[论文解读] Integrating Terrestrial and Non-terrestrial Networks: 3D Opportunities and Challenges

Giovanni Geraci, David López‐Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Satellite Communication Systems被引用 5

一句话总结

本文提出一种三维集成的地面与非地面网络（TN-NTN）架构，以实现对地面、空中及空间用户全覆盖的连接。文章提出了两种部署范式——通过倾斜定向扇区升级的地面网络，以及低地球轨道（LEO）卫星星座——并识别出在干扰管理、移动性及网络编排方面面临的关键挑战，倡导通过3GPP标准化以实现互操作性与可扩展部署。

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.

研究动机与目标

• 通过为目前全球近一半尚未连通的人口（尤其是农村和偏远地区）提供连接，弥合全球数字鸿沟。
• 支持新兴的高移动性空中服务，如无人机（UAV）、电动垂直起降飞行器（eVTOL）和无人机，这些服务需要在三维空域中实现可靠、低时延和高可靠性的连接。
• 克服二维地面网络在应对未来大规模物联网、沉浸式AR/VR以及灾难场景下关键通信需求方面的局限性。
• 识别并解决在整合异构的地面、高空平台（HAPS）和卫星网络过程中面临的技术、运营及标准化关键挑战。
• 提出一种统一的三维网络架构，实现跨多层与多技术的无缝切换、动态资源分配及服务质量管理。

提出的方法

• 提出两种多运营商部署范式：（1）通过专用倾斜扇区重新设计的地面网络以支持空中覆盖；（2）通过LEO卫星星座扩展覆盖范围的地面网络。
• 分析再生式与透明式卫星载荷在支持NTN基站功能方面的应用，实现灵活回传与信号处理。
• 提出基于真实空对地信道模型的动态三维无线资源管理，利用时域、频域、功率域与空间域复用技术以减轻干扰。
• 设计一种分层三维网络架构，包含地球同步轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、低地球轨道（LEO）、HAPS和地面层，各层在时延、覆盖与容量之间提供不同的权衡。
• 设计一种服务编排器，用于在TN与NTN节点之间动态分配无线、计算与缓存资源，确保在链路间歇性中断情况下的服务连续性。
• 以3GPP标准化工作为基础，推动互操作性，实现异构三维TN-NTN中多厂商与多运营商的协同。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效地重新设计地面网络，以在三维空域中为空中用户实现可靠且低时延的连接？
• RQ2 在为航空服务部署专用倾斜扇区地面站与租赁LEO卫星运营商基础设施之间，性能权衡为何？
• RQ3 在地面、空中与空间各层共信道部署的三维网络中，如何有效管理干扰？
• RQ4 为支持高移动性空中用户在多层与多技术之间的无缝切换，需要何种移动性管理策略？
• RQ5 网络编排如何动态分配异构的无线、计算与缓存资源，以确保在三维TN-NTN中服务连续性与用户体验质量（QoE）？

主要发现

• 专用倾斜扇区地面站可有效支持空中用户，但需采用先进干扰抑制技术，以与地面用户及同频系统共存。
• 当LEO卫星星座足够密集时，可提供近天顶覆盖，从而为高海拔用户提供连续连接，减少服务中断。
• 包含多层（GEO、LEO、HAPS、地面）的三维网络架构可基于时延、覆盖与移动性需求提供差异化服务。
• 基于真实空对地信道模型的动态三维无线资源管理，对于优化频谱效率并最小化异构部署中的干扰至关重要。
• 有效的网络编排必须考虑终端设备与网络基础设施的动态拓扑、间歇性链路及多样化移动性模式，以确保无缝服务连续性。
• 3GPP标准化对于实现异构三维TN-NTN中互操作性与多运营商协同至关重要，尤其在波束复用与跨技术切换方面。