Exploring the expansion of fifth-generation networks using non-terrestrial networks: a simulation study in a network simulator

За последние годы интерес к интеграции сетей пятого поколения (5G) и неназемных сетей NonTerrestrial Networks (NTN) существенно возрос, что привело к активному развитию как теоретических исследований, так и практических разработок в данной области [1]. Важным этапом стало включение поддержки NTN в спецификации 5G, утверждённое организацией 3GPP в релизе Release-17. Это решение определило направление дальнейшего развития мобильных сетей, в которых спутниковый сегмент рассматривается как один из ключевых элементов телекоммуникационной инфраструктуры будущего.

Одним из значимых преимуществ сетей 5G является возможность использования диапазона

миллиметровых волн (mmWave) [2; 3]. По сравнению с традиционными частотными диапазонами такие системы способны обеспечивать более высокую пропускную способность и меньшие задержки передачи данных. Благодаря этому открываются дополнительные возможности для обслуживания растущего объема мобильного трафика и повышения эффективности сетевой инфраструктуры.

Появление и развитие технологий NTN [4] формирует новые требования к сетям связи, связанные с обеспечением необходимой пропускной способности, широкого покрытия и высокой надежности сервисов. В этой связи особую актуальность приобретает использование спутниковых систем в качестве дополнения к существующим наземным сетям. Такой подход особенно востребован в удаленных, труднодоступных и малонаселенных районах, где развертывание традиционной инфраструктуры связано со значительными экономическими затратами.

Неназемные сети способны обеспечить доступ к услугам связи практически независимо от гео- графического положения. Широкая зона покрытия позволяет повысить доступность сетевых сервисов, поддерживать непрерывность обслуживания и обеспечивать масштабируемость предоставляемых услуг [5]. В данной работе рассматриваются основные характеристики NTN, стандартизованные 3GPP, а также анализируются возможности их применения для удовлетворения требований пользователей в сетях 5G и системах связи следующих поколений.

Разработка гибкого инструмента для моделирования сценариев функционирования неназемных сетей (NTN) является важной задачей при исследовании телекоммуникационной инфраструктуры. Такой инструмент позволяет оценивать различные архитектурные решения и сетевые механизмы, снижая необходимость проведения дорогостоящих натурных экспериментов и ускоряя процесс исследований [6].

Использование симулятора с открытым исходным кодом, такого как NS-3, позволяет анализировать поведение сети в различных условиях. С его помощью можно моделировать широкий спектр сценариев, включая особенности работы протоколов и моделей передачи данных. Это дает возможность детальнее изучить NTN и оценить их применимость в различных сетевых сценариях [7; 8]. В результате подобный подход способствует разработке более эффективных решений и совершенствованию телекоммуникационных систем.

Цель данной работы – имитационное моделирование сценариев 5G NTN с последующей оценкой их эффективности.

Основные задачи: выполнить анализ существующей архитектуры 5G, а также программных модулей для NS-3. Исследовать ключевые ограничения и факторы, влияющие на качество спутниковой связи, исследовать модели канала 3GPP NTN и 3GPP mmWave.

1.    Кратко о 5G NR

Сети 5G проектируются для поддержки широкого спектра функций и требований различных категорий пользователей. Важной особенностью данной технологии является поддержка отраслевых сценариев использования, что позволяет адаптировать сетевые ресурсы под конкретные приложения и сервисы, сохраняя при этом гибкость и масштабируемость инфраструктуры [9; 10].

Согласно спецификациям 5G, выделяют три основных сценария использования: усовершенствованный мобильный широкополосный доступ (eMBB), массовые межмашинные коммуникации (mMTC) и сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой (URLLC) [11–14].

Системы NTN, включая спутниковые и высотные платформы, обеспечивают покрытие в регио- нах, где развертывание наземных базовых станций невозможно или экономически нецелесообразно. Это способствует снижению цифрового неравенства за счет расширения доступа к высокоскоростным телекоммуникационным услугам для населения и бизнеса в удаленных районах [15; 16].

Учитывая растущий спрос на увеличение пропускной способности сетей, в архитектуре 5G предусмотрено использование расширенной полосы частот в диапазоне миллиметровых волн (mmWave). Вместе с тем распространение радиосигнала в данном диапазоне характеризуется значительными потерями на трассе распространения. ¹⁴¹

В технологии mmWave широко применяется формирование диаграммы направленности с использованием антенных решеток. Малые длины волн миллиметрового диапазона, а также развитие маломощных КМОП (CMOS) радиочастотных схем позволяют интегрировать большое число миниатюрных антенн в компактные решетки. Такие системы обеспечивают высокий коэффициент усиления и возможность электронного управления направлением излучения [17].

Сигналы в миллиметровом диапазоне характеризуются более выраженным эффектом затенения (shadowing) по сравнению с сигналами на более низких частотах. Ослабление сигнала, создаваемое строительными конструкциями, может достигать 40–80 дБ, тогда как влияние человеческого тела составляет порядка 20–35 дБ, что приводит к сокращению зоны покрытия и снижению дальности устойчивого приема [18].

Малая длина волны миллиметрового диапазона позволяет размещать большое число антенн в ограниченном пространстве и формировать несколько независимых каналов передачи данных. Это является основой технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) [19; 20], которая использует многoантенные конфигурации на базовых станциях и пользовательских устройствах для повышения пропускной способности сети. В отличие от традиционных реализаций MIMO, ограниченных конфигурациями 2×2 или 4×4, использование mmWave позволяет реализовывать массивы антенн размером 32×32 и более. Это обеспечивает эффективное формирование направленных лучей и повышение спектральной эффективности, что в совокупности увеличивает пропускную способность сетей 5G [21].

2.    Основные компоненты канала передачидля моделирования сети 5G

Организации по стандартизации активно ведут разработку и обновление спецификаций и инструментов, предназначенных для корректного моделирования и оценки характеристик каналов мил- лиметрового диапазона в сетях 5G. Особое внимание уделяется построению детализированных моделей радиоканала, которые являются ключевым элементом при анализе производительности таких систем.

В данном разделе представлены основные компоненты, учитываемые при моделировании сетей 5G, которые также могут быть использованы при формировании моделей канала NTN.

• 2.1.    Анализ сценариев канала связи

• 2.2.    Потери сигнала при распространении

и факторов влияния на его состояние

При оценке производительности сетей и анализе сценариев использования необходимо учитывать условия функционирования сети. 3GPP определяет ряд типовых сценариев эксплуатации, применимых к различным средам, которые представлены в таблице 1.

Корректная оценка состояния радиоканала во многом определяется наличием прямой видимости между узлами связи. Режим Line of Sight (LOS) характеризуется прямым распространением сигнала от передатчика к приемнику без от-

Том 10

ражений и проникновения через препятствия. Противоположным состоянием является Non-Line of Sight (NLOS), при котором распространение сигнала происходит в условиях отсутствия прямой видимости из-за наличия препятствий, таких как здания или другие объекты [21; 22].

в свободном пространстве

Потеря связи в свободном пространстве является важным элементом системы беспроводной связи, приводящим к снижению мощности сигнала. Если предположить идеальные условия, при которых единственным фактором ослабления сигнала являются только потери на пути в свободном пространстве, то можно рассчитать принимаемую мощность на определенной приемной антенне, используя закон Фрииса.

Закон Фрииса позволяет вычислить принимаемую мощность исходя из передающей мощности, коэффициентов усиления антенн, расстояния между антеннами и длины волны сигнала. Формула закона Фрииса выглядит следующим образом [23]:

Таблица 1

Тип застройки Плотная городская Городская Пригородная Сельская Цель Обеспечение связи в условиях сверхплотной многоэтажной городской застройки с преобладанием отсутствия прямой видимости и выраженными эффектами экранирования и многолучевого распространения Обеспечение связи в условиях городской застройки с малым радиусом покрытия и высокой вероятностью отсутствия прямой видимости Обеспечение связи в пригородных зонах с низкой плотностью застройки и высокой вероятностью прямой видимости Обеспечение связи в условиях открытых пространств с минимальными препятствиями и максимальной дальностью связи Плотность застройки Высокая Средняя Низкая Очень низкая Высота зданий Средняя (5–10 эт.) Средняя/высокая Низкая (1–3 эт.) Очень низкая Высота базовой станции ~10 м ~25 м 15–30 м 35 м и выше Радиус покрытия Малый Средний Средний–большой Большой Вероятность LOS Низкая–средняя Средняя Высокая Очень высокая Доминирующий режим NLOS LOS / NLOS LOS LOS Потери распространения Высокие Средние Умеренные Низкие Отражения / дифракция Очень сильные Сильные Умеренные Слабые Затенение (shadowing) Сильное Среднее Низкое Очень низкое Мобильность пользовательского оборудования Низкая Средняя Средняя Средняя–высокая Пригодность для NTN Ограниченная Умеренная Хорошая Очень высокая p          .                     миналам использовать одну и ту же спутнико-

— = GG ()²             (1) вую платформу для обеспечения связи без необ-

P r t r 4 4 dd                    ходимости перенастройки на другие спутники.

где P_r – принимаемая мощность, P_t – передаваемая Спутники на геостационарной орбите располага

Сценарии функционирования сетей 5G NTN

мощность, G_t – коэффициент усиления передающей антенны, G_r – коэффициент усиления приемной антенны, λ – длина волны, d – расстояние между передающей и приемной антеннами.

Коэффициент усиления обычной антенны описывается формулой [24]:

G = Aff , (2) A где Aeff – это эффективная площадь антенны. Из (1) и (2) можно определить, что ослабление сигнала в свободном пространстве увеличивается с повышением частоты, но это компенсируется дополнительным усилением антенны, поскольку усиление антенны также увеличивается с частотой. Таким образом, можно добиться того, что применение более высоких частот не влечет за собой потерь при распространении в свободном пространстве.

Если предполагается применение изотропных антенн, применяется уравнение ослабления сигнала в свободном пространстве в логарифмической форме:

FSPL dB = A + B log₁₀ d + C log_w f , (3) где A и В параметры, которые изменяются в зависимости от сценария из таблицы 1, d – это расстояние, а f – частота передачи. Параметр B учитывает зависимость от расстояния между приемником и передатчиком, С определяет связь с несущей частотой, а A получает различные значения в зависимости от сценария и состояния LOS/NLOS. Дополнительно используется параметр, называемый точкой разрыва d _BP, который определяется частотой и высотой базовой станции и пользовательского оборудования и необходим для корректного расчета значения потерь связи в свободном пространстве (FSPLdB) [25].

Формула (3) является первым шагом в расчете бюджета канала (link budget) в модели 3GPP [26].

3.    Обзор NTN

К неназемным сетям (NTN) относятся спутниковые системы связи, высотные платформы, беспилотные летательные аппараты, а также гибридные сети типа «воздух–земля». Спутниковые системы связи могут быть реализованы на различных орбитах, включая низкую (LEO), среднюю (MEO) и геостационарную (GEO) орбиты.

Геостационарная орбита (GEO) обеспечивает важное преимущество: спутник сохраняет фиксированное положение относительно поверхности Земли и постоянно обслуживает одну и ту же область покрытия. Это позволяет наземным тер- ются на высоте более 35 000 км, что обеспечивает покрытие больших территорий. Вместе с тем значительное расстояние приводит к увеличению задержки распространения сигнала и усилению потерь на трассе передачи. В то же время такие спутники отличаются высокой стабильностью орбиты и длительным сроком эксплуатации по сравнению с аппаратами на более низких орбитах.

Спутники на низкой околоземной орбите (LEO) функционируют на высотах примерно от 300 до 2000 км. В отличие от спутников на геостационарной орбите, они не ограничены экваториальной плоскостью и могут иметь различные наклонения орбит, что позволяет формировать глобальное покрытие Земли. Орбитальная скорость LEO-спутников составляет порядка 7,4 км/с, а период обращения вокруг Земли – около 90 минут. Зона покрытия одного спутника ограничена и составляет от нескольких сотен тысяч до миллионов квадратных километров в зависимости от высоты орбиты и угла обзора, что требует формирования крупных спутниковых группировок для обеспечения непрерывного покрытия больших территорий. При этом относительно низкая стоимость выведения спутников на орбиту делает возможным развертывание масштабных LEO-систем. Существенным ограничением является атмосферное торможение, которое влияет на срок активного существования спутников и приводит к типичным значениям службы порядка 3–10 лет.

Спутники, находящиеся на средней орбите (MEO), расположены на высоте от 2 000 до 35 786 км, с минимальным периодом оборота 2 часа, который может увеличиваться до 24 часов. Площадь покрытия спутников на MEO варьируется между покрытиями LEO и GEO, так же как и значения задержки и потери сигнала из-за ослабления [27–29].

В стандартах 3GPP неназемные сети (NTN) рассматриваются как расширение архитектуры 5G NR. Ключевой принцип заключается в сохранении базовой архитектуры 5G при использовании NTN в качестве альтернативного вида радиодоступа наряду с традиционными наземными сетями.

Архитектура 5G NTN логически разделяется на три сегмента.

Космический сегмент включает спутники, функционирующие на низкой, средней и геостационарной орбитах (LEO, MEO, GEO), а также полезную нагрузку и антенные системы. В зависимости от сценария применения спутник может выполнять функцию простой радиочастотной ретрансляции либо осуществлять обработку сигна-

лов на борту (regenerative payload), включая элементы обработки протоколов радиодоступа.

Наземный сегмент включает шлюзовые станции (Gateway Earth Stations), элементы gNB, а также узлы подключения к 5G Core. Он обеспечивает управление сетевыми ресурсами, маршрутизацию трафика и взаимодействие с ядром сети.

Пользовательский сегмент представлен терминальными устройствами, оснащенными NTN-совместимыми модемами и, как правило, GNSS-приемниками, используемыми для позиционирования и компенсации доплеровского смещения.

С архитектурной точки зрения в 5G NTN различают два базовых варианта построения сети, определяемых типом полезной нагрузки спутника.

В архитектуре с прозрачной полезной нагрузкой спутник выполняет функции радиочастотного ретранслятора без демодуляции и обработки сигналов на уровне протоколов 5G NR. В этом случае все функции gNB размещаются в наземном сегменте. Данный подход позволяет существенно снизить сложность спутниковой платформы и упростить её эксплуатацию, однако приводит к увеличению сквозной задержки и росту нагрузки на фидерные линии связи. Это, в свою очередь, ограничивает масштабируемость системы и снижает эффективность управления радиоресурсами [30].

В архитектуре с регенеративной полезной нагрузкой часть функций gNB, включая физический и канальный уровни, переносится на борт спутни- ка, тогда как верхние уровни протокольного стека остаются в наземном сегменте или в ядре сети. Такой подход позволяет снизить сквозные задержки, локализовать процедуры управления радиоресурсами и уменьшить нагрузку на фидерные линии связи. Вместе с тем он существенно повышает сложность полезной нагрузки и накладывает жесткие ограничения на энергопотребление и вычислительные ресурсы спутниковой платформы.

Выбор архитектуры NTN связан с концепцией функционального разделения gNB на централизованные и распределенные компоненты. В условиях NTN точка функционального split определяется допустимой задержкой фидерной линии и требованиями к реализации механизма HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), обеспечивающего надежную передачу данных за счет повторной передачи и подтверждения приема. Ключевым ограничением является необходимость обеспечения того, чтобы задержка между распределенными и централизованными функциями gNB оставалась ниже допустимого времени обработки HARQ. В противном случае низкоуровневые варианты функционального разделения становятся ограни- ченно применимыми в прозрачных архитектурах, что объясняет растущий интерес к регенератив-

Том 10

ным решениям, особенно в системах на низкой околоземной орбите [31].

Особое архитектурное значение в 5G NTN имеет организация фидерных линий связи между спутниками и наземными шлюзами. Такие линии обычно реализуются в Ka- и Q/V-диапазонах и требуют применения многoшлюзовых архитектур для повышения надежности и устойчивости к атмосферным замираниям. Анализ существующих исследований [19–21] показывает, что архитектура фидерной инфраструктуры оказывает существенное влияние на экономическую эффективность неназемных сетей. На уровне радиоинтерфейса традиционная сотовая структура в NTN заменяется динамически формируемыми лучами, создаваемыми фазированными антенно-решетчатыми системами. Эти лучи перемещаются относительно поверхности Земли вслед за орбитальным движением спутника.

В 5G NTN процедуры управления мобильностью включают хэндоверы между лучами, спутниками и шлюзовыми станциями. Частота таких хэндоверов в значительной степени определяется орбитальной динамикой спутников, а не перемещением пользователей. Исследования [11; 12] показывают, что спутниково-обусловленная мобильность становится основным источником сигнальной нагрузки в NTN и требует специализированной оптимизации на уровне сети радиодоступа (RAN). На рисунке 1 представлена многоуровневая архитектура интегрированной сети спутниковой, воздушной и наземной связи, включающая спутниковый сегмент, платформы HAPS (High Altitude Platform Station), авиационные и беспилотные платформы, а также наземную инфраструктуру.

4.    Моделирование и его результат

Симулятор NS-3 представляет собой широко используемую платформу для моделирования сетевых систем и проведения исследований в области телекоммуникаций. Его возможности охватывают моделирование различных аспектов сетей, включая протоколы передачи данных, механизмы управления ресурсами и элементы сетевой инфраструктуры.

NS-3 построен на объектно-ориентированной архитектуре, обеспечивающей представление сетевых компонентов и процессов в виде взаимосвязанных программных объектов. Такой подход упрощает моделирование сложных сетевых взаимодействий и повышает гибкость при разработке исследовательских сценариев.

NS-3 поддерживает разнообразные протоколы, такие как TCP, UDP, HTTP, а также специфичные для 5G протоколы, включая NR (New Radio) и модели для NTN.

Рисунок 1. Многоуровневая структура сетей NTN

Симулятор содержит набор моделей радиоканала, предназначенных для воспроизведения условий распространения сигнала в различных сценариях связи, включая наземные и неназемные сети (NTN). Эти модели учитывают такие особенности, как потери при распространении, многолучевость, затенение, а также значительные доплеровские смещения, характерные для спутниковых систем связи.

• 4.1.    Особенности моделирования 5G NTN

в NS-3

Моделирование неназемных сетей (NTN) в среде NS-3 направлено на исследование и оценку характеристик спутниковых систем связи, функционирующих на низких (LEO), средних (MEO) и геостационарных (GEO) орбитах. При построении таких моделей необходимо учитывать особенности распространения радиосигнала, обусловленные орбитальным движением спутников, значительными расстояниями передачи, задержками распространения и выраженным доплеровским смещением.

Модель канала NTN в NS-3 реализована на основе пространственной модели радиоканала 3GPP. Интеграция NTN выполнена посредством расширения существующих классов симулятора и добавления специализированных модулей, позволяющих учитывать параметры спутникового канала и орбитальную динамику без изменения базовой архитектуры NS-3.

Разработка была ориентирована на минимальное изменение базовой архитектуры NS-3 с целью сохранения стабильности существующих компо- нентов. При этом для реализации и оптимизации модели канала NTN потребовалось внесение ограниченных изменений в структуру исходного кода симулятора.

В данной реализации модели канала NTN для симулятора NS-3 был внесен ряд изменений в класс ThreeGppChannelModel, который отвечает за вычисление маломасштабных параметров, описанных в документации 3GPP. Моделирование канала для спутниковых сетей потребовало адаптации существующих алгоритмов для учета специфики NTN, таких как влияние частотного диапазона, углов наклона и условий видимости (LOS/NLOS), а также разнообразных сценариев работы спутниковых систем. Эти изменения позволяют более точно моделировать поведение канала в реальных условиях эксплуатации.

Для учета множества факторов, определяющих маломасштабные параметры, была использована вложенная структура карт, что позволяет эффективно хранить и обрабатывать более 30 различных сценариев. Каждый сценарий зависит от частотного диапазона, угла наклона, типа видимости и сценария, что делает расчет канала гораздо более точным и адаптированным к условиям реальной спутниковой связи. К примеру, для каждого сценария создаются две карты: для случаев LOS и NLOS, что позволяет точно учитывать особенности распространения сигнала в этих условиях.

Метод GetThreeGppTable() был дополнительно изменен для учета модели движения узлов передатчика и приемника, что стало необходимым для корректного расчета маломасштабных параметров с учетом угла наклона. Это дополнение позволяет более точно учитывать геометрические особенности канала и условия видимости в реальных сценариях. Также для сценариев с меньшим количеством кластеров были добавлены дополнительные масштабирующие факторы, что также повышает точность расчетов.

Для более точных расчетов в моделировании телекоммуникационных систем, таких как 5G и NTN, применяется геоцентрическая декартовая система координат (ECEF), рекомендуемая 3GPP.

Класс GeographicPositions в симуляторе NS-3 важен в точном позиционировании объектов 146 и преобразовании координат, что является необходимым для корректного моделирования сете- вых взаимодействий в различных системах координат. Также он решает задачу преобразования между географической системой координат и то-поцентрической системой координат (East-NorthUp, ENU), которая используется для локализации объектов относительно фиксированной точки на Земле. Для реализации этого преобразования в NS-3 использованы методы GeographicToTopo centricCoordinates и TopocentricToGeographicCoo rdinates, которые обеспечивают точный перевод координат между географической и топоцентри-ческой системами.

Для реализации модели канала NTN в симуляторе NS-3 был разработан новый класс NTNChannelModel, который значительно расширяет возможности симулятора для работы с условиями канала в контексте спутниковых сетей. Класс ChannelCondition, являющийся частью этой реализации, хранит состояние канала, а интерфейс ChannelModel может быть расширен для реализации различных специфичных условий канала. Главным методом класса является GetChannelCondition, который, принимая две модели мобильности, возвращает указатель на со- стояние канала.

Классы были разработаны для того, чтобы учитывать особенности распространения сигналов и изменения канала в зависимости от типа местности: NTNDenseUrbanModel – модель для плотных городских зон, NTNUrbanModel – модель для городских зон, NTNSuburbanModel – модель для пригородных зон, NTNRuralModel – модель для сельских зон.

Метод GetChannelCondition в этих классах вы- числяет состояние канала с использованием алго- ритма и сохраняет его вместе с временем генерации для последующего использования.

В рамках реализации модели потерь распространения канала NTN в NS-3 был создан класс NTNLossModel, который расширяет базовый класс ThreeGppPropagationLossModel.

Основной задачей этих классов является вычисление общих потерь распространения, учитывающих атмосферные явления. Ключевым мето-

Том 10

дом для расчета потерь пути является CalcPower, который вычисляет полученную мощность на основе позиций передающих и принимающих узлов. Для вычислений используются методы GetLossLos, GetLossNlos, GetShadowing и GetShadowingStd, которые позволяют учитывать потери в условиях прямой видимости (LOS) и без прямой видимости (NLOS).

Также был добавлен класс PositionModel, который решает задачи вычисления угла подъема, необходимого для оценки параметров канала.

Класс PositionModel хранит положение объекта в виде географических координат через переменную m_position. Важным аспектом является возможность преобразования геоцентрических декартовых координат в планарные декартовые координаты, используемые в NS-3, с помощью методов базового класса MobilityModel.

Внедрение доработанной модели NTNThreeGppExt включает создание новых классов для более точного моделирования канала NTN и обеспечивает более реалистичное использование географических координат, точные расчеты углов подъема и потерь пути.

• 4.2.    Параметры моделирования

• 4.3.    Эксперименты

Параметры, используемые в симуляциях, включают характеристики спутников и терминалов (таблица 2).

Эксперимент направлен на исследование влияния угла места спутника на характеристики радиоканала в Ku-диапазоне, включая потери сигнала и отношение сигнал/шум (SNR). Измерения проводятся для спутника, расположенного на фиксированной орбите.

Результаты показаны на рисунке 2.

При изменении угла места спутника значения SNR изменяются вследствие увеличения расстояния между терминалом и спутником при уменьшении угла возвышения, а также изменения коэффициента усиления антенны, обусловленного ее диаграммой направленности.

• 1.    При уменьшении угла места наблюдается ухудшение качества сигнала, связанное с изменением коэффициента усиления спутниковой антенны вне основного лепестка диаграммы направленности. Данный эффект определяется шириной луча по уровню половинной мощности (HPBW), обозначенной как θ _3dB, спутниковой антенны:

• 2.    С уменьшением угла места от 90 до 10° вносимые потери возрастают вследствие увеличения наклонной дальности между спутником и терми-

• Таблица 2

в = 70 ^

3dB d , где λ – длина волны, d – диаметр антенны.

Характеристики спутников и абонентских терминалов

♦ Городская местность           И Плотная городская местность

А Сельская местность           X Пригородная местность

Рисунок 2. Зависимость отношения сигнал/шум от угла места

налом, что приводит к росту потерь распространения и дополнительному затуханию сигнала.

Как видно по полученным значениям, ориентировочное соотношение сигнал/шум 0 дБ [32] для базовой связи достигается при величине угла места примерно от 85 до 90 градусов, т. е. для поддержания стабильного соединения спутник должен находиться практически над абонентским устройством.

В следующем эксперименте исследуется влияние высоты орбиты спутника на параметры связи для нисходящего (DL) и восходящего (UL) каналов. В отличие от предыдущего сценария, где анализ проводился при фиксированной

высоте спутника и изменяющемся угле места, в данном случае высота спутника варьируется в диапазоне от 200 до 1800 км. Параметры передачи, включая мощность передатчика и характеристики антенн, соответствуют значениям, рекомендованным для рассматриваемого диапазона частот и типа орбиты. Для всех положений спутника используются одинаковые параметры антенн. Результаты моделирования представлены на рисунке 3.

Восходящий канал (UL) показывает, что использование антенн VSAT с более высоким уровнем усиления и мощности помогает поддерживать значение SNR выше ориентировочного порога сиг-

Диапазон частот		S-диапазон (2–4 ГГц)
Тип орбиты		LEO (низкая орбита Земли) на высоте до 1200 км
Тип терминала		Носимые устройства и VSAT-станции с антеннами многоканальной поляризации, обеспечивающими параллельную передачу и прием сигналов в различных поляризационных режимах
Параметры каналов	Downlink	Эквивалентная апертура антенны	0,05 м
		Плотность эффективной изотропной радиированной мощности (EIRP)	70 дБм
		Максимальный коэффициент усиления антенны	40 дБи
	Uplink	Эквивалентная апертура антенны	0,02 м
		Плотность эффективной изотропной радиированной мощности (EIRP)	33 дБм
		Максимальный коэффициент усиления антенны	10 дБи
Допущения: В работе рассматриваются только терминалы, принимающие и передающие сигнал, что приводит к тому, что мощность помехи всегда равна нулю. Следовательно, используется только отношение сигнал/шум (SNR). Допускается, что передающие и принимающие терминалы остаются неподвижными в любой момент времени, что исключает эффект Доплера, вызванный движением узлов

- 70 ^

. 3 dB        J ,

d

Том 10

Рисунок 3. Зависимость отношения сигнал/шум от высоты спутника

нал/шум 0 дБ для базовой связи на высотах спутников приблизительно до 500 километров. Более высокие значения SNR в нисходящем канале (DL) по сравнению с восходящим (UL) обусловлены энергетической асимметрией линии связи: спутник обладает значительно большей излучаемой мощностью и коэффициентом усиления антенны, чем пользовательский терминал. В результате UL является ограничивающим звеном по энергетическому бюджету канала.

Моделирование полного стека 5G NR для оценки пропускной способности на уровне приложения

В этом эксперименте моделируется полный набор 5G NR для оценки возможной пропускной способности на уровне приложения, доступной при различных конфигурациях. В качестве метрик рассматриваются пропускная способность на уровне приложения и коэффициент потерь пакетов, который определяется как отношение количества пакетов, не достигших назначения, к общему количеству отправленных пакетов.

Результаты, полученные в ходе моделирования, приведены в таблице 3.

Все протестированные сценарии демонстрируют высокий коэффициент потерь пакетов (>0,3), что может объясняться влиянием мобильности терминалов на устойчивость радиоканала.

Важно отметить, что высокий коэффициент усиления антенн способствует улучшению качества связи за счет увеличения мощности принимаемого сигнала и повышения отношения сигнал/шум, что снижает вероятность ошибок передачи и потерь пакетов. Кроме того, использование таких антенн повышает устойчивость соединения в условиях высокой мобильности терминалов, компенсируя ухудшение радиоканала, вызванное изменением расстояния, затуханием сигнала и быстрыми изменениями условий распространения. Эти результаты подчеркивают важность правильного выбора мощности передачи и усиления антенн, особенно при работе в высокочастотных диапазонах и динамичных условиях, таких как 5G NTN для глобальной связи.

Предпочтительный сценарий для установления спутниковой интернет-связи – это спутник на орбите LEO на высоте от 200 до 500 км, с антенной на основе фазированной антенной решетки с высоким коэффициентом усиления на наземном терминале и спутниковых терминалах.

Спутники на более высоких орбитах обладают преимуществом в виде большего покрытия на Земле и более долгого срока службы, однако требуют большей мощности передачи и/или антенн с более высоким усилением.

Таблица 3

Результаты моделирования

Сценарий	LEO-300	LEO-300	LEO-500
EIRP	33 дБм	36 дБм	39 дБм
Пропускная способность	3,21 Мбит/с	4,12 Мбит/с	5,54 Мбит/с
Коэффициент потери пакетов	0,67	0,45	0,36

Заключение

В данной работе предложена реализация модели канала NTN по стандартам 3GPP для симулятора NS-3, которая позволяет воспроизводить процессы распространения сигнала в негеостационарных спутниковых сетях и проводить оценку производительности систем связи в различных сценариях эксплуатации.

Рассмотрены основные характеристики модели канала для 5G. Далее представлен обзор NTN с акцентом на возможные сценарии применения и улучшения, которые данные технологии способны внести в современные и перспективные сети 5G, включая расширение зоны покрытия, повышение устойчивости связи и обеспечение доступа в труднодоступных регионах.

Проанализирована модель канала NTN, предоставленная 3GPP, включая сравнение с моделью канала для наземных сетей, с акцентом на дополнительные факторы, влияющие на проектирование коммуникационных систем за пре