای است که مستقیماً بر تأخیر، پوشش و تحرک تأثیر می‌گذارد. به طور خاص شامل:

• GEO (مدار زمین‌ثابت): ماهواره‌های GEO در ارتفاع تقریباً 35786 کیلومتری قرار دارند و نسبت به زمین ثابت هستند. ماهواره‌های GEO (مدار زمین‌همگام) پوشش گسترده‌ای دارند اما تأخیر رفت و برگشت بالایی دارند که آنها را برای سرویس‌های حساس به تأخیر نامناسب می‌کند.
• MEO (مدار زمین متوسط): ماهواره‌های MEO در ارتفاعات بین 2000 تا 20000 کیلومتر کار می‌کنند و تعادلی بین پوشش و تأخیر ایجاد می‌کنند. این موضوع به ویژه در مشخصات فعلی 3GPP NTN مورد تأکید قرار گرفته است.
• LEO (مدار زمین پایین): ماهواره‌های LEO در ارتفاعات بین 300 تا 2000 کیلومتر کار می‌کنند. آنها تأخیر کم و توان عملیاتی بالایی را ارائه می‌دهند، اما نسبت به زمین بسیار سریع حرکت می‌کنند که منجر به جابجایی‌های مکرر بین ماهواره‌ای و اثرات قابل توجه داپلر می‌شود.
• VLEO (مدار زمین بسیار پایین): VLEO به ماهواره‌های آزمایشی اشاره دارد که برای کار در ارتفاعات زیر 300 کیلومتر طراحی شده‌اند. انتظار می‌رود که آنها به تأخیر فوق‌العاده کم دست یابند، اما با چالش‌های جوی قابل توجهی روبرو هستند.
• HAPS (ایستگاه پلتفرم ارتفاع بالا): HAPS معمولاً در ارتفاعات بین 20 تا 50 کیلومتر کار می‌کنند. پلتفرم‌های HAPS شامل: پهپادهای خورشیدی، بالن‌ها و کشتی‌های هوایی هستند. سیستم‌های پلتفرم ارتفاع بالا (HAPS) می‌توانند به عنوان ایستگاه‌های پایه NR، رله‌ها یا تقویت‌کننده‌های پوشش عمل کنند و در مقایسه با ماهواره‌ها، ویژگی‌های شبه استاتیک و تأخیر به طور قابل توجهی کمتری دارند.

3. دسترسی بی‌سیم (اصطلاحات)

• NTN gNB: این یک ایستگاه پایه 5G (NR) است که به طور خاص برای استقرار غیرزمینی اصلاح شده است. بسته به معماری، NTN gNB می‌تواند به طور کامل بر روی یک ماهواره یا HAPS میزبانی شود، تا حدی در فضا و تا حدی روی زمین مستقر شود، یا کاملاً مبتنی بر زمین باشد و ماهواره به عنوان یک رله عمل کند. تقسیم عملکردی بین فضا و زمین یک انتخاب طراحی کلیدی است.
• Transparent Payload یا معماری Bent-Pipe: در یک معماری transparent payload یا bent-pipe، ماهواره پردازش باند پایه را انجام نمی‌دهد. این معماری با هدف ساده‌سازی طراحی ماهواره است، اما عملکرد آن بسیار وابسته به در دسترس بودن زیرساخت‌های زمینی و پیوندهای فیدر است. محموله انتقال عملکردهای زیر را انجام می‌دهد:
• دریافت سیگنال‌های فرکانس رادیویی از تجهیزات کاربر (UE)
• انجام تغییر فرکانس و تقویت
• ارسال آنها به ایستگاه پایه زمینی (gNB) از طریق پیوند فیدر
• Regenerative Payload: بخشی یا تمام پردازش لایه 1 و لایه 2 را بر روی ماهواره انجام می‌دهد. در این مدل، خود ماهواره عملکرد gNB را حمل می‌کند. این معماری تأخیر پیوند فیدر را کاهش می‌دهد، مقیاس‌پذیری را بهبود می‌بخشد و تصمیم‌گیری‌های محلی را فعال می‌کند. با این حال، محموله‌های regenerative پیچیدگی و هزینه ماهواره را افزایش می‌دهند.

4. پیوندهای NTN

• پیوند سرویس: به طور خاص به اتصال بی‌سیم بین تجهیزات کاربر (UE) و پلتفرم NTN (ماهواره یا پلتفرم ارتفاع بالا) اشاره دارد. از شکل موج رابط هوایی NR مناسب برای شعاع سلولی بزرگ و پیشروی زمانی گسترده استفاده می‌کند. نمودار پیوند سرویس 5G NTN، پیوند بین ماهواره‌ای، پیوند فیدر و ادغام شبکه زمینی.
• پیوند فیدر: این ماهواره را به ایستگاه زمینی دروازه متصل می‌کند که با شبکه اصلی 5G ارتباط برقرار می‌کند. پیوندهای فیدر معمولاً در فرکانس‌های بالاتر کار می‌کنند و به پیوندهای backhaul با ظرفیت بالا نیاز دارند.
• پیوند بین ماهواره‌ای (ISL): از ارتباط مستقیم بین ماهواره‌ها پشتیبانی می‌کند و به داده‌ها اجازه می‌دهد بدون دخالت مستقیم ایستگاه‌های زمینی در فضا مسیریابی شوند. ISL انعطاف‌پذیری شبکه را افزایش می‌دهد و تأخیر سرتاسری را کاهش می‌دهد.

5. معماری شبکه

• ایستگاه زمینی دروازه: ایستگاه زمینی دروازه به عنوان رابط بین سیستم ماهواره‌ای و شبکه اصلی 5G عمل می‌کند. این پیوند فیدر را متصل می‌کند و نقش مهمی در تحرک و تداوم جلسه ایفا می‌کند. 5GC پشتیبانی از NTN: از منظر پروتکل، شبکه اصلی 5G (5GC) تا حد زیادی بدون تغییر باقی می‌ماند. پیشرفت‌ها در درجه اول بر موارد زیر متمرکز است: پشتیبانی از تأخیر طولانی، رسیدگی به سلول‌های بزرگ و بهینه‌سازی رویه‌های پردازش برای حالت‌های بیکار و متصل.
• D2D NTN (مستقیم به دستگاه): تجهیزات کاربر (UE) مستقیماً با ماهواره‌ها/پلتفرم‌های ارتفاع بالا (HAPS) بدون دسترسی زمینی واسطه ارتباط برقرار می‌کنند.
• معماری هیبریدی NTN-TN: NTN شبکه زمینی را تکمیل می‌کند، که برای بازگشت، باربرداری یا گسترش پوشش استفاده می‌شود.
• NTN مبتنی بر رله: ماهواره‌ها یا پلتفرم‌های ارتفاع بالا (HAPS) به عنوان گره‌های رله بین تجهیزات کاربر (UE) و شبکه زمینی عمل می‌کنند.