بررسی شبکه‌های ترکیبی زمینی-ماهواره‌ای

استفاده از فناوری چند ورودی-چند خروجی عظیم (massive MIMO^[1]) در انتشار امواج و تکنیک شکل‌دهی پرتو^[2]در نسل پنجم ارتباطات (5G)، همچنین ارسال سیگنال در فرکانس امواج میلیمتری (mmWave^[3]) و بهره‌گیری از سکوهای هوایی که امکان ارسال و دریافت سیگنال به زمین دارند نظیر^[4]UAVها وHAP^[5]ها، موجب شده است تا بک‌هال بی‌سیم^[6]بخش جدایی‌ناپذیر از شبکه‌های 5G محسوب شود.

کلیدواژه‌ها: ارتباطات ماهواره‌ای، شبکه‌های ترکیبی زمینی-ماهواره‌ای 5G ،SDN ،NFV، بک‌هال بی‌سیم.

لذا، با این تکنیک‌های ارتباطی جدید و همچنین متراکم‌تر شدن شبکه‌ها استفاده از فیبرنوری برای ایجاد بک‌هال، دیگر مقرون‌به‌صرفه نیست. استفاده از ارتباطات ماهواره‌ای، به عنوان یکی از گزینه‌های مناسب برای ایجاد بک‌هال بی‌سیم در 5G مطرح شده است. از طرفی، پیشران‌های اصلی 5G یعنی فناوری‌های SDN^[7] و NFV^[8]، این امکان را برای 5G فراهم می‌کنند تا به راحتی انواع شبکه‌ها با ساختارهای متفاوت بتوانند در کنار هم به صورت ترکیبی (هیبریدی) فعالیت کنند. شبکه‌های ماهواره‌ای نیز از این قاعده مستثنا نیستند و با استفاده از ویژگی‌های SDN/NFV می توان شبکه‌های داده‌ی ماهواره‌ای را به شبکه‌های زمینی موجود متصل کرد و حتی از ارتباطات ماهواره‌ای می توان به عنوان بک‌هال ارتباطات زمینی استفاده نمود. بنابراین، در 5G شاهد شبکه‌های ترکیبی زمینی-ماهواره‌ای خواهیم بود.

مقدمه

 ترکیب شبکه‌های زمینی و شبکه‌های ماهواره‌ای برای ایجاد یک شبکه یکپارچه مخابراتی و توسعه خدمات ارتباطی از گذشته‌های دور مورد بحث و بررسی بوده است ولی به علت گران بودن فناوری‌های فضایی، شبکه‌های ماهواره‌ای به اندازه‌ی شبکه‌های زمینی مورد استقبال قرار نگرفته بود. اما، با توجه به پیشرفت‌هایی حائز اهمیتی که در مورد صنعت فناوری ماهواره‌ها در دهه اخیر اتفاق افتاد، ارتباطات ماهواره‌ای مسیر و نقش خود را برای تکامل شبکه‌های 5G پیدا کرده است. از آنجا که ساختار شبکه‌های 5G به گونه‌ای است که از ترکیب فناوری‌های ارتباطی مختلف پشتیبانی می‌کند و اجازه ایجاد شبکه‌های ترکیبی (یا شبکه‌های ناهمگن^[9]) را می‌دهد، پس شبکه‌های ارتباطی ماهواره‌ای نیز کاندیدی مناسب برای تکامل نسل پنجم مخابرات و فراتر از آن خواهد بود. از طرف دیگر، یکی از ویژگی های ارتباطات ماهواره ای در دسترس بودن آن است حتی در مناطق دوردست که امکان هیچ گونه ارائه خدمات تاکنون به آن مناطق نبوده است و یا زمان هایی که بلایای طبیعی شبکه های ارتباطی زمینی را دچار قطعی و بحران می کنند.

شکل 1: نمایش انواع بک‌هال‌های زمینی، ماهواره‌ای و هوایی [2]

به علاوه امروزه سکوهای هوایی متحرک نظیر UAVها و HAPها که مانند دکل‌های زمینی به کاربران ارائه خدمات می کنند، به‌گونه‌ای بک‌هال هوایی برای شبکه های زمینی و کاربران ایجاد کرده اند. بنابراین با ماهواره‌ها نیز می‌توان این بک‌هال را ایجاد نمود.

 پیشرفت‌هایی که در صنعت ماهواره اتفاق افتاده، مانند ساخت ماهواره‌های پر توان (HTS^[10] ) با قابلیت استفاده مجدد از بیم‌ها و فرکانس‌ها و همچنین ساخت ماهواره‌های منظومه‌ای کوچک و ارزان قیمت‌تر و استفاده از فرکانس‌های امواج میلی‌متری، نقش ارتباطات ماهواره‌ای را در سال‌های اخیر پُررنگ‌تر کرده است. از طرفی با معرفی SDN و NFV انعطاف‌پذیری بیشتری برای استفاده از اپراتورهای شبکه‌های ماهواره‌ای محقق شده است، به طوری‌که با شبکه‌های زمینی سازگار باشند.

در این گزارش ابتدا به بررسی نقش بک‌هال ارتباطات ماهواره‌ای در 5G می‌پردازیم و سپس به شکل‌گیری شبکه‌های زمینی-ماهواره‌ای با استفاده از فناوری‌های SDN و NFV  می‌پردازیم.

خدمات بک‌هال ماهواره‌ای برای 4G/5G

ایجاد ارتباط با استفاده از ماهواره‌، مفهوم جدیدی نیست و سالیان طولانی از ماهواره‌ها برای پخش ویدیو و صدا در مناطق وسیع استفاده می‌شده است. در ارتباطات سلولی نیز ماهواره به عنوان عاملی برای ارائه خدمات به مناطق روستایی و دورافتاده بوده است. علاوه بر این، می‌توان از ماهواره‌ها برای بک‌هال شبکه‌های 4G و 5G استفاده کرد. از مزایای بک‌هال ماهواره‌ای، علاوه بر ایجاد دسترسی به شبکه موبایل برای نقاط دوردست، در زمان‌هایی که در شبکه ترافیک وجود دارد، می‌توان ترافیک را از روی لینک‌های بک‌هال‌ زمینی (فیبر نوری، سیم مسی و مایکروویو) به بک‌هال ماهواره‌ای سرریز کرد و از ازدحام در لینک‌های زمینی پیش‌گیری نمود. بنابراین،  ترافیک در  گره‌های شبکه دسترسی رادیویی (RAN^[11]) به صورت بهینه انتقال پیدا می‌کند. وقتی‌که ترافیک لینک‌های بک‌هال زمینی از یک میزان آستانه‌ای بیشتر شود، این ترافیک می‌تواند به بک‌هال ماهواره‌ای منتقل شود. بک‌هال ماهواره‌ای می‌تواند اتصال پشتیبان برای سلول‌های بحرانی باشد. اگر مکان برخی سلول‌ها زلزله خیز و بلاخیر باشد، بک‌هال ماهواره‌ای گزینه مناسب برای عدم قطع ارتباط این سلول است. به‌علاوه، سلول‌های کوچکی که در هواپیماها، قطارها، کشتی‌ها و سایر وسایل نقلیه ایجاد می‌شود، به علت متحرک بودن این سلول‌های کوچک بهترین گزینه ایجاد بک‌هال ماهواره‌ای برای این سلول‌ها است.

در شکل 1، انواع بک‌هال‌های زمینی، هوایی و ماهواره‌ای برای کاربردهای مختلف نشان داده شده است. در این شکل، فلش‌های قرمزرنگ ارتباطات سیمی ( با فیبرنوری یا سیم مسی)  را نشان می‌دهد و فلش‌های آبی رنگ ارتباطات بی‌سیم را نمایش می‌دهد.

دکل‌های سلول‌‌های اصلی یا سلول‌های ماکرو (MBS^[12]) با بک‌هال فیبرنوری به هسته شبکه متصل شده‌اند. اما  در شکل 1، مثال بالا سمت چپ، سکوهای متحرک هوایی (UAVs) با کاربران، هسته شبکه و MBS-ها توسط بک‌هال بی‌سیم ارتباط برقرار می‌کنند. در صورت استفاده از بک‌هال ماهواره‌ای مانند مثال بالا سمت راست در شکل 1، ماهواره و تجهیزات زمینی آن موجب ایجاد ارتباط دکل‌های سلول‌های کوچک (SBS^[13]) با هسته شبکه می‌شود. در مثال پایین سمت راست، در شکل 1، بک‌هال زمینی و ماهواره‌ای برای سرورهای پردازش لبه نشان داده شده است و در مثال پایین سمت راست، نحوه اتصال کاربران در مناطق دوردست به هسته شبکه را نشان می‌دهد.

چالشی که در زمان استفاده از بک‌هال ماهواره‌ای با آن رو‌به‌رو هستیم، نحوه مدیریت و کنترل ظرفیت آن است. در ادامه به نحوه مدیریت و کنترل بک‌هال ماهواره‌ای با استفاده از اپراتورها می‌پردازیم.

در شکل 2، به صورت ساده نحوه مدیریت بک‌هال ماهواره‌ای برای سرویس‌دهی به RANهایی که روی زمین داریم، نمایش داده شده است. فرض می‌شود، مالکیت ماهواره‌ها با اپراتور شبکه‌ی ماهواره‌ای (SNO^[14]) است و مالکیت شبکه‌ی زمینی نیز با اپراتور شبکه تلفن همراه زمینی (MNO^[15])  است. کنترل خدمات شبکه‌‌ی ماهواره‌ای برای بک‌هال شبکه تلفن همراه زمینی از طریق استقرار رابط‌های مدیریت و کنترل بین MNO و SNO صورت می‌گیرد. توجه شود که در این‌جا SNO  توانایی اجرای NFV/ SDN را دارد. لذا نیاز است MNO با SNO قرارداد منعقد کند و SNO با ماهواره‌هایی که در اختیار دارد بک‌هال MNO را ایجاد می‌کند. در شکل 2، در بخش اختیارات MNO، موارد زیر قابل مشاهده هستند: نقطه حضور زیرساخت مجازی سازی شبکه NFVI PoP^[16]، نودهای RAN  که به پایانه‌های ارسال و دریافت سیگنال به ماهواره (ST^[17]) مجهز هستند، هسته شبکه، پلتفرم‌های ارائه خدمات و سیستم‌های کنترل و مدیریت MNO: نظیر کنترلرهای SDN، هماهنگ‌ساز NFV، سیستم پشتیبانی عملیات/ کسب‌وکار (B/OSS^[18])، سیستم مدیریت شبکه (NMS^[19]).

در بخش اختیارات SNO موارد زیر وجود دارند: نقطه NFVI PoP، هاب‌های ماهواره (گیت‌وی‌های ماهواره)، SDN برای شبکه ماهواره، خود ماهواره‌ها و سیستم‌های کنترل و مدیریت SNO، نظیر مرکز کنترل شبکه (NCC^[20])، مرکز مدیریت شبکه (NMC^[21])، هماهنگ‌ساز NFV و کنترلرهای SDN.

همان‌طور که از شکل 2 پیداست، در صورتی‌که بخش‌ مدیریت و کنترل در SNO  به MNO اجازه دهد تا از ظرفیت بک‌هال ماهواره‌ای بهره‌برداری نماید و این ظرفیت را با توجه به ظرفیت نودهای RAN مستقیما مدیریت کند، آن‌گاه بک‌هال ماهواره‌ای برای شبکه‌های زمینی ایجاد خواهد شد. توجه شود که قراردادهای کسب‌وکاری بین SNO و MNO نیز باید منعقد گردد.

همان‌طور که بالاتر نیز به آن اشاره شد، یکی دیگر از مواردی که از بک‌هال ماهواره‌ای استفاده می‌شود، توسعه خدمات پردازش لبه است. در دنیای امروز که بسیاری از امور در حال مجازی‌سازی شدن است، مفهوم بک‌هال صرفا برای ایجاد ارتباط استفاده نمی‌شود، بلکه در فناوری 5G، یکی از عوامل اصلی انتقال هوشمندانه داده به لبه‌ی شبکه‌ها است. ساختار لبه‌ای جدید قابلیت پردازش پویا نزدیک به کاربران را فراهم می‌کند. همان‌طور که در شکل 3 نمایش داده شده است، می‌توان قابلیت‌های مجازی‌سازی در پردازش لبه موبایل (MEC^[22]) را سمت شبکه‌ی ماهواره قرار دارد. از آن‌جایی که پایانه‌های ارسال و دریافت سیگنال ماهواره یعنی STها با RAN-های شبکه همتا شده‌اند (در یک مکان قرار می‌گیرند و مکمل یکدیگر هستند) لذا شبکه‌ی ماهواره‌ای قادر به میزبانی برنامه‌های MEC و سایر VNF^[23]هایی که روی گره‌های RAN اجرا می‌شوند، خواهد بود. یکی از خدماتی که از این طریق می‌توان ارائه داد، خدمات اینترنت اشیاء است به‌گونه‌ای که داده‌های جمع‌آوری شده از حسگرها می‌توانند سمت STها پردازش شوند و داده‌های خاص‌تر و برخی رویدادها با شبکه‌ی ماهواره‌ای به سرور منتقل گردد.

شکل 2: نحوه مدیریت و کنترل بک‌هال ماهواره‌ای و سرویس‌دهی به شبکه‌های زمینی

شکل 3: بک‌هال ماهواره‌ای با خدمات پردازش لبه و در عین حال همکاری اپراتور ماهواره‌ای با چندین اپراتور زمینی

یکی دیگر از قابلیت‌های کلیدی که باید در نظر گرفته شود، این است که یک SNO می‌تواند چندین MNO را پشتیبانی کند و به صورت چند-اجاره‌ای در بحث‌های کسب‌وکاری عمل کند.

ارائه خدمات دسترسی توسط شبکه‌های ترکیبی زمینی-ماهواره‌ای

منظور از شبکه‌های دسترسی ترکیبی (هیبریدی) زمینی-ماهواره‌ای، شبکه‌هایی است که هم از اجزای شبکه‌های زمینی و هم از اجزای شبکه‌های ماهواره‌ای به صورت موازی تشکیل شده باشند و پیوندها (لینک‌ها)ی دسترسی ثابت/متحرک زمینی و همچنین لینک‌های ماهواره‌ای برای رسیدن به کیفیت سرویس بالاتر و تنوع ارائه خدمات بیشتر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این ترکیب در راستای چشم انداز 5G است که انواع شبکه‌های ناهمگن را در بر می‌گیرد.

یکی از رویکردهایی که در ترکیب شبکه‌های زمینی و ماهواره‌ای باید مدنظر قرار داده شود، مبحث مرکز تجمیع یا انجمن^[24] این شبکه‌ها است. مرکز تجمیع شبکه یا انجمن (فدراسیون) شبکه‌ به نحوه ادغام منابع شبکه که متعلق به دو یا چند دامنه و فناوری مختلف هستند،  اشاره دارد. به طوری‌که پس از ادغام، منابع شبکه بین همه دامنه‌ها توزیع شود و امکان کنترل منابع فراهم باشد. این انجمن می‌تواند روی کنترلرهای SDN انجام شود و یا می‌تواند روی هماهنگ‌سازهای NFV تشکیل شود. در شکل 4، مرکز تجمیع برای مدیریت منابع بین شبکه‌های زمینی و ماهواره‌ای منعطف بر SDNها است. هدف از ایجاد لایه تجمیع روی SDNها، توسعه‌ی شبکه‌ی دسترسی پهن‌باند ماهواره‌ای برای رسیدن به رابط جهانی یک‌پارچه قابل مدیریت توسط شبکه‌های زمینی با استفاده از SDN است. هدایت پویای ترافیک با استفاده از تکنیک‌های SDN بین شبکه‌های ماهواره‌ای و زمینی منجر به عملکرد بهتر برنامه‌ها و در نتیجه بهینه شدن کسب و کار این حوزه می‌شود. کنترلرهای SDN می‌توانند جریان داده در شبکه را به‌گونه‌ای مدیریت کنند که هم مقرون به صرفه باشد و هم خللی در آن ایجاد نشود و این ارتباط تضمین شده باشد. بنابراین، اگر شبکه دسترسی شامل زمینی و ماهواره‌ای در مواقع مورد نیاز برای انتقال داده به درستی انتخاب شود شاهد ارائه کیفیت سرویس بالاتر خواهیم بود.

در شکل 5، لایه تجمیع منعطف بر NFV برای توزیع بهینه‌ی محتوا روی دامنه‌ی شبکه‌های زمینی و همچنین ماهواره‌ای تشکیل شده است. هدف از این تجمیع این است که SNO بتواند به مشتریان، خدمات مجازی (نظیر ذخیره‌سازی و پردازش رسانه، فایروال^[25]، فیلترهای کنترل ترافیک مجازی، متعادل کننده بار شبکه و …) ارائه دهد. مثلا عملکردی مثل ایجاد فایروال برای داده‌های انتقالی می‌تواند روی هاب ماهواره (Satellite Gateway) انجام شود و داده‌های غیر ضرور همان‌جا بلوکه شوند و از ایجاد بار اضافی در شبکه‌ی ماهواره‌ جلوگیری شود.

شکل 4: نمایش ترکیب شبکه‌های زمینی و ماهواره‌ای بر اساس ایجاد لایه انجمن (تجمیع) منعطف بر روی SDNها

شکل 5: توزیع رسانه در یک شبکه ی ترکیبی زمینی-ماهواره‌ای براساس ایجاد لایه انجمن (تجمیع) منعطف بر NFV

حال اگر لایه‌ی تجمیع شبکه‌های ماهواره‌ای و زمینی روی ترکیب هر دو تکنیک SDN و NFV صورت گیرد، بسیار ارزشمندتر خواهد بود. این انجمن بیشتر روی حل مشکلات ناشی از ادغام شبکه‌های ماهواره‌ای با شبکه‌های زمینی به صورت منعطف و پویا به عنوان یکی از رسالت‌های 5G برای حفظ کیفیت خدمات ارائه شده، تمرکز می‌کند. استفاده از SDN برای رصد،کنترل و نظارت بر شبکه مناسب است. بنابراین، هر شبکه می‌تواند به چندین زیر شبکه تقسیم بندی شود و هر زیر شبکه را برای داشتن کیفیت خدمات بالاتر می‌توان به چندین ارائه دهنده خدمات رسانه (MSP^[26]) متصل کرد. به علاوه، زیرشبکه‌ها برنامه‌پذیرتر هستند و MSP این اجازه را دارد که یک برنامه دلخواه برای  SDN تعریف کند تا  جریان رسانه^[27] از چندین مسیر به کاربر رسانده شود. نقش NFV در این‌جا این است که NFV اجازه می‌دهد در سمت MSP یا سمت کاربر، رسانه به صورت پویا  کدگذاری شود تا با ازدحام مقابله شود و تامین رسانه درخواستی تسهیل شود و کیفیت مناسب ارائه خدمات حفظ شود.

نتیجه‌گیری

در این گزارش، نقشی که ارتباطات ماهواره‌ای در زیست‌بوم 5G ایفا می‌کند، بررسی شده است. در کل تطبیق فناوری‌های SDN و NFV در دامنه‌ی شبکه‌ها‌ی داده‌ی ماهواره‌ای، به عنوان یک کلید برای تسهیل ارتباط شبکه‌های زمینی و شبکه‌های ماهواره‌ای است. از آن‌جا که معماری شبکه‌های 5G به‌گونه‌ای است که قابلیت پشتیبانی از شبکه‌های ناهمگن را دارد، لذا از طریق این دو فناوری SDN و NFV در 5G، می‌توان شبکه‌های زمینی و ماهواره‌ای را نیز یکپارچه کرد. 

منابع

[1] B. Tezergil, and E. Onur, “Wireless backhaul in 5G and beyond: Issues, challenges and opportunities,” IEEE Communications Survey & Tutorials, Early Access, 2022.

[2] R. Ferrus, and et al., “SDN/NFV-enabled satellite communications networks: Opportunities, scenarios and challenges,” Physical Communication, ELSEVIER, vol. 18, pp. 95-112, 2016.

[3] Y. Turk, and E. Zeydan, “Satellite backhauling for next generation cellular networks: challenges and opportunities,” IEEE Communications Magazine, vol. 57, no. 12,  pp. 52-57, Dec. 2019.

[4] Q. Wang, H. Zhang, J.Wang, F. Yang, G. Li, “Joint Beamforming for Integrated Mmwave Satellite-Terrestrial Self-Backhauled Networks”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 70, no. 9, pp. 9103-9117, 2021.

[5] Z. Han, C. Xu, K. Liu, L. Yu, G. Zhao, S. Yu, “A Novel Mobile Core Network Architecture for Satellite-Terrestrial Integrated Network”, 2021 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), pp. 01-06, 2021.

---

پی‌نوشت

[1] Multiple-Input Multiple Output

[2] Beamforming

[3] millimeter Wave

[4] Unmanned Aerial Vehicles

[5] High Altitude Platforms

[6] Wireless Backhaul

[7] Software Defined Networking

[8] Network Function Virtualization 

[9] Heterogeneous Networks

[10] High Throughout Satellite

[11] Radio Access Network

[12] Macrocell Base Station

[13] Small Base Station

[14] Satellite Network Operator

[15] Mobile Network Operator

[16] Network Function Virtualization Infrastructure Point of Presence 

[17] Satellite Terminal

[18] Business/ Operations Support System

[19] Network Management System

[20] Network Control Center

[21] Network Management Center

[22] Mobile Edge Computing

[23] Virtual Network Function

[24] Federation

[25] Firewall

[26] Media Service Provider

[27] Media streaming