Avantages, défis et applications des réseaux non terrestres

Qu'est-ce qu'un réseau non terrestre (RNT) ?

Un réseau non-terrestre (NTN) est un réseau de communication incorporant des équipements aéroportés ou spatiaux ainsi que des équipements au sol. Ces réseaux hybrides utilisent la technologie de communication par satellite (SATCOM) pour étendre les communications cellulaires existantes. Un réseau non terrestre ou NTN fait généralement référence aux réseaux reliant le monde cellulaire et les liaisons par satellite et à la manière d'obtenir un accès direct aux réseaux satellitaires pour les utilisateurs finaux.

Avec l'avènement de la 6G, les NTN évoluent pour prendre en charge une latence ultra-faible, une connectivité à haut débit et une intégration transparente avec les réseaux terrestres, permettant ainsi des applications avancées telles que les opérations à distance en temps réel, la réalité étendue immersive (XR) et la couverture mondiale de l'IdO.

Aujourd'hui, la nouvelle course à l'espace se concentre principalement sur les NTN, car les gouvernements et les entreprises cherchent à améliorer les capacités de communication, de surveillance, de détection et de contrôle. Le NTN est l'évolution la plus récente des SATCOM et un élément clé de la commercialisation de l'espace. Le NTN présente une complexité inhérente considérable, car le réseau non terrestre utilise le satellite NTN pour le trafic de retour, le transformant d'un simple relais en un composant crucial.

Qu'est-ce qu'un réseau non terrestre (RNT) ?

Un NTN est un réseau qui comprend des nœuds qui ne sont pas physiquement situés sur Terre. Bien que nous pensions principalement aux satellites dans les réseaux NTN, d'autres composants peuvent consister en des plateformes à basse altitude (LAP), des pseudo-satellites à haute altitude (HAPS), des drones, des ballons et des véhicules aériens sans pilote (UAV) agissant comme des stations de base, qui sont de plus en plus pris en compte dans les architectures NTN 6G. 

La plupart des développements se concentrent désormais sur la connectivité directe par satellite (D2D), rendue possible par la version 17 du 3GPP et au-delà, permettant aux smartphones standard de communiquer directement avec les satellites à l'aide des protocoles 5G NR NTN.

Chaque réseau non terrestre(RNT) comporte plusieurs points de présence où le réseau satellitaire se connecte à l'internet terrestre. Les liaisons par fibre optique relient les stations terrestres entre elles, tandis que les liaisons optiques par laser sont de plus en plus utilisées entre les satellites, offrant une communication à grande vitesse, à faible latence et résistante aux interférences, essentielle pour l'évolutivité des réseaux non terrestres de 6G. À partir de passerelles satellitaires au sol, des liaisons à large bande relient les réseaux cellulaires aux constellations de satellites, avec des liaisons d'alimentation atteignant désormais jusqu'à 200 Gbps à l'aide de liaisons optiques intersatellites (OISL) et de systèmes de communication laser, comme l'ont démontré la NASA et des opérateurs commerciaux tels que Starlink. Ces points de présence sont reliés à une ou plusieurs passerelles. Le graphique illustre ces liaisons entre les passerelles et les satellites comme les liaisons de retour à large bande pour les tours cellulaires terrestres.

Les réseaux non terrestres (RNT) fonctionnent-ils uniquement en orbite terrestre basse (LEO) ?

Les réseaux non terrestres(NTN) fonctionnent en orbite géostationnaire (GEO), en orbite terrestre moyenne (MEO) et en orbite terrestre basse (LEO). La recherche sur les NTN 6G inclut les orbites hautement elliptiques (HEO) et l'orbite terrestre très basse (VLEO) pour prendre en charge une latence ultra-faible et une couverture mondiale, en particulier pour les cas d'utilisation de la mobilité et de l'IoT. Les applications principales de la 5G NTN se concentrent actuellement sur les orbites GEO et LEO. La croissance explosive actuelle des satellites LEO constitue la base de la plupart des cas d'utilisation NTN dans les secteurs commercial, gouvernemental et militaire. Les satellites en orbite basse offrent une latence aussi faible que 6-30 millisecondes, par rapport à ~150 ms pour MEO et ~280 ms pour GEO, ce qui rend LEO idéal pour les applications en temps réel telles que la connectivité directe avec les appareils.

Chaque orbite pose des problèmes différents aux réseaux de communication. En orbite basse, le satellite fonctionne à une distance plus proche mais se déplace plus rapidement. En raison de cette proximité, il est possible d'avoir des communications à faible latence entre le satellite et le sol. En revanche, les orbites géostationnaires traditionnelles offrent des connexions fixes de longue durée avec un délai beaucoup plus long sur le trajet du signal entre les satellites de cette orbite et les stations terrestres. Ce processus augmente exponentiellement la latence en fonction du nombre de fois que le signal doit voyager entre les points. Par exemple, si le satellite doit faire le tour du monde, le temps de latence sera considérable.

La latence apparaît également dans les scénarios de stockage et de transmission. Dans ce cas, un satellite reçoit un signal, puis le transmet plus tard lorsqu'il devient visible pour la station terrestre cible. Cette situation est souvent appelée transmission discontinue.

Quels sont les avantages des NTN ?

Le principal avantage des NTN est l'extension de la couverture. Les régions éloignées et mal desservies, telles que les zones rurales, les îles et les communautés isolées, peuvent bénéficier de cette technologie. Les NTN peuvent également fournir des services aux navires en mer, aux avions en vol, aux drones, aux véhicules autonomes et aux dispositifs portables, en soutenant une connectivité transparente dans les futurs scénarios 6G centrés sur la mobilité. Les NTN permettent aux fournisseurs de services de réseau d'opérer sur un marché autrement inexploité et d'offrir des services haut de gamme dépassant les capacités des réseaux terrestres traditionnels. Les NTN répondent à la demande sans cesse croissante de données, en transmettant et en recevant davantage d'informations par l'intermédiaire de leurs satellites pour les communications et le transfert de données. Les applications Machine-to-machine (M2M) et IoT massives, notamment l'agriculture intelligente, la logistique autonome, la détection du climat et l'automatisation industrielle, bénéficient de la connectivité NTN à faible consommation et améliorée par l'IA dans le cadre de la 6G. 

Les réseaux non terrestres ajoutent également une couche de résilience et de redondance au réseau 5G existant. En cas de catastrophes naturelles, de conflits régionaux ou de pannes de réseau, les réseaux non terrestres de l'ère de la 6G peuvent offrir des architectures distribuées, pilotées par l'IA, qui permettent une reprise rapide et des services d'urgence prioritaires en cas de catastrophe, garantissant une communication ultra-fiable et à faible latence même en cas de défaillance de l'infrastructure terrestre. L'avantage d'une constellation de satellites LEO distribués est qu'elle répartit les risques et les coûts sur des centaines ou des milliers de satellites. 

En stimulant les communications non terrestres, les NTN offrent de nombreux avantages, notamment

• Une couverture omniprésente
• Amélioration de l'aide d'urgence.
• Fonctionnalité d'amélioration du diagnostic pour l'agriculture grâce à des capacités de détection.
• Surveillance précise des variables terrestres et climatiques.
• Répartition efficace des risques et des coûts entre les satellites.
• Systèmes Advanced de détection Advanced et environnementale pour la surveillance en temps réel de la qualité de l'air.

Quels sont les défis auxquels sont confrontés les NTN ?

Les NTN et leurs applications sont confrontés à un certain nombre de défis, et d'autres obstacles apparaîtront au fur et à mesure de l'évolution de ces réseaux.

L'environnement spatial : L'espace est le principal défi pour les NTN. Une fois déployé, l'équipement est inaccessible. En outre, les systèmes doivent fonctionner dans un environnement extrêmement difficile, avec des températures et des radiations extrêmes. Pour être performants, les systèmes doivent également assurer une production d'énergie et un stockage cohérents. La construction de réseaux maillés dans l'espace exacerbe ces complexités en multipliant les risques de problèmes.

Taille, poids, puissance et coût : Une autre préoccupation concerne les limites physiques de l'installation dans le ciel de ressources informatiques et de radiofréquences à haute fréquence. La taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C) deviennent des problèmes lorsque l'on s'éloigne des satellites GEO de 20 tonnes pour aller vers des satellites LEO plus compacts et des plates-formes HAPS, et les charges utiles doivent être transformées en conséquence. Les conceptions NTN 6G évoluent pour atténuer les limitations SWaP-C en séparant les rôles des satellites : les satellites de service se concentrent sur les liaisons utilisateur, tandis que les satellites d'alimentation gèrent les fonctions RAN et centrales, optimisant ainsi la masse de la charge utile et l'utilisation de l'énergie.

Une connexion en mouvement constant : Les réseaux non terrestres mettent certains éléments, voire tous les éléments du réseau, en mouvement constant. Les mouvements des satellites NTN et des HAPS influent sur l'établissement de la connexion, la qualité du signal et les transferts. Dans un réseau NTN 5G, les instances gNodeB et les parties du réseau d'accès radio (RAN) volant en altitude s'ajoutent au mouvement de tout équipement utilisateur (UE) à la surface.

Choix de la charge utile : Le choix entre des charges utiles transparentes ou régénératives peut modifier complètement l'organisation du réseau et l'acheminement des signaux qui en résulte. Avec les satellites LEO en mouvement, toutes les relations temporelles sont dynamiques. Ce qui est en jeu, c'est la qualité de service (QoS) de l'expérience de l'utilisateur, principalement en raison des retards variables et des transferts complexes qui peuvent entraîner des interruptions de connexion. Dans les NTN 6G, les charges utiles régénératives gagnent du terrain, permettant la fonctionnalité gNodeB embarquée et les liaisons intersatellites (ISL) pour améliorer la couverture, la latence et la gestion de la mobilité, tandis que les charges utiles transparentes restent plus simples mais dépendent fortement de l'infrastructure au sol.

Latence : Le délai de transmission du signal provient de l'envoi du signal entre le sol et le(s) satellite(s). Alors que les réseaux non terrestres (NTN) traditionnels sont confrontés à des limitations de latence, la recherche sur les NTN 6G progresse vers la prise en charge des Communications ultra-fiables à faible latence (URLLC) 3GPP cas d'utilisation grâce à des technologies telles que les communications térahertz, les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) et le routage piloté par l'IA, visant une latence inférieure à la milliseconde et une fiabilité de 99,99999 %.

Sécurité : Bien qu'une constellation de satellites LEO répartis répartisse les coûts et les risques sur l'ensemble des satellites, le matériel est vulnérable lorsqu'il passe au-dessus de territoires hostiles. Les besoins en matière de sécurité nationale exigent des cyberprotections et des opérations inédites pour protéger les infrastructures déployées dans l'espace. Par exemple, l'U.S. Space Force est chargée de cette mission pour toutes les branches de l'armée et du gouvernement. La 6G NTN pose de nouveaux défis en matière de cybersécurité, notamment l'exploitation de l'IA, les risques de piratage quantique et les menaces sémantiques. Les solutions explorées comprennent des protocoles d'authentification tenant compte du contexte, des modèles de confiance basés sur la blockchain et la détection d'anomalies pilotée par l'IA pour sécuriser les environnements NTN dynamiques et distribués.

Qu'est-ce que le 5G NTN ?

Le terme NTN inclut généralement le cellulaire de cinquième génération (5G ) en tant qu'aspect du réseau. Les réseaux NTN de la 5G s'inspirent des réseaux terrestres de la 5G et sont confrontés à la plupart des mêmes défis, ce qui ajoute des attentes plus élevées en matière de fiabilité pour le service NTN de la 5G par rapport aux réseaux SATCOM antérieurs. Les stations de base, qui sont normalement des réseaux terrestres composés de tours au sol, passent de la terre à l'air et à l'espace. Le réseau central de la 5G est appelé réseau central de prochaine génération (NGC). Un NTN 5G comprend un UE, c'est-à-dire un appareil mobile tel qu'un téléphone portable ou un capteur. Si nécessaire, l'UE communique avec des stations de base, chacune appelée gNodeB.

Cette configuration est une installation typique de 5G NTN. Cependant, il existe de nombreuses variantes. Par exemple, toutes les applications NTN ne nécessitent pas le gNodeB. Vous pouvez avoir un réseau central qui est l'internet directement connecté à une passerelle sur un système propriétaire. Une autre approche consiste à utiliser le NTN pour l'informatique de périphérie, en plaçant la périphérie du réseau dans le satellite.

Il existe plusieurs approches de l'architecture NTN 5G. Par exemple, une ressource aérienne ou un satellite peut fonctionner comme un tuyau coudé entre l'UE et le gNodeB. Ce dispositif recevra des signaux sur la fréquence 1 et les transmettra sur la fréquence 2 pour faciliter les communications du réseau non terrestre sur une vaste étendue géographique. Dans ce modèle, il convient de noter que les UE ont besoin d'une puissance et d'une sensibilité suffisantes pour émettre et recevoir à partir du tuyau coudé du satellite. Le gNodeB peut être basé au sol tant qu'il peut communiquer avec le satellite NTN.

Une autre architecture consiste à placer le gNodeB sur l'appareil aéroporté ou spatial lui-même. Dans ce cas, l'utilisateur communique avec ce dispositif aérien. Le réseau central est également connecté à ce bien aérien ou spatial. D'autres exemples introduisent des nœuds de relais pour assurer l'interface soit avec l'UE standard avec le tuyau coudé du satellite, soit avec les UE vers un gNodeB aérien ou spatial.

L'introduction des NTN 5G perturbe l'architecture traditionnelle du réseau terrestre 5G et ouvre la voie à un changement de paradigme en matière de connectivité. Il existe de nombreuses alternatives pour les satellites et les HAPS participant aux domaines gNodeB et RAN, certains avec plusieurs satellites dans la chaîne dispersés sur des kilomètres de ciel. Les réseaux NTN 5G s'inspirent de nombreuses caractéristiques des réseaux terrestres 5G et sont confrontés à de nombreux défis identiques, ce qui ajoute des attentes plus élevées en matière de fiabilité pour le service NTN 5G par rapport aux réseaux SATCOM antérieurs.

Quelles sont les principales différences entre les NTN 5G et 6G ?

La 5G NTN est un complément à la 5G terrestre, fournissant principalement une connectivité satellitaire ou aérienne pour étendre la couverture aux zones éloignées ou mal desservies, et elle est basée sur les améliorations définies dans les versions 17 et 18 du 3GPP. La 6G NTN en est encore au stade de la recherche et des premières phases de normalisation, l'ensemble de ses capacités et de ses différentiateurs faisant l'objet de discussions actives au sein du 3GPP, de l'UIT et de groupes industriels de premier plan. Ce qui suit résume les principales orientations et les avancées attendues, mais il est susceptible d'être modifié au fur et à mesure de l'évolution de l'exploration technique et du consensus mondial : 

Intégration native NTN-TN : L'harmonisation des réseaux terrestres et non terrestres est une proposition fondamentale pour la 6G, la recherche du 3GPP et de l'UIT se concentrant sur la co-conception pour permettre des transitions transparentes et une architecture unifiée. Cette approche diffère de celle de la 5G, où les réseaux non terrestres sont un ajout. Les spécificités de cette intégration ne sont pas finalisées et font l'objet d'une étude et d'une collaboration à l'échelle mondiale.

Advanced et détectionAdvanced : Des projets de recherche étudient actuellement le positionnement au centimètre près en intégrant les signaux provenant de différentes couches du réseau NTN, ce qui pourrait permettre la localisation dans les zones où le GNSS n'est pas disponible. Les premières études menées par le 3GPP et l'UE indiquent qu'il pourrait s'agir d'un facteur de différenciation, mais la technologie et les normes sont encore en cours d'évolution, et aucune approche concrète ne s'est encore imposée.

Faible latence et connectivité massive : la 6G NTN vise à dépasser de loin la capacité et la fiabilité de la 5G, permettant de nouvelles applications telles que l'IoT en temps réel et un haut débit mobile robuste partout. Ces objectifs ont été fixés comme objectifs d'étude par l'UIT et le 3GPP, mais la validation et les tests de faisabilité sont en cours dans le cadre de programmes de recherche et de programmes pilotes.

Nouvelles formes d'onde et conception native de l'IA : Plusieurs formes d'onde avancées et l'intégration native de l'IA pour l'allocation dynamique des ressources sont à l'étude. Des rapports de projets industriels récents ont proposé des contrôleurs RAN basés sur l'IA et de nouvelles formes d'onde candidates, mais celles-ci n'ont pas encore été entièrement normalisées ou validées commercialement.

Durabilité et efficacité énergétique : Des initiatives telles que le 6G-NTN définissent activement des mesures de durabilité et explorent des principes de conception écologiques, comme le soulignent les premiers résultats. On s'attend à ce que ces concepts influencent fortement les normes 6G au fur et à mesure qu'elles arrivent à maturité.

Les NTN et les communications par satellite sont-ils la même chose ?

Les réseaux non terrestres annoncent la prochaine vague de communications par satellite (SATCOM), qui fera partie intégrante des réseaux cellulaires. La technologie de communication par satellite couvre les zones difficiles d'accès dépourvues d'infrastructures ou de plateformes isolées pour soutenir les déploiements de réseaux cellulaires. L'utilisation de SATCOM offre également une fiabilité supplémentaire pour les communications machine à machine (M2M) / IoT et la connectivité pour les plateformes mobiles, telles que les avions, les trains et les voitures.

Pour répondre aux nouvelles exigences de performance en matière de SATCOM, l'industrie des satellites s'efforce d'atteindre des débits plus élevés, des largeurs de bande plus importantes et des fréquences de fonctionnement plus élevées. De plus en plus, les réseaux s'appuient également sur des liaisons photoniques optiques. Les réseaux non terrestres doivent également fournir suffisamment de puissance aux récepteurs malgré l'espace libre, les conditions météorologiques, les nuages et d'autres conditions ionosphériques. Compte tenu de la complexité croissante des réseaux non terrestres et des SATCOM, vous devez tester les systèmes de communication par satellite avec des modèles environnementaux réalistes, en ajoutant une mémoire tampon pour les signaux retardés et en simulant le délai de glissement pour créer une cinématique de satellite réaliste. Keysight prend en charge le développement, la fabrication, le déploiement et la maintenance des réseaux non terrestres sur l'ensemble du flux de travail terrestre et aérien / spatial, y compris le test des liaisons satellite 5G NR NTN.

Comment Keysight prend-il en charge les cas d'utilisation de NTN ?

Keysight soutient le développement et la vérification continue des performances pour les cas d'utilisation de NTN tels que les suivants :

• Couverture des zones non desservies
• Service pour les avions, les bateaux, les trains, les bus, etc.
• L'homme à la machine et l'IdO
• Exigences assouplies en matière de temps de latence
• Disponibilité du service
• Évolutivité des réseaux 5G Advanced 6G

Keysight fournit des environnements de test NTN de bout en bout qui peuvent virtualiser l'accès au réseau et même la constellation complète de satellites. Remplacez le réseau radio compatible NTN par Keysight UXM 5G, un dispositif d'émulation de réseau NTN entièrement capable. Recréez les liaisons par satellite avec les émulateurs de canaux PROPSIM de Keysight, accompagnés du générateur de signaux hyperfréquences avancé VXG de Keysight et de l'analyseur de signaux UXA de Keysight. Contrôlez entièrement le système testé et bénéficiez d'une visibilité totale sur les nœuds et les liaisons NTN. Vous pouvez facilement ajouter du matériel pour étendre la gamme de fréquences afin de couvrir toutes les principales bandes NTN, telles que la bande X et la bande K.

Grâce à la souplesse de création des scénarios de Channel Studio, vous pouvez également tester le matériel de radio satellite réel et la solution au niveau du nœud et du réseau. Dépannez les problèmes de performance à l'aide de l'analyseur sans fil Keysight WaveJudge et du logiciel Keysight PathWave Vector Signal Analysis (VSA) fonctionnant sur les analyseurs de signaux UXA. Pour analyser les flux IQ au-delà de WaveJudge, vous pouvez utiliser la fonctionnalité interne de capture et de flux IQ de PROPSIM.

Vous pouvez également générer des conditions de test réalistes en laboratoire en combinant le générateur de signaux hyperfréquences VXG avec PROPSIM et UeSIM, qui représentent de manière réaliste le comportement des terminaux des utilisateurs. Découvrez comment Keysight soutient le développement continu des NTN du sol à l'air dans l'ensemble de votre flux de travail, en aidant à connecter et à sécuriser les communications futures.