Uvod: od dvodimenzionalnog pokrivanja tla ka trodimenzionalnoj mrežnoj topologiji

Decenijama su se mobilne ćelijske komunikacije (od 2G GSM-a do 5G New Radio sistema) i satelitske telekomunikacije razvijale kao dva potpuno odvojena inženjerska sveta sa sopstvenim institucijama za standardizaciju, nespojivim fizičkim slojevima (PHY), različitim šemama modulacije i nekompatibilnim hardverskim čipsetovima. Terestričke mobilne mreže projektovane su za gusto naseljene urbane i prigradske sredine, ali uprkos ogromnim ulaganjima operatora, bazne stanice na tlu danas pokrivaju svega oko 15% do 20% ukupne površine planete Zemlje (odnosno oko 70% kopnene mase, ostavljajući okeane, planinske vence, pustinje i polarne regione bez ikakvog signala).

Istorijska prekretnica nastupila je usvajanjem 3GPP Release 17, a zatim i 5G-Advanced (Release 18 i Release 19) specifikacija, kojima su neterestričke mreže (Non-Terrestrial Networks – NTN) postale integralni deo globalnog 5G i budućeg 6G standarda ¹. Integracijom satelitskih konstelacija u niskoj (LEO), srednjoj (MEO) i geostacionarnoj (GEO) orbiti, kao i platformi na velikim visinama u stratosferi (HAPS – High Altitude Platform Stations), savremena telekomunikaciona arhitektura prelazi iz dvodimenzionalne ravni u punu trodimenzionalnu (3D) prostornu mrežu sposobnu da obezbedi neprekidan kvalitet servisa u svakoj tački na Zemlji i u vazdušnom prostoru.

---

1. Orbitalna mehanika i fizički izazovi radio-kanala u NTN sistemima

Za razliku od zemaljske bazne stanice (gNB) koja je fiksirana na stubu ili krovu zgrade na udaljenosti od nekoliko stotina metara do nekoliko kilometara od korisničkog terminala (UE – User Equipment), u neterestričkim mrežama radio-kanal je definisan zakonima nebeske mehanike i ekstremnim distancama propagacije elektromagnetnih talasa.

Tri ključna fizička fenomena koji diktiraju dizajn fizičkog (PHY) i MAC sloja u NTN mrežama jesu:

1. Slabljenje u slobodnom prostoru (Free-Space Path Loss – FSPL) koje raste sa kvadratom udaljenosti i frekvencije:

$$ text{FSPL (dB)} = 20 log_{10}(d) + 20 log_{10}(f) + 20 log_{10} left( frac{4 pi}{c} right)$$

1. Veliko kašnjenje propagacije (Propagation Delay) i kružno vreme odziva (RTT – Round-Trip Time),
2. Ekstremni Doplerov frekvencijski pomak ($f_d$) i brzina promene Doplerovog pomaka ($ dot{f}_d$) usled relativnog kretanja satelita u odnosu na korisnika na tlu ².

Važno

Pogledajmo zašto standardni zemaljski 5G NR telefon ne bi mogao da se poveže na LEO satelit bez NTN modifikacija: u 5G NR standardu sa razmakom podnosilaca $ Delta f = 15 text{ kHz}$ ili $30 text{ kHz}$, LEO satelit koji leti na visini od $600 text{ km}$ brzinom od $7,56 text{ km/s}$ izaziva Doplerov pomak od čak $ pm 24 text{ ppm}$ ($ pm 48 text{ kHz}$ na nosiocu od $2 text{ GHz}$)! Taj pomak je tri puta veći od samog razmaka između OFDM podnosilaca, što bi potpuno uništilo ortogonalnost signala (izazivajući katastrofalnu inter-nosioca interferenciju – ICI) ukoliko se ne primeni predkompenzacija u realnom vremenu.

---

2. Arhitektura 3GPP NTN sistema: transparentni naspram regenerativnog satelita

U arhitekturi neterestričkih mreža razlikuju se dva osnovna radio-linka: servisni link (Service Link) između korisničkog terminala (UE) i satelita, i fider link (Feeder Link) između satelita i zemaljske kapije (NTN Gateway) koja je optičkim kablovima povezana sa 5G jezgrom mreže (5GC – 5G Core).

U zavisnosti od toga gde se vrši obrada digitalnog signala u osnovnom opsegu (Baseband Processing), 3GPP specifikacije definišu dve topologije korisnog tereta na satelitu ³:

A) TRANSPARENTNA ARHITEKTURA ("BENT-PIPE" REPETITOR):
[UE Terminal] <---(5G NR-Uu Servisni link)---> [Satelit: RF Filter + LNA + Frekv. konverzija + HPA]
                                                                       |
                                                        (5G NR-Uu preko Fider linka)
                                                                       v
                                               [Zemaljska kapija (NTN Gateway)] ---> [gNB na Zemlji] ---> [5GC]

B) REGENERATIVNA ARHITEKTURA (gNB ili gNB-DU NA SATELITU + OPTIČKI ISL):
[UE Terminal] <---(5G NR-Uu)---> [Satelit 1 (gNB-DU)] ===(Optički ISL laser 1550nm)===> [Satelit 2 (gNB)]
                                                                                              |
                                                                                  (Fider link: NG / F1 interfejs)
                                                                                              v
                                                                              [NTN Gateway] ---> [5G Core (UPF/AMF)]

Prednosti regenerativnog satelita i međusatelitskih optičkih linkova (OISL)

Dok je u prvoj fazi komercijalizacije (Release 17) dominirala transparentna arhitektura zbog jednostavnijeg hardvera u orbiti, razvoj u okviru Release 18 i Release 19 fokusiran je na regenerativni korisni teret sa podeljenom gNB arhitekturom (CU/DU Split).

Kada se distribuirana jedinica bazne stanice (gNB-DU) postavi direktno na satelit, a sateliti u konstelaciji povežu laserskim optičkim međusatelitskim linkovima (OISL – Optical Inter-Satellite Links) kapaciteta 10 do 100 Gbps, ostvaruju se tri revolucionarne prednosti:

1. Nezavisnost od lokalne zemaljske kapije: Satelit iznad okeana ili nepristupačnog terena gde ne postoji zemaljska stanica u vidnom polju prima signal od korisnika, demodulira ga i prosleđuje laserskim zrakom od satelita do satelita u vakuumu (gde je brzina svetlosti $c approx 300.000 text{ km/s}$, odnosno za oko 47% veća nego u staklenom optičkom vlaknu na Zemlji gde iznosi $ approx 204.000 text{ km/s}$!) sve do prvog kontinenta sa zemaljskom kapijom.
2. Poboljšan bilans snage linka (Link Budget): Kod transparentnog satelita šum sa ulaznog servisnog linka se pojačava i sabira sa šumom na fider linku. Kod regenerativnog satelita vrši se potpuna digitalna regeneracija (demodulacija i dekodiranje LDPC koda) u svemiru, čime se eliminiše kumulacija termičkog šuma.
3. Smanjenje latencije za interkontinentalne veze: Za rastojanja veća od $3.000 text{ km}$ (npr. finansijski linkovi Evropa – Severna Amerika ili Evropa – Istočna Azija), prenos preko lanca LEO satelita sa OISL laserima ostvaruje niže kašnjenje od podmorskih optičkih kablova.

---

3. Adaptacija 5G NR protokola: kako su rešeni timing advance, dopler i HARQ?

Da bi standardni 5G NR protokol (koji koristi CP-OFDM u dolaznom i CP-OFDM / DFT-s-OFDM u odlaznom smeru) funkcionisao preko satelita koji se kreće brzinom od skoro 8 kilometara u sekundi, inženjeri u radnim grupama 3GPP RAN1 i RAN2 uveli su seriju fundamentalnih unapređenja ⁴:

1. Predkompenzacija vremena i frekvencije pomoću gnss-a i efemerida

U terestričkoj mreži bazna stanica meri kašnjenje signala od svakog telefona i šalje mu komandu Timing Advance (TA) kako bi svi signali iz ćelije stigli u gNB u istom OFDM okviru. Međutim, u LEO ćeliji prečnika $500 text{ km}$, diferencijalno kašnjenje između korisnika u centru snopa i korisnika na ivici snopa premašuje maksimalni opseg klasičnog 5G preambula za slučajni pristup (PRACH).

Zato u 3GPP NTN sistemu satelit u sistemskom bloku (SIB19 – System Information Block 19) neprekidno emituje svoje precizne orbitalne efemeride (vektore položaja i brzine $(x, y, z, v_x, v_y, v_z)$ ili Keplerove orbitalne elemente) i parametre zajedničkog kašnjenja (Common TA). Korisnički terminal (UE), koristeći sopstveni ugrađeni GNSS prijemnik (GPS / Galileo / BeiDou), zna svoju tačnu koordinatu na Zemlji, u realnom vremenu izračunava trenutnu udaljenost i radijalnu brzinu u odnosu na satelit i samostalno vrši predkompenzaciju Timing Advance vremena i Doplerovog frekvencijskog pomaka pre nego što uopšte pošalje prvi paket ka nebu!

2. Upravljanje mobilnošću i česti handovari (conditional handover – CHO)

U zemaljskoj mreži handovar (prelazak sa jedne bazne stanice na drugu) dešava se zato što se korisnik kreće u automobilu ili vozu, a merenje jačine susedne ćelije (RSRP / RSRQ) je pouzdan kriterijum jer signal na ivici ćelije opada za 20 do 30 dB u odnosu na centar.

U LEO NTN mreži situacija je obrnuta: čak i kada korisnik mirno sedi na vrhu planine, satelit preleti preko njegovog horizonta za svega 4 do 8 minuta, zbog čega cela država sa stotinama hiljada terminala mora izvršiti handovar na sledeći satelit u konstelaciji skoro istovremeno (Handover Storm). Pored toga, zbog ogromne udaljenosti satelita, razlika u jačini signala (RSRP) između centra snopa i same ivice snopa iznosi svega 2 do 4 dB! Zato 3GPP Release 17/18 uvodi uslovni handovar zasnovan na vremenu i lokaciji (Time-based and Location-based Conditional Handover): mreža unapred šalje terminalima tačnu sekundu ($t_{ text{start}} - t_{ text{stop}}$) i geografske koordinate u kojima treba da pređu na novi satelit bez čekanja na pad RSRP signala i bez zagušenja signalizacionih kanala.

---

4. Direct-to-Cell (D2C) naspram VSAT terminala: bilans snage linka (link budget)

U praksi neterestričkih mreža jasno se izdvajaju dve kategorije korisničkih uređaja sa drastično različitim antenskim sistemima ⁵:

Savet

Kako bi pametni telefon sa predajnom snagom od svega $200 text{ mW}$ ($23 text{ dBm}$) uspeo da pošalje glasovni paket ili podatke do satelita udaljenog $600 text{ km}$, 3GPP Release 18 (5G-Advanced) uveo je mehanizme za poboljšanje pokrivanja u odlaznom smeru (NR NTN Coverage Enhancements): koherentno kombinovanje kanala kroz više vremenskih slotova (PUSCH / PUCCH Bundling and Repetition) i zajedničko održavanje fazne koherentnosti demulacionih referentnih signala (DMRS Bundling), čime se dobija dodatnih 3 do 6 dB dobitka u prijemniku satelita.

---

5. Pogled ka 2030. godini: uloga NTN segmenta u viziji 6G (IMT-2030)

Dok je u 5G eri neterestrička mreža dodata naknadno (u Release 17) kao proširenje već postojećeg zemaljskog standarda, u aktuelnom radu Međunarodne unije za telekomunikacije (ITU-R okvir za IMT-2030 / 6G) i 3GPP studijama za Release 20/21, neterestrički segment se projektuje kao izvorni (Native) deo 6G arhitekture od prvog dana.

Buduća 6G integrisana mreža Zemlja–Vazduh–Svemir (Space-Air-Ground Integrated Network – SAGIN) donosi:

• Dinamičko deljenje spektra uz pomoć veštačke inteligencije: Korišćenje kognitivnih radio-algoritama kako bi satelitski snopovi i zemaljske bazne stanice dinamički delili iste frekvencijske opsege bez izazivanja štetne ko-kanalne interferencije.
• Integraciju komunikacije, navigacije i očitavanja okoline (ISAC – Integrated Sensing and Communication): Korišćenje LEO satelitskih signala ne samo za prenos podataka, već i za visoko-precizno pozicioniranje (preciznije od klasičnog GPS-a u urbanim kanjonima) i daljinsku detekciju atmosferskih promena.
• Kvantnu distribuciju ključeva (QKD) putem satelita: Kombinovanje optičkih satelitskih linkova i terestričkih optičkih mreža za kreiranje globalno bezbednih kvantnih komunikacionih koridora.

---

Zaključak: kraj „belih mrlja” u globalnim telekomunikacijama

Standardizacija neterestričkih mreža u okviru 3GPP ekosistema predstavlja jedan od najvećih inženjerskih poduhvata u istoriji radio-komunikacija. Rešavanjem fundamentalnih fizičkih prepreka – od kompenzacije Doplerovog pomaka pri brzinama od 27.000 kilometara na čas do sinhronizacije okvira na rastojanjima od više hiljada kilometara – granica između zemaljske mobilne telefonije i satelitskih komunikacija je izbrisana. Za privredu, pomorstvo, vazduhoplovstvo, energetsku infrastrukturu, poljoprivredu i službe spasavanja, NTN tehnologija garantuje da pouzdana povezanost više nikada neće zavisiti od blizine najbližeg antenskog stuba.

---

Reference i literatura:

1. 3GPP TR 38.811, Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks, 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Network.↩

2. 3GPP TR 38.821, Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN), Release 16/17, 3GPP.↩

3. Lin, X., Rommer, S., Euler, S., Yavuz, E. A., & Karlsson, R. S. (2021). "5G from Space: An Overview of 3GPP Non-Terrestrial Networks", IEEE Communications Standards Magazine, 5(4), 147–153.↩

4. 3GPP TS 38.300, NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2 (Release 18 – 5G-Advanced NTN Enhancements), 3GPP.↩

5. ITU-R Recommendation M.2160, Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2030 and beyond (IMT-2030 / 6G), International Telecommunication Union, Geneva.↩

Česta pitanja (FAQ)