[논문 리뷰] Integrating Terrestrial and Non-terrestrial Networks: 3D Opportunities and Challenges

Giovanni Geraci, David López‐Pérez외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 21.

Satellite Communication Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지상, 공중, 우주 기반 사용자를 위한 광범위한 연결성을 실현하기 위해 3차원 통합 지상 및 비지상 네트워크(TN-NTN) 아키텍처를 제안한다. 두 가지 구현 패러다임—수직으로 기울인 셀을 갖춘 업그레이드된 지상 네트워크와 저궤도 위성 기반 복합체—를 제시하며 간섭 관리, 이동성, 네트워크 오케스트레이션 분야의 핵심 과제를 규명하고, 상호운용성과 확장 가능한 구현을 가능하게 하기 위해 3GPP 표준화를 권장한다.

ABSTRACT

Integrating terrestrial and non-terrestrial networks has the potential of connecting the unconnected and enhancing the user experience for the already-connected, with technological and societal implications of the greatest long-term significance. A convergence of ground, air, and space wireless communications also represents a formidable endeavor for the mobile and satellite communications industries alike, as it entails defining and intelligently orchestrating a new 3D wireless network architecture. In this article, we present the key opportunities and challenges arising from this (r)evolution by presenting some of its disruptive use-cases and key building blocks, reviewing the relevant standardization activities, and pointing to open research problems. By considering two multi-operator paradigms, we also showcase how terrestrial networks could be efficiently re-engineered to cater for aerial services, or opportunistically complemented by non-terrestrial infrastructure to augment their current capabilities.

연구 동기 및 목표

• 지금까지 연결되지 않은 세계 인구의 약 절반인 농촌 및 고립 지역 주민들을 위한 연결성을 제공함으로써 글로벌 디지털 격차를 해소하기 위해.
• 드론, eVTOL 등 고이동성 항공 서비스를 지원하기 위해 3차원 공중 영역에서 신뢰성 있고 저지연, 고신뢰성 연결성을 확보하기 위해.
• 미래의 대량 IoT, 몰입형 AR/VR, 재난 상황에서의 핵심 통신 수요를 충족시키지 못하는 2차원 지상 네트워크의 한계를 극복하기 위해.
• 이질적인 지상, 고고도 플랫폼(HAPS), 위성 기반 네트워크 통합 과정에서 발생하는 핵심 기술적, 운영적, 표준화 과제를 규명하고 해결하기 위해.
• 다중 계층 및 기술 간의 원활한 핸드오버, 동적 자원 할당, 서비스 품질 관리를 가능하게 하는 통합 3D 네트워크 아키텍처를 제안하기 위해.

제안 방법

• 다중 운영자 구현 패러다임 두 가지를 제안: (1) 공중 커버리지를 위해 전용 수직 기울임 셀을 갖춘 지상 네트워크 재설계, (2) 지상 네트워크에 저궤도 위성 복합체를 추가하여 범위를 확장.
• NTN 기지국 기능을 지원하기 위해 재생 및 투명한 위성 펌웨어를 활용하여 영구 백홀 및 신호 처리 유연성을 확보.
• 실제의 공중-지상 채널 모델을 기반으로 한 동적 3D 무선 자원 관리 도입, 시간, 주파수, 전력 및 공간 도메인 다중접속을 활용해 간섭을 최소화.
• 지구정렬궤도(GEO), 중지구정렬궤도(MEO), 저궤도위성(LEO), HAPS, 지상 네트워크로 구성된 계층적 3D 네트워크 아키텍처 개발, 각 계층은 지연, 커버리지, 대역폭 간의 상충 관계를 제공.
• TN 및 NTN 노드 간 무선, 컴퓨팅, 캐싱 자원의 동적 할당을 위한 서비스 오케스트레이터 설계로, 간헐적인 연결 상황에서도 서비스 지속성을 확보.
• 다양한 제조사 및 운영자 간의 상호운용성 기반으로 3GPP 표준화 노력 활용, 이질적인 3D 네트워크 환경에서의 다중 운영자 협업 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 공중 영역에서 공중 사용자에게 신뢰성 있고 저지연 연결성을 제공하기 위해 지상 네트워크는 어떻게 효율적으로 재설계될 수 있는가?
• RQ2 공중 서비스를 위해 전용 수직 기울임 지상 셀을 도입하는 것과 LEO 위성 운영자로부터 인프라를 임대하는 것 사이의 성능 상충 관계는 무엇인가?
• RQ3 지상, 공중, 우주 계층 간 동일 주파수 대역 사용이 가능한 3차원 네트워크에서 간섭은 어떻게 효과적으로 관리될 수 있는가?
• RQ4 다양한 계층 및 기술 간을 이동하는 고이동성 공중 사용자에게 원활한 핸드오버를 지원하기 위해 필요한 이동성 관리 전략은 무엇인가?
• RQ5 3D TN-NTN 환경에서 이질적인 무선, 컴퓨팅, 캐싱 자원을 동적으로 할당하여 서비스 지속성과 QoE를 확보하기 위해 네트워크 오케스트레이션은 어떻게 설계되어야 하는가?

주요 결과

• 전용 수직 기울임 지상 셀은 공중 사용자를 효과적으로 지원할 수 있지만, 지상 사용자 및 동일 주파수 시스템과의 공존을 위해 고도의 간섭 완화 기술이 필요하다.
• LEO 위성 복합체는 충분히 밀도가 높을 경우에만 근접 천정 커버리지를 제공하며, 고고도 사용자에 대한 지속적인 연결성을 확보하고 서비스 단절을 감소시킨다.
• 지구정렬궤도(GEO), 저궤도위성(LEO), HAPS, 지상 네트워크로 구성된 다중 계층 3D 네트워크 아키텍처는 지연, 커버리지, 이동성 요구사항에 따라 차별화된 서비스 제공이 가능하다.
• 실제 공중-지상 채널 모델을 기반으로 한 동적 3D 무선 자원 관리는 이질적 배치 환경에서 스펙트럼 효율성을 최적화하고 간섭을 최소화하기 위해 필수적이다.
• 효율적인 네트워크 오케스트레이션은 동적 네트워크 토폴로지, 간헐적인 연결, 종단 장치 및 네트워크 인fra의 다양한 이동 패턴을 고려하여 원활한 서비스 지속성을 보장해야 한다.
• 3GPP 표준화가 이질적인 3D TN-NTN 환경에서 상호운용성과 다중 운영자 협업을 가능하게 하며, 특히 빔 재사용 및 다중 기술 간 핸드오버를 위해 필수적이다.