Vantaggi, sfide e applicazioni delle reti non terrestri

Che cos'è una rete non terrestre (NTN)?

Una rete non terrestre (NTN) è una rete di comunicazione che incorpora risorse aeree o spaziali e risorse a terra. Queste reti ibride applicano la tecnologia di comunicazione satellitare (SATCOM) per estendere le comunicazioni cellulari esistenti. Una rete non terrestre o NTN si riferisce solitamente alle reti che collegano il mondo cellulare e i collegamenti satellitari e a come ottenere l'accesso diretto alle reti satellitari per gli utenti finali.

Con l'avvento del 6G, le NTN si stanno evolvendo per supportare una latenza ultrabassa, una connettività ad alta velocità e una perfetta integrazione con le reti terrestri, consentendo applicazioni avanzate come le operazioni remote in tempo reale, la realtà estesa (XR) immersiva e la copertura IoT globale.

La nuova corsa allo spazio di oggi si concentra principalmente sulle NTN, in quanto i governi e le aziende cercano di far progredire le comunicazioni, la sorveglianza, il rilevamento e le capacità di monitoraggio. L'NTN è la più recente evoluzione SATCOM e un sostenitore chiave della commercializzazione dello spazio. L'NTN presenta una notevole complessità intrinseca, poiché la rete non terrestre utilizza il satellite NTN per il traffico di backhaul, trasformandolo da semplice relè a componente cruciale.

Che cosa costituisce una rete non terrestre (NTN)?

Una NTN è una rete che comprende nodi non fisicamente situati sulla Terra. Sebbene nelle NTN si pensi principalmente ai satelliti, altri componenti possono essere costituiti da piattaforme a bassa quota (LAP), pseudosatelliti ad alta quota (HAPS), droni, palloni aerostatici e veicoli aerei senza pilota (UAV) che fungono da stazioni base, sempre più considerati nelle architetture NTN 6G. 

La maggior parte dello sviluppo si concentra ora sulla connettività satellitare direct-to-device (D2D), abilitata dalla Release 17 del 3GPP e oltre, che consente agli smartphone standard di comunicare direttamente con i satelliti utilizzando i protocolli 5G NR NTN.

Ogni rete non terrestre(NTN) ha diversi punti di presenza in cui la rete satellitare si collega a Internet terrestre. I collegamenti in fibra ottica collegano tra loro le stazioni terrestri, mentre i collegamenti laser-ottici sono sempre più utilizzati tra i satelliti, offrendo comunicazioni ad alta velocità, a bassa latenza e resistenti alle interferenze, essenziali per la scalabilità delle NTN 6G. Dai gateway satellitari a terra, i collegamenti a banda larga collegano le reti cellulari alle costellazioni satellitari, con collegamenti feeder che ora raggiungono i 200 Gbps utilizzando collegamenti ottici intersatellitari (OISL) e sistemi di comunicazione laser, come dimostrato dalla NASA e da operatori commerciali come Starlink. Questi punti di presenza si collegano a uno o più gateway. Il grafico illustra questi collegamenti tra i gateway e i satelliti come collegamenti backhaul a banda larga per le torri cellulari terrestri.

Le reti non terrestri (NTN) operano solo in orbite terrestri basse (LEO)?

Le reti non terrestri(NTN) operano in orbita geostazionaria (GEO), orbita terrestre media (MEO) e orbita terrestre bassa (LEO). La ricerca sulle NTN 6G include orbite altamente ellittiche (HEO) e orbite terrestri molto basse (VLEO) per supportare una latenza bassissima e una copertura globale, soprattutto per i casi d'uso della mobilità e dell'IoT. L'attuale concentrazione delle applicazioni primarie del 5G NTN è in GEO e LEO. La crescita esplosiva dei satelliti LEO costituisce oggi la base per la maggior parte dei casi d'uso NTN nei settori commerciale, governativo e militare. I satelliti in orbita terrestre bassa offrono una latenza di 6-30 millisecondi, rispetto ai ~150 ms di MEO e ai ~280 ms di GEO, rendendo LEO ideale per applicazioni in tempo reale come la connettività diretta ai dispositivi.

Ogni orbita crea sfide diverse nelle reti di comunicazione. In LEO, il satellite opera a una distanza più ravvicinata ma si muove più rapidamente. Grazie alla vicinanza, è possibile avere comunicazioni a bassa latenza dal satellite alla terra. Al contrario, le orbite GEO tradizionali forniscono connessioni fisse di lunga durata con un ritardo molto maggiore nel percorso del segnale tra i satelliti in quell'orbita e le stazioni a terra. Questo processo aumenta esponenzialmente la latenza a seconda del numero di volte che il segnale deve viaggiare tra i punti. Ad esempio, se il satellite deve fare il giro del mondo, la latenza sarà notevole.

La latenza si verifica anche negli scenari di store and forward. In questo caso, un satellite riceve un segnale e lo trasmette in un secondo momento, quando ottiene la visibilità della stazione terrestre di destinazione. Questa situazione è spesso chiamata trasmissione discontinua.

Quali sono i vantaggi delle NTN?

Il vantaggio principale delle reti NTN è l'estensione della copertura. Le regioni remote e poco servite, come le aree rurali, le isole e le comunità isolate, possono beneficiare di questa tecnologia. Le NTN possono anche fornire servizi a navi in mare, aerei in volo, droni, veicoli autonomi e dispositivi indossabili, supportando una connettività continua nei futuri scenari 6G incentrati sulla mobilità. Le NTN consentono ai fornitori di servizi di rete di operare in un mercato altrimenti non sfruttato e di offrire servizi premium al di là delle capacità delle reti terrestri tradizionali. Le NTN soddisfano la crescente domanda di dati, trasmettendo e ricevendo più informazioni attraverso i loro satelliti per le comunicazioni e il trasferimento di dati. Le applicazioni Machine-to-Machine (M2M) e IoT di massa, tra cui l'agricoltura intelligente, la logistica autonoma, il rilevamento del clima e l'automazione industriale, beneficiano della connettività NTN a basso consumo e potenziata dall'intelligenza artificiale nel 6G. 

Le reti non terrestri aggiungono inoltre un livello di resilienza e ridondanza alla rete 5G esistente. In caso di disastri naturali, conflitti regionali o interruzioni di rete, le reti non terrestri nell'era del 6G possono offrire architetture distribuite e guidate dall'intelligenza artificiale che consentono un recupero rapido e servizi di emergenza prioritari durante i disastri, garantendo comunicazioni ultra-affidabili e a bassa latenza anche in caso di guasti alle infrastrutture terrestri. Il vantaggio di una costellazione satellitare LEO distribuita è quello di distribuire i rischi e i costi su centinaia o migliaia di satelliti. 

Potenziando le comunicazioni non terrestri, le NTN offrono numerosi vantaggi, tra cui:

• Copertura universale
• Miglioramento del supporto alle emergenze critiche.
• Funzionalità di miglioramento della diagnostica per l'agricoltura attraverso le capacità di rilevamento.
• Monitoraggio accurato delle variabili terrestri e climatiche.
• Efficace ripartizione dei rischi e dei costi tra i satelliti.
• Sistemi Advanced di rilevamento Advanced e ambientale per il monitoraggio in tempo reale della qualità dell'aria.

Quali sono le sfide che le NTN devono affrontare?

Le reti NTN e le loro applicazioni si trovano di fronte a una serie di sfide e ulteriori ostacoli sorgeranno con l'evoluzione di queste reti.

L'ambiente spaziale: Lo spazio è la sfida principale per le NTN. Una volta dispiegate, le apparecchiature sono inaccessibili. Inoltre, i sistemi devono operare in un ambiente estremamente difficile, con temperature e radiazioni estreme. Per ottenere prestazioni di successo, i sistemi devono anche fornire una generazione e uno stoccaggio di energia costante. La costruzione di reti mesh nello spazio aggrava queste complessità, moltiplicando le possibilità di problemi.

Dimensioni, peso, potenza e costi: Un'altra preoccupazione è rappresentata dai limiti fisici del posizionamento di risorse RF e di calcolo ad alta frequenza nel cielo. Le dimensioni, il peso, la potenza e il costo (SWaP-C) diventano un problema quando si passa dai satelliti GEO da 20 tonnellate a piattaforme LEO e HAPS più compatte, e i carichi utili devono trasformarsi di conseguenza. I progetti NTN 6G si stanno evolvendo per mitigare le limitazioni SWaP-C separando i ruoli dei satelliti: i satelliti di servizio si concentrano sui collegamenti con gli utenti, mentre i satelliti feeder gestiscono le funzioni RAN e core, ottimizzando la massa del carico utile e l'utilizzo di energia.

Connessione in costante movimento: Le reti non terrestri mettono in costante movimento alcuni elementi, o forse tutto ciò che fa parte della rete. I movimenti dei satelliti NTN e degli HAPS influiscono sull'impostazione della connessione, sulla qualità del segnale e sugli handover. In una rete NTN 5G, le istanze gNodeB e le parti della rete di accesso radio (RAN) che volano in alto si aggiungono al movimento di qualsiasi apparecchiatura utente (UE) in superficie.

Scelta del carico utile: La scelta tra payload trasparente o rigenerativo può cambiare completamente l'organizzazione della rete e il conseguente instradamento del segnale. Con i satelliti LEO in movimento, tutte le relazioni temporali sono dinamiche. In gioco c'è l'esperienza dell'utente in termini di qualità del servizio (QoS), soprattutto a causa dei ritardi variabili e dei complessi handover che possono causare la caduta delle connessioni. Nel 6G NTN, i payload rigenerativi stanno guadagnando terreno, consentendo la funzionalità gNodeB a bordo e i collegamenti intersatellitari (ISL) per migliorare la copertura, la latenza e la gestione della mobilità, mentre i payload trasparenti rimangono più semplici, ma dipendono fortemente dall'infrastruttura di terra.

Latenza: Il ritardo nella trasmissione del segnale deriva dall'invio del segnale tra la terra e i satelliti. Mentre le NTN tradizionali hanno limiti di latenza, la ricerca sulle NTN 6G sta avanzando verso il supporto dei casi d'uso 3GPP Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) attraverso tecnologie come le comunicazioni a terahertz, le superfici intelligenti riconfigurabili (RIS) e l'instradamento guidato dall'intelligenza artificiale, con l'obiettivo di ottenere una latenza inferiore al millisecondo e un'affidabilità del 99,99999%.

Sicurezza: Mentre una costellazione di satelliti LEO distribuita ripartisce i costi e i rischi tra i vari satelliti, l'hardware è vulnerabile quando passa su territori ostili. Le esigenze di sicurezza nazionale richiedono protezioni informatiche e nuove operazioni per proteggere le infrastrutture dislocate nello spazio. Ad esempio, la U.S. Space Force è incaricata di questa missione per tutti i rami dell'esercito e del governo. Il 6G NTN introduce nuove sfide per la cybersicurezza, tra cui lo sfruttamento dell'intelligenza artificiale, i rischi di hacking quantistico e le minacce semantiche. Le soluzioni in fase di studio includono protocolli di autenticazione context-aware, modelli di fiducia basati su blockchain e rilevamento delle anomalie guidato dall'intelligenza artificiale per proteggere ambienti NTN dinamici e distribuiti.

Che cos'è il 5G NTN?

Il termine NTN di solito include la quinta generazione (5G) cellulare come aspetto della rete. Le NTN 5G traggono molte caratteristiche dalle reti terrestri 5G e affrontano molte delle stesse sfide, aggiungendo aspettative di affidabilità più elevate per il servizio NTN 5G rispetto alle reti SATCOM precedenti. Le stazioni base, che normalmente sono reti terrestri costituite da torri a terra, si stanno spostando dalla terra all'aria e allo spazio. La rete centrale 5G viene definita "next generation core" (NGC). Una rete centrale 5G comprende un UE, che consiste in un dispositivo mobile come un telefono cellulare o un sensore. Se necessario, l'UE comunica con le stazioni base, ciascuna chiamata gNodeB.

Questa configurazione è una tipica configurazione NTN a 5G. Tuttavia, esistono molte varianti. Ad esempio, non tutte le applicazioni NTN richiedono il gNodeB. Si potrebbe avere una rete principale che è Internet direttamente collegata a un gateway su un sistema proprietario. Un altro approccio alternativo consiste nell'utilizzare l'NTN per l'edge computing, collocando il bordo della rete nel satellite.

Esistono vari approcci a un'architettura 5G NTN. Ad esempio, una risorsa aerea o un satellite possono funzionare come un tubo curvo tra l'UE e il gNodeB. Questo dispositivo riceverà i segnali sulla frequenza 1 e li trasmetterà sulla frequenza 2 per facilitare le comunicazioni di rete non terrestri su un ampio raggio geografico. In questo modello, si noti che gli UE hanno bisogno di potenza e sensibilità sufficienti per trasmettere e ricevere dal bent pipe satellitare. Il gNodeB può essere basato a terra, purché possa comunicare con il tubo curvo satellitare NTN.

Un'architettura alternativa prevede che il gNodeB si trovi sulla risorsa aerea o spaziale stessa. In questo caso, l'UE comunica con tale risorsa aerea. Anche la rete centrale è collegata a tale risorsa aerea o spaziale. Altri esempi introducono nodi relè per interfacciarsi sia con l'UE standard con il tubo curvo satellitare sia con gli UE verso un gNodeB aereo o spaziale.

L'introduzione delle NTN 5G sconvolge la tradizionale architettura della rete terrestre 5G e apre un cambio di paradigma nella connettività. Esistono molte alternative per i satelliti e gli HAPS che partecipano ai domini gNodeB e RAN, alcuni con più satelliti nella catena sparsi in chilometri di cielo. Le NTN 5G traggono molte caratteristiche dalle reti terrestri 5G e affrontano molte delle stesse sfide, aggiungendo aspettative di affidabilità più elevate per il servizio NTN 5G rispetto alle precedenti reti SATCOM.

Quali sono le principali differenze tra il 5G e il 6G NTN?

Il 5G NTN è un'aggiunta al 5G terrestre, che fornisce principalmente connettività satellitare o aerea per espandere la copertura in aree remote o poco servite e si basa sui miglioramenti definiti nelle release 17 e 18 del 3GPP. Il 6G NTN è ancora nelle fasi di ricerca e di standardizzazione iniziale, con l'intera serie di funzionalità e di elementi di differenziazione in fase di discussione attiva da parte del 3GPP, dell'ITU e dei principali gruppi industriali. Quanto segue riassume le principali direzioni e i progressi previsti, ma è soggetto a modifiche in base all'evoluzione dell'esplorazione tecnica e del consenso globale: 

Integrazione nativa NTN-TN: L'armonizzazione delle reti non terrestri e terrestri è una proposta fondamentale per il 6G, con la ricerca del 3GPP e dell'ITU che si concentra sulla co-progettazione per consentire transizioni senza soluzione di continuità e un'architettura unificata. Ciò differisce dall'approccio del 5G, dove l'NTN è un componente aggiuntivo. Le specifiche di questa integrazione non sono ancora state definite e sono oggetto di studio e collaborazione a livello globale.

Advanced e rilevamentoAdvanced : alcune iniziative di ricerca stanno studiando il posizionamento con precisione dell'ordine dei centimetri attraverso l'integrazione dei segnali provenienti da vari livelli della rete NTN, con l'obiettivo di fornire soluzioni di localizzazione nei casi in cui il GNSS non sia disponibile. I primi studi condotti dal 3GPP e dall'UE indicano che questa tecnologia potrebbe rappresentare un elemento di differenziazione, ma sia la tecnologia che gli standard sono ancora in fase di evoluzione e non sono ancora emersi approcci concreti.

Bassa latenza e connettività massiva: il 6G NTN mira a superare di gran lunga la capacità e l'affidabilità del 5G, consentendo nuove applicazioni come l'IoT in tempo reale e una robusta banda larga mobile ovunque. Questi obiettivi sono stati fissati come obiettivi di studio sia dall'ITU che dal 3GPP, ma la convalida e i test di fattibilità sono in corso nell'ambito di programmi di ricerca e pilota.

Nuove forme d'onda e progettazione nativa dell'intelligenza artificiale: Si stanno studiando diverse forme d'onda avanzate e l'integrazione nativa dell'intelligenza artificiale per l'allocazione dinamica delle risorse. Recenti progetti industriali hanno proposto controllori RAN abilitati all'intelligenza artificiale e nuove forme d'onda candidate, che però non sono ancora state completamente standardizzate o convalidate commercialmente.

Sostenibilità ed efficienza energetica: Iniziative come 6G-NTN stanno attivamente definendo metriche di sostenibilità ed esplorando principi di progettazione ecologica, come evidenziato dai primi risultati. Si prevede che questi concetti influenzeranno pesantemente gli eventuali standard 6G man mano che matureranno.

Le NTN e le comunicazioni satellitari sono la stessa cosa?

Le reti non terrestri annunciano la prossima ondata di comunicazioni satellitari (SATCOM), rendendo le SATCOM parte delle reti cellulari. La tecnologia di comunicazione satellitare copre aree difficili da raggiungere, prive di infrastrutture o piattaforme isolate per supportare l'implementazione di reti cellulari. L'uso di SATCOM fornisce anche una maggiore affidabilità per le macchine da macchina a macchina (M2M) / IoT e la connettività per le piattaforme in movimento, come aerei, treni e automobili.

Per soddisfare le nuove esigenze di prestazioni delle comunicazioni satellitari, l'industria satellitare si sforza di raggiungere un throughput più elevato, larghezze di banda più ampie e frequenze operative più elevate. Sempre più spesso, le reti si affidano anche a collegamenti ottici fotonici. Le reti non terrestri devono inoltre fornire una potenza sufficiente ai ricevitori nonostante lo spazio libero, le condizioni meteorologiche, le nuvole e altre condizioni ionosferiche. Data la crescente complessità delle reti NTN e SATCOM, è necessario testare i sistemi di comunicazione satellitare con modelli ambientali realistici, aggiungendo il buffering per i segnali in ritardo e simulando il ritardo di scorrimento per creare una cinematica satellitare realistica. Keysight supporta lo sviluppo, la produzione, la distribuzione e la manutenzione di reti non terrestri attraverso l'intero flusso di lavoro terrestre e aereo/spaziale, compreso il collaudo di collegamenti satellitari 5G NR NTN.

In che modo Keysight supporta i casi d'uso NTN?

Keysight supporta lo sviluppo e la verifica continua delle prestazioni per i casi d'uso NTN come i seguenti:

• Copertura delle aree non servite
• Servizio per aerei, navi, treni, autobus e altro ancora
• Uomo-macchina e IoT
• Requisiti di latenza meno stringenti
• Disponibilità del servizio
• Scalabilità delle reti 5G Advanced 6G

Keysight offre ambienti di test NTN end-to-end in grado di virtualizzare l'accesso alla rete e persino l'intera costellazione satellitare. Sostituite la rete radio con capacità NTN con Keysight UXM 5G, un dispositivo di emulazione di rete NTN completamente capace. Ricreate i collegamenti satellitari con gli emulatori di canale PROPSIM di Keysight, accompagnati dal generatore di segnali a microonde avanzato VXG e dall'analizzatore di segnali UXA di Keysight. Ottenete il pieno controllo del sistema in prova e la completa visibilità dei nodi e dei collegamenti NTN. È possibile aggiungere facilmente hardware per estendere la gamma di frequenze e coprire tutte le principali bande NTN, come la banda X e la banda K.

Grazie alla creazione flessibile di scenari Channel Studio, è anche possibile testare l'hardware radio satellitare reale e la soluzione sia a livello di nodo che di rete. Risolvi i problemi di prestazioni utilizzando wireless Keysight WaveJudge e Keysight PathWave Vector Signal Analysis (VSA) in esecuzione sugli analizzatori di segnale UXA. Per analizzare i flussi IQ oltre WaveJudge, è possibile utilizzare la funzionalità interna di acquisizione e streaming IQ di PROPSIM.

È inoltre possibile generare condizioni di test realistiche in laboratorio, combinando il generatore di segnali a microonde VXG con PROPSIM e la rappresentazione realistica del comportamento del terminale utente UeSIM. Per saperne di più su come Keysight supporta il continuo sviluppo delle NTN dal suolo all'aria attraverso l'intero flusso di lavoro, contribuendo alla connessione e alla sicurezza delle comunicazioni future.