Багаторівнева модель наземних і неназемних телекомунікацій із застосуванням технологій оптичного безпроводового зв’язку

DOI: 10.31673/2412-9070.2021.030311

Анотація

Неназемні технології зв’язку стають ключовим компонентом для розвитку майбутніх мереж 6-го покоління (6G). Потенційні можливості, перспективи реалізації, проблеми та їх вирішення для неназемних телекомунікацій залишаються відкритими напрямками для майбутніх досліджень. У статті розглядається використання міліметрового та оптичного діапазонів хвиль у різних конфігураціях багаторівневого космічного зв'язку із застосуванням низькоорбітальних супутників, стратосферних платформ і безпілотних ретрасляторів. Безпроводовий зв’язок у міліметровому та оптичному діапазонах має великий потенціал для використання в космічних системах зв’язку. Такі технології мають переваги застосування в азимутальних каналах прямої видимості перед наземними. Так, наприклад, повне зенітне загасання може бути набагато меншим за погонне в нижніх шарах атмосфери, а також має переваги за віртуальністю реконфігурації, площею покриття і енергетичною (спектральною) ефективністю. Раптове падіння якості зв’язку через атмосферні явища, включно із сильною атмосферною турбулентністю, призводить до потреби в адаптивному динамічному керуванні променем, яке також спричинює зниження використання ресурсів як частотних, так і енергетичних. Безпроводові і волоконні оптичні системи зв’язку мають схожість за робочим діапазоном хвиль, методами оброблення. Методи радіофотоніки можуть бути застосовні і для безпроводових систем зв’язку, де є можливість використання технології конвертації радіохвиль в оптичний, зокрема терагерцовий діапазон. Проведено порівняння ємності каналу Шеннона для різних багаторівневих сценаріїв супутникової лінії зв’язку. Проаналізовано напрямки досліджень для забезпечення неперервності зв’язку, адаптації до погодних умов, досягнення пропускної здатності до 100 Гбіт / с.

Ключові слова: неназемні мережі (NTN); 6G; супутниковий зв'язок; безпілотні літальні апарати (БПЛА); стратосферні платформи, мережні космічні конфігурації; міліметрові хвилі; оптичні безпроводові системи; оцінювання ефективності зв’язку.

Список використаної літератури
1. Kaushal H., Kaddoum G. Optical Communication in Space: Challenges and Mitigation Techniques // IEEE Communications Surveys & Tutorials, Firstquarter 2017. Vol. 19, no. 1. P. 57–96.
2. Toward 6G Networks: Use Cases and Technologies / M. Giordani, M. Polese, M. Mezzavilla [et al.] // IEEE Communications Magazine. Mar. 2020. Vol. 58, no. 3. P. 55–61.
3. Nanosatellite-5G Integration in the Millimeter Wave Domain: A Full Top-Down Approach / F. Babich, M. Comisso, A. Cuttin [et al.] // IEEE Transactions on Mobile Computing, Feb. 2020. Vol. 19, no. 2. P. 390–404.
4. Khalighi M. A., Uysal M. Survey on free space optical communication: A communication theory perspective // IEEE Comm. Surve. & Tut., 2014. Vol. 16, no. 4. P. 2231–2258.
5. Giordani M., Zorzi M. Non-Terrestrial Networks in the 6G Era: Challenges and Opportunities // IEEE Network, Mar. 2021. Vol. 35, no. 2. P. 244–251.
6. Yu J., Li X., Zhou W. Tutorial: Broadband fiber-wireless integration for 5G+ communication // APL Photon. 2018. Vol. 3, no. 11.
7. Jia S. THz photonic wireless links with 16-QAM modulation in the 375-450 GHz band // Opt. Express, 2016. Vol. 24, no. 21. P. 23777–23783.
8. W-band technology and techniques for analog millimeter-wave photonics / V. J. Urick, C. S. Sunderman, J. F. Diehl, N. D. Peterson // Naval Res. Lab., Washington, DC, USA, Aug. 2015.
9. Interference and SINR in millimeter wave and terahertz communication systems with blocking and directional antennas / V. Petrov, M. Komarov, D. Moltchanov [et al.] // IEEE Trans. Wireless Commun., Mar. 2017. Vol. 16, no. 3. P. 1791–1808.
10. Loughran J. Starlink launches 60 more satellites but commercial service faces delays [Електронний ресурс] // IET Engineering and Technology. URL: ht tps ://eandt . theiet .org/content/ar t i -cles/2020/11/starlink-launches-60-more-satellitesbut-commercial-service-faces-delays/
11. Физические аспекты моделирования радио-канала и шумов в миллиметровом диапазоне / Я. А. Кременецкая, Е. Р. Жукова, Н. В. Градобоева [и др.] // Телекомунікаційні та інформаційні технології. 2018. № 2. С. 60–71.
12. 3GPP. Solutions for NR to support Non-Terrestrial Networks (NTN) // TR 38.821 (Release 16), 2020.
13. Рек. МСЭ-R P.676-6 [Електронний ресурс] // МСЕ. URL: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/RREC-P.676-6-200503-S!!PDF-R.pdf
14. Долуханов М. П. Распространение радио-волн: учеб. для вузов. Москва. Связь, 1972.
15. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки, 2-е изд. Москва: Техносфера, 2012.
16. Earth to space laser beam transmission for spacecraft attitude measurement / T. Aruga, K. Araki, T. Igarashi [et al.] // Appl. Opt., 1984. Vol. 23. P. 114–147.
17. Earth-to-geosynchronous satellite laser beam transmission / T. Aruga, K. Araki, R. Hayashi [et al.] // Appl. Opt., 1985. Vol. 24, no. 1. P. 53–56.
18. Experiments on CO2 laser beam transmission from ground to geostationary meteor / K. Araki, T. Itabe, M. Takabe [et al.] // Laser Sensing Syimposium, 1988. P. 47–48.
19. Kaushal H., Kaddoum G. Optical Communication in Space: Challenges and Mitigation Techniques // IEEE Commun. Surv. Tutorials 2017. 19(1). P. 57–96 ().