- Les réseaux non terrestres (NTN pour Non Terrestrial Networks) 5G/Beyond 5G fournissent une connectivité sans fil dans des zones reculées que les réseaux terrestres ne peuvent pas couvrir et constituent une alternative aux réseaux terrestres.
- Les NTN sont également essentiels pour faire face aux catastrophes naturelles ou à d’autres situations d’urgence qui peuvent rendre les réseaux terrestres inopérants, ou lorsque les réseaux terrestres n’existent pas.
- En outre, même en présence d’une couverture par les réseaux terrestres, les NTN permettent de subvenir à la congestion des réseaux ou aux pannes.
- Dans cet article, Anritsu explique le principe de fonctionnement des réseaux NTN et met l’accent sur les tests indispensables à leur bon fonctionnement.
Par Tomohide Yamazaki, Ph.D. Directeur adjoint, Anritsu Corporation
Les réseaux NTN devraient jouer un rôle croissant en matière de sécurité publique en prenant en charge les communications des premiers intervenants dans des cas d’utilisation critiques. Les catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre, les ouragans, les inondations et les conditions météorologiques extrêmes peuvent détruire ou compromettre le fonctionnement des réseaux terrestres. Selon l’ampleur des dégâts, le rétablissement du réseau peut prendre des semaines, voire davantage. En revanche, les réseaux NTN, qui sont indépendants de l’infrastructure terrestre, peuvent être utilisés comme système de secours pour les communications d’urgence. En outre, dans les zones reculées dépourvues de couverture cellulaire ou d’autres infrastructures de communication, les NTN peuvent fournir une connectivité aux services d’urgence là où il n’y en avait pas auparavant.
Les réseaux NTN offrent à la police, aux pompiers et aux services d’urgence une connectivité sur de vastes zones dans des environnements difficiles. De plus, si un réseau terrestre tombe en panne ou est encombré, les NTN fournissent un canal alternatif pour assurer les communications critiques de la sécurité publique. La vaste zone de couverture des NTN permet d’utiliser ces réseaux dans des situations d’urgence où les efforts de sécurité publique nécessitent une coordination au-delà des frontières internationales.
Toutefois, pour exploiter pleinement le potentiel des réseaux nationaux de télécommunications où les stations de base satellitaires ou aériennes sont généralement en mouvement, souvent à des vitesses relativement élevées, il faut relever de nombreux défis techniques, notamment l’évolution des normes, l’augmentation constante des débits de données, le transfert complexe entre plusieurs éléments du réseau, la latence due aux délais d’aller-retour et la mobilité des cellules. La clé pour relever ces défis et permettre aux NTN d’apporter une couverture omniprésente à la 5G est la mise en œuvre de scénarios et de procédures de test appropriés. Les tests garantissent que les NTN fonctionneront comme prévu et que les normes sont correctement mises en œuvre.
Types de plateformes NTN
Les NTN exploitent des satellites et des systèmes de plateformes à haute altitude (HAPS). Les satellites utilisés par les NTN sont de différents types : orbite terrestre basse (LEO), orbite terrestre moyenne (MEO), orbite terrestre géostationnaire (GEO) et orbite elliptique haute (HEO). Les systèmes de plates-formes à haute altitude (HAPS) mettent en oeuvre des ballons, des dirigeables ou des aéronefs à voilure fixe qui volent ou flottent à des altitudes d’environ 20 km. Ces plates-formes sont décrites dans le tableau 1.
L’un des principaux problèmes des satellites est la latence dans la transmission des signaux qui augmente avec l’altitude. En d’autres termes, les satellites LEO présentent une latence plus faible. Ce qui a entraîné une augmentation considérable de leur déploiement. En outre, les UAV (drones) peuvent offrir des temps de latence très faibles, jusqu’à 1 ms.
Les réseaux satellitaires nécessitent des passerelles (gateways) pour connecter le NTN à un réseau public de données, des liaisons radio d’alimentation entre la passerelle et le satellite, et des liaisons radio de service entre l’équipement de l’utilisateur (UE pour User equipment) et le satellite. Lorsqu’ils sont intégrés au réseau 5G, les réseaux NTN assurent la continuité du service dans les zones où les services 5G ne peuvent pas être fournis par les seuls réseaux terrestres. En outre, les NTN comblent les lacunes de la couverture et fournissent une voie de connexion alternative lorsque les réseaux terrestres sont encombrés ou lors d’une interruption de service.
L’organisme mondial de normalisation 3GPP a élaboré des spécifications pour les NTN afin de combler les lacunes de la couverture 5G et de permettre leur utilisation dans les futures technologies de communication sans fil. La version 17 de la norme 3GPP aborde les problèmes de latence et de mobilité cellulaire, tandis que la version 18 prend explicitement en charge les normes NR-NTN (basée sur la 5G) et NB-IoT (basée sur le LTE), permettant une couverture omniprésente pour les appareils connectés IoT et eMTC.
Le cas d’utilisation de l’ubiquité des services concerne les zones géographiques où les réseaux terrestres ne sont pas disponibles ou mal desservis. C’est important pour garantir la fourniture de services publics partout, y compris dans les zones rurales.
L’évolutivité du service utilise la vaste zone de couverture des satellites pour la multidiffusion ou la diffusion de contenu. Cela est également utile pour les applications de sécurité publique, telles que la diffusion de messages d’urgence ou l’envoi d’alertes météorologiques ou d’inondations.
Architecture 3GPP NTN
Pour les services 5G, la 3GPP recommande deux architectures, à savoir la charge utile transparente et la charge utile régénérative, pour concevoir et déployer les réseaux NTN.
Dans l’architecture « Transparent Payload », illustrée par la figure 1, le satellite sert de répéteur RF analogique pour les liaisons d’alimentation et de service. Le filtrage RF, la conversion de fréquence et l’amplification sont effectués par le satellite lui-même. Par conséquent, la forme d’onde du signal répétée par la charge utile est inchangée. Pour la connectivité 5G, le satellite répète l’interface radio 5G NR-Uu de la liaison d’alimentation à la liaison de service.
Dans l’architecture de « charge utile régénérative » décrite par la figure 2, le satellite effectue le filtrage RF, la conversion de fréquence, l’amplification, la démodulation, le décodage, ainsi que la commutation/routage et le codage/modulation. Fonctionnant comme une station de base 5G (gNB), le satellite régénère le signal depuis la Terre. L’interface NR-Uu gère les communications sur la liaison de service entre le satellite et l’équipement utilisateur, tandis qu’une interface radio satellite distincte gère la liaison de retour vers le réseau coeur.
L’architecture 3GPP prend en charge les faisceaux des satellites fixes et mobiles. Lorsque les satellites sont en orbite autour de la Terre, leurs faisceaux sont ajustés pour maintenir une couverture continue de la même zone géographique. Dans ce scénario de faisceau fixe, un satellite doit être au-dessus de l’horizon.
Dans le scénario du faisceau mobile, un satellite à faisceau fixe fournit une empreinte mobile au sol.
Test des réseaux NTN
Les premières considérations de conception pour les cas d’utilisation en milieu rural et dans les situations d’urgence doivent tenir compte de plusieurs problèmes critiques : les fluctuations de l’intensité du signal, les variations des délais de propagation du signal, la complexité du transfert de cellule et les effets de décalage Doppler.
Les satellites NTN produisent des faisceaux de forme elliptique dont les zones de couverture sont limitées par leur altitude élevée et leur champ de vision étroit. Cette caractéristique inhérente entraîne des variations dans l’intensité du signal, ce qui devrait être une considération essentielle lors de la conception des systèmes NTN. Les réseaux NTN, en particulier ceux qui ont des constellations LEO et MEO, échangent fréquemment des signaux en raison des nombreux satellites qui se déplacent rapidement. Ce processus de transfert fréquent augmente le risque de perte de signal.
Outre les délais de latence ou de propagation entre le terminal utilisateur (UE) et le satellite dus aux longs trajets des signaux, il existe des délais de propagation dynamiques ou variables vers l’UE et entre les satellites en raison de la vitesse du satellite et de l’orbite terrestre. Ces retards doivent être pris en compte pour minimiser leur impact. En outre, les satellites qui se déplacent rapidement, à des vitesses d’environ 24 000 km/h, provoquent un effet de décalage Doppler, la fréquence du signal variant en fonction de la trajectoire du satellite.
Lorsque l’on utilise des satellites, des HAPS ou des drones utilisés comme stations de base, le maintien de l’intégrité du signal et de la connectivité constitue un défi important en raison de leur altitude élevée et du fait qu’ils se déplacent, contrairement aux réseaux terrestres. Par conséquent, lors des essais, nous devons prêter attention à des facteurs clés tels que la qualité et la stabilité, l’échelle, la performance et les communications multicouches.
Dans les applications critiques, la qualité et la fiabilité des services pour les déploiements NTN 5G seront aussi élevées que celles des réseaux terrestres de sécurité publique. Il est donc important de procéder à des essais complets pour s’assurer qu’un réseau NTN répond aux exigences de qualité et de stabilité. L’évolutivité du NTN garantit que la meilleure qualité de service (QoS) possible est maintenue sur une vaste zone de couverture géographique et que les appels ne sont pas interrompus.
Malgré les variations de la distance, de la vitesse et de la mobilité du satellite par rapport à l’équipement utilisateur (UE), la capacité d’un NTN à maintenir un service spécifié fiable peut être vérifiée en émulant différents profils de mobilité et d’évanouissement de l’onde de l’UE. De plus, il faut tenir compte des décalages Doppler importants dus aux HAPS et aux satellites se déplaçant rapidement, tels que ceux en orbite terrestre basse.
Les communications multicouches dans les réseaux NTN posent divers problèmes de connectivité, tels que les transferts entre les liaisons terrestres et satellitaires et la capacité élevée des liaisons radio qui est nécessaire pour gérer les réseaux maillés à trajets multiples dans les constellations NTN. Tous ces liens de communication doivent être testés pour garantir la continuité et la qualité de service exigées par les spécifications.
Solutions de test NTN
Anritsu offre une gamme de solutions de test pour garantir le respect des spécifications attendues par les NTN et que les réseaux de sécurité publique fonctionnent comme spécifié. Les solutions de test sont conçues pour le contrôle à long terme du spectre et pour répondre aux problèmes de mise à niveau des équipements. Elles s’adressent également aux services RF fonctionnant dans le spectre adjacent aux fréquences satellitaires et les communications multicouches.
Moniteurs de spectre à distance (RSM) – Les services de communication de la sécurité publique utilisent les RSM d’Anritsu pour surveiller et signaler les activités RF non autorisées ayant un impact sur leurs réseaux de communication. Les RSM sont montés en rack sur les sites radio pour surveiller en continu le spectre de la sécurité publique, signaler les signaux concernés et aider à localiser les sources de signaux parasites.
Field Master Pro™ – Le Field Master Pro MS2090A est doté d’un analyseur de spectre en temps réel (RTSA) pour assurer la capture des signaux en temps réel avec une bande passante de 110 MHz et la capacité de capturer des signaux intermittents ayant une durée de 2,055 μs avec une POI (probabilité d’interception) de 100 % pour s’assurer que les réseaux fonctionnent conformément aux spécifications. Le temps minimum de détection d’un signal par le MS2090A est de 5ns.
Système de chasse aux interférences mobile – Le Mobile InterferenceHunter MX280007A emploie une méthode permettant de localiser les sources uniques ou multiples d’interférences dans les réseaux de sécurité publique. Le Mobile InterferenceHunter fonctionne avec la gamme d’analyseurs de spectre portables d’Anritsu, offrant une capacité de recherche d’interférences et de conformité des émissions du spectre (spectrum clearing).
Analyseur de communication radio – L’analyseur de communication radio MT8821C est conçu pour la R&D des appareils mobiles/équipements utilisateurs (UE), tels que les smartphones, les tablettes et les modules IoT. Le MT8821C prend en charge les technologies cellulaires, notamment LTE-Advanced et IoT, offrant des tests RF de validation des appareils NTN NB-IoT.
Signalling Tester MD8430A – Un Signalling Tester peut reproduire un réseau simulé nécessaire aux développements de chipsets et de dispositifs de communication. Avec son logiciel NTN NB-IoT (GEO) MD8430A-043 et son logiciel de contrôle NTN over IoT Framework pour la solution logicielle RTD MX800050A-070, le MD8430A peut être connecté à un dispositif NTN pour satellites GEO afin de tester la connexion avec le réseau NTN et l’itinérance entre le réseau terrestre et le réseau NTN.
