Vantagens, desafios e aplicativos da rede não terrestre

O que é uma rede não terrestre (NTN)?

Uma rede não terrestre (NTN) é uma rede de comunicações que incorpora ativos aéreos ou espaciais, bem como ativos em terra. Essas redes híbridas aplicam a tecnologia de comunicação via satélite (SATCOM) para ampliar as comunicações celulares existentes. Uma rede não terrestre ou NTN geralmente se refere a redes que conectam o mundo celular e links de satélite e como obter acesso direto a redes de satélite para usuários finais.

A nova corrida espacial de hoje se concentra principalmente nas NTNs, à medida que governos e corporações buscam avançar nas capacidades de comunicação, vigilância, detecção e monitoramento. O NTN é a mais nova evolução do SATCOM e um dos principais apoiadores da comercialização espacial. O NTN tem uma complexidade inerente considerável, pois a rede não terrestre usa o satélite NTN para o tráfego de backhaul, transformando-o de um mero retransmissor em um componente crucial.

O que compõe uma rede não terrestre (NTN)?

Uma NTN é uma rede que inclui nós não localizados fisicamente na Terra. Embora pensemos principalmente em satélites em NTNs, outros componentes podem consistir em plataformas de baixa altitude (LAP) ou drones, pseudo-satélites de alta altitude (HAPS), drones ou balões em várias órbitas, ou uma combinação desses elementos. A maior parte do desenvolvimento se concentra em recursos de satélite para telefones celulares e outros dispositivos de usuários.

Toda rede não terrestre(NTN) tem vários pontos de presença onde a rede de satélite se conecta à Internet terrestre. Os links de fibra óptica conectam as estações terrestres, enquanto os linksde laser óptico são usados entre os satélites. A partir de gateways de satélite no solo, links de banda larga conectam redes celulares a constelações de satélites com conexões massivas de mais de 20 gigabits por segundo, chamadas de links de alimentação. Esses pontos de presença se conectam a um ou mais gateways. O gráfico ilustra esses links entre os gateways e os satélites como links de backhaul de banda larga para torres de celular terrestres.

As redes não terrestres (NTNs) operam somente em órbitas baixas da Terra (LEO)?

As redes não terrestres(NTNs) operam na órbita equatorial geoestacionária ou geossíncrona (GEO), na órbita terrestre média (MEO) e na órbita terrestre baixa (LEO). A concentração das principais aplicações da NTN 5G está na GEO e na LEO. O crescimento explosivo atual dos satélites LEO fornece a base para a maioria dos casos de uso da NTN nos setores comercial, governamental e militar. Os satélites de órbita terrestre baixa também oferecem a vantagem de menor latência devido à menor distância da Terra, permitindo que eles suportem aplicativos NTN em tempo real.

Cada órbita cria desafios diferentes nas redes de comunicação. Com a LEO, o satélite opera em uma distância mais próxima, mas se move mais rapidamente. Devido à proximidade, é possível ter comunicações de baixa latência do satélite para o solo. Em contrapartida, os GEOs tradicionais fornecem conexões fixas de longa duração com um atraso muito maior no caminho do sinal entre os satélites nessa órbita e as estações terrestres. Esse processo aumenta exponencialmente a latência, dependendo do número de vezes que o sinal precisa viajar entre os pontos. Por exemplo, se o satélite precisar viajar ao redor do globo, ocorrerá uma latência perceptível.

A latência também surge em cenários de armazenamento e encaminhamento. Nesse caso, um satélite recebe um sinal e, em seguida, transmite esse sinal mais tarde, quando ganha visibilidade para a estação terrestre de destino. Essa ocorrência é geralmente chamada de transmissão descontínua.

Quais são as vantagens das NTNs?

O principal benefício das NTNs é a cobertura estendida. Regiões remotas e mal atendidas, como áreas rurais, ilhas e comunidades isoladas, podem se beneficiar da tecnologia. As NTNs também podem fornecer serviços a navios no mar e aeronaves em voo. As NTNs permitem que os provedores de serviços de rede operem em um mercado inexplorado e ofereçam serviços premium além dos recursos das redes terrestres tradicionais. As NTNs atendem à demanda cada vez maior por dados, transmitindo e recebendo mais informações por meio de seus satélites para comunicações e transferência de dados. Os aplicativos máquina a máquina (M2M), incluindo agricultura, transporte, monitoramento ambiental e rastreamento de ativos, podem aproveitar as NTNs para obter conectividade onipresente e confiável com a Internet.

As redes não terrestres também acrescentam uma camada de resiliência e redundância à rede 5G existente. Em caso de desastres naturais, conflitos regionais ou interrupções na rede, as NTNs podem fornecer conectividade de backup para garantir o serviço contínuo de comunicações essenciais. A vantagem de uma constelação distribuída de satélites LEO é que ela distribui os riscos e os custos entre centenas ou milhares de satélites.

Ao impulsionar as comunicações não terrestres, as NTNs oferecem vários benefícios, incluindo

• Cobertura onipresente.
• Melhorias críticas no suporte a emergências.
• Funcionalidade de aprimoramento de diagnóstico para agricultura por meio de recursos de detecção.
• Monitoramento preciso das variáveis terrestres e climáticas.
• Distribuição eficaz do risco e das despesas de custo entre os satélites.

Quais são os desafios enfrentados pelas NTNs?

As NTNs e seus aplicativos enfrentam vários desafios, e outros obstáculos surgirão à medida que essas redes evoluírem.

O ambiente espacial: O espaço é o principal desafio para as NTNs. Uma vez implantado, o equipamento fica inacessível. Além disso, os sistemas devem operar em um ambiente extremamente hostil, com temperaturas e radiação extremas. Para que o desempenho seja bem-sucedido, os sistemas também precisam fornecer geração e armazenamento de energia consistentes. A construção de redes mesh no espaço exacerba essas complexidades, multiplicando as chances de problemas.

Tamanho, peso, potência e custo: Outra preocupação são os limites físicos da colocação de recursos de computação e RF de alta frequência no céu. O tamanho, o peso, a potência e o custo (SWaP-C) tornam-se um problema quando se passa dos satélites GEO de 20 toneladas para satélites LEO mais compactos e plataformas HAPS, e as cargas úteis devem se transformar de acordo.

Conexão em constante movimento: As redes não terrestres colocam algumas coisas, ou talvez tudo na rede, em constante movimento. Os movimentos do satélite NTN e do HAPS influenciam a configuração da conexão, a qualidade do sinal e as transferências. Em uma NTN 5G, as instâncias de gNodeB e as partes da rede de acesso por rádio (RAN) que voam no ar contribuem para o movimento de qualquer equipamento de usuário (UE) na superfície.

Escolha da carga útil: A escolha entre cargas úteis transparentes ou regenerativas pode mudar completamente a forma como a rede se organiza e o roteamento de sinal resultante. Com os satélites LEO em movimento, todas as relações de tempo são dinâmicas. O que está em jogo é a experiência do usuário com qualidade de serviço (QoS), principalmente devido a atrasos variáveis e handovers complexos que podem resultar em queda de conexões.

Latência: O atraso na transmissão do sinal decorre do fato de o sinal ser enviado entre o solo e o(s) satélite(s). Devido à latência, uma NTN não suporta atualmente casos de uso que exijam comunicações de baixa latência ultraconfiáveis (URLLC) 3GPP, como a telecirurgia, que precisa de 1 ms com 99,99% de confiabilidade.

Segurança: Embora uma constelação de satélites LEO distribuída distribua custos e riscos entre os satélites, o hardware fica vulnerável ao passar por territórios hostis. As necessidades de segurança nacional exigem proteções cibernéticas e operações inovadoras para proteger a infraestrutura implantada no espaço. Por exemplo, a Força Espacial dos EUA é encarregada dessa missão para todos os ramos militares e governamentais.

O que é NTN 5G?

O termo NTN geralmente inclui o celular de quinta geração (5G) como um aspecto da rede. As NTNs 5G utilizam muitos recursos das redes terrestres 5G e enfrentam muitos dos mesmos desafios, adicionando expectativas de confiabilidade mais altas para o serviço NTN 5G em comparação com as redes SATCOM anteriores. As estações rádio-base, que normalmente são redes terrestres compostas por torres no solo, estão se deslocando da terra para o ar e o espaço. A rede principal 5G é chamada de núcleo de próxima geração (NGC). Uma NTN 5G compreende a UE, que consiste em um dispositivo móvel, como um telefone celular ou um sensor. Se necessário, a UE se comunica com estações radiobase, cada uma delas chamada de gNodeB.

Essa configuração é uma instalação típica de NTN 5G. No entanto, existem muitas variações. Por exemplo, nem todos os aplicativos NTN exigem o gNodeB. Você pode ter uma rede principal que seja a Internet diretamente conectada a um gateway em um sistema proprietário. Outra abordagem alternativa é usar a NTN para computação de borda, colocando a borda da rede no satélite.

Existem várias abordagens para uma arquitetura NTN 5G. Por exemplo, um ativo aéreo ou satélite pode operar como um tubo curvo entre a UE e o gNodeB. Esse dispositivo receberá sinais na frequência 1 e os transmitirá na frequência 2 para facilitar as comunicações de rede não terrestre em uma ampla faixa geográfica. Nesse modelo, observe que as UEs precisam de potência e sensibilidade suficientes para transmitir e receber do tubo curvo do satélite. O gNodeB pode ser baseado no solo, desde que possa se comunicar com o tubo curvo do satélite NTN.

Uma arquitetura alternativa tem o gNodeB no próprio ativo aéreo ou espacial. Nesse caso, a UE se comunica com esse ativo aéreo. A rede principal também está conectada a esse ativo aéreo ou espacial. Outros exemplos introduzem nós de retransmissão para fazer interface com a UE padrão com tubo dobrado de satélite ou com as UEs para um gNodeB aéreo ou espacial.

A introdução das NTNs 5G perturba a arquitetura tradicional da rede terrestre 5G e abre uma mudança de paradigma na conectividade. Existem muitas alternativas para satélites e HAPS que participam dos domínios gNodeB e RAN, alguns com vários satélites na cadeia espalhados por quilômetros de céu. As NTNs 5G utilizam muitos recursos das redes terrestres 5G e enfrentam muitos dos mesmos desafios, adicionando expectativas de confiabilidade mais altas para o serviço NTN 5G em comparação com as redes SATCOM anteriores.

As NTNs e as comunicações via satélite são a mesma coisa?

As redes não terrestres anunciam a próxima onda de comunicações por satélite (SATCOM), tornando a SATCOM uma parte das redes celulares. A tecnologia de comunicação via satélite abrange áreas de difícil acesso, sem infraestrutura ou plataformas isoladas para dar suporte às implantações de redes celulares. O uso do SATCOM também oferece confiabilidade extra para máquina a máquina (M2M) / IoT e conectividade para plataformas móveis, como aviões, trens e carros.

Para atender às novas demandas de desempenho para SATCOM, o setor de satélites se esforça para alcançar maior rendimento, larguras de banda mais amplas e frequências operacionais mais altas. Cada vez mais, as redes também dependem de links de fotônica óptica. As redes não terrestres também precisam fornecer energia suficiente aos receptores, apesar do espaço livre, do clima, das nuvens e de outras condições ionosféricas. Dada a crescente complexidade das NTNs e SATCOM, é preciso testar os sistemas de comunicação via satélite com modelos ambientais realistas, adicionando buffering para sinais atrasados e simulando o atraso deslizante para criar uma cinemática de satélite realista. A Keysight oferece suporte ao desenvolvimento, fabricação, implantação e manutenção de redes não terrestres em todo o fluxo de trabalho terrestre e aéreo/espacial, incluindo o teste de links de satélite NTN 5G NR.

Como a Keysight oferece suporte aos casos de uso da NTN?

A Keysight oferece suporte ao desenvolvimento e à verificação contínua de desempenho para casos de uso da NTN, como os seguintes:

• Cobertura de áreas não atendidas
• Serviço para aeronaves, navios, trens, ônibus e muito mais
• Homem a máquina e IoT
• Requisitos de latência mais flexíveis
• Disponibilidade do serviço
• Escalabilidade da rede 5G

A Keysight oferece ambientes de teste NTN de ponta a ponta que podem virtualizar o acesso à rede e até mesmo a constelação completa de satélites. Substitua a rede de rádio compatível com NTN pelo Keysight UXM 5G, um dispositivo de emulação de rede NTN totalmente capaz. Recrie links de satélite com os emuladores de canal PROPSIM da Keysight, acompanhados pelo avançado gerador de sinais de micro-ondas VXG da Keysight e pelo analisador de sinais UXA da Keysight. Obtenha controle total sobre o sistema em teste e visibilidade completa dos nós e links NTN. Você pode facilmente adicionar hardware para ampliar a faixa de frequência e cobrir todas as principais bandas NTN, como a banda X e a banda K.

Com a criação flexível de cenários do Channel Studio, você também pode testar o hardware de rádio por satélite real e a solução em nível de nó e de rede. Solucione problemas de desempenho usando o analisador sem fio Keysight WaveJudge e o Keysight PathWave Vector Signal Analysis (VSA) em execução nos analisadores de sinal UXA. Para analisar fluxos de QI além do WaveJudge, você pode usar a funcionalidade interna de captura e fluxo de QI do PROPSIM.

Também é possível gerar condições de teste realistas no laboratório, combinando o gerador de sinal de micro-ondas VXG com a representação realista PROPSIM e UeSIM do comportamento do terminal do usuário. Saiba mais sobre como a Keysight apoia o desenvolvimento contínuo de NTNs do solo ao ar em todo o seu fluxo de trabalho, ajudando a conectar e proteger as comunicações futuras.