Как смоделировать радиолинию 5G NTN и канал передачи

PathWave System Design позволяет использовать цифровые двойники для оптимизации вашей сети 5G и последующих поколений.

Поставщики сотовой связи, такие как Verizon, Sprint и AT&T, начали развёртывание наземных сетей 5G в 2019 году; однако в 2023 году общенациональное покрытие составит менее 54 %, что оставляет пространство для дальнейшего роста. Добавление нетерриториальных сетей 5G (NTN) создаёт основу для глобального расширения покрытия 5G. Это особенно хорошо подходит для расширенной мобильной широкополосной связи.

NTN превратилось в широкий термин, охватывающий различные сети с использованием нетерриториальных летательных объектов. В эту категорию входят спутниковые сети связи, платформы большой высоты и сети «воздух — земля». Спутниковые сети связи опираются на космические платформы, такие как спутники на низкой околоземной орбите (LEO), средней околоземной орбите (MEO) и геосинхронной околоземной орбите (GEO). В последнее время во всём мире вновь вырос интерес к возможностям широкополосной связи, обеспечиваемым LEO-NTN, особенно на фоне появления крупных спутниковых группировок.

Спутниковая отрасль участвовала в процессе 3rd Generation Partnership Project (3GPP) по интеграции спутниковых сетей в экосистему 5G, результатом чего стал стандарт 5G Release 17. С приходом Release 17 и его революционных сценариев NTN впереди открываются большие возможности. Release 17 определяет аспекты физического уровня, протоколы, архитектуру, управление радиоресурсами, ВЧ-требования и частотные диапазоны. Сценарии развёртывания NTN используют спутники и высотные платформы — аэростаты, дирижабли или беспилотные летательные аппараты в стратосфере. В ближайшей перспективе основное внимание уделяется спутниковому сценарию NTN на базе архитектуры с прозрачной полезной нагрузкой, как показано на рисунке 1.

Для обеспечения оптимальных характеристик передачи крайне важно отработать конструкции шлюзов, бортовых платформ и пользовательского оборудования (портативных терминалов и терминалов с очень малой апертурой) с помощью системного моделирования, особенно для систем с фазированными антенными решётками и широкополосных усилителей мощности с цифровым предыскажением (DPD). Эти требования неизбежно перейдут и в сценарии применения 6G, где необходимость моделирования уже на этапе проектирования — например, в рамках подхода shift left — становится ещё более критичной из-за сложностей, связанных с частотами распространения, сверхширокими полосами и новыми технологиями. Несомненно, NTN станет одним из ведущих сценариев применения 6G.

Виртуальный анализ стал необходимым условием для того, чтобы сохранять опережение в этой быстро развивающейся области. Инженерам-разработчикам необходимо ускорять создание высокоточных и сверхнадёжных систем с фазированными антенными решётками, обеспечивая непревзойдённые характеристики и надёжность. Не следует забывать и о сохраняющемся спросе на широкополосные усилители мощности с DPD, где компенсация эффектов памяти представляет собой сложную задачу. В стремлении создавать передовые решения разработчикам необходимо активно использовать моделирование, исследуя сценарии на уровне сетей 5G и раскрывая полный потенциал этой преобразующей технологии.

Недавний отчёт Keysight для спутниковой отрасли Defying Gravity определяет моделирование и имитацию на системном уровне как четвёртую по важности техническую проблему. Сокращение сроков разработки является одной из ключевых тенденций в спутниковой отрасли. См. рисунок 2.

Моделирование на системном уровне — один из наиболее эффективных способов сократить циклы разработки. Оно позволяет инженерам проводить больше времени в среде моделирования и выявлять проблемы конструкции ещё до начала создания аппаратного прототипа.

Ближайшие реализации 5G NTN используют эталонную архитектуру, в которой воздушный объект (например, спутник) служит прозрачным ретранслятором bent pipe между пользовательским оборудованием (UE) и узлом gNB. Такие системы bent pipe обычно принимают сигналы на F1 и передают их на F2, обеспечивая связь на большой географической территории. Спутник использует прозрачную полезную нагрузку с частотным дуплексом, что позволяет одновременно передавать сигналы по восходящей и нисходящей линиям. UE использует глобальные навигационные спутниковые системы, а затем подключается к сети передачи данных через шлюз к общедоступной сети передачи данных. См. рисунок 3.

Радиолиния и воздушная мобильность. На уровне миссии необходимо определить оптимальные конфигурации, обеспечивающие наилучшие характеристики системы в различных условиях, включая географические и атмосферные особенности, спутниковую группировку, конфигурацию NTN и сценарии использования UE. Эти условия также включают моделирование системы и сценариев с применением цифровых двойников. Цифровые двойники 5G NTN должны включать точные ВЧ-модели фазированных антенных решёток и усилителей мощности с цифровым предыскажением (DPD).

Радиолиния. Многолучевое замирание является более существенной проблемой из-за большого расстояния до спутника, поскольку различные тракты распространения становятся почти параллельными. Потери в тракте, обычно связанные с потерями в свободном пространстве, дополняются составляющими потерь в застройке и теневого замирания, чтобы учесть ослабление сигнала окружающими зданиями и объектами.

Задержка спутниковых сигналов зависит от высоты орбиты: для GEO она составляет 600–800 мс, для MEO — меньше, 125–325 мс, а для LEO — минимальна и составляет всего 30–50 мс. Для сценариев 5G подход с использованием спутников LEO обеспечивает наименьшую задержку и требует тщательного выбора размещения шлюза.

Спутники LEO могут двигаться с высокой скоростью — 4,8 мили/с (7,8 км/с), что создаёт доплеровский сдвиг частоты сигналов, передаваемых между спутником и шлюзом в обоих направлениях. Инженеры должны рассчитывать и учитывать это явление для обеспечения надёжной передачи данных.

Разработка энергоэффективных усилителей мощности для сигналов с более сложной модуляцией, повышенной пропускной способностью, более широкой полосой, строгими нормативными требованиями, а также для более экологичных и экономичных решений становится всё более сложной задачей. Эффективные усилители мощности, как правило, нелинейны, а в сочетании с сигналами с непостоянной огибающей требуют применения методов линеаризации.

Моделирование эффектов load-pull, создаваемых фазированной антенной решёткой на усилителях мощности, становится ещё более сложным при сканировании антенны в нескольких направлениях. Сложность моделирования load-pull возрастает по мере того, как фазированной решётке приходится работать интенсивнее и отслеживать все спутники; эти задачи также усложняются с ростом числа каналов, которое будет продолжать увеличиваться по мере перехода к 6G.

Keysight PathWave System Design представляет собой передовую платформу прототипирования и проектирования сложных РЧ-систем, обеспечивающую высокую скорость моделирования и точность, близкую к схемотехническому моделированию. Разработчик системы может использовать пакет PathWave System Design для моделирования на уровне радиолинии и проверки соответствия РЧ-проекта 5G NTN требованиям 3GPP TR 38.811 к физическому уровню радиолинии. На рисунке 4 показан рабочий процесс среды моделирования.

В данном сценарии применения PathWave System Design предлагает первый в отрасли тестовый стенд NTN. Этот тестовый стенд использует пакет Keysight W4812B PathWave System Design 5G and cellular bundle, который включает следующие компоненты:

PathWave System Design предлагает гибкую конфигурацию источника New Radio (NR), адаптированную к различным вариантам развёртывания NTN и обеспечивающую полную совместимость. Система включает универсальный приёмник NR, который интеллектуально компенсирует задержку и эффект Доплера, обеспечивая точные и надёжные результаты. Благодаря комплексному набору измерений для передатчика (Tx) и приёмника (Rx), антенн, включая фазированные антенные решётки, а также полезной нагрузки воздушной платформы, System Design обеспечивает всестороннее представление об экосистеме NTN.

Keysight W4540E PathWave DPD Explorer позволяет за считанные минуты определить, насколько хорошо конструкция усилителя мощности поддаётся линеаризации при воздействии сложных модулированных сигналов. Улучшайте характеристики целевых приложений благодаря точной характеризации нелинейного поведения усилителя на этапе проектирования. Оцените эффективность собственного алгоритма DPD, сравнив его результаты с алгоритмами DPD Designer. Ускорьте оценку характеристик усилителя мощности (ACPR, EVM) с высокой точностью и используйте точные модели усилителя мощности, учитывающие эффекты памяти. См. рисунок 5.

Комплект Keysight W4503E PathWave Phased-Array Simulation Beamforming / Phased Array Kit обеспечивает бесшовную интеграцию и позволяет включать в моделирование электромагнитный проект для учёта диаграммы направленности антенны и взаимной связи между элементами. В комплект входят функции активного импеданса и load-pull-моделирования для комплексной оптимизации системы. Можно моделировать влияние load-pull в усилителях мощности фазированной антенной решётки при сканировании антенны в разных направлениях. При большом числе каналов нагрузка load-pull на усилитель мощности существенно возрастает, причём как число каналов, так и полоса пропускания увеличиваются и будут продолжать расти по мере перехода к 6G. PathWave System Design позволяет моделировать load-pull-взаимодействия усилителя мощности при сканировании решётки в различных направлениях. Точность моделирования сохраняется даже при масштабировании до большего числа каналов. См. рисунок 6.

Комплект Keysight W4516E PathWave 5G NR NTN Channel Model Kit предоставляет 5G-модель канала для NTN, определённую в Release 17. Он включает все характеристики распространения, необходимые для моделирования различных спутниковых линий связи в PathWave System Design. Большая задержка распространения, значительный доплеровский сдвиг частоты и визуализация траектории спутника легко настраиваются. Модель канала NTN включает как спутниковые, так и наземные линии связи и предлагает несколько типов моделирования: сценарный режим, кластерную модель задержек (cluster delay line), многолучевую модель с отводами (tapped delay line) и режим моделирования только спутниковой линии связи.

Модель канала W4516E воспроизводит все основные характеристики распространения, позволяя точно моделировать различные спутниковые линии связи. Разработанная в соответствии с 3GPP TR 38.811, модель W4516E ориентирована на сервисные линии (service links) и обеспечивает высокую гибкость. Она поддерживает различные платформы, включая GEO, MEO, LEO и воздушные системы. Гибкость распространяется и на конфигурации диаграмм направленности антенн, что позволяет точно настраивать моделирование. Кроме того, модель бесшовно интегрируется с комплексной библиотекой 5G, позволяя выполнять подробное моделирование на уровне радиолинии. На рисунке 7 показаны компоненты модели канала и параметры моделирования, соответствующие TR 38.811.

Поддержка моделирования крупномасштабных параметров и быстрых замираний позволяет исследовать различные сценарии. Модель канала W4516E оснащена интуитивно понятным графическим пользовательским интерфейсом, который наглядно отображает траекторию спутника, включая режим воспроизведения, добавляющий реалистичность вашим моделям. См. рисунок 8.

Модель канала W4516E также включает возможность настройки траектории платформы с помощью трёх гибких вариантов. См. рисунок 9.

Задайте траекторию платформы и местоположение пользовательского терминала с помощью координат. В зависимости от требований траекторию платформы можно определить с использованием классических или сферических координат. Для задания траектории можно использовать файл ASO из Keysight PROPSIM, что обеспечивает простую совместимость. Также можно задавать траекторию платформы с помощью файла Ansys Systems Tool Kit (STK) или файла эфемерид (*.e), что обеспечивает бесшовную интеграцию в существующие рабочие процессы и упрощает этот процесс.

Измеряйте пропускную способность приёмника в условиях канала NTN. Близость между UE и базовой станцией имеет решающее значение для качества приёма сигнала. В NTN эталонная чувствительность приобретает ещё большее значение. Этот показатель определяет способность устройства эффективно принимать и интерпретировать сигналы, обеспечивая надёжное соединение даже в сложных условиях. См. рабочую область PathWave System Design на рисунке 10.

Спрос на связь 5G со стороны потребительского, промышленного сегментов и Интернета вещей продолжает расти, а необходимость покрытия обширных географических территорий стимулирует внедрение технологий 5G NTN по всему миру. 3GPP завершила работы по стандартизации беспроводной технологии 5G в Release 15 в 2018 году, а 5G NTN была добавлена в Release 17. Системные инженеры могут использовать моделирование в PathWave System Design для проектирования, анализа и оптимизации сети 5G NTN в виде цифрового двойника с применением моделей каналов и испытательных моделей.

Оборудование и программные решения, которые относятся к задачам 5G NTN, моделирования и эмуляции спутниковых радиоканалов, тестирования UE и анализа радиосигналов: