ความท้าทายและแนวทางแก้ไขของ NTN สำหรับการเข้าถึงแบบสุ่ม

I. การเข้าถึง NTN: Random Access Channel (RACH) เป็นกระบวนการพื้นฐานสำหรับ การเชื่อมต่อเริ่มต้น, การซิงโครไนซ์ขาขึ้น, และการอนุญาตการจัดตารางเวลา ระหว่างอุปกรณ์ปลายทาง (UE) และเครือข่าย แม้ว่านี่จะเป็นกระบวนการที่เติบโตเต็มที่และเข้าใจกันดีในเครือข่ายการเข้าถึงวิทยุบนพื้นดินแบบดั้งเดิม (RAN) แต่การนำไปใช้ในเครือข่ายที่ไม่ใช่ภาคพื้นดิน (NTN) นำเสนอความท้าทายทางเทคนิคที่เป็นเอกลักษณ์และซับซ้อนมากขึ้น

ใน RAN บนพื้นดิน สัญญาณความถี่วิทยุมักจะแพร่กระจายในระยะทางสั้นๆ และคาดการณ์ได้ และสภาพแวดล้อมการแพร่กระจายค่อนข้างคงที่ อย่างไรก็ตาม ในเครือข่าย NTN ที่เกี่ยวข้องกับวงโคจรโลกต่ำ (LEO), วงโคจรโลกปานกลาง (MEO) และดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า (GEO) สัญญาณความถี่วิทยุได้รับผลกระทบจาก ระยะการแพร่กระจายที่ยาวมาก, การเคลื่อนที่ของดาวเทียมอย่างรวดเร็ว, พื้นที่ครอบคลุมแบบไดนามิก, และสภาพช่องสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อจังหวะเวลา ความถี่ และความน่าเชื่อถือของช่องสัญญาณ ซึ่งเป็นสิ่งที่กระบวนการ RACH แบบดั้งเดิมพึ่งพา

II. ลักษณะเฉพาะของ NTN: เนื่องจากระยะการส่งข้อมูลที่ยาวมาก การเคลื่อนที่ของดาวเทียมอย่างรวดเร็ว และสภาพช่องสัญญาณและการครอบคลุมที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา NTN จึงมีข้อเสียที่สำคัญ (เช่น ความล่าช้าในการแพร่กระจายขนาดใหญ่ เวลาไปกลับที่ยาวนาน การเลื่อนดอปเปลอร์ การเคลื่อนที่ของลำแสง และโดเมนการแย่งชิงขนาดใหญ่) ซึ่งท้าทายและส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อพฤติกรรมและประสิทธิภาพของช่องสัญญาณการเข้าถึงแบบสุ่ม (RACH) ของเทอร์มินัล นอกจากนี้ ดาวเทียมยังอยู่ภายใต้ข้อจำกัดที่เข้มงวดในแง่ของความพร้อมใช้งานของสเปกตรัมและงบประมาณพลังงาน ทำให้กลไกการเข้าถึงแบบสุ่มที่มีประสิทธิภาพและแข็งแกร่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง

III. ผลกระทบและแนวทางแก้ไข: เพื่อเอาชนะความยากลำบากที่ NTN นำเสนอสำหรับการเข้าถึงเทอร์มินัล 3GPP ได้แก้ไขปัญหาบางอย่างในข้อกำหนด แต่ประเด็นต่อไปนี้จำเป็นต้องได้รับความสนใจ:

• 3.1 ความท้าทายด้าน TA (Timing Advance)

ผลกระทบ: ในเครือข่าย NTN เนื่องจากพื้นที่เซลล์ขนาดใหญ่ การเคลื่อนที่ของดาวเทียม และระยะทางที่แตกต่างกันระหว่าง UE และดาวเทียม การประมาณการปรับเวลาล่วงหน้าจึงซับซ้อนกว่าในระบบภาคพื้นดินมาก การประมาณ TA ที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้การส่งสัญญาณขาขึ้นอยู่นอกหน้าต่างการรับสัญญาณของดาวเทียม ส่งผลให้เกิดการชนกันหรือการรับสัญญาณล้มเหลวโดยสมบูรณ์

แนวทางแก้ไข: จำเป็นต้องมีเทคนิคการประมาณ TA ขั้นสูง เช่น การใช้ข้อมูล ephemeris ของดาวเทียม ความช่วยเหลือจาก GNSS หรืออัลกอริธึมการคาดการณ์ เพื่อปรับการจัดตำแหน่งเวลาของ UE แบบไดนามิกและรักษาการซิงโครไนซ์ขาขึ้น

• 3.2 ผลกระทบจากการเลื่อนดอปเปลอร์

ผลกระทบ: การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างดาวเทียมและ UE ทำให้เกิดการเลื่อนดอปเปลอร์อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบวงโคจรโลกต่ำ (LEO) การเลื่อนความถี่เหล่านี้ลดความแม่นยำในการตรวจจับพรีแอมเบิล ทำให้การซิงโครไนซ์ความถี่บกพร่อง และเพิ่มโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวในการพยายาม RACH

แนวทางแก้ไข: จำเป็นต้องมีกลไกการชดเชยล่วงหน้าแบบดอปเปลอร์และติดตามความถี่ที่แข็งแกร่งทั้งในฝั่ง UE และเครือข่าย เพื่อรักษาประสิทธิภาพ RACH ที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาวะการเคลื่อนที่สูง

• 3.3 การเปลี่ยนแปลงสภาพช่องสัญญาณ:

ผลกระทบ: ลิงก์ NTN อยู่ภายใต้การลดทอนของชั้นบรรยากาศ การแรเงา การสั่นไหว และการสูญเสียเส้นทางระยะไกล ปัจจัยเหล่านี้เพิ่มอัตราข้อผิดพลาดของบล็อกและอาจส่งผลกระทบต่อความสามารถของ UE ในการรับข้อความ RAR อย่างถูกต้องหลังจากส่งพรีแอมเบิลสำเร็จ

แนวทางแก้ไข: จำเป็นต้องมีการปรับมอดูเลชันและการเข้ารหัส การควบคุมพลังงาน และการออกแบบเลเยอร์ทางกายภาพที่แข็งแกร่ง เพื่อรักษาการตรวจจับและการประมวลผล RACH ที่เชื่อถือได้ภายใต้สภาพช่องสัญญาณต่างๆ

• 3.4 การครอบคลุมที่กว้างและการมีความหนาแน่นของเทอร์มินัลสูง:

ผลกระทบ: ลำแสงดาวเทียมมักจะครอบคลุมพื้นที่ทางภูมิศาสตร์ขนาดใหญ่มาก ซึ่งอาจให้บริการ UE หลายพันเครื่องพร้อมกัน สิ่งนี้เพิ่มระดับการแย่งชิง RACH และโอกาสในการชนกันอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การเข้าถึงขนาดใหญ่

แนวทางแก้ไข: จำเป็นต้องมีกลไกการแบ่งพาร์ติชันทรัพยากร RACH ที่มีประสิทธิภาพ การควบคุมการเข้าถึงที่รับรู้ถึงภาระงาน และกลไกการจัดการการแย่งชิงอัจฉริยะ เพื่อปรับขนาดประสิทธิภาพการเข้าถึงแบบสุ่ม

• 3.5 RTT ที่เพิ่มขึ้น (ความหน่วงและเวลาไปกลับ):

ผลกระทบ:ระยะทางทางกายภาพที่มากระหว่าง UE และดาวเทียมทำให้เกิดความล่าช้าในการแพร่กระจายทางเดียวอย่างมากและ RTT ที่ยาวนานขึ้น ตัวอย่างเช่น เวลาไปกลับ (RTT) สำหรับลิงก์ดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า (GEO) อาจสูงถึงหลายร้อยมิลลิวินาที ความล่าช้าเหล่านี้ส่งผลกระทบโดยตรงต่อจังหวะเวลาของการแลกเปลี่ยนข้อความ Random Access Response (RAR) ซึ่งอาจนำไปสู่การหมดเวลาของตัวจับเวลาเร็วเกินไป อัตราความล้มเหลวในการเข้าถึงที่เพิ่มขึ้น และความล่าช้าในการเข้าถึงที่ยาวนานขึ้น

แนวทางแก้ไข: ตัวจับเวลาที่เกี่ยวข้องกับ RACH เช่น หน้าต่าง Random Access Response (RAR) และตัวจับเวลาการแก้ไขการชนกัน จะต้องได้รับการออกแบบตามค่า RTT เฉพาะของ NTN การกำหนดค่าตัวจับเวลาที่รับรู้ NTN มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการส่งซ้ำที่ไม่จำเป็นและความล้มเหลวในการเข้าถึง

• 3.6 การชนกันที่เพิ่มขึ้น:

ผลกระทบ: อุปกรณ์ผู้ใช้ (UE) จำนวนมากที่แย่งชิงพรีแอมเบิล RACH จำนวนจำกัด ทำให้เพิ่มโอกาสในการชนกันของพรีแอมเบิล ซึ่งจะช่วยลดประสิทธิภาพในการเข้าถึงและเพิ่มความหน่วง

แนวทางแก้ไข: โครงการแก้ไขการชนกันขั้นสูง การจัดสรรพรีแอมเบิลแบบไดนามิก และเทคนิคการห้ามการเข้าถึงที่ปรับให้เหมาะสมกับ NTN เป็นกุญแจสำคัญในการลดโอกาสในการชนกัน

• 3.7 ความท้าทายด้านการซิงโครไนซ์:

ผลกระทบ: การซิงโครไนซ์เริ่มต้นใน NTN นั้นซับซ้อนเนื่องจากความไม่แน่นอนของเวลาและออฟเซ็ตความถี่ที่มาก การไม่สามารถบรรลุการซิงโครไนซ์ที่แม่นยำอาจป้องกันไม่ให้อุปกรณ์ผู้ใช้ (UE) เริ่มต้นกระบวนการ Random Access Channel (RACH) โดยสิ้นเชิง

แนวทางแก้ไข: จำเป็นต้องมีเทคนิคการซิงโครไนซ์ที่ได้รับการปรับปรุง โดยผสมผสานการได้มาซึ่งเวลาที่แม่นยำ การชดเชยดอปเปลอร์ และการรับรู้ตำแหน่งดาวเทียม เพื่อการเข้าถึงแบบสุ่มที่ประสบความสำเร็จ

• 3.8 การควบคุมพลังงาน

ผลกระทบ: UE ใน NTN ประสบกับการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในการสูญเสียเส้นทางขึ้นอยู่กับตำแหน่งของพวกเขาเมื่อเทียบกับลำแสงดาวเทียม พลังงานส่งที่ไม่เพียงพออาจนำไปสู่ความล้มเหลวในการตรวจจับพรีแอมเบิล ในขณะที่พลังงานที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการรบกวนระหว่าง UE

แนวทางแก้ไข: กลไกการควบคุมพลังงานที่ปรับเปลี่ยนได้และรับรู้ตำแหน่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างสมดุลระหว่างความน่าเชื่อถือในการตรวจจับและการจัดการการรบกวน

• 3.9 การจัดการลำแสง

ผลกระทบ: ระบบ NTN อาศัยสถาปัตยกรรมหลายลำแสงเป็นอย่างมาก UE อาจต้องดำเนินการได้มาซึ่งลำแสงหรือการสลับระหว่างกระบวนการ RACH ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนและความหน่วง แนวทางแก้ไข: กลไกการค้นพบลำแสง การติดตามลำแสง และการสลับลำแสงที่ราบรื่นมีความจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้มั่นใจถึงการดำเนินการ RACH ที่เชื่อถือได้ในระบบ NTN ที่ใช้ลำแสง