5G ja tulevien Beyond 5G -verkkojen NTN-ratkaisut tuovat langattomat yhteydet alueille, joille maanpäälliset verkot eivät yllä. Erityisen tärkeä rooli satelliittiyhteyksillä voi olla pelastus- ja viranomaisviestinnässä, kun maanpäällinen verkko ruuhkautuu, vaurioituu tai lakkaa kokonaan toimimasta. Liikkuvat satelliitit tuovat kuitenkin 5G-yhteyksiin uusia teknisiä haasteita, joiden ratkaiseminen vaatii perusteellista testausta.
 Artikkelin kirjoittaja Tomohide Yamazaki työskentelee Anritsulla digitaalisen markkinoinnin parissa. Hän on ollut yhtiön palveluksessa vuodesta 2008 ja työskennellyt yli kymmenen vuotta optisen ja fotoniikkateollisuuden testaus- ja mittauslaitteiden parissa sekä laitteisto- että ohjelmistokehityksessä. Yamazaki on väitellyt tekniikan tohtoriksi Hosei-yliopistosta Tokiossa. |
5G ja Beyond 5G maanpäällisten verkkojen ulkopuoliset NTN-verkot (Non-Terrestrial Networks) mahdollistavat langattomat yhteydet alueilla, joille maanpäälliset verkot eivät yllä. NTN voi tarjota yhteyden syrjäisillä alueilla sekä toimia maanpäällisen verkon varayhteytenä tai vaihtoehtona, mikä parantaa yhteyksien häiriönsietoa. Koska satelliitit kattavat suuria alueita, ne soveltuvat hyvin myös ryhmä- ja yleislähetyksiin.
Yksi NTN-verkkojen keskeisistä käyttökohteista on yleinen turvallisuus, kuten ensihoito, pelastustoimi, palokunnat ja poliisi. NTN-yhteydet ovat tärkeitä myös luonnonkatastrofeissa ja muissa hätätilanteissa, joissa maanpäälliset verkot voivat lakata toimimasta tai niitä ei ole lainkaan. Vaikka maanpäällinen verkko olisikin käytettävissä, NTN voi parantaa yhteyksien toimintavarmuutta ruuhka- ja häiriötilanteissa.
NTN-verkkojen täyden potentiaalin hyödyntäminen edellyttää kuitenkin monien teknisten haasteiden ratkaisemista. Satelliitit ja ilmassa olevat tukiasemat liikkuvat yleensä nopeasti, minkä lisäksi haasteita aiheuttavat kehittyvät standardit, jatkuvasti kasvavat datanopeudet, monimutkaiset handoverit verkon eri osien välillä, edestakaisesta signaalinkulusta syntyvä viive sekä solujen liikkuminen. Oikeanlaiset testiskenaariot ja -menetelmät ovat siksi keskeisessä asemassa, jotta NTN voi tuoda kattavat yhteydet osaksi 5Gä. Testauksella varmistetaan, että verkot toimivat vaatimusten mukaisesti ja standardit on toteutettu oikein.
NTN-alustojen tyypit
NTN-verkot voivat perustua satelliitteihin tai korkealla lentäviin HAPS-alustoihin (High-Altitude Platform Systems). NTN-verkoissa käytettävät satelliitit jaetaan matalan kiertoradan LEO-satelliitteihin (Low Earth Orbit), keskikorkean kiertoradan MEO-satelliitteihin (Medium Earth Orbit), geostationäärisiin GEO-satelliitteihin (Geostationary Earth Orbit) sekä elliptisillä radoilla kiertäviin HEO-satelliitteihin (High Elliptical Orbit). HAPS-järjestelmät puolestaan voivat käyttää ilmapalloja, ilmalaivoja tai kiinteäsiipisiä lentokoneita, jotka lentävät tai leijuvat noin 20 kilometrin korkeudessa.
Taulukko 1. NTN-alustojen tyypit. Lähde: 3GPP TR 38.821 V16.2.0.
Satelliittiyhteyksien keskeinen haaste on viive, joka kasvaa lentokorkeuden mukana. LEO-satelliittien viive on pienempi, mikä on osaltaan johtanut niiden käytön voimakkaaseen kasvuun. Miehittämättömillä ilma-aluksilla eli droneilla voidaan puolestaan päästä hyvin pieniin viiveisiin, mahdollisesti jopa yhteen millisekuntiin.
Satelliittiverkot tarvitsevat yhdyskäytäviä, joiden kautta NTN liittyy julkiseen dataverkkoon. Yhdyskäytävän ja satelliitin välillä käytetään feeder-radioyhteyttä ja käyttäjälaitteen eli UE ja satelliitin välillä palveluradioyhteyttä. Kun NTN integroidaan 5G-verkkoon, se voi jatkaa palvelua alueilla, joilla pelkkä maanpäällinen 5G-verkko ei pysty tarjoamaan yhteyttä. NTN täyttää samalla katvealueita ja tarjoaa vaihtoehtoisen yhteysreitin silloin, kun maanpäällinen verkko on ruuhkautunut tai poissa käytöstä.
3GPP on laatinut NTN-verkoille määrityksiä, joiden tavoitteena on täyttää 5G-verkon katvealueita ja mahdollistaa NTN käyttö tulevissa langattomissa teknologioissa. 3GPP Release 17 käsittelee muun muassa viiveeseen ja solujen liikkuvuuteen liittyviä kysymyksiä. Release 18 puolestaan tukee nimenomaisesti NR-NTN:ää ja LTE-pohjaista NB-IoTä, mikä mahdollistaa IoT- ja eMTC-laitteiden kattavan palvelemisen.
Palvelujen yleinen saatavuus on yksi NTN käyttötapauksista. Tavoitteena on tarjota yhteydet maantieteellisille alueille, joilla maanpäällisiä verkkoja ei ole tai niiden kattavuus on puutteellinen. Tämä on tärkeää julkisten palvelujen tarjoamiseksi kaikkialla, myös maaseudulla.
Palvelujen skaalautuvuudessa hyödynnetään satelliittien suurta peittoaluetta sisällön ryhmä- ja yleislähetyksiin. Tästä on hyötyä myös viranomaiskäytössä esimerkiksi hätäviestien sekä sää- ja tulvavaroitusten välittämisessä.
3GPP NTN-arkkitehtuuri
3GPP määrittelee 5G-palveluille kaksi NTN-arkkitehtuuria: Transparent Payload- ja Regenerative Payload -ratkaisut.
Transparent Payload -arkkitehtuurissa, joka on esitetty kuvassa 1, satelliitti toimii analogisena RF-toistimena feeder- ja palveluyhteyksien välillä. Satelliitti huolehtii RF-suodatuksesta, taajuusmuunnoksesta ja vahvistuksesta, mutta sen välittämän signaalin aaltomuoto ei muutu. 5G-yhteydessä satelliitti toistaa feeder-yhteydeltä palveluyhteydelle 5G NR-Uu-radiointerfacen.
Kuva 1. Tyypillinen transparent payload -arkkitehtuuriin perustuva NTN. Lähde: 3GPP TR 38.821 V16.2.0.
Kuvassa 2 esitetyssä Regenerative Payload -arkkitehtuurissa satelliitti suorittaa RF-suodatuksen, taajuusmuunnoksen ja vahvistuksen lisäksi demoduloinnin ja dekoodauksen sekä kytkennän tai reitityksen ja koodauksen tai moduloinnin. Satelliitti toimii tällöin 5G-tukiasemana eli gNBä ja regeneroi maasta vastaanotetun signaalin. NR-Uu-rajapinta huolehtii satelliitin ja käyttäjälaitteen välisen palveluyhteyden liikenteestä, kun taas feeder-yhteydessä takaisin runkoverkkoon käytetään erillistä satelliittiradiorajapintaa.
Kuva 2. Tyypillinen regenerative payload -arkkitehtuuriin perustuva NTN. Lähde: 3GPP TR 38.821 V16.2.0.
3GPP arkkitehtuuri tukee sekä liikkuvia että kiinteitä satelliittikeiloja. Satelliittien kiertäessä maapalloa niiden keiloja voidaan suunnata siten, että ne säilyttävät jatkuvan peiton samalla maantieteellisellä alueella. Tällaisessa kiinteän keilan tapauksessa satelliitin on oltava horisontin yläpuolella.
Liikkuvan keilan tapauksessa satelliitin kiinteä keila puolestaan muodostaa maan pinnalle liikkuvan peittoalueen.
NTN-haasteet ja testauksen tarve
Maaseutu- ja hätätilannekäyttöä suunniteltaessa on otettava huomioon useita keskeisiä haasteita. Näitä ovat signaalin voimakkuuden vaihtelut, signaalin etenemisviiveiden muutokset, solujen välisten siirtymisten (eli handoverin) monimutkaisuus sekä Doppler-siirtymä.
NTN-satelliitit muodostavat elliptisiä keiloja, joiden peittoalueeseen vaikuttavat satelliitin suuri korkeus ja rajallinen näkökenttä. Tämä aiheuttaa signaalin voimakkuuden vaihtelua, joka on huomioitava NTN-järjestelmän suunnittelussa. Erityisesti LEO- ja MEO-konstellaatioissa yhteyttä joudutaan siirtämään usein satelliitilta toiselle, koska satelliitteja on paljon ja ne liikkuvat nopeasti. Tiheät handoverit kasvattavat yhteyden katkeamisen riskiä.
Käyttäjälaitteen ja satelliitin välisen pitkän signaalitien aiheuttaman viiveen lisäksi yhteyksissä esiintyy dynaamisesti muuttuvia etenemisviiveitä käyttäjälaitteeseen ja satelliittien välillä. Ne johtuvat satelliittien suuresta nopeudesta ja niiden liikkeestä suhteessa maapalloon. Näiden viiveiden vaikutukset on pyrittävä minimoimaan. Yli 24 000 kilometrin tuntinopeudella liikkuvat satelliitit aiheuttavat myös Doppler-siirtymää, jolloin signaalin taajuus muuttuu satelliitin lentoradan mukaan.
Kun satelliitteja, HAPS-alustoja tai droneja käytetään tukiasemina, signaalin eheyden ja yhteyden säilyttäminen on merkittävä haaste. Ne sijaitsevat korkealla ja liikkuvat toisin kuin maanpäälliset verkot. Testauksessa on siksi kiinnitettävä huomiota erityisesti laatuun ja vakauteen, skaalautuvuuteen, suorituskykyyn sekä monikerroksiseen tiedonsiirtoon.
Kriittisissä sovelluksissa 5G NTN -verkkojen palvelun laadun ja luotettavuuden on oltava samalla tasolla kuin maanpäällisissä viranomaisverkoissa. Kattava testaus on tämän vuoksi tärkeää, jotta voidaan varmistaa NTN-verkon täyttävän laatu- ja vakausvaatimukset. NTN-verkon skaalautuvuuden on puolestaan varmistettava mahdollisimman hyvä palvelunlaatu eli QoS laajalla peittoalueella ilman puheluiden katkeamista.
NTN-verkon kyky säilyttää määritetty palvelutaso voidaan varmistaa emuloimalla erilaisia käyttäjälaitteen liikkuvuus- ja häipymisprofiileja, vaikka satelliitin etäisyys, nopeus ja liike suhteessa käyttäjälaitteeseen muuttuvat. Samoin on otettava huomioon nopeasti liikkuvien HAPS-alustojen ja erityisesti LEO-satelliittien aiheuttamat huomattavat Doppler-siirtymät.
NTN monikerroksinen tiedonsiirto tuo mukanaan useita yhteyshaasteita. Näitä ovat esimerkiksi handoverit maanpäällisten ja satelliittiyhteyksien välillä sekä suuri radiolinkkikapasiteetti, jota NTN-konstellaatioiden monireittiset mesh-verkot edellyttävät. Kaikki nämä yhteydet on testattava, jotta standardien edellyttämä palvelun jatkuvuus ja laatu voidaan varmistaa.
Anritsu tarjoaa näiden haasteiden testaamiseen erilaisia ratkaisuja, joiden avulla voidaan varmistaa NTN-verkkojen vaatimustenmukainen toiminta sekä viranomaisverkkojen toimivuus. Testiratkaisut soveltuvat muun muassa pitkäaikaiseen spektrinvalvontaan ja laitteistopäivityksiin liittyvien ongelmien selvittämiseen sekä satelliittitaajuuksien vieressä toimivien RF-palvelujen testaamiseen.
Kuva 3. Anritsun NTN-verkkojen testausratkaisuja.
Remote Spectrum Monitor -järjestelmiä eli RSM-laitteita käytetään viranomaisverkoissa niiden toimintaa häiritsevän luvattoman RF-liikenteen valvontaan ja raportointiin. Räkkiasennettavat RSM-laitteet sijoitetaan radioasemille valvomaan jatkuvasti viranomaiskäytössä olevaa spektriä, raportoimaan kiinnostavista signaaleista ja auttamaan häiriölähteiden paikantamisessa.
Field Master Pro MS2090A sisältää reaaliaikaisen spektrianalysaattorin eli RTSA, joka mahdollistaa signaalien reaaliaikaisen kaappauksen 110 megahertsin kaistanleveydellä. Laite pystyy havaitsemaan jopa 2,055 mikrosekunnin mittaisia satunnaisia signaaleja 100 prosentin POI-todennäköisyydellä (Probability of Intercept). Näin voidaan varmistaa, että verkot toimivat määrittelyjen mukaisesti.
Mobile InterferenceHunter MX280007A on tarkoitettu yhden tai useamman viranomaisverkkoa häiritsevän signaalilähteen nopeaan paikantamiseen. Järjestelmä toimii Anritsun kannettavien spektrianalysaattoreiden kanssa ja mahdollistaa häiriölähteiden etsinnän sekä radiotaajuuksien puhdistamisen häiriöistä.
Radio Communication Analyzer MT8821C on suunniteltu älypuhelinten, tablettien, IoT-moduulien ja muiden käyttäjälaitteiden tuotekehitykseen. Se tukee LTE-Advanced- ja IoT-tekniikoita ja mahdollistaa NTN NB-IoT -laitteiden RF-testauksen ja validoinnin.
Signalling Tester MD8430A voidaan rakentaa piirisarjojen ja laitteiden kehityksessä tarvittava simuloitu verkko. NTN NB-IoT (GEO) MD8430A-043 -ohjelmiston sekä NTN over IoT Framework for RTD MX800050A-070 -ohjausohjelmiston avulla MD8430A voidaan liittää GEO-satelliitteja käyttävään NTN-laitteeseen. Näin voidaan testata laitteen yhteyttä NTN-verkkoon sekä roamingia maanpäällisen verkon ja NTN-verkon välillä.
NTN täydentää viranomaisverkkojen kattavuutta
NTN-verkoilla odotetaan olevan kasvava rooli yleisen turvallisuuden varmistamisessa, sillä ne voivat turvata pelastus- ja viranomaisviestinnän kriittisissä tilanteissa. Maanjäristykset, hurrikaanit, tulvat ja muut äärimmäiset sääilmiöt voivat tuhota maanpäällisiä tietoliikenneverkkoja tai heikentää niiden toimintaa. Vahinkojen laajuudesta riippuen verkon palauttaminen voi kestää viikkoja tai jopa pidempään. Maanpäällisestä infrastruktuurista riippumatonta NTN-verkkoa voidaan sen sijaan käyttää hätätilanteissa varayhteytenä. Syrjäisillä alueilla, joilla matkapuhelinverkkoa tai muuta viestintäinfrastruktuuria ei ole, NTN voi puolestaan tuoda pelastuspalveluille yhteyden sinne, missä sellaista ei aiemmin ollut.
NTN soveltuu poliisin, palokuntien ja pelastuspalvelujen yhteyksien tarjoamiseen laajoilla alueilla ja vaikeissa olosuhteissa. Jos maanpäällinen verkko lakkaa toimimasta tai ruuhkautuu, NTN tarjoaa vaihtoehtoisen kanavan kriittiselle viranomaisviestinnälle. Satelliittiverkkojen laaja peitto tekee niistä hyödyllisiä myös tilanteissa, joissa pelastustoimintaa täytyy koordinoida valtioiden rajojen yli. NTN voi tällöin tarjota eri viranomaisille ja organisaatioille yhteisen alustan saumattomaan viestintään ja yhteistyöhön.
