Wypełnianie luki w łączności: Ewolucja techniczna pozaziemskich sieci 5G

Wieloletnie wyzwanie, jakim jest zapewnienie powszechnego zasięgu bezprzewodowego, zbliża się do rozwiązania, ponieważ inżynierowie pracują nad bezpośrednią integracją konstelacji satelitarnych z ekosystemem 5G. Wykraczając poza naziemne wieże w stronę ujednoliconej sieci pozanaziemnej (Non-Terrestrial Network – NTN), branża telekomunikacyjna dąży do wyeliminowania „martwych stref” nawet w najbardziej odległych regionach planety. Kompleksowe badanie zatytułowane „5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design”, autorstwa zespołu naukowców z University of Padova oraz Toyota Motor North America, przedstawia kluczowe zmiany architektoniczne wymagane do urzeczywistnienia tej wizji. W miarę ewolucji sieci piątej generacji (5G), badanie podkreśla, że integracja sieci naziemnych (TNs) i pozanaziemnych (NTNs) stanowi kolejną wielką granicę w globalnej łączności, obiecując płynne przełączanie się między wieżami komórkowymi a satelitami na orbicie.

Rozkwit sieci pozanaziemnych (NTN)

Koncepcja sieci pozanaziemnych obejmuje zróżnicowaną gamę platform znajdujących się nad powierzchnią Ziemi, w tym satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), platformy wysokopułapowe (HAPs), takie jak balony czy sterowce w stratosferze, oraz bezzałogowe statki powietrzne (UAVs). Choć tradycyjny internet satelitarny istnieje od dziesięcioleci, był on w dużej mierze technologią własnościową i odizolowaną. Obecna ewolucja, prowadzona przez 3rd Generation Partnership Project (3GPP), dąży do standaryzacji tych platform w ramach architektury 5G New Radio (NR). Integracja ta ma służyć trzem głównym celom: rozszerzeniu zasięgu bezprzewodowego na niedostatecznie obsłużone obszary wiejskie i odległe, zapewnieniu odpornej łączności rezerwowej dla komunikacji kryzysowej podczas klęsk żywiołowych oraz odciążeniu ruchu w silnie zatłoczonych środowiskach miejskich, gdzie infrastruktura naziemna pracuje u granic swoich możliwości.

Według zespołu badawczego, kierowanego przez Francesco Rossato, Mattia Figaro i Alessandro Traspadiniego z University of Padova, satelity LEO są szczególnie atrakcyjne dla tych sieci. Działając na wysokościach od 500 do 2000 kilometrów, konstelacje LEO oferują znacznie niższe opóźnienia niż tradycyjne satelity geostacjonarne (GEO), które znajdują się znacznie wyżej, na wysokości 35 786 kilometrów. Ta bliskość pozwala na dostarczanie internetu o prędkościach szerokopasmowych i wspiera szeroką gamę nowoczesnych zastosowań, od nawigacji pojazdów autonomicznych po monitorowanie środowiska i zarządzanie inteligentnymi sieciami energetycznymi. Badanie podkreśla, że choć satelity LEO zapewniają łączność na rozległych obszarach, ich szybki ruch orbitalny wprowadza unikalny zestaw złożoności technicznych, do obsługi których naziemne 5G nie było pierwotnie projektowane.

Przeszkody techniczne w projektowaniu pełnego stosu protokołów

Przejście od naziemnych wież do stacji bazowych umieszczonych w kosmosie wymaga fundamentalnego przemyślenia projektu „pełnego stosu” protokołów, od warstwy fizycznej (PHY) po warstwę transportową. Jedną z najistotniejszych przeszkód zidentyfikowanych przez naukowców są straty propagacyjne (path loss). Sygnały podróżujące przez atmosferę podlegają silnemu tłumieniu spowodowanemu przez deszcz, chmury i scyntylacje jonosferyczne. Co więcej, ponieważ satelity poruszają się z ogromnymi prędkościami względem użytkowników na ziemi, generują one znaczne przesunięcia Dopplera – zmiany częstotliwości, które mogą zakłócić synchronizację między urządzeniem a siecią. Jeśli przesunięcia te nie zostaną precyzyjnie skompensowane, połączenie staje się niestabilne lub całkowicie zawodzi.

W warstwie kontroli dostępu do nośnika (MAC) głównym wyzwaniem jest ogromna odległość. Nawet przy prędkości światła opóźnienie propagacji do satelity jest znacznie większe niż opóźnienie do pobliskiej wieży komórkowej. Opóźnienie to komplikuje krytyczne procedury, takie jak estymacja kanału, przydział zasobów i szeregowanie zadań. Na przykład, tradycyjne sieci 5G wykorzystują proces o nazwie Hybrid Automatic Repeat reQuests (HARQ) do obsługi błędów danych. W warunkach naziemnych „czas oczekiwania” na retransmisję wynosi milisekundy; w sieci satelitarnej opóźnienie to może wstrzymać cały przepływ danych. Badacze argumentują, że bez istotnych modyfikacji w sposobie zarządzania zasobami i przeprowadzania przekazań (handovers) między satelitami, sieć będzie borykać się z potężnymi wąskimi gardłami i zmniejszoną przepustowością.

Standaryzacja 3GPP i 5G NR-NTN

Droga do ujednoliconej sieci jest kodyfikowana poprzez proces standaryzacji 3GPP. Naukowcy szczegółowo opisują drogę od wersji Release 17, która wprowadziła pierwsze specyfikacje dla bezpośredniej komunikacji satelita-telefon, ku przyszłym wydaniom, takim jak Release 20. Kluczowym założeniem obecnych standardów jest model „przezroczystego” ładunku użytecznego (transparent payload), w którym satelita działa jako przekaźnik typu „bentpipe”, po prostu wzmacniając i przekazując sygnały między bramą naziemną a urządzeniem użytkownika. Jednak w miarę dojrzewania technologii pojawia się dążenie do „regeneracyjnych” ładunków użytecznych, w których sam satelita wykonuje przetwarzanie sygnału na pokładzie, efektywnie działając jako stacja bazowa (gNB) na orbicie.

Aby zweryfikować swoje teorie, zespół badawczy, w skład którego wchodzą tacy eksperci jak Michele Zorzi i Marco Giordani z University of Padova oraz Takayuki Shimizu z Toyota Motor North America, przeprowadził rozległe symulacje end-to-end przy użyciu symulatora zdarzeń dyskretnych ns-3. W przeciwieństwie do wielu istniejących publikacji, które pozostają w sferze koncepcji, badanie to dostarczyło dowodów liczbowych na to, jak specyficzne ustawienia wpływają na wydajność sieci. Symulacje wykazały krytyczne znaczenie okresów ochronnych (Guard Periods – GPs) w dupleksie z podziałem czasowym (TDD) i pokazały, jak różnice w opóźnieniach w dużych komórkach satelitarnych mogą prowadzić do niedopasowań czasowych, które pogarszają wrażenia użytkownika. To empiryczne podejście jest kluczowe dla 3GPP w procesie dopracowywania standardów dla ekosystemu 5G NR-NTN.

Szczegółowe wyniki: retransmisje i opóźnienia transportowe

Wyniki badań w środowisku symulacyjnym ns-3 ujawniły, że liczba procesów HARQ – mechanizmów zarządzających retransmisjami danych – musi zostać znacznie zwiększona w przypadku sieci satelitarnych. W standardowym naziemnym 5G wystarczy kilka procesów, ale w kontekście NTN długi czas podróży sygnału w obie strony (RTT) oznacza, że równolegle musi działać znacznie więcej procesów, aby utrzymać aktywność łącza danych. Bez tej korekty nadajnik spędza większość czasu na czekaniu na potwierdzenia, zamiast wysyłać nowe dane. Dodatkowo, badanie zwróciło uwagę na efekt „przestoju” (stalling), w którym niezdolność warstwy MAC do nadążenia za długimi opóźnieniami powoduje, że protokół TCP wyższego poziomu drastycznie ogranicza szybkość transmisji, co dodatkowo paraliżuje prędkość połączenia.

Zespół zbadał również wpływ dużych rozmiarów komórek. Pojedyncza wiązka satelitarna może obejmować setki kilometrów kwadratowych, co prowadzi do „różnicy opóźnień”, gdzie użytkownicy w centrum wiązki doświadczają innych czasów propagacji niż ci na jej skraju. Wyniki symulacji sugerują, że sieć musi wdrażać zaawansowane mechanizmy wyprzedzenia czasowego (timing advance), aby sygnały od różnych użytkowników nie nakładały się na siebie po dotarciu do satelity. Ustalenia te podkreślają konieczność stosowania stosu protokołów „świadomego satelitów” (satellite-aware), który może dynamicznie dostosowywać się do dynamiki orbitalnej i ogromnych odległości występujących w komunikacji pozanaziemnej.

Implikacje komercyjne: Starlink i zwrot ku standaryzowanemu 5G

Krajobraz komercyjny dla NTN jest obecnie zdominowany przez głównych dostawców satelitarnych, takich jak Starlink firmy SpaceX, który zaczął już wdrażać technologię „direct-to-cell”. Jednak wiele obecnych usług satelitarnych opiera się na własnościowym sprzęcie i oprogramowaniu. Badania Rossato i wsp. sugerują poważną zmianę w branży: przejście od tych zamkniętych, autorskich systemów do standaryzowanego sprzętu 5G. Taka zmiana pozwoliłaby standardowym smartfonom konsumenckim łączyć się z satelitami bez konieczności posiadania specjalistycznych anten czy chipów, co doprowadziłoby do upowszechnienia łączności satelitarnej i włączenia jej do standardowych planów komórkowych.

Konsekwencje tego są głębokie, nie tylko dla 5G, ale i dla nadchodzącej ery 6G. Poprzez ustanowienie standaryzowanych fundamentów NTN już teraz, branża przygotowuje grunt pod prawdziwie trójwymiarową architekturę sieci, w której wieże naziemne, drony i satelity współpracują w skoordynowanej sieci typu mesh. Wielcy gracze motoryzacyjni, tacy jak Toyota, zaangażowani w te badania, są szczególnie zainteresowani tym rozwiązaniem w kontekście bezpieczeństwa pojazdów połączonych. Samochód poruszający się przez odległą górską przełęcz powinien teoretycznie przełączyć się z utraconego sygnału naziemnego na sygnał satelitarny tak płynnie, aby wyświetlanie mapy nawigacyjnej HD czy połączenie alarmowe nie zostały przerwane.

Co dalej: przyszłość globalnej łączności

Patrząc w przyszłość, zespół badawczy wskazuje na kilka „otwartych pytań”, które zdefiniują następną dekadę telekomunikacji. Przyszłe działania standaryzacyjne muszą objąć bardziej złożone scenariusze routingu, szczególnie dla łączy między satelitami (Inter-Satellite Links – ISL), gdzie dane są przesyłane z jednego satelity do drugiego w kosmosie, zanim zostaną wysłane do stacji naziemnej. Ponadto integracja sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) ze stosem protokołów mogłaby pozwolić na predykcyjne zarządzanie przekazywaniem połączeń, przewidując, kiedy użytkownik straci widoczność satelity i proaktywnie przełączając połączenie na następny obiekt w konstelacji.

Harmonogram powszechnego wdrożenia przyspiesza. Dzięki pracom fundamentowym zawartym w 3GPP Release 17 i 18 oraz rygorystycznym danym z symulacji dostarczonym przez partnerstwa akademicko-przemysłowe, takie jak to między University of Padova i Toyota, przejście od stanu „Brak sygnału” do „Zawsze połączony” nie jest już kwestią „czy”, lecz „kiedy”. Jak sugeruje publikacja (obecnie zgłoszona do IEEE), ewolucja 5G NR-NTN nie jest jedynie przyrostową aktualizacją technologii komórkowej, ale radykalnym rozszerzeniem granic samego internetu, czyniącym niebo kolejną wielką warstwą globalnej infrastruktury cyfrowej.

• Główni autorzy: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (University of Padova); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Wsparcie instytucjonalne: University of Padova, Włochy; Toyota Motor North America Inc., USA; Krajowy Plan Odbudowy i Zwiększania Odporności (NRRP) Unii Europejskiej.
• Kluczowa metodologia: Symulacje systemowe typu end-to-end przy użyciu symulatora zdarzeń dyskretnych ns-3.
• Status publikacji: Zgłoszono do publikacji w IEEE (arXiv:2601.14883v1).