Die beste Einführung in NTN

In den letzten Jahren ist das Konzept von NTN sehr populär geworden.

Was genau ist also NTN? Warum ist NTN so beliebt? Wird es die Landschaft der Telekommunikationsbranche verändern?

In diesem Artikel heute wollen wir diese Fragen klären.

Was ist NTN?

Die vollständige Bezeichnung von NTN lautet Non - Terrestrial Networks, also nicht - terrestrische Netzwerke.

Terrestrische Netzwerke sind die zellulären Basisstationen - Netzwerke und Wi - Fi - Netzwerke, die wir täglich nutzen. Nicht - terrestrische Netzwerke, wie der Name schon sagt, sind Netzwerke, die nicht auf dem Boden aufgebaut sind, sondern "Netzwerke am Himmel".

Viele Menschen setzen NTN mit der Satellitenkommunikation gleich. Das ist jedoch unpräzise.

Streng genommen umfasst NTN verschiedene Ebenen von Kommunikationsnetzwerken wie Satelliten (niedrige Umlaufbahnen (LEO), mittlere Umlaufbahnen (MEO), geostationäre Umlaufbahnen (GEO)), Plattformen in großer Höhe (High - Altitude Platforms, HAPS, wie Stratosphärenluftschiffe und Ballons), Drohnen und sogar zukünftige Mondkommunikationsrelaisknoten.

Mit anderen Worten ist NTN ein dreidimensionales Kommunikationsnetz, das "schichtweise heterogen und bedarfsorientiert kooperiert", um eine echte ganzheitliche Abdeckung zu erreichen.

Derzeit konzentriert sich die Hauptforschung von NTN vorübergehend auf die Satellitenplattform. Deshalb kann man NTN vorläufig als "nicht - terrestrisches Netzwerk mit Schwerpunkt auf Satelliten" verstehen.

Warum wird NTN entwickelt?

NTN wird entwickelt, weil es einen Bedarf dafür gibt. Zusammengefasst lautet es "Blindspotabdeckung".

Wie bekannt ist, haben wir auf der Erde ein entwickeltes terrestrisches Kommunikationsnetz aufgebaut, das eine große Anzahl von Menschen abdeckt.

Aber die Erde ist sehr groß. Für Gebiete wie Wälder, Wüsten, Steppen, Berge und Pole, in denen nur wenige Menschen leben, kann aufgrund der Baubedingungen und Kosten keine effektive Abdeckung erreicht werden.

Nehmen wir China als Beispiel. Unser terrestrisches Netz ist das stärkste in der Welt und kann 99 % der Bevölkerung abdecken. Aber die Abdeckung des Landes beträgt nur etwa 30 %.

Außer auf dem Land besteht ein größeres Problem auf See und in der Luft.

Das Ozeangebiet der Erde macht 71 % der Erdoberfläche aus, aber die Netzabdeckung beträgt nur 10 % (in Küstennähe). In der Luft kann das terrestrische Netz nur sehr begrenzte ATG (Air - to - Ground) - Dienste bieten.

Wie man sagt: "Je höher man steht, desto weiter sieht man". Wenn man die Signalempfangs - und - sendeeinrichtungen an höherer Stelle platziert, kann man eine "überblicksartige" weite Abdeckung erreichen und die Blindstellen des terrestrischen Netzwerks beseitigen.

Seit langem haben sich terrestrische und nicht - terrestrische Netzwerke unabhängig voneinander entwickelt. Die Satellitenkommunikation hat ihre eigenen Standards, Frequenzbänder, Endgeräte und Ökosysteme. Das gesamte Technologiesystem ist relativ abgeschlossen und gehört zu einer "Kleingruppe".

Als der Haupttreiber der terrestrischen Netzwerktechnikstandards hat die 3GPP - Standardsorganisation bei der Erforschung der 4G/5G - Standards allmählich erkannt, dass der Aktivitätsbereich der Menschen ständig wächst. Wenn sich das Kommunikationsnetz auf die terrestrischen zellulären Basisstationen beschränkt, kann es die geografischen Beschränkungen nicht überwinden und die Anforderungen in verschiedenen Szenarien wie Notfallkommunikation, Seeschiffahrt, Polarforschung, Waldbrandbekämpfung und Niederflughandel nicht erfüllen.

Die Überwindung der Barrieren zwischen terrestrischen und nicht - terrestrischen Netzwerken, die vollständige Integration von Technologien wie der Satellitenkommunikation in die terrestrische Kommunikation, die Erweiterung der Netzwerkverbindungsgrenzen und der Aufbau eines "integralen Kommunikationsnetzes für Himmel, Erde, See und Weltraum" sind für die 3GPP eine unvermeidliche Wahl.

Traditionelle Satellitenkommunikationsunternehmen sind auch sehr gerne bereit, sich mit den terrestrischen Netzwerken zu verbinden.

Einerseits hat das terrestrische Netzwerk eine riesige Nutzerbasis, was ein größerer Markt bedeutet. Andererseits hat das terrestrische Netzwerk auch eine reife und skalierbare Industriekette, die von den Endgeräten, Protokollen bis hin zur Produktion günstige Bedingungen für die Entwicklung der Satellitenkommunikation schaffen kann.

Beide Seiten sind einverstanden. So ist NTN entstanden.

Entwicklung von NTN

NTN ist das Ergebnis einer tiefen Integration von terrestrischen und nicht - terrestrischen Netzwerken. Die 3GPP ist jedoch immer noch die Hauptverantwortliche.

Im Jahr 2017, als die 3GPP den R15 - Standard (die erste Version von 5G) festlegte, startete sie die Forschung zu NTN. Damals definierten sie die NTN - Einsatzszenarien und die zugehörigen Systemparameter und untersuchten das NTN - Kanalmodell.

Später, in der R16 - Phase, untersuchte die 3GPP die Integrationsarchitektur von Satelliten und 5G - Systemen sowie das Design von Lösungen für NTN - Szenarien und gab der Arbeit der relevanten Technologiestandardgruppen der 3GPP die Richtung vor.

Im Jahr 2020 gab es in der R17 - Phase einen großen Durchbruch bei NTN.

R17 hat NTN offiziell in das 5G - Standardsystem aufgenommen, erstmals zwei Architekturen, die Transparent - Transponder - Architektur und die Regenerative - Transponder - Architektur von Satelliten definiert und den Zugangsprozess für die direkte Verbindung von Endgeräten mit Satelliten festgelegt.

In der obigen Architektur wird die Verbindung zwischen Satellit und Nutzer Service Link genannt. Die Verbindung zwischen Satellit und Gateway wird Feeder Link genannt, auch Satellitenfunkschnittstelle (SRI) genannt.

In der Transparent - Transponder - Architektur des Satelliten fungiert der Satellit nur als Mittelpunkt für die Funkfrequenzsignale und führt keine Signalverarbeitung durch. Geräte wie das NTN - Gateway auf dem Boden sind für die Kernfunktionen wie Signaldemodulation, Decodierung und Protokollstapelverarbeitung verantwortlich und sind der Schlüsselhub zwischen Satellit und terrestrischem Kernnetz.

In diesem Modell muss der Satellit nicht zu komplex sein. Das Systemdesign ist leichter und die Implementierung schneller, wodurch die Kosten für die Herstellung und den Start des Satelliten deutlich gesenkt werden. Dies eignet sich besonders für die Massenimplementierung von Satellitenkonstellationen in niedrigen Umlaufbahnen.

In der Regenerative - Transponder - Architektur empfängt der Satellit nicht nur Signale, sondern führt auch Demodulation, Decodierung, Routing und sogar Protokollverarbeitung durch. Der Satellit übernimmt so die Funktion einer Basisstation und wird wirklich zu einer "Raumbasisstation".

Es ist zu beachten, dass in der Regenerative - Transponder - Architektur alle gNB - Funktionen (5G - Basisstationen) auf dem Satelliten implementiert werden können, oder auch nur einige Funktionen, je nach Bedarf und Szenario. Beispielsweise kann die DU - Funktion (verteilte Einheit) der 5G - Basisstation auf dem Satelliten integriert werden, während die CU - Funktion (zentrale Einheit) auf dem Boden implementiert wird, um eine hybride Architektur von "DU auf dem Satelliten + CU auf dem Boden" zu bilden.

Je nach Funktionsverteilung variiert auch das konkrete Netzwerkaufbau. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Die Regenerative - Transponder - Architektur stellt höhere Anforderungen an den Nutzlastraum, die Rechenressourcen und die Energieversorgung des Satelliten. Sie verbessert jedoch auch die Leistung und Flexibilität des Netzwerks und ermöglicht ein komplexeres Netzwerkaufbau zwischen Satelliten. Die Verbindung zwischen Satelliten wird Inter - Satellite Link (ISL) genannt.

Dieses Modell entspricht auch einer Art Edge - Computing ("Kompentenzabwärtsschichtung"), bei der die Rechen - und Intelligenzfähigkeiten in die Umlaufbahn verlagert werden, um die Kommunikationsverbindung kürzer, die Latenzzeit niedriger und die Reaktion schneller zu machen.

In der frühen Phase von NTN, der R17 - Phase, wurde die Transparent - Transponder - Architektur und die Verbesserung des Mobilprotokolls intensiv untersucht, während die Regenerative - Transponder - Architektur nicht eingehend erforscht wurde. Zu diesem Zeitpunkt war es wichtig, dass NTN "funktionsfähig" wird.

Schauen wir uns nun die Anwendungsarten von NTN an.

R17 hat die NB - IoT - (Narrow - Band - Internet der Dinge) und eMTC - (Enhanced Machine - Type Communication) - Technologien von LTE verbessert, um zu ermöglichen, dass diese IoT - Geräte über Satelliten mit dem terrestrischen Mobilfunknetz verbunden werden können, um die Anforderungen in Szenarien wie Landwirtschaft, Umweltschutz und Logistik zu erfüllen.

Wie man sieht, ähnlich wie die drei Szenarien von 5G, ist 5G NTN auch in zwei technologische Zweige unterteilt: NR - NTN und IoT - NTN.

NR - NTN entspricht dem 5G NR (eMBB - Szenario), um eine hohe Bandbreite und eine niedrige Latenzzeit zu erreichen, und richtet sich an die weite Breitbandzugang und unterstützt die Übertragung von Hochdefinition - Videos und die Fernkooperation mit hohen Datenraten.

IoT - NTN entspricht dem NB - IoT und eMTC (mMTC - Szenario) und konzentriert sich auf die allgegenwärtige Verbindung von einer großen Anzahl von IoT - Endgeräten mit niedrigem Energieverbrauch.

Jetzt sprechen wir über die Frequenzbänder von NTN.

Die Arbeit in Release 17 konzentriert sich hauptsächlich auf die Verwendung von transparenten Nutzlasten und den Betrieb in den Frequenzbändern n255 (L - Band) und n256 (S - Band) innerhalb von FR1. Diese beiden Frequenzbänder sind auch die Basis - Frequenzbänder der traditionellen Satellitenkommunikation. Kurz gesagt, alles ist für eine schnelle Anpassung gedacht. Die Bandbreite dieser beiden Frequenzbänder ist nicht groß, daher können sie keine Dienste mit hoher Bandbreite unterstützen und dienen hauptsächlich der Erreichung von Basisdiensten.

R15 - R17 ist die 5G - Ära, und R18 - R20 ist die 5G - Advanced - Ära. Nach dem Eintritt in R18 entwickelt sich auch der NTN - Technologiestandard weiter.

In der R18 - Phase wird einerseits die Verbesserung des Transparent - Transponder - Modells beachtet, wie die Erweiterung der Frequenzbänder, die Verbesserung der Abdeckung, die Verbesserung der Mobilität und der Dienstkontinuität usw. Andererseits wird auch die technische Umsetzung des Regenerative - Transponder - Modells vorangetrieben, d. h. die "Basisstation in den Himmel" wird aktiv vorangetrieben.

Von R17 bis R18 wandelt sich die 3GPP - NTN - Strategie von "funktionsfähig" zu "gut nutzbar", wobei die Optimierung und Erweiterung betont werden, um breitbandige Dienste von höherem Wert und eine stärkere Netzwerkintegration zu erreichen.

R18 unterstützt höhere Datenraten durch die Einführung höherer Frequenzen (Ka - Band), unterstützt explizit VSAT - Endgeräte und verbessert die Mobilität und die Abdeckung. R18 fügt auch das NR - NTN - FDD - Frequenzband n254 sowie die LTE - IoT - NTN - FDD - Frequenzbänder B253/B254 hinzu.