چالش‌ها و راه‌حل‌های NTN برای دسترسی تصادفی

I. دسترسی به NTN:کانال دسترسی تصادفی (RACH) یک فرآیند اساسی برایاتصال اولیه، همگام‌سازی بالارونده و مجوز زمان‌بندیبین تجهیزات ترمینال (UE) و شبکه است. در حالی که این یک فرآیند بالغ و شناخته شده در شبکه‌های دسترسی رادیویی زمینی سنتی (RAN) است، پیاده‌سازی آن در شبکه‌های غیرزمینی (NTN) مجموعه‌ای از چالش‌های فنی منحصربه‌فرد و پیچیده‌تر را ارائه می‌دهد.

در شبکه‌های RAN زمینی، سیگنال‌های فرکانس رادیویی معمولاً در فواصل کوتاه و قابل پیش‌بینی منتشر می‌شوند و محیط انتشار نسبتاً پایدار است. با این حال، در شبکه‌های NTN که شامل ماهواره‌های مدار پایین زمین (LEO)، مدار متوسط زمین (MEO) و مدار زمین‌ثابت (GEO) هستند، سیگنال‌های فرکانس رادیویی تحت تأثیر قرار می‌گیرند.فاصله‌های انتشار بسیار طولانی، حرکت سریع ماهواره، مناطق پوشش‌دهی پویا و شرایط کانال متغیر با زمان. همه این عوامل به طور قابل توجهی بر زمان‌بندی، فرکانس و قابلیت اطمینان کانال که فرآیندهای RACH سنتی به آن متکی هستند، تأثیر می‌گذارند.

II. ویژگی‌های NTN: به دلیل فواصل انتقال بسیار طولانی، حرکت سریع ماهواره و شرایط پوشش و کانال متغیر با زمان، NTN معایب بحرانی منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهد (به عنوان مثال، تأخیر انتشار زیاد، زمان رفت و برگشت طولانی، جابجایی داپلر، تحرک پرتو و دامنه رقابت بزرگ) که به شدت رفتار و عملکرد کانال دسترسی تصادفی ترمینال را به چالش می‌کشد و بر آن تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، ماهواره‌ها از نظر در دسترس بودن طیف و بودجه توان، محدودیت‌های شدیدی دارند که مکانیسم‌های دسترسی تصادفی کارآمد و قوی را به ویژه حیاتی می‌کند.

III. تأثیرات و راه‌حل‌ها:برای غلبه بر مشکلات NTN برای دسترسی ترمینال، 3GPP به برخی از مسائل در مشخصات خود پرداخته است، اما جنبه‌های زیر نیاز به توجه دارند:

• 3.1 چالش‌های TA (پیشروی زمان)

تأثیرات:در شبکه‌های NTN، به دلیل مناطق سلولی بزرگ، حرکت ماهواره و فواصل متغیر بین UE و ماهواره، تخمین پیشروی زمان بسیار پیچیده‌تر از سیستم‌های زمینی است. تخمین نادرست TA می‌تواند باعث شود که انتقال‌های بالارونده خارج از پنجره دریافت ماهواره قرار گیرند و در نتیجه برخورد یا خرابی کامل دریافت ایجاد شود.

راه‌حل: تکنیک‌های پیشرفته تخمین TA مورد نیاز است، مانند استفاده از داده‌های افق ماهواره، کمک GNSS یا الگوریتم‌های پیش‌بینی‌کننده، برای تنظیم پویا تراز زمان‌بندی UE و حفظ همگام‌سازی بالارونده.

• 3.2 اثرات جابجایی داپلر

تأثیرات:حرکت نسبی بین ماهواره و UE، جابجایی‌های داپلر قابل توجهی را ایجاد می‌کند، به ویژه در سیستم‌های مدار پایین زمین (LEO). این جابجایی‌های فرکانسی دقت تشخیص پیش‌درآمد را کاهش می‌دهد، همگام‌سازی فرکانس را مختل می‌کند و احتمال خرابی تلاش RACH را افزایش می‌دهد.

راه‌حل: مکانیسم‌های جبران‌سازی پیش از داپلر و ردیابی فرکانس قوی در هر دو طرف UE و شبکه برای حفظ عملکرد قابل اعتماد RACH در شرایط تحرک بالا مورد نیاز است.

• 3.3 تغییرات شرایط کانال:

تأثیر: پیوندهای NTN تحت تأثیر تضعیف اتمسفر، سایه‌اندازی، سوسو زدن و تلفات مسیر طولانی قرار دارند. این عوامل نرخ خطای بلوک را افزایش می‌دهند و ممکن است بر توانایی UE در دریافت صحیح پیام‌های RAR پس از انتقال موفقیت‌آمیز پیش‌درآمد تأثیر بگذارند.

راه‌حل: تعدیل و کدگذاری تطبیقی، کنترل توان و طراحی لایه فیزیکی قوی برای حفظ تشخیص و پردازش RACH قابل اعتماد در شرایط مختلف کانال مورد نیاز است.

• 3.4 پوشش گسترده و تراکم بالای ترمینال:

تأثیر: پرتوهای ماهواره معمولاً مناطق جغرافیایی بسیار بزرگی را پوشش می‌دهند و به طور بالقوه هزاران UE را به طور همزمان سرویس‌دهی می‌کنند. این امر سطح رقابت RACH و احتمال برخورد را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد، به ویژه در سناریوهای دسترسی در مقیاس بزرگ.

راه‌حل: مکانیسم‌های تقسیم‌بندی منابع RACH کارآمد، کنترل دسترسی آگاه از بار و مدیریت رقابت هوشمند برای مقیاس‌بندی عملکرد دسترسی تصادفی مورد نیاز است.

• 3.5 افزایش RTT (تاخیر و زمان رفت و برگشت):

تأثیر:فاصله فیزیکی زیاد بین UE و ماهواره، تأخیر انتشار یک‌طرفه قابل توجه و RTT طولانی‌تری را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، زمان رفت و برگشت (RTT) برای یک پیوند ماهواره‌ای مدار زمین‌ثابت (GEO) می‌تواند به صدها میلی‌ثانیه برسد. این تأخیرها مستقیماً بر زمان‌بندی تبادل پیام پاسخ دسترسی تصادفی (RAR) تأثیر می‌گذارد و به طور بالقوه منجر به پایان یافتن تایمرهای زودرس، افزایش نرخ خرابی دسترسی و تأخیرهای دسترسی طولانی می‌شود.

راه‌حل: تایمرهای مرتبط با RACH، مانند پنجره پاسخ دسترسی تصادفی (RAR) و تایمرهای حل برخورد، باید بر اساس مقادیر RTT خاص NTN طراحی شوند. پیکربندی تایمر آگاه از NTN برای جلوگیری از تکرار انتقال‌های غیرضروری و خرابی‌های دسترسی بسیار مهم است.

• 3.6 افزایش برخورد:

تأثیر: تعداد زیادی از تجهیزات کاربر (UE) که برای تعداد محدودی از پیش‌درآمدهای RACH رقابت می‌کنند، احتمال برخورد پیش‌درآمد را افزایش می‌دهد، در نتیجه کارایی دسترسی را کاهش می‌دهد و تاخیر را افزایش می‌دهد.

راه‌حل: طرح‌های حل برخورد پیشرفته، تخصیص پیش‌درآمد پویا و تکنیک‌های مسدود کردن دسترسی بهینه شده برای NTN، کلید کاهش احتمال برخورد هستند.

• 3.7 چالش‌های همگام‌سازی:

تأثیر: همگام‌سازی اولیه در NTN با عدم قطعیت‌های زمانی زیاد و آفست‌های فرکانسی پیچیده می‌شود. عدم دستیابی به همگام‌سازی دقیق می‌تواند از شروع فرآیند کانال دسترسی تصادفی (RACH) توسط تجهیزات کاربر (UE) جلوگیری کند.

راه‌حل‌ها: تکنیک‌های همگام‌سازی پیشرفته، ترکیب اکتساب زمان‌بندی دقیق، جبران داپلر و آگاهی از موقعیت ماهواره، برای دسترسی تصادفی موفق مورد نیاز است.

• 3.8 کنترل توان

تأثیر: UEها در NTN تغییرات قابل توجهی در تلفات مسیر بسته به موقعیت خود نسبت به پرتو ماهواره تجربه می‌کنند. توان انتقال ناکافی ممکن است منجر به خرابی تشخیص پیش‌درآمد شود، در حالی که توان بیش از حد می‌تواند باعث تداخل بین UE شود.

راه‌حل: مکانیسم‌های کنترل توان تطبیقی و آگاه از موقعیت برای متعادل کردن قابلیت اطمینان تشخیص و مدیریت تداخل بسیار مهم هستند.

• 3.9 مدیریت پرتو

تأثیر: سیستم‌های NTN به شدت به معماری‌های چند پرتو متکی هستند. UEها ممکن است نیاز به انجام اکتساب یا سوئیچینگ پرتو در طول فرآیند RACH داشته باشند که پیچیدگی و تاخیر را افزایش می‌دهد.راه‌حل: مکانیسم‌های کشف پرتو کارآمد، ردیابی پرتو و سوئیچینگ پرتو بدون درز برای اطمینان از اجرای RACH قابل اعتماد در سیستم‌های NTN مبتنی بر پرتو ضروری هستند.