Terminologia della tecnologia 5G NTN (Non-Terrestrial Network)

La NTN (Non-Terrestrial Network) introdotta da 3GPP nella sua roadmap di standardizzazione mira a raggiungere la piena copertura e connettività 5G attraverso satelliti e piattaforme aeree. La terminologia chiave include:

1. Definizione di NTN: Questa è una tecnologia di rete wireless approvata da 3GPP, in cui i nodi di accesso sono distribuiti su piattaforme spaziali o piattaforme aeree come satelliti o High Altitude Platform Stations (HAPS), piuttosto che essere fissati all'infrastruttura terrestre. Le reti NTN sono tipicamente utilizzate per estendere la copertura ad aree in cui la distribuzione della rete terrestre non è praticabile o economicamente fattibile. Da una prospettiva 3GPP, NTN non è una tecnologia indipendente, ma piuttosto un'estensione del 5G (NR). NTN riutilizza e adatta i protocolli, i parametri e le procedure NR il più possibile per supportare lunghi ritardi di propagazione, elevati spostamenti Doppler, grandi dimensioni di celle e mobilità della piattaforma.

2. Piattaforme NTN: Questa è la classificazione più basilare delle orbite satellitari, che influisce direttamente sulla latenza, sulla copertura e sulla mobilità; in particolare include:

• GEO (Geostationary Orbit): I satelliti GEO si trovano a un'altitudine di circa 35.786 chilometri e sono stazionari rispetto alla Terra. I satelliti GEO (Geosynchronous Orbit) hanno un'ampia copertura ma un elevato ritardo di andata e ritorno, il che li rende inadatti per servizi sensibili alla latenza.
• MEO (Medium Earth Orbit): I satelliti MEO operano a altitudini comprese tra 2.000 e 20.000 chilometri, raggiungendo un equilibrio tra copertura e latenza; questo è particolarmente enfatizzato nelle attuali specifiche 3GPP NTN.
• LEO (Low Earth Orbit): I satelliti LEO operano a altitudini comprese tra 300 e 2.000 chilometri. Offrono bassa latenza e alta velocità di trasmissione, ma si muovono molto rapidamente rispetto alla Terra, portando a frequenti handover tra satelliti e significativi effetti Doppler.
• VLEO (Very Low Earth Orbit): VLEO si riferisce a satelliti sperimentali progettati per operare a altitudini inferiori a 300 chilometri. Dovrebbero raggiungere una latenza ultra-bassa, ma affrontano significative sfide atmosferiche.
• HAPS (High Altitude Platform Station): Gli HAPS operano tipicamente a altitudini comprese tra 20 e 50 chilometri. Le piattaforme HAPS includono: droni a energia solare, palloni e dirigibili. I sistemi High Altitude Platform (HAPS) possono fungere da stazioni base NR, relay o potenziatori di copertura e, rispetto ai satelliti, hanno caratteristiche quasi statiche e una latenza significativamente inferiore.

3. Accesso Wireless (Terminologia)

• NTN gNB: Questa è una stazione base 5G (NR) specificamente modificata per l'implementazione non terrestre. A seconda dell'architettura, l'NTN gNB può essere completamente ospitato su un satellite o HAPS, parzialmente distribuito nello spazio e parzialmente a terra, o interamente basato a terra con il satellite che funge da relay. La divisione funzionale tra spazio e terra è una scelta progettuale chiave.
• Payload trasparente o architettura bent-pipe: In un payload trasparente o architettura bent-pipe, il satellite non esegue l'elaborazione in banda base. Questa architettura mira a semplificare la progettazione dei satelliti, ma il suo funzionamento dipende fortemente dalla disponibilità di infrastrutture terrestri e collegamenti di alimentazione; il payload di trasmissione esegue le seguenti funzioni:
• Ricezione dei segnali a radiofrequenza dall'apparecchiatura utente (UE)
• Esecuzione dello spostamento e dell'amplificazione della frequenza
• Inoltro alla stazione base a terra (gNB) tramite il collegamento di alimentazione
• Payload rigenerativo: Esegue parte o tutta l'elaborazione di Layer 1 e Layer 2 sul satellite. In questo modello, il satellite stesso trasporta la funzionalità gNB. Questa architettura riduce la latenza del collegamento di alimentazione, migliora la scalabilità e consente il processo decisionale localizzato. Tuttavia, i payload rigenerativi aumentano la complessità e il costo del satellite.

4. Collegamenti NTN

• Collegamento di servizio: Si riferisce specificamente alla connessione wireless tra l'apparecchiatura utente (UE) e la piattaforma NTN (satellite o piattaforma ad alta quota). Utilizza la forma d'onda dell'interfaccia aerea NR adatta per grandi raggi di cella e avanzamento temporale esteso. Diagramma del collegamento di servizio 5G NTN, collegamento inter-satellite, collegamento di alimentazione e integrazione della rete terrestre.
• Collegamento di alimentazione: Questo collega il satellite alla stazione di terra gateway, che si interfaccia con la rete core 5G. I collegamenti di alimentazione operano tipicamente a frequenze più elevate e richiedono collegamenti di backhaul ad alta capacità.
• Collegamento inter-satellite (ISL): Supporta la comunicazione diretta tra satelliti, consentendo ai dati di essere instradati nello spazio senza il coinvolgimento diretto delle stazioni terrestri. ISL migliora la resilienza della rete e riduce la latenza end-to-end.

5. Architettura di rete

• Stazione terrestre gateway: La stazione terrestre gateway funge da interfaccia tra il sistema satellitare e la rete core 5G. Collega il collegamento di alimentazione e svolge un ruolo cruciale nella mobilità e nella continuità della sessione. 5GC che supporta NTN: Da una prospettiva di protocollo, la rete core 5G (5GC) rimane in gran parte invariata. I miglioramenti si concentrano principalmente su: supporto della lunga latenza, gestione di celle di grandi dimensioni e ottimizzazione delle procedure di elaborazione per le modalità idle e connected.
• D2D NTN (Direct-to-Device): L'apparecchiatura utente (UE) comunica direttamente con satelliti/piattaforme ad alta quota (HAPS) senza accesso terrestre intermedio.
• Architettura ibrida NTN-TN: NTN integra la rete terrestre, utilizzata per il fallback, l'offload o l'estensione della copertura.
• NTN basato su relay: Satelliti o piattaforme ad alta quota (HAPS) fungono da nodi relay tra l'apparecchiatura utente (UE) e la rete terrestre.