Autor: Tomohide Yamazaki, Ph.D Assistant Manager, Anritsu Corporation
Las redes no terrestres (non-terrestrial networks, NTN) 5G/Beyond 5G proporcionan conectividad inalámbrica en zonas que quedan fuera del alcance de las redes terrestres. Las NTN pueden dar cobertura en zonas remotas como respaldo o alternativa a las redes terrestres, aumentando así la resiliencia de la conexión. Dado que los satélites cubren grandes extensiones, también resultan ideales para multidifusión o radiodifusión.
Un ejemplo de uso crítico de las NTN es la seguridad pública, como por ejemplo los servicios de emergencia médica, rescate, bomberos y fuerzas del orden. Las NTN también son fundamentales para afrontar desastres naturales u otras emergencias que puedan dejar fuera de servicio las redes terrestres o bien allí donde no haya redes terrestres. Las NTN también proporcionan resiliencia en caso de congestión o avería, incluso cuando las redes terrestres dan cobertura.
Sin embargo, para aprovechar todo el potencial de las NTN, que suelen recurrir a satélites o estaciones base aéreas, a menudo a altas velocidades, es preciso superar numerosos retos de tipo técnico, como los cambiantes estándares, unas velocidades cada vez mayores de transmisión de los datos, el complejo traspaso entre varios elementos de la red, la latencia provocada por los retardos de ida y vuelta, y la movilidad de la célula. La clave para abordar estos retos y conseguir que las NTN ofrezcan una cobertura ubicua hasta 5G es la implementación de entornos y procedimientos adecuados de prueba. La comprobación garantiza que las NTN funcionen según lo previsto y que los estándares se implementen de forma correcta.
Tipos de plataformas NTN
Las NTN incluyen satélites y sistemas de plataformas situadas a gran altitud (high-altitude platform systems, HAPS). Los satélites utilizados por las NTN se clasifican así: LEO (Low Earth orbit), MEO (Medium Earth orbit), GEO (Geostationary Earth orbit) y HEO (High elliptical orbit). Entre los HAPS se encuentran globos, dirigibles o aviones de ala fija que vuelan o flotan a altitudes de unos 20 km. La lista de estas plataformas se puede ver en la Tabla 1.
Tabla 1. Tipos de plataformas NTN. Fuente: 3GPP TR 38.821 V16.2.0, Tabla 4.1-1.
Un aspecto primordial con los satélites es la latencia, que aumenta con la altitud. En otras palabras, los satélites LEO ofrecen una latencia más baja, lo cual ha potenciado enormemente su uso. Los vehículos aéreos no tripulados (drones) también pueden alcanzar unas latencias muy bajas, incluso de 1 ms.
Las redes basadas en satélites necesitan pasarelas (gateways) para conectar la NTN a una red pública de datos, enlaces de radio de alimentación entre la pasarela y el satélite, y enlaces de radio de servicio entre el equipo del usuario (user equipment, UE) y el satélite. Cuando se integran en la red 5G, las NTN proporcionan continuidad al servicio en áreas donde los servicios 5G no pueden ser suministrados tan sólo por redes terrestres. Las NTN también llenan huecos en la cobertura y ofrecen una vía de conexión alternativa cuando las redes terrestres están congestionadas o si falla el servicio.
El organismo global de estandarización 3GPP ha desarrollado especificaciones para NTN cuyo objetivo es llenar los huecos en la cobertura de 5G y permitir su uso en futuras tecnologías inalámbricas. La Release 17 de 3GPP cubre aspectos relacionados con la latencia y la movilidad de la célula, mientras que Release 18 ofrece una compatibilidad explícita con los estándares NB-IoT basados en NR-NTN y LTE, permitiendo así una cobertura ubicua para dispositivos IoT y eMTC.
La ubicuidad del servicio contempla áreas geográficas en las que las redes terrestres no se encuentran disponibles o son insuficientes. Esto es importante para garantizar el suministro de servicios públicos en todas partes, incluidas las zonas rurales.
La escalabilidad del servicio aprovecha la amplia cobertura geográfica de los satélites para contenidos de multidifusión o radiodifusión. También resulta útil en aplicaciones de seguridad pública, como la transmisión de mensajes de emergencia o el envío de alertas meteorológicas o en caso de inundación.
Arquitectura NTN de 3GPP
3GPP recomienda dos arquitecturas para servicios 5G, la Carga Útil Transparente (Transparent Payload) y la Carga Útil Regenerativa (Regenerative Payload) para el diseño y el despliegue de las NTN.
En la arquitectura de Carga Útil Transparente, mostrada en la Figura 1, el satélite funciona como repetidor de RF analógica para los enlaces de alimentación y servicio. El propio satélite se encarga del filtrado de RF, la conversión de frecuencia y la amplificación. Por tanto, la forma de onda de la señal repetida por la carga útil no cambia. En el caso de conectividad 5G, el satélite repite la interfaz de radio 5G NR-Uu del enlace de alimentación al enlace de servicio.
Figura 1: Entornos típicos de NTN basados en carga útil transparente. Fuente: 3GPP TR 38.821 V16.2.0, Figura 4.1-1.
En la arquitectura de Carga Útil Regenerativa mostrada en la Figura 2, el satélite se encarga del filtrado de RF, la conversión de frecuencia, la amplificación, la demodulación, la decodificación, así como de la conmutación/enrutamiento y la codificación/ modulación. Al funcionar como una estación base 5G (gNB), el satélite regenera la señal procedente de Tierra. La interfaz NR-Uu gestiona las comunicaciones en el enlace de servicio entre el satélite y el equipo del usuario, mientras que una interfaz de radio por separado se encarga del enlace de alimentación de retorno a la red principal.
Figura 2: Entornos típicos de NTN basados en carga útil regenerativa. Fuente: 3GPP TR 38.821 V16.2.0, Figura 4.1-2.
La arquitectura 3GPP abarca satélites con haces en movimiento y fijos. Dado que los satélites orbitan alrededor de la Tierra, sus haces se ajustan para mantener una cobertura continua de la misma zona geográfica. Cuando el haz es fijo, el satélite ha de estar por encima del horizonte.
En el entorno de haz móvil, un satélite con un haz fijo proporciona una cobertura en movimiento sobre el terreno.
Retos de las NTN y necesidad de comprobación
El planteamiento inicial de los casos de uso rurales y de emergencia deberían abordar varios aspectos críticos: fluctuaciones en la intensidad de la señal, variaciones en los retardos de propagación de la señal, complejidades en la transferencia de células y efecto Doppler.
Los satélites de NTN generan haces con forma elíptica cuyas áreas de cobertura se ven limitadas por su gran altitud y su estrecho campo de visión. Esta característica inherente provoca variaciones en la intensidad de la señal, un aspecto que debería ser clave durante el diseño del sistema NTN. Las NTN, en especial las que basan en constelaciones LEO y MEO, transfieren señales frecuentemente debido a sus numerosos satélites en rápido movimiento. Este proceso de transferencia frecuente incrementa el riesgo de pérdidas de señal.
Además de la latencia o de los retardos de propagación entre el UE y el satélite a causa de las largas distancias que recorre la señal, existen retardos de propagación dinámicos o variables hacia el UE y entre satélites debido a la velocidad del satélite y la órbita de la Tierra. Estos retardos se deberían tener en cuenta para minimizar su influencia. Los satélites que se desplazan con rapidez, a velocidades superiores a 24.000 km/h, provocan efecto Doppler, de manera que la frecuencia de la señal varía con la trayectoria del satélite.
Cuando se utilizan satélites, HAPS o drones como estaciones base resulta complicado conservar la integridad y la conectividad de la señal por su gran altitud y al hecho de que están en movimiento, a diferencia de las redes terrestres. Por tanto, al realizar su comprobación se debería prestar atención a factores clave como calidad, estabilidad, escala, rendimiento y comunicaciones multicapa.
En aplicaciones de misiones críticas, la calidad y la fiabilidad de los servicios para el despliegue de redes 5G NTN serán tan elevada como en las redes terrestres de seguridad pública. Como resultado de ello, es importante que la comprobación sea integral para cerciorarse de que una NTN cumpla los requisitos de calidad y estabilidad. La Escabilidad de NTN asegura que se mantenga la mejor Calidad de Servicio posible en una enorme superficie y que no se pierdan llamadas.
Pese a las variaciones de distancia, velocidad y movilidad del satélite respecto al UE, la capacidad de una NTN de que un determinado servicio sea fiable se puede verificar emulando diferentes perfiles de movilidad y atenuación del UE. También hay que tener en cuenta las significativas variaciones por el efecto Doppler en HAPS y satélites que se mueven con rapidez, como los que se desplazan en órbitas terrestres bajas.
Las comunicaciones multicapa en las NTN presentan varios retos en cuanto a su conectividad, como traspasos entre enlaces terrestres y del satélite, y la elevada capacidad del enlace de radio que se requiere para manejar las redes en malla (mesh) con multitrayecto en constelaciones de NTN. Todos estos enlaces de comunicación se deberían comprobar para asegurar la continuidad de la Calidad de Servicio exigida por las especificaciones.
Anritsu ofrece una amplia gama de soluciones de prueba que facilitan estos requisitos, garantizan el alto rendimiento de las NTN y que las redes de seguridad pública funcionen según lo previsto. Estas soluciones de prueba están diseñadas para monitorizar el espectro a largo plazo y asumir las actualizaciones de los equipos. También abarcan los servicios de RF operativos en el espectro adyacente a las frecuencias del satélite.
Figura 3: La amplia gama de soluciones de prueba de Anritsu.
Monitores de espectro remotos (Remote Spectrum Monitors, RSM) – Los departamentos de comunicaciones de seguridad pública utilizan los RSM de Anritsu para monitorizar e informar sobre las actividades no autorizadas de RF que afecten a sus redes de comunicaciones. Los RSM se montan sobre racks en las instalaciones de radio para que monitoricen continuamente el espectro de seguridad pública, informen sobre señales de interés y ayuden a localizar fuentes de señales de interferencia.
Field Master Pro™ – El Field Master Pro MS2090A incorpora un analizador de espectro en tiempo real para la captura de señal en tiempo real con un ancho de banda de 110 MHz y la capacidad de capturar señales intermitentes con una duración a partir de 2,055 μs y una probabilidad de intercepción del 100% con el fin de garantizar que las redes cumplan las especificaciones.
Sistema de búsqueda de interferencias móviles – El MX280007A es un método rápido y fiable para localizar una o varias fuentes de interferencias en redes de seguridad pública. Funciona con numerosos analizadores de espectro portátiles de Anritsu, halla interferencias y tiene la capacidad de limpiar el espectro.
Analizador de comunicación por radio – El MT8821C está diseñado para I+D de dispositivos y UE móviles como smartphones, tablets y módulos IoT. El MT8821C es compatible con tecnologías celulares como LTE-Advanced e IoT, ofreciendo comprobación de RF para la validación de dispositivos NTN NB-IoT.
Comprobador de señalización MD8430A – El comprobador de señalización puede crear una red simulada necesaria para el despliegue de chipsets y dispositivos. Con su software NTN NB-IoT (GEO) MD8430A-043 y software de control de NTN a través de IoT Framework para RTD MX800050A-070, el MD8430A se puede conectar a un dispositivo NTN para satélites GEO con el fin de comprobar la conexión con la red NTN y la itinerancia entre la red terrestre y la NTN.
Las NTN garantizan la seguridad pública de forma integral
Se prevé que las NTN desempeñen un papel cada vez más importante en la seguridad pública ya que ofrecen muchas ventajas al garantizar las comunicaciones de los equipos de emergencia. Desastres naturales como terremotos, huracanes, inundaciones y fenómenos meteorológicos extremos pueden destruir o afectar a las redes terrestres. Dependiendo de la gravedad de los daños, puede que hagan falta varias semanas o incluso más para restablecer el funcionamiento normal de la red. Las NTN, que no dependen de la infraestructura terrestre, se pueden usar como respaldo para las comunicaciones de emergencia. Además, en zonas remotas sin cobertura celular u otra infraestructura de comunicaciones, las NTN pueden proporcionar conectividad a los servicios de emergencia donde antes no existían.
Las NTN son ideales para dotar a los servicios de policía, bomberos y emergencia de conectividad a lo largo de grandes extensiones en entornos adversos. Además, si una red terrestre falla o está congestionada, las NTN proporcionan un canal alternativo para garantizar las vitales comunicaciones de seguridad pública. La amplia cobertura de las NTN también hace que sean ideales para su uso en aquellas emergencias en las que las medidas de seguridad pública requieran la coordinación a través de fronteras o límites internacionales. Pueden ofrecer una plataforma unificada para que las comunicaciones y la colaboración sean impecables entre agencias y organizaciones.
Conclusiones
Las NTN se están haciendo imprescindibles para las estrategias de seguridad pública y la respuesta de emergencia. Son capaces de proporcionar unas comunicaciones fiables y resilientes en amplias zonas geográficas, de ahí que puedan marcar diferencias para que los servicios públicos y los servicios de emergencia desarrollen su trabajo. Las NTN son primordiales para suministrar servicios en zonas remotas y para minimizar el impacto de los desastres naturales. Anritsu suministra un amplio catálogo de soluciones de prueba para implementar estas NTN.
