I. Truy cập NTN:Kênh Truy cập Ngẫu nhiên (RACH) là một quy trình cơ bản để kết nối ban đầu, đồng bộ hóa đường lên và ủy quyền lập lịch giữa thiết bị đầu cuối (UE) và mạng. Mặc dù đây là một quy trình trưởng thành và được hiểu rõ trong các mạng truy cập vô tuyến mặt đất (RAN) truyền thống, việc triển khai nó trong Mạng phi Địa cầu (NTN) đặt ra một loạt các thách thức kỹ thuật độc đáo và phức tạp hơn.
Trong RAN mặt đất, tín hiệu tần số vô tuyến thường lan truyền trên các khoảng cách ngắn và có thể dự đoán được, và môi trường lan truyền tương đối ổn định; tuy nhiên, trong các mạng NTN liên quan đến vệ tinh Quỹ đạo Trái đất Thấp (LEO), Quỹ đạo Trái đất Vừa (MEO) và Quỹ đạo Địa tĩnh (GEO), tín hiệu tần số vô tuyến bị ảnh hưởng bởi khoảng cách lan truyền cực kỳ dài, chuyển động nhanh của vệ tinh, khu vực phủ sóng động và điều kiện kênh thay đổi theo thời gian. Tất cả các yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến thời gian, tần số và độ tin cậy của kênh mà các quy trình RACH truyền thống dựa vào.
II. Đặc điểm của NTN: Do khoảng cách truyền cực kỳ dài, chuyển động nhanh của vệ tinh và điều kiện kênh và vùng phủ sóng thay đổi theo thời gian, NTN đưa ra những nhược điểm quan trọng độc đáo (ví dụ: độ trễ lan truyền lớn, thời gian khứ hồi dài, dịch chuyển Doppler, tính di động của chùm tia và miền tranh chấp lớn) gây ra thách thức nghiêm trọng và ảnh hưởng đến hành vi và hiệu suất kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) của thiết bị đầu cuối. Hơn nữa, vệ tinh phải tuân theo các giới hạn nghiêm ngặt về tính khả dụng của phổ và ngân sách năng lượng, khiến các cơ chế truy cập ngẫu nhiên hiệu quả và mạnh mẽ trở nên đặc biệt quan trọng.
III. Tác động và Giải pháp:Để khắc phục những khó khăn mà NTN đặt ra cho việc truy cập thiết bị đầu cuối, 3GPP đã giải quyết một số vấn đề trong các thông số kỹ thuật của mình, nhưng các khía cạnh sau đây cần được chú ý:
Tác động:Trong mạng NTN, do diện tích ô lớn, chuyển động của vệ tinh và khoảng cách khác nhau giữa UE và vệ tinh, việc ước tính độ trễ thời gian phức tạp hơn nhiều so với trong các hệ thống mặt đất. Việc ước tính TA không chính xác có thể khiến các truyền dẫn đường lên nằm ngoài cửa sổ thu của vệ tinh, dẫn đến va chạm hoặc lỗi thu hoàn toàn.
Giải pháp: Cần có các kỹ thuật ước tính TA tiên tiến, chẳng hạn như sử dụng dữ liệu lịch thiên văn của vệ tinh, hỗ trợ GNSS hoặc các thuật toán dự đoán, để điều chỉnh động thời gian của UE và duy trì đồng bộ hóa đường lên.
Tác động:Chuyển động tương đối giữa vệ tinh và UE tạo ra sự dịch chuyển Doppler đáng kể, đặc biệt là trong các hệ thống Quỹ đạo Trái đất Thấp (LEO). Sự dịch chuyển tần số này làm giảm độ chính xác phát hiện tiền tố, làm suy giảm đồng bộ hóa tần số và làm tăng khả năng xảy ra lỗi cố gắng RACH.
Giải pháp: Cần có các cơ chế bù trước Doppler mạnh mẽ và theo dõi tần số ở cả phía UE và phía mạng để duy trì hiệu suất RACH đáng tin cậy trong điều kiện di động cao.
Tác động: Các liên kết NTN phải chịu sự suy giảm khí quyển, che khuất, nhấp nháy và mất đường truyền đường dài. Các yếu tố này làm tăng tỷ lệ lỗi khối và có thể ảnh hưởng đến khả năng UE nhận chính xác các thông báo RAR sau khi truyền thành công tiền tố.
Giải pháp: Điều chế và mã hóa thích ứng, điều khiển công suất và thiết kế lớp vật lý mạnh mẽ là cần thiết để duy trì việc phát hiện và xử lý RACH đáng tin cậy trong các điều kiện kênh khác nhau.
Tác động: Các chùm vệ tinh thường bao phủ các khu vực địa lý rất lớn, có khả năng phục vụ hàng nghìn UE đồng thời. Điều này làm tăng đáng kể mức độ tranh chấp RACH và xác suất va chạm, đặc biệt là trong các tình huống truy cập quy mô lớn.
Giải pháp: Cần có các cơ chế phân vùng tài nguyên RACH hiệu quả, kiểm soát truy cập nhận biết tải và quản lý tranh chấp thông minh để mở rộng hiệu suất truy cập ngẫu nhiên.
Tác động:Khoảng cách vật lý lớn giữa UE và vệ tinh tạo ra độ trễ lan truyền một chiều đáng kể và RTT dài hơn. Ví dụ, thời gian khứ hồi (RTT) cho một liên kết vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO) có thể đạt tới hàng trăm mili giây. Những độ trễ này ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian trao đổi thông báo Phản hồi truy cập ngẫu nhiên (RAR), có khả năng dẫn đến hết thời gian chờ sớm, tăng tỷ lệ lỗi truy cập và kéo dài độ trễ truy cập.
Giải pháp: Các bộ hẹn giờ liên quan đến RACH, chẳng hạn như cửa sổ Phản hồi truy cập ngẫu nhiên (RAR) và bộ hẹn giờ phân giải va chạm, phải được thiết kế dựa trên các giá trị RTT dành riêng cho NTN. Cấu hình bộ hẹn giờ nhận biết NTN là rất quan trọng để ngăn chặn việc truyền lại không cần thiết và lỗi truy cập.
Tác động: Một số lượng lớn thiết bị người dùng (UE) tranh giành một số lượng hạn chế các tiền tố RACH làm tăng khả năng va chạm tiền tố, do đó làm giảm hiệu quả truy cập và tăng độ trễ.
Giải pháp: Các sơ đồ phân giải va chạm nâng cao, phân bổ tiền tố động và các kỹ thuật cấm truy cập được tối ưu hóa NTN là chìa khóa để giảm xác suất va chạm.
Tác động: Đồng bộ hóa ban đầu trong NTN phức tạp do những bất định về thời gian lớn và độ lệch tần số. Việc không đạt được đồng bộ hóa chính xác có thể ngăn thiết bị người dùng (UE) khởi xướng hoàn toàn quy trình Kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH).
Giải pháp: Cần có các kỹ thuật đồng bộ hóa nâng cao, kết hợp thu nhận thời gian chính xác, bù Doppler và nhận biết vị trí vệ tinh để truy cập ngẫu nhiên thành công.
Tác động: UE trong NTN gặp phải những thay đổi đáng kể về mất đường truyền tùy thuộc vào vị trí của chúng so với chùm vệ tinh. Công suất phát không đủ có thể dẫn đến lỗi phát hiện tiền tố, trong khi công suất quá mức có thể gây nhiễu giữa các UE.
Giải pháp: Các cơ chế điều khiển công suất thích ứng và nhận biết vị trí là rất quan trọng để cân bằng độ tin cậy phát hiện và quản lý nhiễu.
Tác động: Các hệ thống NTN phụ thuộc nhiều vào các kiến trúc đa chùm. UE có thể cần thực hiện thu nhận hoặc chuyển đổi chùm tia trong quá trình RACH, điều này làm tăng độ phức tạp và độ trễ. Giải pháp: Các cơ chế khám phá chùm tia hiệu quả, theo dõi chùm tia và chuyển đổi chùm tia liền mạch là rất cần thiết để đảm bảo thực hiện RACH đáng tin cậy trong các hệ thống NTN dựa trên chùm tia.
