Мы давно привыкли к комфорту мобильной связи. Сотовые технологии прошли путь от сетей первого и второго поколений, где были доступны только голосовые вызовы, передача коротких сообщений СМС и низкоскоростной интернет, до современных 4G/5G-сетей, которые умеют передавать огромные массивы данных: потоковое 4K-видео, гигабайты информации в облачные сервисы и тяжелые файлы. Но мобильная связь по-прежнему доступна далеко не везде.
Проблему доступности помогут решить неназемные сети (Non-Terrestrial Networks, NTN) пятого поколения. Михаил Бухтеев, технический эксперт по продукту в YADRO, рассказывает, как сети 5G NTN помогают развернуть мобильную связь в самых труднодоступных уголках нашей планеты и чем отличаются от классической спутниковой связи.
- почему спутниковый интернет работал независимо от сотовой связи
- зачем нужны и что такое сети 5G NTN
- как операторы интегрируют спутники в свои сети
- какие задачи решали инженеры, чтобы обеспечить связь смартфона со спутником
И целой Земли мало: почему сотовым операторам не хватает наземной инфраструктуры
Технологии связи всегда развивались для расширения покрытия и емкости сети. Каждое новое поколение мобильной связи решало проблему, как передать больше данных для максимального числа пользователей. Сегодня сети 2G-5G широко используются во всем мире. Разработчики решений следуют спецификациям консорциума 3GPP, чтобы гарантировать их совместимость в сетях сотовой связи.
Но наземной инфраструктуры недостаточно, чтобы обеспечить мобильную связь в любой точке планеты. Более того, рост требований к скорости передачи данных вынуждает операторов осваивать более высокие частотные диапазоны, что неизбежно сокращает радиус действия базовых станций. Если базовая станция 2G «добивает» до вашего телефона с расстояния в пару десятков километров, то в миллиметровом диапазоне 5G придется довольствоваться радиусом в несколько сотен метров.
Океаны, горы, пустыни, тайга — в таких местах обеспечивать покрытие с помощью наземной инфраструктуры экономически невыгодно. Обычно там используют спутниковую связь, но она требует специальных пользовательских терминалов, которые несовместимы с сотовыми сетями.
Спутниковая связь развивалась параллельно мобильной и исторически работает на базе закрытых протоколов, требуя от пользователя соответствующего абонентского оборудования.
Традиционные спутниковые системы используются в качестве транспортного канала для подключения базовых станций в труднодоступных местах, где нет возможности подключить базовую станцию к опорной сети по наземному каналу связи. Однако это не предполагает каких-либо серьезных изменений в работе базовой станции или опорной сети.
Все изменилось с выходом 17-го релиза спецификаций 3GPP в 2022 году. В нем консорциум представил 5G NTN. Эта технология позволяет объединить наземные станции и космическую инфраструктуру в общую сеть, чтобы создать по-настоящему глобальное покрытие 5G.
3GPP в космосе: как устроена сеть 5G NTN
Концепция 5G NTN предполагает усовершенствование технологии 5G для создания глобального покрытия 5G с помощью спутников или стратосферных платформ (HAPS). Подключение к такой сети требует от абонентского устройства поддержки функциональности 5G NTN релиза 17 и соответствующих частот.
Сети 5G NTN используют базовую архитектуру сети 5G (Standalone, option 2), которая включает в себя радиоподсистему, то есть базовую станцию (R)AN и компоненты опорной сети 5G (5GC):
О компонентах 5G-сети можно узнать из предыдущей статьи Михаила.
Спецификация 3GPP предлагает разделение базовой станции 5G (gNB) на два компонента: центральный модуль (Centralized Unit, CU) и распределенный модуль (Distributed Unit, DU), которые связаны между собой интерфейсом F1.
Системы 5GC обеспечивают маршрутизацию данных, аутентификацию пользователей, мобильность и безопасность.
Основные функции опорной сети 5G:
- Управление доступом и мобильностью (AMF) отвечает за регистрацию устройств, безопасность подключения и отслеживает местоположение пользователя при его перемещении по сети.
- Управление сеансами (SMF) устанавливает сеансы связи и управляет ими.
- Обработка трафика (UPF) обеспечивает высокоскоростную маршрутизацию пакетов.
- Контроль политик (PCF) обеспечивает соблюдение сетевых правил и динамическое управление параметрами качества обслуживания.
- Сервер унифицированного управления данными и аутентификации (UDM и AUSF) проверяет личность пользователя и хранит данные о подписке.
В случае традиционной сети оператора связи все эти компоненты располагаются на Земле: базовые станции распределены по всей территории, чтобы создать сплошное покрытие, а системы опорной сети устанавливаются в крупных городах.
Обычно базовые станции подключаются к опорной сети по наземным транспортным сетям. Если базовая станция находится в удаленном регионе, то вместо наземного транспортного канала может использоваться спутниковый канал связи. Абонентские терминалы (UE) располагаются на небольшом расстоянии от базовой станции — от сотен метров до нескольких километров. Максимальная скорость движения абонентского терминала в большинстве случаев соответствует лимитам скоростных поездов.
В сетях 5G NTN для создания глобального покрытия требуется использование спутников или стратосферных платформ. Спецификации 3GPP различают два варианта построения сети NTN в зависимости от типа полезной нагрузки:
- Прозрачный режим (Non-regenerative payload / transparent mode) — спутник выполняет функцию ретранслятора сигнала, базовая станция и опорная сеть располагаются на Земле. Этот вариант описан в спецификациях 17-го релиза 3GPP.
- Непрозрачный режим (Regenerative payload / non-transparent mode) — на спутнике располагается базовая станция (или часть ее функциональности), а опорная сеть — на Земле. Такой вариант описан в спецификациях 19-го релиза, который финализировали в конце 2025 года.
Инженерные вызовы 5G NTN
Чтобы адаптировать сотовую связь к работе через спутники, инженерам пришлось решать самые разные задачи.
Работа на высоких скоростях
В обычных сотовых сетях пара «телефон — базовая станция» движутся относительно друг друга сравнительно медленно. Максимум — со скоростью автомобиля или поезда. Со спутниковой связью ситуация иная. Если геостационарные спутники (GEO) «висят» над одной точкой планеты, то низкоорбитальные (LEO) и среднеорбитальные (MEO) аппараты движутся по орбите быстрее скорости вращения Земли. Это приводит к движению зон покрытия, эффекту Доплера и вариациям задержек распространения. Для этого в системах 5G NTN требуются улучшения работы управления лучом.
Большое расстояние до спутника
Сотни километров по сравнению с максимум несколькими десятками для базовой станции на Земле. Это увеличивает задержку сигнала, что нужно учитывать в:
- каналах произвольного доступа,
- упреждающей передаче по восходящему каналу,
- гибридном автоматическом запросе на повторную передачу,
- управлении мощностью,
- протоколах MAC/RLC.
Задержка также влияет на бюджет линка, особенно в восходящем канале (uplink), так как мощность передатчика устройства ограничена.
Огромные размеры ячеек
Площадь спутникового луча (зона покрытия на Земле) в сетях 5G NTN может на два порядка превышать покрытие наземной базовой станции. Поэтому внутри одной и той же спутниковой соты возникает большой разброс задержек сигнала, то есть эффект «ближний-дальний».
Неназемные сети 5G в России
В России развитием сети 5G NTN занимается российская аэрокосмическая компания «Бюро 1440», которая в марте этого года вывела на орбиту 16 спутников низкоорбитальной группировки «Рассвет» (планируемая высота около 800 км). Пока эта сеть предназначена для работы со специальными терминалами, а не смартфонами. Такие терминалы могут размещаться на поездах, кораблях, самолетах и в труднодоступных районах для подключения к мобильной сети. Подробнее о том, подробнее о том, как технология 5G NTN и спутниковый интернет развивается в мире читайте в статье «Интернет из космоса».
