6G در آسمان! پیش به سوی ارتباطات ماهواره‌ای

پیش به سوی ارتباطات ماهواره‌ای

توسعه‌ی نسل پنجم ارتباطات (5G)، با استفاده از فناوری‌های پیشرفته نظیر مجازی سازی، هوش مصنوعی توزیع شده، فوق متراکم سازی داده‌ها و سایر فناوری‌ها، تغییرات شگرفی در صنعت مخابرات ایجاد کرده است. این روند توسعه در نسل ششم ارتباطات (6G) نیز ادامه خواهد یافت. چالشی که وجود دارد این است که شبکه‌های ارتباطی زمینی نمی‌توانند دسترسی به اینترنت پُرسرعت 5G و 6G را برای مسافران در هواپیماها، قطارهای سریع‌السیر و ساکنان مناطق روستایی و دورافتاده تأمین کنند. از این‌رو، استفاده از ماهواره‌ها بهترین گزینه برای ایجاد زیرساخت جهت دسترسی همه جایی به اینترنت پُرسرعت هستند. در دهه گذشته، ماهواره‌های مدار زمین آهنگ (GEO)، برای پشتیبانی از خدمات پهن‌باند، ایجاد بکهال سلولی، برقراری ارتباط در زمان بلایای طبیعی و خدمات اورژانسی استفاده می‌شده‌اند. اما امروزه، علاقه به برنامه‌ریزی جهت توسعه‌ی ماهواره‌ها در مدار غیر زمین آهنگ (Non-GEO) شتاب گرفته است. در چند سال آینده برای دسترسی جهانی به اینترنت پرسرعت، شاهد ایجاد چندین هزار منظومه‌ی ماهواره‌ای در مدار زمین پایین (LEO) خواهیم بود. شاید عجیب به نظر برسد ولی هزینه ساخت و پرتاب منظومه‌های ماهواره‌ای به مدار لئو ارزان‌تر از ساخت و پرتاب یک ماهواره تکی در مدار ژئو است. از طرفی با توسعه اینترنت اشیاء (IoT) در تمام نقاط جهان، نیاز به ارتباطات ماهواره‌ای پُررنگ‌تر خواهد بود و پیش‌بینی شده است که این منظومه‌های ماهواره‌ای جواب‌گوی نیازهای اینترنت اشیاء خواهد بود. در این گزارش به بررسی شبکه‌های نوظهور 5G و 6G  ماهواره‌ای و چالش های مهم آن پرداخته می‌شود.

کلیدواژه: ارتباطات ماهواره‌ای، بکهال شبکه‌های 5G و 6G، مدار زمین آهنگ یا  ژئوسنکرون (GEO)، مدار زمین پایین (LEO).

سیستم‌های ارتباطی 5G، خدمات نوآورانه‌ای با کیفیت خدمات (QoS)^[1]  بهتر،کیفیت تجربه (QoE)^[2] قوی‌تر، ظرفیت بالاتر و تأخیر بسیار کمتر ارائه می کنند [1]. مطالعات اخیر نشان می دهد که در حال حاضر حدود 51 درصد از جمعیت جهان فاقد اینترنت پرسرعت هستند که حاکی از آن است که تا کنون با زیرساخت‌های موجود نظیر فیبر نوری و شبکه‌های سلولی امکان ایجاد دسترسی به اینترنت پرسرعت برای بسیاری از مردم کره زمین فراهم نشده است. دلایلی نظیر صعب‌العبور بودن و توجیه اقتصادی نداشتن مانع از دسترسی این افراد به اینترنت شده است.  به علاوه، شبکه های زمینی نمی‌توانند دسترسی به اینترنت برای مسافران هواپیماها و همچنین قطارهای سریع‌السیر، سرنشینان خودروهای پرسرعت در بزرگراه‌ها و مناطق دور افتاده را تضمین کنند. لذا شبکه‌های غیر زمینی (NTN)^[3]، از جمله ارتباطات ماهواره‌ای، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAVs)^[4] و پلتفرم‌های ارتفاع بالا (HAPs)^[5] بهترین راه‌حل‌ها هستند جهت تکمیل شبکه‌های زمینی برای اتصال مناطقی روی زمین که دسترسی ندارند و بدون خدمات ماندند [2]. در ادامه به بررسی روندی که در تکامل شبکه‌های 5G و 6G با استفاده از ارتباطات ماهواره‌ای اتخاذ شده است، پرداخته می‌شود.

سیستم‌های ارتباطی 5G، خدمات نوآورانه‌ای با کیفیت خدمات (QoS)  بهتر،کیفیت تجربه (QoE) قوی‌تر، ظرفیت بالاتر و تأخیر بسیار کمتر ارائه می کنند [1]. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که در حال حاضر حدود 51 درصد از جمعیت جهان فاقد اینترنت پرسرعت هستند که حاکی از آن است که تا کنون با زیرساخت‌های موجود نظیر فیبرنوری و شبکه های سلولی امکان ایجاد دسترسی به اینترنت پرسرعت برای بسیاری از مردم کره زمین فراهم نشده است. دلایلی نظیر صعب‌العبور بودن و توجیه اقتصادی نداشتن مانع از دسترسی این افراد به اینترنت شده است.  به علاوه، شبکه های زمینی نمی‌توانند دسترسی به اینترنت برای مسافران هواپیماها و همچنین قطارهای سریع‌السیر، سرنشینان خودروهای پرسرعت در بزرگراه‌ها و مناطق دور افتاده را تضمین کنند. لذا شبکه‌های غیر زمینی (NTN)، از جمله ارتباطات ماهواره‌ای، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAVs) و پلتفرم‌های ارتفاع بالا (HAPs) بهترین راه‌حل‌ها هستند جهت تکمیل شبکه‌های زمینی برای اتصال مناطقی روی زمین که دسترسی ندارند و بدون خدمات ماندند [2]. در ادامه به بررسی روندی که در تکامل شبکه‌های 5G و 6G با استفاده از ارتباطات ماهواره‌ای اتخاذ شده است، پرداخته می‌شود.

ماهواره‌های مدار ژئو، مئو و لئو

ماهواره‌های مدار زمین آهنگ (GEO) یا به اختصار ژئو در ارتفاع 36000 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند و با سرعتی معادل سرعت گردش کره زمین می چرخند و لذا از زمین آهنگ دیده می‌شوند (شکل 1). با سه ماهواره در مدار ژئو می‌توان کل کره زمین را پوشش داد (شکل 2). طی چند دهه گذشته، ماهواره‌های ژئو از پهنای باند اینترنت، خدمات بکهال و ایجاد ارتباط در مواقع بلایا پشتیبانی کرده‌اند. امروزه ماهواره‌های GEO در حال تکامل و تبدیل به ماهواره‌ با توان بالا (HTS^[6]) هستند که ظرفیت عملیاتی 300 Gbps را فراهم می‌کند (شکل 3).  همچنین، ماهواره‌های Ultra-HTS (UHTS) جدید که قابلیت رسیدن به ظرفیت عملیاتی 1Tbpsرونمایی شده‌اند.

ماهواره‌های زمین متوسط (MEO)^[7] یا به اختصار مئو، در ارتفاع بین 5000 تا 12000 کیلومتری از زمین قرار می‌گیرند و در یک شبانه روز 3 تا 4 بار دور زمین می‌چرخند (هر 6 تا 8 ساعت یکبار یک دور). بیشتر از این ماهواره ها برای کاربردهای ردیابی و مسیریابی استفاده می‌شود.

در گذشته، ماهواره‌های مدار زمین پایین (LEO) یا به اختصار لئو که در ارتفاع بین 300 تا 2000 کیلومتری از زمین قرار دارند و در یک شبانه‌روز 12 تا 16 بار دور زمین می چرخند (یعنی هر 90 تا 120 دقیقه یک دور)، مانند ماهواره‌های شرکت‌های Skybridge، Teledesic، Iridium، Globalstar  و Odyssey توسعه کمی یافته بودند که امروزه تنها برخی از آن‌ها باقی مانده‌اند.  اخیراً، علاقه مجدد فوق العاده‌ای برای استفاده از ماهواره‌های منظومه‌ای در مدار غیر زمین آهنگ (Non–GEO) و یا مدار پایین زمین (LEO) در دنیا به وجود آمده است. منظومه ماهواره‌های مثل  O3b^[8]، Starlink، Kuiper و OneWeb  از جمله اولین ماهواره‌های منظومه ای هستند که در سال های اخیر برنامه ریزی و  آزمایش و تا حدی اجرایی شده‌اند (شکل 4 و شکل 5). در جدول 1، ماهواره‌های Non-GEO که تعدادی از آن‌ها در مدار قرار داده شده و عملیاتی شده‌اند ذکر شده است. همچنین، ماهواره‌های منظومه‌ای مکعبی (کیوبست)^[9] به عنوان نسل دوم ماهواره های منظومه‌ای مطرح و آزمایش شده‌اند که از یک یا تعداد بیشتری مکعب با ابعاد 10 سانتی‌متر  و با وزن 1.3 کیلوگرم تشکیل شده‌اند (شکل 6). در حال حاضر، منظومه‌ی ماهواره‌ای Kepler که  با ظرفیت 40 Mbps در باند Ku و با هدف ارتباط جهت کاربردهای IoT و بکهال دیتا از قطب شمال تا قطب جنوب را پوشش می دهند از نوع کیوبست هستند [3].

تفاوت 6G با 5G

اگر به آینده بنگریم، 5G قادر نخواهد بود تمام چالش‌های پیشرو را حل کند. بنابراین، نیاز است فراتر از ^[10]5G و سامانه‌های 6G بررسی شوند که از قابلیت پیاده سازی فناوری‌های جدید برای باندهای فرکانس mmWave، اینترنت اشیاء فضایی، استفاده فراگیر از یادگیری ماشین/هوش مصنوعی (ML/AI)^[11]، اینترنت لمسی و طرح‌های پیشرفته امنیتی مبتنی بر ماهواره‌های کوانتومی پشتیبانی می‌کنند. در واقع 6G نیازهای جدید اجتماعی که به صورت کامل توسط 5G اغنا نمی شوند را پشتیبانی خواهد کرد. ویژگی هایی که برای  6G در نظر گرفته شده موارد زیر هستند: به صورت فراگیر-هوشمند، دارای قابلیت اطمینان بالا، دارای مقیاس پذیری بالا که پهنای باند جهانی را از طریق ماهواره‌های لئو ارائه می‌کند. شاخص‌های عملکرد کلیدی (KPI)^[12] در جدول 2 جهت مقایسه عملکرد 5G و 6G ذکر شده‌اند [1].

نگاهی مفهومی به 6G

شکل 7، مفهومی از معماری زیرساختی 6G است که ادغامی از شبکه‌های زمینی با ماهواره‌های ژئو و لئو را نشان می‌دهد [4]. در این شکل، پلتفرم‌هایی که در آسمان دیده می‌شوند ماهواره‌های فضایی هستند که لینک ارتباطاتی دیتا، مسیریابی و رصد زمین را ممکن می‌سازند. این ماهواره ها می توانند بسیار بزرگ یا بسیار کوچک در حد نانو یا پیکو ماهواره باشند. علاوه بر ماهواره‌ها، پلتفرم‌های دیگری نزدیک به زمین در پرواز هستند که ناوگان وسایل نقلیه بدون سرنشین یا UAV-ها و ناوگان سکوهای ارتفاع بالا یا HAP-ها هستند. زیرساخت‌ زمینی نیز می تواند شامل گیت‌وی‌های ثابت یا متحرک با ظرفیت بالا، رله‌های زمینی، آنتن‌ها و دکل‌های توزیع شده، پایانه های ارتباطی، دستگاه‌های موقعیت یابی، حسگرها، برچسب‌های RFID و غیره باشد. این مفهوم از ساختار شبکه 6G به صورت چند لایه سازمان دهی شده است. ارتباط بین ماهواره ها از طریق INLs^[13] نظیر لیزرهای نوری امکان پذیر شده است. وضعیت پروازی پلتفرم های هوایی و ماهواره های فضایی در این مفهوم باید به گونه‌ای باشد که همپوشانی نواحی روی زمین اتفاق بیفتد. ماهواره‌های ژئو به عنوان پوشش اضطراری کل کره زمین در نظر گرفته شده‌اند [4].

چالش‌های شبکه‌ ماهواره‌های منظومه‌ای در 6G

شبکه‌های سامانه‌های غیرزمینی، به ویژه منظومه های چند هزارتایی ماهواره‌های لئو، بیانگر شبکه‌های فوق متراکم هستند که نیاز به مدیریت پیچیده دارند. در ادامه به چالش‌های این شبکه‌ها می‌پردازیم.

چالش مدیریت حرکت ماهواره‌ها:  در واقع چالش مدیریت مکان ماهواره‌ها به خصوص سامانه‌های منظومه‌ای لئو است. ماهواره‌های لئو با سرعت بالا در مدار خود حرکت می کنند. سرعت حرکت ماهواره عمدتا بر سرعت تحرک نسبی کاربر غالب است. یک ماهواره لئو بسته به ارتفاع ماهواره (از 300 تا 2000 کیلومتر) می‌تواند به طور متوسط ​​بین 2 تا 20 دقیقه در دید باشد. حداقل زاویه ارتفاع مورد نیاز از 5 درجه تا 40 درجه است. بنابراین هنگامی که به زیر افق می رود، باید بین آن ماهواره و ماهواره کناری که در دید قرار خواهد گرفت از سوی کاربر handover صورت گیرد. از آنجایی که ماهواره های لئو ردپای^[14]بزرگی روی زمین دارند، کاربران زیادی در یک لحظه ممکن است handover انجام دهند. در ضمن برای جلوگیری از قطع شدن ارتباط این عملیات باید خیلی سریع صورت بگیرد. لذا این مسئله یعنی بهینه سازی handover کاربران در انتخاب ماهواره یکی از چالش های جدی ماهواره‌های منظومه ای لئو است.

مدیریت منابع رادیویی:  6G قرار است ترافیک داده‌ی زیادی مثلا ترافیک چندرسانه‌ای^[15] (eMBB)، ترافیک اینترنت اشیاء^[16] (mMTC) و ترافیک داده های با تاخیر کم قابل اطمینان(URLLC^)[17] در یک سیستم چند لایه شامل UAV/HAP/LEO را پشتیبانی کند. لذا تداخل بالا اجتناب ناپذیر است. بنابراین، تکنیک‌های کاهش و مدیریت تداخل برای استفاده بهینه از فرکانس محدود و منابع توان بسیار ضروری و یکی دیگر از چالش های این شبکه‌ها است.

مسیریابی:  که به دو روش قابل انجام است. روش اول، مسیریابی به نزدیکترین گیت‌وی برای استفاده از شبکه زمینی برای رسیدن به مقصد است. روش دوم، مسیریابی از طریق لینک‌های بین ماهواره‌ایISLs^[18]  در آسمان میسر است. لذا انتخاب بهترین مسیر نیز از چالش‌های شبکه‌های ماهواره‌های منظومه‌ای است.

نتیجه‌گیری

برای پیاده‌سازی فناوری‌های جدید نیاز است  ارتباطات نسل ششم 6G برای جایگزین شدن با ارتباطات نسل پنجم 5G بررسی شوند؛ چراکه 6G باندهای فرکانس mmWave، اینترنت اشیاء، استفاده فراگیر از یادگیری ماشین/هوش مصنوعی، اینترنت لمسی و طرح‌های پیشرفته امنیتی مبتنی بر ماهواره‌های کوانتومی پشتیبانی می‌کند. از طرفی برای محقق شدن استفاده از امکانات 6G روی کل کره زمین نیاز به اتصال و دسترسی به شبکه دیتا به صورت همه جایی داریم که تاکنون دسترسی همه جایی با فناوری‌های فیبرنوری، کابل مسی و شبکه‌های سلولی اتفاق نیفتاده است. لذا ناگزیر به استفاده از ماهواره ها هستیم. در این گزارش به بررسی ماهواره ها و به خصوص ماهواره های منظومه ای در مدار لئو که به عنوان گزینه ی مناسب برای 6G مطرح شده اند و چالش‌های آن پرداخته شده است.

شکل 1: ماهواره در مدار زمین آهنگ یا ژئوسنکرون (GEO) که با سرعت گردش زمین می چرخد و از زمین آهنگ دیده می‌شود.

شکل 2: پوشش کل کره زمین با استفاده از سه ماهواره در مدار ژئو امکان‌پذیر است.

شکل 3: ماهواره ژئو

شکل 4: نمایی از ماهواره‌های منظومه‌ای در مدار زمین پایین (LEO)

شکل 5: منظومه ماهواره‌ای در مدار پایین زمین (لئو)

شکل 6: ماهواره‌های مکعبی (CubeSat)

شکل 7: سناریوی مفهومی از نقش ماهواره‌ها در شبکه‌های 5G و 6G

جدول 1: نام و ویژگی‌های منظومه‌های ماهواره‌ای غیر زمین آهنگ (Non-GEO)

جدول 2: مقایسه شاخص‌های عملکرد کلیدی (KPIs) در 5G و 6G

منابع

[1] S. Kota, and G. Giambene, “6G integrated non-terrestrial networks: emerging technologies and challenges,” IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Canada, Jun. 2021.

[2] G. Giambene, E. O. Addo, and S. Kota, “5G component for IoT support in remote areas,” IEEE 2nd 5G World Forum (5GWF), Germany, Sept. 2019.

[3] S. Kota, “New Satellite Frontiers for Beyond 5G and 6G Wireless Networks,” Keynote Talk, EAI WiSAT 2020.

[4] A. Vanelli-Coralli, G. E. Corazza, M. Luglio, and S. Cioni, “ The ISICOM architecture,” International Workshop on Satellite and Space Communications, Italy, 2009.

پی‌نوشت

[1] Quality of Service

[2] Quality of Experience

[3] Non-Terrestrial Networks

[4] Unmanned Aerial Vehicles

[5] High Altitude Platforms

[6] High Throughput Satellite

[7] Medium Earth Orbit

[8] Other three Billion

[9] Cubesat

[10] Beyond 5G (B5G)

[11] Machine Learning/ Artificial Intelligence

[12] Key Performance Indicators

[13] Inter Node Links

[14] footprint

[15] enhanced Mobile BroadBand

[16] massive Machine-Type Communications

[17] ultra-Reliable and Low Latency Communications

[18]  Inter-Satellite Links