Ventajas, retos y aplicaciones de las redes no terrestres

¿Qué es una red no terrestre (RNT)?

Una red no terrestre (NTN ) es una red de comunicaciones que incorpora activos aéreos o espaciales, así como activos en tierra. Estas redes híbridas aplican la tecnología de comunicación por satélite (SATCOM) para ampliar las comunicaciones celulares existentes. Una red no terrestre o NTN suele referirse a las redes que conectan el mundo celular y los enlaces por satélite y a la forma de lograr el acceso directo de los usuarios finales a las redes por satélite.

Con la llegada del 6G, las NTN están evolucionando para soportar una latencia ultrabaja, una conectividad de alto rendimiento y una integración perfecta con las redes terrestres, lo que permite aplicaciones avanzadas como operaciones remotas en tiempo real, realidad extendida inmersiva (XR) y cobertura global de IoT.

En la actualidad, la nueva carrera espacial se centra principalmente en las NTN, ya que los gobiernos y las empresas tratan de avanzar en las capacidades de comunicación, vigilancia, detección y monitorización. La NTN es la evolución más reciente de SATCOM y un apoyo clave para la comercialización espacial. El NTN tiene una complejidad inherente considerable, ya que la red no terrestre utiliza el satélite NTN para el tráfico de retroceso, transformándolo de un mero repetidor en un componente crucial.

¿En qué consiste una red no terrestre (RNT)?

Una NTN es una red que incluye nodos no situados físicamente en la Tierra. Aunque pensamos principalmente en satélites en las NTN, otros componentes pueden consistir en plataformas de baja altitud (LAP), pseudosatélites de alta altitud (HAPS), drones, globos y vehículos aéreos no tripulados (UAV) que actúan como estaciones base, que cada vez se tienen más en cuenta en las arquitecturas de NTN 6G. 

La mayor parte del desarrollo se centra ahora en la conectividad por satélite directa al dispositivo (D2D), habilitada por la versión 17 del 3GPP y posteriores, que permite a los teléfonos inteligentes estándar comunicarse directamente con los satélites utilizando protocolos 5G NR NTN.

Toda red no terrestre(NTN) tiene varios puntos de presencia en los que la red de satélites se conecta a la internet terrestre. Los enlaces de fibra óptica conectan entre sí las estaciones terrestres, mientras que los enlaces ópticos por láser se utilizan cada vez más entre satélites, ofreciendo una comunicación de alta velocidad, baja latencia y resistente a interferencias, esencial para la escalabilidad de la NTN 6G. Desde las pasarelas de satélite en tierra, los enlaces de banda ancha conectan las redes celulares a las constelaciones de satélites, con enlaces de alimentación que ahora alcanzan hasta 200 Gbps utilizando enlaces ópticos entre satélites (OISL) y sistemas de comunicación láser, como han demostrado la NASA y operadores comerciales como Starlink. Estos puntos de presencia se conectan a una o varias pasarelas. El gráfico ilustra estos enlaces entre las pasarelas y los satélites como enlaces de backhaul de banda ancha para las torres de telefonía móvil terrestres.

¿Las redes no terrestres (NTN) sólo funcionan en órbitas terrestres bajas (LEO)?

Las redes no terrestres (NTN) operan en órbita geoestacionaria (GEO), órbita terrestre media (MEO) y órbita terrestre baja (LEO). La investigación de las NTN 6G incluye órbitas altamente elípticas (HEO) y órbitas terrestres muy bajas (VLEO) para soportar latencia ultrabaja y cobertura global, especialmente para casos de uso de movilidad e IoT. La concentración actual de las principales aplicaciones de la NTN 5G se encuentra en GEO y LEO. El crecimiento explosivo actual de los satélites LEO proporciona la base para la mayoría de los casos de uso de NTN en las industrias comercial, gubernamental y militar. Los satélites de órbita terrestre baja ofrecen una latencia de tan sólo 6-30 milisegundos, frente a los ~150 ms de los MEO y los ~280 ms de los GEO, lo que hace que los LEO sean ideales para aplicaciones en tiempo real como la conectividad directa entre dispositivos.

Cada órbita plantea retos diferentes en las redes de comunicación. En LEO, el satélite opera a una distancia más cercana, pero se desplaza con mayor rapidez. Debido a la proximidad, se pueden tener comunicaciones de baja latencia del satélite a tierra. En cambio, los GEO tradicionales ofrecen conexiones fijas de larga duración con un retardo mucho mayor en la trayectoria de la señal entre los satélites en esa órbita y las estaciones terrestres. Este proceso aumenta exponencialmente la latencia en función del número de veces que la señal debe viajar entre puntos. Por ejemplo, si el satélite debe dar la vuelta al mundo, se producirá una latencia notable.

La latencia también aparece en los escenarios de almacenamiento y retransmisión. En este caso, un satélite recibe una señal y la transmite más tarde, cuando obtiene visibilidad de la estación terrestre de destino. Esto suele denominarse transmisión discontinua.

¿Cuáles son las ventajas de las NTN?

La principal ventaja de las NTN es su mayor cobertura. Regiones remotas e insuficientemente atendidas, como zonas rurales, islas y comunidades aisladas, pueden beneficiarse de esta tecnología. Las NTN también pueden dar servicio a buques en alta mar, aeronaves en vuelo, drones, vehículos autónomos y dispositivos wearables, lo que favorece una conectividad sin fisuras en futuros escenarios 6G centrados en la movilidad. Las NTN permiten a los proveedores de servicios de red operar en un mercado sin explotar y ofrecer servicios premium que superan las capacidades de las redes terrestres tradicionales. Las NTN satisfacen la creciente demanda de datos, transmitiendo y recibiendo más información a través de sus satélites de comunicaciones y transferencia de datos. Las aplicaciones de máquina a máquina (M2M) y de IoT masivo, como la agricultura inteligente, la logística autónoma, la detección del clima y la automatización industrial, se benefician de la conectividad mejorada por IA y de bajo consumo de las NTN en 6G. 

Las redes no terrestres también añaden una capa de resistencia y redundancia a la red 5G existente. En caso de catástrofes naturales, conflictos regionales o cortes de red, las NTN de la era 6G pueden ofrecer arquitecturas distribuidas e impulsadas por IA que permitan una recuperación rápida y servicios de emergencia prioritarios durante las catástrofes, garantizando una comunicación ultrafiable y de baja latencia incluso cuando falle la infraestructura terrestre. La ventaja de una constelación de satélites LEO distribuida es que reparte los riesgos y los costes entre cientos o miles de satélites. 

Al potenciar las comunicaciones no terrestres, las NTN aportan numerosas ventajas, entre ellas:

• Cobertura ubicua
• Mejoras en el apoyo a emergencias críticas.
• Funcionalidad de mejora del diagnóstico para la agricultura mediante capacidades de detección.
• Seguimiento preciso de las variables terrestres y climáticas.
• Reparto eficaz del riesgo y los gastos entre los satélites.
• Advanced de detección Advanced y medioambiental para la monitorización en tiempo real de la calidad del aire.

¿Cuáles son los retos a los que se enfrentan las NNA?

Las NTN y sus aplicaciones afrontan una serie de retos, y surgirán obstáculos adicionales a medida que evolucionen estas redes.

El entorno espacial: El espacio es el principal reto para las NTN. Una vez desplegados, los equipos son inaccesibles. Además, los sistemas deben funcionar en un entorno extremadamente duro, con temperaturas y radiaciones extremas. Para que funcionen correctamente, los sistemas también deben proporcionar una generación y almacenamiento de energía constantes. La construcción de redes malladas en el espacio agrava estas complejidades al multiplicar las posibilidades de que surjan problemas.

Tamaño, peso, potencia y coste: Otra preocupación son los límites físicos de la colocación de recursos informáticos y de radiofrecuencia de alta frecuencia en el cielo. El tamaño, el peso, la potencia y el coste (SWaP-C) se convierten en problemas cuando se pasa de los satélites GEO de 20 toneladas a satélites LEO y plataformas HAPS más compactos, y las cargas útiles deben transformarse en consecuencia. Los diseños de NTN 6G están evolucionando para mitigar las limitaciones de SWaP-C separando las funciones de los satélites: los satélites de servicio se centran en los enlaces de usuario, mientras que los satélites alimentadores se encargan de las funciones RAN y básicas, optimizando la masa de la carga útil y el uso de energía.

Conexión en constante movimiento: Las redes no terrestres ponen algunas cosas, o quizás todo en la red, en constante movimiento. Los movimientos de los satélites NTN y HAPS influyen en la configuración de la conexión, la calidad de la señal y los traspasos. En una NTN 5G, las instancias gNodeB y partes de la red de acceso radioeléctrico (RAN) que vuelan en el aire se suman al movimiento de cualquier equipo de usuario (UE) en la superficie.

Elección de la carga útil: La elección entre carga útil transparente o regenerativa puede cambiar completamente la organización de la red y el encaminamiento de la señal resultante. Con los satélites LEO en movimiento, todas las relaciones de temporización son dinámicas. Lo que está en juego es la calidad de servicio (QoS) de la experiencia del usuario, principalmente debido a retrasos variables y traspasos complejos que pueden dar lugar a conexiones interrumpidas. En la NTN 6G, las cargas útiles regenerativas están ganando terreno, permitiendo la funcionalidad gNodeB a bordo y los enlaces entre satélites (ISL) para mejorar la cobertura, la latencia y la gestión de la movilidad, mientras que las cargas útiles transparentes siguen siendo más sencillas pero dependen en gran medida de la infraestructura terrestre.

Latencia: El retardo en la transmisión de la señal se debe a que esta se envía entre la tierra y el(los) satélite(s). Si bien las NTN tradicionales se enfrentan a limitaciones de latencia, la investigación de las NTN 6G avanza hacia el soporte de Comunicaciones de latencia ultrabaja y alta fiabilidad 3GPP (URLLC) casos de uso a través de tecnologías como las comunicaciones de terahercios, las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) y el enrutamiento impulsado por IA, con el objetivo de lograr una latencia de submilisegundos y una fiabilidad del 99,99999 %.

La seguridad: Aunque una constelación de satélites LEO distribuida reparte los costes y los riesgos entre los satélites, el hardware es vulnerable al pasar por territorios hostiles. Las necesidades de seguridad nacional exigen ciberprotecciones y operaciones novedosas para proteger las infraestructuras desplegadas en el espacio. Por ejemplo, la Fuerza Espacial de Estados Unidos tiene encomendada esta misión para todas las ramas militares y gubernamentales. La 6G NTN introduce nuevos retos de ciberseguridad, como la explotación de la IA, los riesgos de la piratería cuántica y las amenazas con conciencia semántica. Entre las soluciones que se están estudiando figuran los protocolos de autenticación sensibles al contexto, los modelos de confianza basados en blockchain y la detección de anomalías basada en IA para proteger entornos NTN dinámicos y distribuidos.

¿Qué es el NTN 5G?

El término NTN suele incluir la telefonía móvil de quinta generación (5G ) como un aspecto de la red. Las NTN 5G toman muchas características de las redes terrestres 5G y se enfrentan a muchos de los mismos retos, lo que añade mayores expectativas de fiabilidad para el servicio NTN 5G en comparación con las anteriores redes SATCOM. Las estaciones base, que normalmente son redes terrestres formadas por torres en tierra, están pasando de la tierra al aire y al espacio. La red central 5G se denomina núcleo de nueva generación (NGC). Una NTN 5G está formada por un UE, que consiste en un dispositivo móvil como un teléfono móvil o un sensor. En caso necesario, el UE se comunica con estaciones base, cada una de ellas denominada gNodeB.

Esta configuración es la típica de un NTN 5G. Sin embargo, existen muchas variaciones. Por ejemplo, no todas las aplicaciones NTN requieren el gNodeB. Se puede tener una red central que sea Internet directamente conectada a una pasarela en un sistema propietario. Otro enfoque alternativo es utilizar la NTN para la computación de borde, situando el borde de la red en el satélite.

Existen varios enfoques para una arquitectura NTN 5G. Por ejemplo, un activo aéreo o satélite puede funcionar como un tubo doblado entre el UE y el gNodeB. Ese dispositivo recibirá señales en la frecuencia 1 y las transmitirá en la frecuencia 2 para facilitar las comunicaciones de red no terrestre en un amplio rango geográfico. En este modelo, hay que tener en cuenta que los UE necesitan potencia y sensibilidad suficientes para transmitir y recibir desde la tubería doblada del satélite. El gNodeB puede estar en tierra siempre que pueda comunicarse con el tubo doblado por satélite NTN.

Una arquitectura alternativa tiene el gNodeB en el propio activo aéreo o espacial. En este caso, los UE se comunican con ese activo aéreo. La red central también está conectada a ese activo aéreo o espacial. Otros ejemplos introducen nodos de retransmisión para interactuar con el equipo de usuario estándar con la tubería doblada por satélite o con los equipos de usuario a un gNodeB aéreo o espacial.

La introducción de las RAN 5G altera la arquitectura tradicional de las redes terrestres 5G y abre un cambio de paradigma en la conectividad. Existen muchas alternativas para los satélites y HAPS que participan en los dominios gNodeB y RAN, algunas con múltiples satélites en la cadena dispersos a lo largo de kilómetros de cielo. Las NTN 5G toman muchas características de las redes terrestres 5G y se enfrentan a muchos de los mismos retos, lo que añade mayores expectativas de fiabilidad para el servicio NTN 5G en comparación con las anteriores redes SATCOM.

¿Cuáles son las principales diferencias entre las NTN 5G y 6G?

La 5G NTN es un complemento de la 5G terrestre, que proporciona principalmente conectividad por satélite o aérea para ampliar la cobertura a zonas remotas o desatendidas y se basa en las mejoras definidas en las versiones 17 y 18 del 3GPP. La 6G NTN se encuentra aún en fase de investigación y normalización inicial, y su conjunto completo de capacidades y diferenciadores está siendo debatido activamente por el 3GPP, la UIT y los principales grupos del sector. A continuación se resumen las principales orientaciones y los avances previstos, aunque están sujetos a cambios a medida que evolucionan la Exploreción técnica y el consenso mundial: 

Integración nativa NTN-TN: La armonización de las redes terrestres y no terrestres es una de las principales propuestas para la 6G, y la investigación del 3GPP y la UIT se centra en el codiseño para permitir transiciones fluidas y una arquitectura unificada. Esto difiere del planteamiento de 5G, donde las NTN son un complemento. Los pormenores de esta integración no están ultimados y son objeto de estudio y colaboración a nivel mundial.

Advanced y detecciónAdvanced : Diversas iniciativas de investigación están estudiando el posicionamiento con una precisión de centímetros mediante la integración de señales procedentes de diversas capas de redes de telecomunicaciones no terrestres (NTN), lo que podría resolver el problema de la localización en lugares donde no se dispone de GNSS. Los primeros estudios del 3GPP y de la UE apuntan a que esto podría constituir un factor diferenciador, pero la tecnología y las normas aún se encuentran en fase de desarrollo, y aún no han surgido enfoques concretos.

Baja latencia y conectividad masiva: la NTN 6G aspira a superar con creces la capacidad y fiabilidad de la 5G, permitiendo nuevas aplicaciones como el IoT en tiempo real y una robusta banda ancha móvil en todas partes. Estas metas han sido fijadas como objetivos de estudio tanto por la UIT como por el 3GPP, pero la validación y las pruebas de viabilidad están en curso dentro de programas de investigación y piloto.

Nuevas formas de onda y diseño nativo de IA: Se están estudiando varias formas de onda avanzadas y la integración nativa de la IA para la asignación dinámica de recursos. Recientes informes de proyectos del sector han propuesto controladores RAN habilitados para IA y nuevas formas de onda candidatas, pero aún no se han estandarizado por completo ni validado comercialmente.

Sostenibilidad y eficiencia energética: Iniciativas como la 6G-NTN están definiendo activamente parámetros de sostenibilidad y Explorendo principios de diseño ecológico, como ponen de relieve los primeros resultados. Se espera que estos conceptos influyan en gran medida en las posibles normas 6G a medida que vayan madurando.

¿Son lo mismo las NTN y las comunicaciones por satélite?

Las redes no terrestres anuncian la próxima oleada de comunicaciones por satélite (SATCOM), que pasan a formar parte de las redes celulares. La tecnología de comunicación por satélite cubre zonas de difícil acceso sin infraestructuras o plataformas aisladas para soportar despliegues de redes celulares. El uso de SATCOM también proporciona fiabilidad adicional para la máquina a máquina (M2M) / IoT y conectividad para plataformas móviles, como aviones, trenes y coches.

Para satisfacer las nuevas demandas de rendimiento de SATCOM, la industria de satélites se esfuerza por alcanzar un mayor rendimiento, anchos de banda más amplios y frecuencias operativas más altas. Cada vez más, las redes dependen también de enlaces fotónicos ópticos. Las redes no terrestres también necesitan suministrar suficiente potencia a los receptores a pesar del espacio libre, la meteorología, las nubes y otras condiciones ionosféricas. Dada la creciente complejidad de las NTN y SATCOM, es necesario probar los sistemas de comunicación por satélite con modelos ambientales realistas, añadiendo buffering para señales retardadas y simulando el retardo deslizante para crear una cinemática de satélite realista. Keysight apoya el desarrollo, la fabricación, el despliegue y el mantenimiento de redes no terrestres en todo el flujo de trabajo terrestre y aéreo / espacial, incluyendo las pruebas de enlaces satelitales 5G NR NTN.

¿Cómo apoya Keysight los casos de uso de NTN?

Keysight apoya el desarrollo y la verificación continua del rendimiento para casos de uso de NTN como los siguientes:

• Cobertura de zonas sin servicio
• Servicio para aviones, barcos, trenes, autobuses, etc.
• Hombre a máquina e IoT
• Requisitos de latencia menos estrictos
• Disponibilidad del servicio
• Escalabilidad de las redes 5G Advanced 6G

Keysight ofrece entornos de pruebas NTN de extremo a extremo que pueden virtualizar el acceso a la red e incluso la constelación completa de satélites. Reemplace la red de radio con capacidad NTN con Keysight UXM 5G, un dispositivo de emulación de red NTN totalmente capaz. Recree enlaces satelitales con los emuladores de canal Keysight PROPSIM, acompañados por el generador avanzado de señales de microondas Keysight VXG y el analizador de señales Keysight UXA. Obtenga control total sobre el sistema bajo prueba y visibilidad completa de los nodos y enlaces NTN. Puede añadir fácilmente hardware para ampliar el rango de frecuencias y cubrir todas las bandas principales de NTN, como la banda X y la banda K.

Con la creación flexible de escenarios Channel Studio, también puede probar hardware de radio satelital real y la solución tanto a nivel de nodo como de red. Solucione problemas de rendimiento utilizando el analizador inalámbrico Keysight WaveJudge y el análisis vectorial de señales (VSA ) Keysight PathWave que se ejecuta en los analizadores de señales UXA. Para analizar flujos IQ más allá de WaveJudge, puede utilizar la funcionalidad interna de captura y flujo IQ de PROPSIM.

También puede generar condiciones de prueba realistas en el laboratorio combinando el generador de señales de microondas VXG con PROPSIM y la representación realista UeSIM del comportamiento del terminal de usuario. Obtenga más información sobre cómo Keysight apoya el desarrollo continuo de las NTN de tierra a aire en todo su flujo de trabajo, ayudando a conectar y asegurar las comunicaciones futuras.