I. Dostęp do NTN: Random Access Channel (RACH) to fundamentalny proces dla początkowego połączenia, synchronizacji w górnej linii i autoryzacji harmonogramu pomiędzy urządzeniem końcowym (UE) a siecią. Chociaż jest to dojrzały i dobrze rozumiany proces w tradycyjnych naziemnych sieciach dostępowych (RAN), jego implementacja w sieciach pozaziemskich (NTN) stwarza szereg unikalnych i bardziej złożonych wyzwań technicznych.
W naziemnych sieciach RAN sygnały radiowe zazwyczaj rozchodzą się na krótkich i przewidywalnych odległościach, a środowisko propagacji jest stosunkowo stabilne; jednak w sieciach NTN obejmujących satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), średniej orbicie okołoziemskiej (MEO) i orbicie geostacjonarnej (GEO), sygnały radiowe są narażone na wpływ ekstremalnie dużych odległości propagacji, szybkiego ruchu satelitów, dynamicznych obszarów zasięgu i zmiennych w czasie warunków kanału. Wszystkie te czynniki znacząco wpływają na synchronizację, częstotliwość i niezawodność kanału, na których opierają się tradycyjne procesy RACH.
II. Charakterystyka NTN: Ze względu na ekstremalnie duże odległości transmisji, szybki ruch satelitów oraz zmienne w czasie warunki zasięgu i kanału, NTN stwarza unikalne krytyczne wady (np. duże opóźnienie propagacji, długi czas obiegu, przesunięcie Dopplera, mobilność wiązki i duża domena rywalizacji), które poważnie rzucają wyzwanie i wpływają na zachowanie i wydajność kanału dostępu losowego (RACH) urządzenia końcowego. Ponadto satelity podlegają ścisłym ograniczeniom w zakresie dostępności widma i budżetu mocy, co sprawia, że wydajne i niezawodne mechanizmy dostępu losowego są szczególnie istotne.
III. Wpływ i rozwiązania: Aby pokonać trudności, jakie NTN stwarza dla dostępu terminali, 3GPP rozwiązało niektóre problemy w swoich specyfikacjach, ale następujące aspekty wymagają uwagi:
Wpływ: W sieciach NTN, ze względu na duże obszary komórek, ruch satelitów i zmienne odległości między UE a satelitą, oszacowanie timing advance jest znacznie bardziej złożone niż w systemach naziemnych. Nieprawidłowe oszacowanie TA może spowodować, że transmisje w górnej linii znajdą się poza oknem odbioru satelity, co spowoduje kolizje lub całkowitą awarię odbioru.
Rozwiązanie: Potrzebne są zaawansowane techniki szacowania TA, takie jak wykorzystanie danych efemeryd satelitarnych, wspomaganie GNSS lub algorytmy predykcyjne, w celu dynamicznego dostosowywania synchronizacji UE i utrzymywania synchronizacji w górnej linii.
Wpływ: Względny ruch między satelitą a UE wprowadza znaczne przesunięcia Dopplera, szczególnie w systemach na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Te przesunięcia częstotliwości zmniejszają dokładność wykrywania preambuły, pogarszają synchronizację częstotliwości i zwiększają prawdopodobieństwo niepowodzeń prób RACH.
Rozwiązanie: Niezawodne mechanizmy kompensacji Dopplera i śledzenia częstotliwości są wymagane zarówno po stronie UE, jak i sieci, aby utrzymać niezawodną wydajność RACH w warunkach dużej mobilności.
Wpływ: łącza NTN podlegają tłumieniu atmosferycznemu, zacienieniu, migotaniu i stratom propagacji na duże odległości. Czynniki te zwiększają wskaźnik błędów blokowych i mogą wpływać na zdolność UE do prawidłowego odbierania wiadomości RAR po pomyślnym przesłaniu preambuły.
Rozwiązanie: Adaptacyjna modulacja i kodowanie, kontrola mocy i niezawodna konstrukcja warstwy fizycznej są potrzebne do utrzymania niezawodnego wykrywania i przetwarzania RACH w różnych warunkach kanału.
Wpływ: Wiązki satelitarne zazwyczaj obejmują bardzo duże obszary geograficzne, potencjalnie obsługując tysiące UE jednocześnie. To znacznie zwiększa poziom rywalizacji RACH i prawdopodobieństwo kolizji, szczególnie w scenariuszach dostępu na dużą skalę.
Rozwiązanie: Wydajne partycjonowanie zasobów RACH, kontrola dostępu uwzględniająca obciążenie i inteligentne mechanizmy zarządzania rywalizacją są potrzebne do skalowania wydajności dostępu losowego.
Wpływ:Duża odległość fizyczna między UE a satelitą wprowadza znaczne opóźnienie propagacji w jedną stronę i dłuższy RTT. Na przykład czas obiegu (RTT) dla łącza satelitarnego na orbicie geostacjonarnej (GEO) może osiągnąć setki milisekund. Opóźnienia te bezpośrednio wpływają na synchronizację wymiany wiadomości Random Access Response (RAR), potencjalnie prowadząc do przedwczesnych przekroczeń limitu czasu timera, zwiększonych wskaźników niepowodzeń dostępu i przedłużonych opóźnień dostępu.
Rozwiązanie: Timery związane z RACH, takie jak okno Random Access Response (RAR) i timery rozstrzygania kolizji, muszą być zaprojektowane w oparciu o wartości RTT specyficzne dla NTN. Konfiguracja timera uwzględniająca NTN ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania niepotrzebnym retransmisjom i niepowodzeniom dostępu.
Wpływ: Duża liczba urządzeń użytkownika (UE) rywalizujących o ograniczoną liczbę preambuł RACH zwiększa prawdopodobieństwo kolizji preambuł, zmniejszając tym samym wydajność dostępu i zwiększając opóźnienia.
Rozwiązanie: Zaawansowane schematy rozstrzygania kolizji, dynamiczna alokacja preambuł i techniki blokowania dostępu zoptymalizowane pod kątem NTN są kluczem do zmniejszenia prawdopodobieństwa kolizji.
Wpływ: Początkowa synchronizacja w NTN jest skomplikowana przez duże niepewności synchronizacji i przesunięcia częstotliwości. Niezachowanie dokładnej synchronizacji może uniemożliwić urządzeniu użytkownika (UE) zainicjowanie procesu Random Access Channel (RACH).
Rozwiązania: Ulepszone techniki synchronizacji, łączące precyzyjne pozyskiwanie synchronizacji, kompensację Dopplera i świadomość pozycji satelity, są potrzebne do pomyślnego dostępu losowego.
Wpływ: UE w NTN doświadczają znacznych zmian w stratach propagacji w zależności od ich pozycji względem wiązki satelitarnej. Niewystarczająca moc nadawcza może prowadzić do niepowodzenia wykrywania preambuły, podczas gdy nadmierna moc może powodować zakłócenia między UE.
Rozwiązanie: Adaptacyjne i uwzględniające lokalizację mechanizmy kontroli mocy mają kluczowe znaczenie dla równoważenia niezawodności wykrywania i zarządzania zakłóceniami.
Wpływ: Systemy NTN w dużym stopniu opierają się na architekturach wielowiązkowych. UE mogą potrzebować wykonać akwizycję wiązki lub przełączanie podczas procesu RACH, co zwiększa złożoność i opóźnienia. Rozwiązanie: Wydajne mechanizmy wykrywania wiązki, śledzenia wiązki i płynnego przełączania wiązki są niezbędne do zapewnienia niezawodnego wykonywania RACH w systemach NTN opartych na wiązkach.
