[논문 리뷰] 5G New Radio Evolution Meets Satellite Communications: Opportunities, Challenges, and Solutions

Xingqin Lin, Björn Hofström외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 26.

Satellite Communication SystemsEngineering인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 5G 뉴 라디오(NR) 진화를 위성 통신과 통합하는 것을 탐구하며, 전파 지연, 도플러 시프트, 빔 관리와 같은 핵심 기술적 과제를 밝혀내고 있다. 3GPP의 NR 프레임워크를 활용한 솔루션을 제안하여 파형 적응, 자원 할당 최적화, 하이브리드 빔포밍을 통해 유비쿼터스 5G 연결성을 실현하는 위성-지상 통합 기술을 발전시킨다.

ABSTRACT

The 3rd generation partnership project (3GPP) completed the first global 5th generation (5G) new radio (NR) standard in its Release 15, paving the way for making 5G a commercial reality. So, what is next in NR evolution to further expand the 5G ecosystem? Enabling 5G NR to support satellite communications is one direction under exploration in 3GPP. There has been a resurgence of interest in providing connectivity from space, stimulated by technology advancement and demand for ubiquitous connectivity services. The on-going evolution of 5G standards provides a unique opportunity to revisit satellite communications. In this article, we provide an overview of use cases and a primer on satellite communications. We identify key technical challenges faced by 5G NR evolution for satellite communications and give some preliminary ideas for how to overcome them.

연구 동기 및 목표

• 지구 전역의 연결성을 위해 5G NR 진화를 위성 통신과 통합할 수 있는지 탐구하기.
• 전파 지연, 도플러 스프레드, 빔포밍 제약과 같은 위성 링크에 적합하게 5G NR를 조정하는 데 있어 핵심 기술적 과제를 규명하기.
• 위성-지상 통합 기술을 위한 원활한 상호운용성을 확보하기 위해 3GPP 표준과 일치하는 솔루션을 제안하기.
• 위성을 통한 비지상 네트워크(NTN)로의 NR 확장을 통해 유비쿼터스 5G 연결성을 실현하기.

제안 방법

• 위성 링크 특성과의 호환성을 위해 5G NR 파형 및 프레임 구조 분석하기.
• 순환 프리픽스와 자원 블록 할당과 같은 물리 계층 파arameter 조정을 통해 도플러 및 전파 지연 영향을 완화하기.
• 위성 링크에서의 링크 예산 향상과 커버리지 향상을 위해 하이브리드 빔포밍 기법 제안하기.
• 위성 채널 조건 하에서 자원 스케줄링 및 다중접근 방식 평가하기.
• 비지상 네트워크(NTN) 구현을 지원하기 위해 3GPP 리lease 15 및 향후 NR 진화 기능 활용하기.
• 5G NR 아키텍처에 위성 전용 신호 및 이동성 관리 통합하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위성 링크에서의 긴 전파 지연과 높은 도플러 스프레드를 처리하기 위해 5G NR 파형은 어떻게 적응시켜야 하는가?
• RQ2 효율적인 위성 통신을 위해 5G NR 프레임 구조와 자원 할당에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ3 비지상 5G NR 네트워크에서 빔포밍 및 빔 관리는 어떻게 최적화될 수 있는가?
• RQ4 위성 백홀 및 사용자 액세스에 5G NR를 구현할 때의 주요 성능 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 기존 3GPP NR 표준은 위성 기반 사용자 장비 및 네트워크 인fra구조를 지원하기 위해 어떻게 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 5G NR의 유연한 프레임 구조와 확장 가능한 수학적 모델은 적절한 구성 조정을 통해 위성 링크를 지원하는 데 적합하다.
• 지정궤도 및 중간 궤도 위성에서의 도플러 스프레드는 정규성 유지에 기여하기 위해 신중한 파형 및 순환 프리픽스 설계가 필요하다.
• 하이브리드 빔포밍은 링크 예산 향상과 위성 환경에서의 빔 추적 지원에 크게 기여할 수 있다.
• 장거리 왕복 지연과 변동성이 큰 채널 조건을 고려해 자원 할당 방식이 재설계되어야 한다.
• 3GPP 프레임워크 내에서 위성 통신의 5G NR 통합은 Release 16 및 이후 개선 사항을 통해 실현 가능하다.
• 초기 결과에 따르면 기존 5G 이동성 프로토콜을 약간 확장함으로써 위성-지상 이동성 이식 및 이동성 관리가 가능할 것으로 보인다.