Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Under namnet 5G Non-Terrestrial Networks (5G-NTN) drivs denna utveckling framåt av standardiseringsorganet 3GPP. Mobiltelefoni och satellitkommunikation växer ihop. Två världar som tidigare var åtskilda.

Följande statistik illustrerar förmodligen bäst motivet bakom det storskaliga projektet: År 2022 hade hela 80 procent av jordens befolkning tillgång till mobiltelefoni, men på mindre än 40 procent av jordens landyta. Det finns med andra ord fortfarande luckor i mobiltäckningen runt om i världen. Det vore dock mycket kostsamt att täppa till dessa med ren markinfrastruktur. Därför utökas täckningen nu med 5G-NTN. De allmänna målen är att säkerställa global tillgång till mobiltjänster, göra tekniken mer motståndskraftig samt möjliggöra samverkan med redan befintlig mobilteknik.

Användningsfallen för 5G NTN kan delas in i två klasser. Enkla datatjänster med låg överföringshastighet och utan särskilda krav på fördröjningstider och tjänstekvalitet kallas IoT-NTN. Av namnet framgår att fokus ligger på sakernas internet. IoT, men nu på en global nivå. Den andra klassen ­omfattar direkt satellitkommunikation (data- och röstförbindelser) och kallas NR-NTN. Till en början kommer NR-NTN endast att tillhandahålla grundläggande funktioner via en satellitförbindelse, som nödsamtal från en mobiltelefon eller e-postmeddelanden utan stora bifogade filer. Dessa funktioner kommer dock att byggas ut i takt med att tekniken utvecklas. Överföringshastigheterna vid icke markbunden kommunikation kommer dock aldrig kunna konkurrera med den markbundna. 5G-NTN blir därför endast en utbyggnad av markinfrastrukturen för mobilkommunikation, och ersätter alltså inte denna.

Från samexistens till integration
5G-NTN är resultatet av en lång utveckling. Dess ursprung går tillbaka till den tid då markbundna och icke markbundna trådlösa nätverk arbetade sida vid sida utan störningar. Ett exempel på detta är satellit-tv och mobiltelefoni. Idag har arbetet med att integrera icke markbundna nät i befintliga 5G-nät påbörjats. De tekniska förutsättningarna för detta beskrivs i release 17 från standardiseringsorganet 3GPP. En integrerad approach som denna blir dock bara ett mellansteg. På längre sikt kommer markbundna och icke markbundna nät slås samman helt och bilda så kallade unified networks. Enligt nuvarande planer kommer dessa unified networks att skapas när nästa generations mobilkommunikation (6G) introduceras runt 2030.
 
Utmaningar för luftgränssnittet
Införandet av 5G-NTN innebär vissa utmaningar, både för luftgränssnittet och 5G-protokollstacken. Eftersom radiosignalen inte längre överförs enbart med markinfrastruktur måste hänsyn även tas till atmosfäriska fenomen som regn, molnbildning och elektromagnetiska fält i jonosfären samt hur dessa påverkar radiosignalens utbredning. Utvecklingsteamen kan därför inte använda befintliga radiokanalmodeller (fädningsprofiler), framtagna av standardiseringsorgan, som vägledning. De förändringar som detta ger upphov till i luftgränssnittet måste beaktas.

NTN-frekvenser och vågutbredning
Inom all radioteknik är den viktigaste frågan vilka frekvenser som är tillgängliga. De första frekvenserna som 3GPP har släppt för 5G-NTN är de två banden n255 och n256. Dessa ligger i de traditionella områdena under 6 GHz. Sedan dess har ytterligare band tillkommit. Dessa band ligger delvis i frekvensområde 2 (FR2), som sträcker sig från cirka 24 GHz till 71 GHz. Även om dessa frekvensband inte är nya inom 5G så används en ny överföringsmetod i FR2. Hittills har i detta fall tidsmultiplexering (Time Division Duplex) använts i 5G. I 5G-NTN används ­istället frekvensmultiplexering (Frequency Division Duplex). Denna metod är effektivare vid de avsevärt längre transmissionsavstånden. Detta medför dock att kapaciteten hos de använda optimeringsmetoderna, som kanaluppskattning, utjämning och lobformning, behöver ökas något. Vid tidsmulti­plexering implementeras dessa metoder direkt i sändaren (kanalens reciprocitet). Vid frekvensmultiplexering krävs en bilateral kommunikationsslinga. Med hjälp av kända referenssignaler från sändaren kan mottagaren uppskatta kanalegenskaperna och återkoppla denna information till sändaren (Channel Status Reporting).

Hög sträckdämpning
En av de största utmaningarna för 5G-NTN är den höga dämpningen. Den uppstår främst på grund av det stora avståndet mellan sändare och mottagare. Extremfallet är förbindelsen mellan mobila enheter på marken och geostationära satelliter i omloppsbana på 35 786 kilometers höjd.

Även sändareffekten och förstärkningen hos mottagar- och sändarantennerna är avgörande för en stabil kommunikation. Den goda nyheten är att förbättrad antennförstärkning genom lobformning, kan övervinna sträckdämpningen och möjliggöra kommunikation mellan mobila enheter på jorden och satelliter.

Signalens gångtid
Jämfört med kommunikation i markinfrastruktur är signalens gångtid, ofta kallad Round Trip Time (RTT), avsevärt längre med en satellitförbindelse. Om en mobil enhet på marken begär ett datapaket från en annan mobil på marken via en geostationär satellit, så kommer bara gångtiden från jorden till satelliten och tillbaka att ta cirka 544 millisekunder. Som jämförelse kan nämnas att de uppmätta tiderna i ett markbundet 5G-nätverk ligger i intervallet 20–30 millisekunder. De mjukvaruprotokoll som idag används i 5G måste anpassas till detta.

Systemarkitektur för 5G-NTN
Målet med att integrera NTN i 5G är att möjliggöra direkt kommunikation mellan satelliter och mobila enheter på marken till en så låg kostnad som möjligt. Vid den första implementeringen av NTN kommer huvuddelen av mobilnätet, basstationer (gNB) och kärnnätet, att vara markbundet. Satelliter fungerar då som rena repeatrar (bent pipe eller transparent payload). Detta har nackdelen att signalens gångtid (från klient till server inklusive mottagningsbekräftelse) blir fyra gånger avståndet mellan satelliten och jorden. Fördelen är att de flesta modifieringar kan genomföras i det mer lättillgängliga marknätet. I framtida arkitekturer kommer en större del av signalbehandlingen att ske i satelliterna. Delar av servern kan då integreras så att satelliten handhar kanalallokering (scheduling) och den upprepade paketsändningen (packet repetition). Fördelen är en högre grad av autonomi och kortare fördröjningstid.

Avståndets betydelse
Betraktar man en markbaserad sändare eller mottagare ger satellitkommunikation upphov till ett scenario som kan liknas vid en soluppgång och solnedgång, där signalens transittid varierar beroende på satellitens position. Först när den minsta elevationsvinkeln överskrids (uppgång) blir satelliten synlig vid horisonten och den försvinner igen när denna vinkel underskrids (nedgång). Signalens transittid är som längst vid dessa två tidpunkter. Och den är som kortast när satelliten står rakt ovanför sändaren eller mottagaren.

Detta har också inverkan på de högre protokollskikten. Dessa måste dels tolerera längre signaltransittider och dels synkronisera mottagningssignalen på satelliten. Detta kan hanteras med den beprövade TA-metoden (Timing Advance). Det är dock mycket svårare att synkronisera kommunikationen i 5G-NTN än i ett rent markbundet nät.

Dopplereffekt
Jämfört med stationära basstationer utgör satelliter som snabbt ändrar sin relativa position i förhållande till mobila enheter ett paradigmskifte. Frekvensförskjutningen som den höga relativa hastigheten ger upphov till kallas dopplereffekten. Hur mycket frekvensen förskjuts beror på bärfrekvensen, omloppshöjden och den relativa hastigheten.

För att kompensera för detta skickar satelliten sina omloppsbanedata (efemerider) som systeminformation till den mobila enheten. Den mobila enheten bestämmer sin egen markposition med hjälp av satellitpositionering (GNSS) så att dopplerförskjutningen kan kompenseras i förväg.

Mätteknikens roll i 5G-NTN och IoT-NTN

Icke-markbundna mobilnät kräver en anpassning av mätmetoderna, både för infrastrukturen och de mobila enheterna. En systemsimulator som testar tillförlitligheten hos de mobila enheterna måste kunna simulera både den stora tidsfördröjningen och dopplereffekten, men även signaleringsparametrar och handover-scenarier. I vissa scenarier krävs även en GNSS-signal för positionsbestämning. Rohdes radiotestare CMW500 och signalgeneratorn SMBV är en kombination som passar för testning av IoT-NTN. Med denna testrigg kan satellitnavigeringssignaler emuleras för bestämning av positionen hos mobila enheter. CMW500 kan testa fysiska parametrar, signaleringsprocesser och end-to-end-förbindelser (E2E).

Radiotestaren CMX500 kan byggas ut för testning av mobila enheter enligt NR-NTN. Funktionstestning av infrastrukturkomponenter som satelliter utförs med hjälp av signalgeneratorer och signalanalysatorer. Rohde & Schwarz har lagt till funktioner i signalgeneratorn SMW200A för emulering av radiokanaler, vilket möjliggör mottagarmätningar av infrastrukturkomponenter. Signalanalysatorn FSW kan användas för att testa sändaregenskaper hos infrastrukturkomponenter, som spektrala mätningar för störningsemissioner och samexistenstester.

5G-NTN har också inverkan på testmått som Over-the-Air (OTA). Följande korta exempel får illustrera detta: Om en satellit och en mobil enhet rör sig 1 000 kilometer från varandra, och båda använder riktantenner, så leder en avvikelse på 1° i sändarantennens riktning till en förskjutning av antennens riktverkan på 30 kilometer på mottagarsidan. Nya lämpliga testmått vore således lobens noggrannhet, antennkarakteristikens långsiktiga stabilitet samt omjusteringens snabbhet och noggrannhet. Utöver mätteknik erbjuder Rohde & Schwarz lösningar för satellitövervakning och planering av satellitlänkar, men även hjälp med tillverkning av högintegrerade delar och komponenter inom satellitteknik.

Framtiden
Det långsiktiga målet med 5G-NTN är tredimensionella, standardiserade och organiska nätverksstrukturer. 5G-NR release 17, som definierar ramverket för 5G-NTN, ska bara ses som en avspark. Med satellitkommunikation och mobiltelefoni växer nu två ekosystem ihop som tidigare var åtskilda.

Användningsfall för 5G-NTN

• Transportövervakning och jordobservationer
  Logistikföretag använder uppkopplade sensorer som sänder tillförlitligt över hela världen. Detta möjliggör noggrann spårning av varutransporter. Kunder kan nu se att transporten de facto är skadefri eller att kylkedjan inte är bruten. Även jord- och djurobservationer för forskningsändamål kan ske med hjälp av uppkopplade sensorer som kommunicerar via markbunden och icke markbunden 5G NTN-infrastruktur – i mycket större skala än tidigare. Snabbare upptäckt och lokalisering av skogsbränder, väderinformation eller slutsatser om klimatförändringar genom omfattande övervakning är bara tre exempel.
   
• Robust kommunikation för katastrofberedskap
  I Europa finns ett stort intresse för mer motståndskraftiga och stabila mobilnät samt för nya metoder som säkerställer avbrottssäkra kommunikationskanaler för katastrofbered­skap. Om basstationer i det markbundna mobilnätet slutar fungerar på grund av översvämningar eller strömavbrott kan 5G-NTN-satellitförbindelser eller andra luftburna nätverksnoder snabbt kompensera för den förlorade funktionen.