Спутниковая связь от 3GPP: как смартфоны будут звонить через спутник

В последнее время выходило много новостей много информации о спутниковой связи с обычных телефонов. Например, MediaTek представила платформу для смартфонов с поддержкой спутниковой связи по стандартам 3GPP. Как это работает?

В статье мы (команда кластера развития инфраструктуры МТС Диджитал) рассмотрим самые актуальные спецификации консорциума 3GPP, направленные на популяризацию технологии NTN (NTN – Non-Terrestrial Networks – дословно переводится как «неназемные сети»).

Введение

Консорциум 3GPP (3rd Generation Partnership Project, Партнерство третьего поколения) образовали в 1998 году, чтобы создать спецификации для мобильных сетей третьего поколения. Затем 3GPP разработал требования для 4G и 5G и не собирается останавливаться. Результаты работ 3GPP оказывают огромное влияние на массовый рынок мобильной связи.

Спецификаций у 3GPP большое множество, и чтобы разработчикам можно было в них ориентироваться, консорциум формирует так называемые «выпуски спецификаций». Это наборы требований, которые не противоречат друг другу и позволяют реализовывать определенные сценарии связи. Например, восьмой выпуск спецификаций 3GPP устанавливает базовые параметры сетей 4G, а выпуск №15 — сетей 5G. Для каждого выпуска издается отчет, в котором отражены достигнутые цели и проведенные корректировки спецификаций.

3GPP под NTN, в общем случае, подразумевает связь через находящиеся в воздухе базовую станцию (БС), или передатчик. Это могут быть как атмосферные летательные аппараты, так и космические. 

Аэростаты, самолеты, беспилотники, дирижабли и другие летательные аппараты обозначаются аббревиатурой HAPs —- High Altitude Platforms —– Высотные платформы. Они располагаются на высотах от 8 до 50 км. Подразумевается, что HAPs квазистационарны, то есть похожи на обычную базовую станцию, только в воздухе. Грубо говоря, для мобильного телефона, который 3GPP называет UE — User Equipment, такая воздушная БС HAPs практически ничем не отличается от обычной и с этой БС, в теории, может работать любой телефон с поддержкой 5G.

Спутниковая связь NTN 5G

Рассмотрим выпуск №17 спецификаций 3GPP (см. отчет 3GPP TR 21.917), в котором описаны требования для спутниковой связи 5G. 3GPP разделяет спутники по типу орбит:

• LEO – Low-Earth Orbit —– спутники на низкой орбите с высотой от 300 до 2000 км;

• MEO – Medium-Earth Orbit —– на средней орбите с высотой от 8000 до 20000 км;

• GEO – Geostationary Earth Orbit —– на геостационарной орбите с высотой 35 786 км;

Для всех типов орбит 3GPP прорабатывает возможные варианты решений, выбирая наиболее подходящие для реализации.

Самый простой сценарий спутниковой связи —– когда спутник работает как обычный ретранслятор. Он принимает сигнал от специального наземного шлюза, усиливает, выполняет, если это необходимо, изменение несущей частоты, и передает в сторону телефона абонента. Такой сценарий спутниковой связи 3GPP называет «Transparent», прозрачный. Или проще — специальная БС передает сигнал через спутник на телефон пользователя. Именно такой «transparent» сценарий описан в выпуске 17 спецификаций 3GPP.

Сразу заметим, что мы опускаем многие технические подробности, стараясь существенно упростить повествование.

На рисунке ниже изображена схема связи через спутник-ретранслятор.

• UE – User Equipment, пользовательское оборудование, телефон. Заметим, что для связи телефона со спутником никакого дополнительного оборудование не требуется;

• Terminal – другое пользовательское приемо-передающее устройство. Например, установленное на борту самолета или поезде;

• 5R NR – 5G New Radio, так обозначается радиолиния связи по стандарту 5G, чтобы не было путаницы с другими стандартами связи;

• 5G Core – ядро сети 5G, которое обеспечивает обработку и коммутацию сигнала после его получения базовой станцией.

Чем выше орбита спутника, тем дольше до него идет сигнал и тем сильнее он ослабевает.

Влияние задержки сигнала на восприятие речи

Зная высоту орбиты спутника, рассчитаем задержки распространения сигнала. На рисунке ниже показана орбита спутника и зона видимости спутника с точки зрения телефона, размещенного на поверхности Земли.

• h – высота орбиты спутника;

• R – радиус Земли. Для расчета используется значение 6 378 137.0 м ~ 6 378 км (см. Всемирную систему геодезических параметров Земли 1984 года WGS-84);

• d – расстояние от телефона до спутника;

• 10⁰ – угол места, градусы. Минимальный угол, при котором влияние атмосферы не сильно велико и связь между телефоном и спутником всё еще возможна.

Рассчитаем предельные расстояния до спутника для различных орбит по формуле, приведенной в ITU-R S.1257:

• h – высота орбиты спутника, км;

• R – радиус Земли, км;

• d – расстояние от телефона до спутника, км;

• α – угол места, градусы.

В таблице ниже приведены максимальные задержки распространения сигнала по радиолинии «телефон-спутник-наземный шлюз» для разных орбит спутника.

Посмотрим, как такие задержки влияют на голосовую связь.

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.

Как абоненты воспринимают более длительную задержку, описано в стандарте ITU-T G.114 и изображено на рисунке ниже.

Из рисунка видно, что большинство пользователей не может воспринимать разговор, если слышит собеседника с задержкой больше 400 мс.

Именно поэтому для сценария сверхбольшого спутникового покрытия сетей 5G в спецификациях 3GPP устанавливается предельная односторонняя задержка в 400 мс. Помимо неё также определяются рекомендуемые скорости 1 Мбит/с для нисходящей и 100 кбит/с для восходящей линии связи, чего достаточно для качественной передачи речи. Но сейчас не об этом.

Из вышеизложенного видно, что задержки, вводимые спутниковой связью, вполне приемлемы для голосового общения. Если, конечно, не звонить абоненту на противоположную сторону земного шара.

Как компенсировать задержки?

Это всё теория. На практике  расстояние от абонента до спутника — от 300 до более 35 000 км. Это гораздо больше, чем максимальное расстояние от телефона до БС при привычном нам сценарии связи на земле (до 100 км).

Тут и возникает основная проблема. Для нормальной связи между телефоном и БС нужно, чтобы работал механизм синхронизации, который называется Timing Advance (TA). Его используют, чтобы компенсировать задержки распространения сигнала.

Если упростить, ТА — это разница по времени между моментом отправки порции данных с телефона в БС и моментом приема порции данных от БС.

До 17 выпуска спецификаций 3GPP механизм TA был определен только для наземных БС. Это значит, что обычные телефоны с поддержкой 5G, но без поддержки 5G NTN, работать со спутниковой связью, согласно спецификациям 3GPP, не могут.

В 17 выпуске спецификаций 3GPP модифицирует механизм ТА для работы со спутником, сохраняя при этом саму архитектуру построения 5G. Рассмотрим подробнее.

На рисунке ниже — схема спутниковой NTN-связи. Спутник при этом работает в роли простого приемопередатчика:

• сервисная линия – линия связи телефон-спутник;

• фидерная линия – линия связи шлюз-спутник;

• TA_UE – задержка распространения сигнала по сервисной линии от конкретного телефона до спутника;

• TA_common – задержка распространения сигнала по фидерной линии от наземного шлюза до спутника, общая для всех телефонов в зоне покрытия спутника.

Полная задержка распространения сигнала от шлюза до телефона TA_full есть сумма задержек, вводимых сервисной (TA_UE) и фидерной (TA_common) линиями:

В ранних спецификациях 3GPP механизмы расчета и компенсации задержки TA_full для сценария спутниковой связи не были определены. Их ввели только в выпуске 17 3GPP. Посмотрим, как предлагается вычислять значения TA_common и TA_UE.

Для расчета TA_common наземный шлюз должен знать свое местоположение и положение спутника на орбите в конкретный момент времени.

Свое точное местоположение шлюз может получить из GNSS (Global Navigation Satellite System — глобальной навигационной спутниковой системы). Положение спутника в произвольный момент времени рассчитывается из его эфемерид.

Эфемериды — это набор параметров орбиты спутника на строго определенный момент времени. Их получают из стороннего источника, который наблюдает за движением спутника по орбите. Из-за того, что на движение спутника влияет множество различных неучтенных в расчетах факторов, эфемериды нужно периодически обновлять. Шлюз периодически получает эфемериды спутника, рассчитывает его текущее положение, и, зная свое местоположение, рассчитывает расстояние до спутника и величину задержки

Расчет TA_UE телефон выполняет по похожему принципу. Для этой процедуры ему нужно знать свои координаты и местоположение спутника в данный момент времени. Свои координаты телефон получает самостоятельно из сигналов GNSS, а положение спутника рассчитывает на основании эфемерид, которые периодически получает от наземного шлюза. Полученные задержки учитываются уже существующим механизмом компенсации TA.

Компенсация доплеровского сдвига телефоном и обслуживающей сетью также выполняется на основе информации о положении спутника, полученного из эфемерид, и собственного положения телефона и шлюза, полученных от GNSS.

Если телефон не смог определить своего местоположения, или у него нет эфемерид для спутника-ретранслятора, или эти эфемериды уже не актуальны, то связаться со спутником не получится.

Частотные диапазоны спутниковой связи 5G

Еще одно важное отличие телефона с поддержкой спутниковой связи от обычного мобильного телефона. Для спутниковой связи в выпуске 17 3GPP TS 38.108 и 3GPP TS 38.133 выделяются специальные частотные поддиапазоны n256 и n255. Они находятся в пределах группы диапазонов FR1 — Frequency Range 1. Это группа диапазонов до 6ГГц, которую сейчас наиболее часто используют.

Мощность передатчика телефона

3GPP специфицирует спутниковую связь для мощности передатчика UE класса 3 (излучаемая мощность 23±2 дБм или 200 мВт) в S-диапазоне (2ГГц) c ненаправленной антенной. Такой класс мощности для всех возможных диапазонов связи 5G в пределах группы диапазонов FR1 был установлен в П.6.2 3GPP TS 38.101-1 еще в выпуске 15. Это означает, что излучаемой мощности обычных телефонов достаточно для работы со спутником.

Ничего не забыли? Ах да, такие спецификации как 3GPP TS 31.102 и 3GPP TS 23.122 требуют SIM-карту с поддержкой «satellite NG-RAN». Без неё спутниковая связь не заработает.

Итак, выводы:

• Основные проблемы при спутниковой связи — это задержки. Но даже в этом случае качество голосовой связи будет оставаться на приемлемом уровне.

• Для обеспечения спутниковой связи, согласно спецификациям 3GPP, необходим специальный функционал, которого в обычных телефонах пока нет.

• 17 выпуск спецификаций 3GPP делает большой шаг навстречу массовому использованию телефонов для спутниковой связи.

Спасибо, что дочитали! Задавайте вопросы в комментарии — обязательно на них ответим.