ככל שהמחקר 6G מתקדם, תקן התקשורת הסלולרית 5G ממשיך להתפתח לקראת יעדים שאפתניים. המעבר לרשתות לא יבשתיות הוא שינוי פרדיגמה שגם פותח מקרי שימוש חדשים וגם מציב אתגרים חדשים. להלן, נבחן מה זה אומר מנקודת מבט של ציוד בדיקה ומדידה.
מה משותף לשיר הפופולרי של פו פייטרס “Learn to Fly” עם 5G? בעתיד, טלפונים סלולריים יוכלו להתחבר לא רק לרשתות סלולריות דרך תחנת הבסיס הקרובה ביותר, אלא גם באמצעות מטוסים, לוויינים ורחפנים המשמשים כצמתי רשת מעופפים – התשתית הסלולרית לומדת לטוס. ארגון ה- 3GPP מקדם פיתוח זה תחת השם 5G Non-Terrestrial Networks (5G NTN), המסמן מיזוג של תקשורת סלולרית ולוויינית – שני עולמות שתמיד היו נפרדים.
למה כל המאמץ?
את המוטיבציה מאחורי פרויקט כה גדול נמחיש כנראה בצורה הטובה ביותר דרך הסטטיסטיקה: בשנת 2022, למרות שהכיסוי הסלולרי הגיע לשיעור מרשים של 80% מאוכלוסיית העולם, הוא כיסה פחות מ-40% ממסת הקרקע העולמית. סגירת פערי הכיסוי העצומים הללו ברחבי העולם תהיה כרוכה בעלויות משמעותיות עם תשתיות יבשתיות טהורות, ולכן 5G NTN מרחיבה את התקשורת הניידת עם פלטפורמות NTN כמו לוויינים. המטרות העיקריות הן להפוך את שירותי התקשורת הניידת לזמינים ברחבי העולם, להגביר את העמידות ולשפר את האופן שבו טכנולוגיות אלחוטיות קיימות מתקשרות זו עם זו.
שתי קטגוריות של מקרי שימוש
באופן כללי, תקן 5G NTN חוזה שתי קטגוריות מקרי שימוש. שירותי נתונים פשוטים עם קצבי נתונים נמוכים וללא דרישות מיוחדות במונחים של השהיה או איכות שירות נקראים NTN של האינטרנט של הדברים, או פשוט NTN IoT. כפי שהשם מרמז, קטגוריה זו מתמקדת ביישומי IoT – אך בקנה מידה עולמי. הקטגוריה השנייה היא תקשורת לוויינית ישירה (נתונים וקישור קולי), המכונה NR NTN. בתחילה, NR NTN יאפשר רק פונקציות בסיסיות באמצעות קישור לווייני, כגון שיחות חירום בטלפון חכם או הודעות דוא”ל ללא קבצים מצורפים גדולים. ההתקדמות הטכנית תרחיב באופן דרמטי את היכולות הללו. קצבי הנתונים של חיבורים לא יבשתיים ככל הנראה לעולם לא יתחרו באלה של עמיתיהם היבשתיים, ולכן 5G NTN יגדיל ולא יחליף את תשתית התקשורת הניידת היבשתית.
תרחישי שימוש עבור 5G NTN
- ניטור מטענים ותצפית על כדור הארץ
חברות לוגיסטיקה פורסות חיישנים אלחוטיים שיכולים לשדר נתונים באופן מאובטח ברחבי העולם. זה מאפשר להם לעקוב אחר משלוחים ולעקוב אחריהם כדי להוכיח שהסחורה מועברת ללא נזק או להבטיח שרשרת רציפה כל הדרך ללקוח. חיישנים אלחוטיים המתקשרים באמצעות 5G NTN על גבי תשתיות יבשתיות ולא יבשתיות מאפשרים גם תצפיות גיאוגרפיות בקנה מידה גדול בהרבה מאי פעם. ניטור בקנה מידה גדול יאפשר איתור מהיר ומיקום גיאוגרפי של שריפות, מידע על מזג האוויר ותובנות על שינויי אקלים….
- תקשורת אמינה לתגובה בשעת אסון
באירופה, יש עניין רב ברשתות סלולריות עמידות וריבוניות, כמו גם שיטות חדשות להקמת ערוצי תקשורת אל-כשל לתגובה לאסון. חיבורי לוויין 5G NTN וצמתי רשת מעופפים אחרים יכולים לפצות במהירות על תחנות בסיס של תקשורת ניידת שהפכו לבלתי ניתנות להפעלה עקב שיטפונות או הפסקות חשמל.
פיתוח תקשורת סלולרית: מדו-קיום לאינטגרציה
מבחינה טכנולוגית, 5G NTN צמחה מתוך אבולוציה ארוכת טווח. ראשיתה בתקופה שבה רשתות אלחוטיות יבשתיות ולא יבשתיות – טלוויזיה לוויינית ותקשורת סלולרית, למשל – היו אמורות לעבוד זו לצד זו מבלי להפריע זו לזו. כיום, אנו מתחי
לים לשלב רשתות לא יבשתיות ברשתות 5G קיימות. ועדת התקינה של 3GPP פירטה את הדרישות הטכניות הרלוונטיות במהדורה 17. עם זאת, גישה משולבת זו תהיה רק צעד ביניים. בטווח הארוך, רשתות יבשתיות ולא יבשתיות צפויות להתמזג לרשתות מאוחדות. בהתבסס על התוכניות הנוכחיות, רשתות מאוחדות אלה יתחילו לצוץ כאשר הדור הבא של תקשורת סלולרית (6G) יגיע בסביבות 2030.
איור 1: ייצוג פשוט של רשתות מאוחדות תלת-ממדיות בתקשורת סלולרית דור 6. לוויינים במסלולים שונים יחברו מכשירי קצה הן לרשתות סלולריות והן לתחנות בסיס (backhaul). שער לווייני על הקרקע יתחבר לרשת הליבה של 5G . קרדיט: Rohde & Schwarz
אתגרים לממשק האוויר
המבוא של 5G NTN מציג אתגרים מסוימים הן עבור ממשק האוויר והן עבור מחסנית פרוטוקול 5G. יש לקחת בחשבון את ההשפעות של תנאים אטמוספריים כגון גשם, כיסוי עננים והשדה האלקטרומגנטי של היונוספירה על פיזור אותות אלחוטיים מכיוון שהאותות כבר אינם מועברים באופן בלעדי קרוב לקרקע. צוותי פיתוח משתמשים לעתים קרובות במודלים של ערוצים אלחוטיים (פרופילים דוהים) המסופקים על ידי גופי תקינה רשמיים.
תדרי NTN והתפשטות גלים
השאלה הבסיסית עבור כל טכנולוגיה אלחוטית היא אילו תדרים זמינים. התדרים n255 ו-n256 (ראו טבלה 1) היו התדרים הראשונים שאושרו על ידי 3GPP עבור 5G NTN. הם נמצאים באזור הקונבנציונאלי מתחת ל -6 GHz. מאז נוספו תחומי תדרים נוספים, חלקם באזור התדרים 2 (FR2 כולל תחומי תדרים מסביבות 24 GHz עד 71 GHz). למרות שטווחי תדרים אלה הם טריטוריה מוכרת לטכנולוגיית 5G, שיטת דופלקס חדשה הוצגה ב- FR2. עד כה, 5G פעל רק באזור זה עם דופלקסינג חלוקת זמן (TDD). עם זאת, 5G NTN ישתמש בדופלקס חלוקת תדרים (FDD), שהוא יעיל יותר בספקטרום מכיוון שהוא נמנע מרווחי השמירה הארוכים הדרושים למעבר בין שידור לקליטה עקב עיכוב ארוך. כתוצאה מכך, נדרשת עבודה נוספת באמצעות שיטות אופטימיזציה כגון הערכת ערוצים, אקווליזציה ויצירת אלומות. עם TDD, שיטות אלה מיושמות ישירות במשדר (הדדיות ערוץ) בעוד FDD דורש לולאת תקשורת דו-צדדית. אותות ייחוס ידועים מהמשדר מאפשרים למקלט להעריך מאפייני ערוץ ולהזינם בחזרה למשדר (דיווח מצב ערוץ).
| Frequencies for 5G NTN | |||
| Frequency band | Status | Uplink | Downlink |
| n255 | Approved (Release 17) | 1626.5 – 1660.5 MHz | 1525.0 – 1559.0 MHz |
| n256 | Approved (Release 17) | 1980.0 – 2010.0 MHz | 2170.0 – 2200.0 MHz |
| n510 | Approved (Release 18) | 27.50 – 28.35 GHz | 17.30 – 20.20 GHz |
| n511 | Approved (Release 18) | 28.35 – 30.0 GHz | 17.30 – 20.20 GHz |
| n512 | Approved (Release 18) | 27.50 – 30.0 GHz | 17.30 – 20.20 GHz |
| Ku, Q, and V bands | under discussion | ||
טבלה 1: חמישה תחומי תדרים כבר סופקו עבור 5G NTN. עוד יבואו בעקבותיו.
אובדן נתיב שטח פנוי
אחד האתגרים הגדולים ביותר עבור 5G NTN הוא אובדן נתיב שטח פנוי (FSPL). זה קורה בעיקר בגלל המרחק הרב בין המשדר למקלט. במקרה הקיצוני ביותר, מכשיר קצה על הקרקע מחובר ללוויין גיאוסטציונרי בגובה 35,786 ק”מ מעל כדור הארץ (ר’ איור 2).
איור 2: המחשה של אובדן שטח פנוי: אם הגלים מופצים בצורה כדורית, עוצמת השידור של הלוויין הגיאוסטציונרי מפוזרת באופן שווה על פני משטח כדורי. רק חלק זעיר (בסדר גודל של 1/120) מהספק היציאה מגיע למקלט על כדור הארץ, המקביל להנחתה עצומה של 200 dB. קרדיט: Rohde & Schwarz
מלבד כוח השידור, רווח הן באנטנות הקליטה והן באנטנות השידור חיוני לתקשורת יציבה. החדשות הטובות הן שניתן לנהל את אובדן השטח הפנוי באמצעות שיפור ברווח האנטנה – באמצעות יצירת אלומות, למשל – מה שמאפשר למכשירים ניידים על הקרקע לתקשר עם לוויינים.
עיכוב התפשטות
בהשוואה לתקשורת באמצעות תשתית קרקעית, עיכוב ההתפשטות – המכונה לעתים קרובות זמן הלוך ושוב (RTT) – ארוך הרבה יותר עם חיבור לווייני. נניח שמכשיר קצה על הקרקע מבקש חבילת נתונים ממכשיר נייד אחר על הקרקע באמצעות לוויין במסלול גיאוסטציונרי. עיכוב ההתפשטות מכדור הארץ ללוויין ובחזרה (שתי נסיעות הלוך ושוב) יהיה סביב 544 אלפיות השנייה. השוו זאת להשהיה של 20 עד 30 אלפיות השנייה שנמדדה עבור רשתות 5G יבשתיות. לכן, פרוטוקולי תוכנת 5G קיימים צריכים להיות מותאמים לעיכובים ארוכים אלה.
ארכיטקטורת מערכת עבור 5G NTN
איור 3: עיכוב התפשטות ותזוזת דופלר בתרחישי NTN 5G שונים. קרדיט: Rohde & Schwarz
המטרה של שילוב NTN ב-5G היא לאפשר תקשורת ישירה בין לוויינים והתקני קצה על הקרקע. תוספות ושיפורים צפויים במהדורות 3GPP עתידיות. ביישום הראשוני של 5G NTN, רוב הרשת הסלולרית תהיה יבשתית, המורכבת מתחנות בסיס (gNB) ורשת הליבה. לוויינים ישמשו כמשחזרי “צינור מכופף” או “מטען שקוף” פשוטים. החיסרון של גישה זו הוא שעיכוב ההתפשטות (הנמדד מלקוח לשרת עם אישור) כולל את המרחק בין הלוויין לכדור הארץ ארבע פעמים. עם זאת, היתרון של גישה זו הוא שרוב השינויים הנדרשים עבור 5G NTN יכולים להתבצע ברשת היבשתית הנגישה יותר. ארכיטקטורות עתידיות יעבירו יותר מעומס עיבוד האותות ללוויינים. ניתן לשלב פונקציות שרת מסוימות ברכיבים הלא יבשתיים של הרשת, כך שהלוויין יטפל בהקצאת ערוצים (תזמון) ובאחזור מנות. זה יפחית את השיהוי ויגדיל את רמת האוטונומיה.
השפעה על עיכוב ההתפשטות
מנקודת המבט של משדרים ומקלטים מבוססי כדור הארץ, אפקט זריחה-שקיעה מתרחש עם תקשורת לוויינים, מה שגורם לעיכובים בהתפשטות להשתנות בהתאם למיקום הלוויין. הלוויין נראה באופק רק כאשר הוא מגיע לזווית הגובה המינימלית (זריחה) ונעלם שוב כאשר הוא נופל מתחת לזווית זו (שקיעת השמש). עיכוב ההתפשטות הוא הארוך ביותר בשני הזמנים הללו והקצר ביותר כאשר הלוויין ממוקם ישירות מעל המשדר או המקלט (איור 3).
יש לכך השלכות על שכבות הפרוטוקול הגבוהות יותר. מצד אחד, הם צריכים לסבול עיכוב התפשטות ארוך יותר, ומצד שני, הם צריכים לסנכרן את האות שנקלט על ידי הלוויין. ניתן להשתמש בשיטת התקדמות העיתוי (TA) כדי להתגבר על אתגרים אלה, אך חשוב לזכור כי סנכרון עם 5G NTN הוא הרבה יותר קשה מאשר ברשת יבשתית טהורה.
איור 4: פתרונות בדיקה שונים להתקני 5G NTN: שילוב מחולל האותות R&S®SMBV100B ובודק תקשורת הרדיו R&S®CMW500 (לעיל) מדמה מקרי שימוש ב- IoT NTN. משתמשים יכולים לבדוק יישומי NR NTN על ידי שילוב מחולל האותות עם בודק תקשורת הרדיו R&S®CMX500 (להלן). קרדיט: Rohde & Schwarz
אפקט דופלר
בהשוואה לרשת של תחנות בסיס קבועות, קבוצת לוויינים שיכולה לשנות במהירות את מיקומם היחסי למכשיר משתמש הקצה מייצגת שינוי פרדיגמה. המהירות היחסית הגבוהה של לוויינים לתחנות קרקע גורמת לתדר להשתנות, תופעה המכונה אפקט דופלר. מידת שינוי התדרים תלויה בתדר שבו משתמשים, בגובה מסלול הלוויין ובמהירותו היחסית. באיור 3, הסטת דופלר משורטטת כנגד זווית הגובה ועוקבת אחר עקומת S.
כדי לפצות על כך, הלוויין שולח נתוני מסלול (אפמריס) למכשיר עם מידע מערכת. המכשיר הנייד משתמש בשירותי ניווט (GNSS) כדי לקבוע את מיקומו היבשתי ולפצות מראש על הסטת דופלר.
התפקיד של ציוד בדיקה ומדידה ב- 5G NTN ו- IoT NTN
יש להתאים את שיטות המדידה המשמשות ברשתות לא יבשתיות, הן מבחינת תשתית והן מבחינת מכשירי קצה. כדי לאמת את אמינות המכשיר, סימולטור מערכת חייב לדמות לא רק השהיה גבוהה ואת אפקט דופלר, אלא גם פרמטרי איתות ותרחישים של מסירה. בתרחישים מסוימים, המיקום דורש גם אות GNSS.
פתרון בדיקה עבור מכשירי קצה
שילוב בודק תקשורת רדיו בפס רחב R&S®CMW500 עם מחולל אותות וקטורי R&S®SMBV יוצר את פתרון הבדיקה המושלם עבור יישומי IoT NTN. הגדרה זו מדמה אות ניווט GNSS המאפשר להתקן משתמש הקצה לקבוע את מיקומו R&S®CMW500 מאפשר למשתמשים לבדוק פרמטרים פיזיים, תהליכי איתות וחיבורים מקצה לקצה (E2E). הם יכולים גם להרחיב הגדרה זו על ידי הוספת בודק תקשורת רדיו R&S®CMX500 כדי לבדוק התקנים תומכי NR NTN.
פתרון בדיקה לתשתית
מחוללי אותות ומנתחי אותות יכולים לשמש לבדיקת הפונקציות של רכיבי תשתית כמו לוויינים.
איור 5: מחולל האותות R&S®SMW200A ומנתח האותות R&S®FSW. יצרנית הלוויינים Thales Alenia Space במדריד משתמשת במכשירים אלה כדי לבדוק רכיבי תשתית עבור .NTN 5G קרדיט: Thales
Rohde & Schwarz הרחיבה את יכולותיו של מחולל האותות R&S®SMW200A כדי לחקות ערוצי רדיו, המאפשר למקלטים למדוד רכיבי תשתית. ניתן להשתמש ב-R&S®FSW כדי לבחון את תכונות השידור של רכיבי תשתית, כולל מדידות ספקטרליות לפליטת הפרעות ובדיקות דו-קיום.
בחינה מחודשת של מדדי הבדיקה
5G NTN משפיע גם על מדדי בדיקה כגון דרך האוויר (OTA). לדוגמה, אם לוויין נע ומכשיר משתמש קצה נמצאים במרחק של 1000 ק”מ זה מזה ושניהם משתמשים באנטנות יוצרות אלומות, אז סטיית שיא קרן של 1° לכיוון האנטנה המשדרת תגרום לה לנוע ב -30 ק”מ בצד הקולט. הדבר מניב מדדי בדיקה חדשים ושימושיים כגון דיוק אלומה כיוונית, יציבות ארוכת טווח של מאפייני האנטנה והמהירות והדיוק של התאמה מחדש. Rohde & Schwarz מציעה ללקוחותיה ציוד בדיקה ומדידה נוסף לניטור לוויינים, תכנון קישורי לוויין ואף סיוע בייצור חלקים ורכיבים משולבים ביותר לטכנולוגיית לוויינים.
סיכויים עתידיים
מבני רשת תלת מימדיים, אחידים ואורגניים הם המטרה ארוכת הטווח של 5G NTN. למרות ש-5G NR Release 17 הניח את היסודות ל-5G NTN, יש לראות בו רק קרש קפיצה. שתי מערכות אקולוגיות שהיו בעבר נפרדות – תקשורת לוויינית ותקשורת סלולרית – צומחות כעת יחד.
Rohde & Schwarz היא אחת מקומץ חברות שניתן להגדירן כמובילה טכנולוגית עולמית הן בטכנולוגיית בדיקה ומדידה של תקשורת ניידת והן בתקשורת לוויינית. החברה מסייעת בהמשך פיתוח טכנולוגיה זו עם מומחיות מוכחת וניסיון רב.
קרדיט תמונת שער: Rohde & Schwarz
