5G NTN: что такое неназемные сети и зачем они нужны

Мобильные сети сегодня покрывают большую часть населённых территорий, но обеспечить наземной инфраструктурой абсолютно всю поверхность Земли невозможно или экономически нецелесообразно. Остаются удалённые и труднодоступные районы, морские маршруты, полярные территории и другие зоны, где строительство обычной сетевой инфраструктуры может быть слишком сложным или дорогим.

Одним из решений этой задачи становятся NTN (Non-Terrestrial Networks) — это неназемные сети, в которых часть инфраструктуры связи размещается вне поверхности Земли. В практической стандартизации 5G основное внимание уделяется спутниковым системам, однако понятие NTN шире и может включать другие воздушные платформы, например HAPS. Идея заключается в том, чтобы дополнить наземную инфраструктуру дополнительным уровнем покрытия и обеспечить взаимодействие спутникового и наземного сегментов.

 Спутниковая и мобильная связь в основном развивались параллельно как отдельные технологические направления. Для спутниковой связи создавались собственные терминалы и оборудование, использовались отдельные сетевые архитектуры и технологии доступа. Спутниковые системы могли взаимодействовать с наземной инфраструктурой, но не были частью единой стандартизированной экосистемы мобильных сетей 3GPP. Начиная с 3GPP Release 17, спутниковый сегмент получил нормативно определённый механизм интеграции с 5G-сетью.

 В рамках стандартизации 3GPP неназемный сегмент интегрируется в архитектуру мобильных сетей с учётом особенностей спутникового канала. Поэтому NTN можно рассматривать как направление развития мобильных сетей, в котором наземные и спутниковые элементы могут работать в рамках единой стандартизированной экосистемы.

Что такое NTN

NTN — это сеть, в которой для организации радиодоступа используются неназемные элементы. В контексте 3GPP основное внимание уделяется спутниковым системам.

Идея NTN заключается в том, чтобы дополнить наземные сети дополнительным уровнем покрытия. Спутник может обеспечивать связь с пользовательским устройством, после чего трафик передаётся в наземную инфраструктуру через шлюз или другую часть сети.

3GPP начала системную стандартизацию NTN в Release 17. В Release 18 были добавлены новые функции для спутникового доступа, включая поддержку сценариев с прерывистым покрытием и совершенствование управления мобильностью. В Release 19 развитие NTN продолжилось, в частности за счёт поддержки более сложных архитектур с regenerative payload и дополнительных улучшений NR-NTN. Врамках этого направления предусмотрена поддержка спутникового сегмента для разных типов мобильных устройств и сценариев связи:

Одно из направлений — NR-NTN (New Radio for Non-Terrestrial Networks) — адаптация радиоинтерфейса 5G NR для работы в неназемных сетях. Оно ориентировано на более широкий круг задач мобильной связи, включая подключение пользовательских устройств.

Второе направление — IoT-NTN — неназемные сети для интернета вещей. Оно позволяет использовать через неназемные сети технологии NB-IoT и eMTC, разработанные для устройств интернета вещей. Такой вариант особенно актуален для датчиков и других устройств, которым требуется передавать небольшие объёмы данных там, где нет наземного покрытия.

NB-IoT (Narrowband Internet of Things) и eMTC (Enhanced Machine-Type Communications) — это две технологии сотовой связи, разработанные консорциумом 3GPP для нужд интернета вещей (IoT). Обе построены на базе LTE, но решают разные задачи благодаря отличиям в технических характеристиках.

• NB-IoT (Narrowband IoT) — технология, созданная для передачи небольшого объёма данных при низком энергопотреблении, часто в сложных условиях (слабый сигнал, помехи).
• eMTC (enhanced Machine-Type Communications) — технология для устройств интернета вещей, рассчитанная на более широкий набор IoT-сценариев, в том числе с более высокой скоростью передачи данных.

Какие спутники используются в NTN

Для NTN могут использоваться спутники на разных орбитах: от их высоты и характеристик зависят зона покрытия, задержка распространения сигнала и особенности движения спутника относительно пользователя.

LEO (Low Earth Orbit) — низкая околоземная орбита. Спутники находятся на небольшой высоте и быстро перемещаются относительно поверхности Земли. Более низкая высота орбиты позволяет снизить задержку распространения сигнала по сравнению с более высокими орбитами, но требует учитывать постоянное изменение положения спутника и зоны его обслуживания.

MEO (Medium Earth Orbit) — средняя околоземная орбита. Спутники находятся выше LEO, поэтому зона покрытия одного аппарата может быть больше, но возрастает время распространения сигнала.

GEO (Geostationary Earth Orbit) — геостационарная орбита. Спутник движется вокруг Земли с такой скоростью, что для наблюдателя на поверхности остаётся практически неподвижным относительно определённой области. Это позволяет постоянно обслуживать одну и ту же зону покрытия. GEO обеспечивает постоянную область видимости, но его геометрия ограничивает применение на высоких широтах. Поэтому для полярных и приполярных районов могут быть интересны LEO и некоторые высокоэллиптические орбиты.

HEO (Highly Elliptical Orbit) — высокоэллиптическая орбита. В отличие от круговых орбит LEO, MEO и GEO, спутник движется по вытянутой эллиптической траектории. Скорость его движения и расстояние до Земли при этом меняются в течение орбитального периода. Такие орбиты могут использоваться для обеспечения связи в регионах, где другие варианты спутникового покрытия менее удобны, например на высоких широтах.

Таким образом, разные орбиты дают разные сочетания зоны покрытия, задержки и динамики спутниковой группировки. 

Вызовы NTN

Одна из основных проблем — большая задержка распространения сигнала. Особенно заметной она становится для высоких орбит. Система должна учитывать её при организации процедур передачи данных и взаимодействия между устройством и сетью. Однако важно понимать, что задержка распространения ≠ E2E latency. На итоговую задержку влияют: 

• высота орбиты;
• расстояние UE ↔ спутник;
• feeder link;
• обработка на спутнике;
• gateway;
• транспорт до core/data network;
• количество промежуточных узлов.

К примеру, LEO обычно обеспечивает существенно меньшую задержку распространения, чем GEO, однако полная E2E-задержка зависит не только от высоты орбиты, но и от архитектуры сети, обработки и наземного транспорта.

Вторая особенность — эффект Доплера. Для низкоорбитального спутника положение относительно пользователя постоянно меняется, поэтому частота принятого сигнала может заметно смещаться. Из-за высокой относительной скорости спутника возникает значительный доплеровский сдвиг, который необходимо учитывать при синхронизации и обработке радиосигнала. В 3GPP для NTN предусмотрены специальные механизмы компенсации и поддержания временной и частотной синхронизации.

Ещё одна задача связана с синхронизацией. Из-за большого расстояния между пользователем и спутником сигнал распространяется дольше, чем в наземной сети. Поэтому оборудование и сеть должны учитывать время распространения сигнала при организации передачи данных.

Наконец, необходимо учитывать движение спутника и изменение зоны его обслуживания. Пользователь может оставаться на одном месте, а обслуживающий его спутник постепенно перемещается. Поэтому для NTN важны процедуры управления мобильностью и перехода между зонами обслуживания. К примеру, для LEO спутник быстро перемещается относительно пользователя, поэтому проблема значительно серьёзнее, чем обычный handover между наземными сотами.

Помимо этого, к вызовам необходимо отнести следующие факторы:

• Link budget - Спутник находится далеко, поэтому есть огромные потери распространения. Это одна из причин, почему NTN требует специальных требований к UE, антеннам и энергетике.
• Видимость спутника - В реальных условиях деревья, здания, рельеф и другие препятствия могут резко ухудшать работу NTN, особенно у низкорасположенных терминалов.
• Feeder link / gateway availability - Наличие спутника над пользователем ещё не гарантирует наличие полноценного сервиса. Должен быть доступен feeder link и наземный сегмент.

Зачем объединять NTN с мобильной сетью

Наземные сети остаются основой мобильной связи там, где строительство и эксплуатация инфраструктуры оправданы. NTN может дополнять их там, где обеспечить покрытие с помощью наземных объектов сложно.

Это особенно актуально для:

• Удалённых и малонаселённых территорий;
• Морских и океанских маршрутов;
• Транспортной инфраструктуры;
• Промышленности в труднодоступных районах;
• Мониторинга удалённых объектов;
• Связи во время чрезвычайных ситуаций;
• IoT-устройств, работающих за пределами зоны наземного покрытия.

В таком сценарии NTN становится дополнительным уровнем инфраструктуры, который расширяет доступность связи.

NTN и IoT

Отдельное направление — подключение устройств интернета вещей.

Для многих IoT-сценариев не требуется высокая скорость передачи данных. Гораздо важнее возможность отправлять небольшие объёмы информации от удалённых датчиков, счётчиков, систем мониторинга и других устройств.

Именно поэтому в 3GPP отдельно развивается IoT-NTN на базе NB-IoT и eMTC. Такой подход позволяет использовать стандартизированные технологии сотовой связи в сценариях, где наземное покрытие отсутствует или недостаточно.

Развитие NTN показывает, что граница между мобильной и спутниковой связью постепенно становится менее заметной. Наземные базовые станции и спутниковые системы могут рассматриваться как разные элементы одной коммуникационной инфраструктуры.

При этом поддержка NTN не появляется у устройства автоматически: для работы через неназемную сеть устройство и сеть должны поддерживать соответствующие стандарты, диапазоны и необходимые функции.

В перспективе развитие NTN может позволить строить более гибкие сети, в которых наземные, спутниковые и другие коммуникационные ресурсы работают совместно, обеспечивая связь там, где традиционной мобильной инфраструктуры недостаточно.

NTN и обычный смартфон

Одним из наиболее заметных направлений развития NTN стала прямая связь спутника с пользовательским устройством (Direct-to-Device). В таком сценарии спутник обеспечивает радиосоединение непосредственно с телефоном или другим компактным терминалом без установки отдельной спутниковой антенны на стороне пользователя. Однако поддержка такой функции зависит от используемых диапазонов, возможностей устройства и конкретной сети.

Важно, что NTN не является исключительно технологией будущего 6G. Интеграция неназемного сегмента уже развивается в 5G, начиная с 3GPP Release 17. В 6G предполагается дальнейшее развитие этого подхода и более глубокая интеграция наземных, спутниковых и других неназемных сетей. Однако, в отличие от 6G, NTN для 5G уже является стандартизованной частью развития IMT-2020: ITU в 2026 году официально включил 3GPP 5G-NTN в перечень спутниковых радиоинтерфейсов IMT-2020.