Terminologie de la technologie 5G NTN (réseau non terrestre)

Le NTN (Non-Terrestrial Network) introduit par le 3GPP dans sa feuille de route de normalisation vise à atteindre une couverture et une connectivité 5G complètes grâce aux satellites et aux plateformes aéroportées. La terminologie clé comprend :

1. Définition du NTN :Il s'agit d'une technologie de réseau sans fil approuvée par le 3GPP, où les nœuds d'accès sont déployés sur des plateformes spatiales ou aériennes telles que des satellites ou des stations à haute altitude (HAPS), plutôt que d'être fixés à l'infrastructure terrestre. Les réseaux NTN sont généralement utilisés pour étendre la couverture aux zones où le déploiement de réseaux terrestres est impraticable ou économiquement non viable. Du point de vue du 3GPP, le NTN n'est pas une technologie indépendante, mais plutôt une extension de la 5G (NR). Le NTN réutilise et adapte autant que possible les protocoles, les paramètres et les procédures NR pour prendre en charge les longs délais de propagation, les décalages Doppler élevés, les grandes tailles de cellules et la mobilité des plateformes.

2. Plateformes NTN :Il s'agit de la classification la plus élémentaire des orbites des satellites, qui affecte directement la latence, la couverture et la mobilité ; comprenant spécifiquement :

• GEO (Orbite Géostationnaire) : Les satellites GEO sont situés à une altitude d'environ 35 786 kilomètres et sont stationnaires par rapport à la Terre. Les satellites GEO (Orbite Géosynchrone) ont une large couverture mais un délai aller-retour élevé, ce qui les rend inappropriés pour les services sensibles à la latence.
• MEO (Orbite Terrestre Moyenne) : Les satellites MEO opèrent à des altitudes comprises entre 2 000 et 20 000 kilomètres, atteignant un équilibre entre la couverture et la latence ; ceci est particulièrement souligné dans les spécifications NTN 3GPP actuelles.
• LEO (Orbite Terrestre Basse) : Les satellites LEO opèrent à des altitudes comprises entre 300 et 2 000 kilomètres. Ils offrent une faible latence et un débit élevé, mais se déplacent très rapidement par rapport à la Terre, ce qui entraîne de fréquents transferts inter-satellites et des effets Doppler importants.
• VLEO (Orbite Terrestre Très Basse) : VLEO fait référence aux satellites expérimentaux conçus pour fonctionner à des altitudes inférieures à 300 kilomètres. Ils devraient atteindre une latence ultra-faible, mais sont confrontés à des défis atmosphériques importants.
• HAPS (Station à Plateforme à Haute Altitude) : Les HAPS opèrent généralement à des altitudes comprises entre 20 et 50 kilomètres. Les plateformes HAPS comprennent : des drones à énergie solaire, des ballons et des dirigeables. Les systèmes à plateforme à haute altitude (HAPS) peuvent agir comme des stations de base NR, des relais ou des amplificateurs de couverture, et par rapport aux satellites, ils ont des caractéristiques quasi statiques et une latence significativement plus faible.

3. Accès sans fil (Terminologie)

• NTN gNB : Il s'agit d'une station de base 5G (NR) spécifiquement modifiée pour un déploiement non terrestre. Selon l'architecture, le NTN gNB peut être entièrement hébergé sur un satellite ou un HAPS, partiellement déployé dans l'espace et partiellement au sol, ou entièrement basé au sol, le satellite agissant comme un relais. La division fonctionnelle entre l'espace et le sol est un choix de conception clé.
• Charge utile transparente ou architecture Bent-Pipe : Dans une architecture de charge utile transparente ou Bent-Pipe, le satellite n'effectue pas de traitement en bande de base. Cette architecture vise à simplifier la conception des satellites, mais son fonctionnement dépend fortement de la disponibilité de l'infrastructure au sol et des liaisons de raccordement ; la charge utile de transmission remplit les fonctions suivantes :
• Réception des signaux radiofréquences provenant des équipements utilisateur (UE)
• Effectuer le décalage et l'amplification de fréquence
• Les transmettre à la station de base au sol (gNB) via la liaison de raccordement
• Charge utile régénérative : Effectue une partie ou la totalité du traitement de la couche 1 et de la couche 2 sur le satellite. Dans ce modèle, le satellite lui-même porte la fonctionnalité gNB. Cette architecture réduit la latence des liaisons de raccordement, améliore l'évolutivité et permet une prise de décision localisée. Cependant, les charges utiles régénératives augmentent la complexité et le coût du satellite.

4. Liaisons NTN

• Liaison de service : Se réfère spécifiquement à la connexion sans fil entre l'équipement utilisateur (UE) et la plateforme NTN (satellite ou plateforme à haute altitude). Elle utilise la forme d'onde d'interface aérienne NR adaptée aux grands rayons de cellules et au timing advance étendu. Diagramme de la liaison de service 5G NTN, de la liaison inter-satellite, de la liaison de raccordement et de l'intégration du réseau terrestre.
• Liaison de raccordement : Elle connecte le satellite à la station terrestre de passerelle, qui s'interface avec le réseau central 5G. Les liaisons de raccordement fonctionnent généralement à des fréquences plus élevées et nécessitent des liaisons de liaison de données à haute capacité.
• Liaison inter-satellite (ISL) : Prend en charge la communication directe entre les satellites, permettant aux données d'être acheminées dans l'espace sans l'implication directe des stations terrestres. L'ISL améliore la résilience du réseau et réduit la latence de bout en bout.

5. Architecture réseau

• Station terrestre de passerelle : La station terrestre de passerelle sert d'interface entre le système satellitaire et le réseau central 5G. Elle connecte la liaison de raccordement et joue un rôle crucial dans la mobilité et la continuité de la session. 5GC prenant en charge le NTN : D'un point de vue protocolaire, le réseau central 5G (5GC) reste largement inchangé. Les améliorations se concentrent principalement sur : la prise en charge de la longue latence, la gestion des grandes cellules et l'optimisation des procédures de traitement pour les modes inactif et connecté.
• D2D NTN (Direct-to-Device) : L'équipement utilisateur (UE) communique directement avec les satellites/plateformes à haute altitude (HAPS) sans accès terrestre intermédiaire.
• Architecture hybride NTN-TN : Le NTN complète le réseau terrestre, utilisé pour le repli, le déchargement ou l'extension de la couverture.
• NTN basé sur le relais : Les satellites ou les plateformes à haute altitude (HAPS) agissent comme des nœuds relais entre l'équipement utilisateur (UE) et le réseau terrestre.