Terminología tecnológica de las redes no terrestres 5G NTN

La NTN (Red No Terrestre) introducida por 3GPP en su hoja de ruta de estandarización tiene como objetivo lograr una cobertura y conectividad 5G completas a través de satélites y plataformas aéreas. La terminología clave incluye:

1. Definición de NTN: Esta es una tecnología de red inalámbrica aprobada por 3GPP, donde los nodos de acceso se implementan en plataformas espaciales o plataformas aéreas como satélites o Estaciones de Plataforma de Gran Altitud (HAPS), en lugar de estar fijas a la infraestructura terrestre. Las redes NTN se utilizan típicamente para extender la cobertura a áreas donde la implementación de la red terrestre no es práctica o económicamente inviable. Desde la perspectiva de 3GPP, NTN no es una tecnología independiente, sino una extensión de 5G (NR). NTN reutiliza y adapta los protocolos, parámetros y procedimientos de NR tanto como sea posible para soportar largos retardos de propagación, altos desplazamientos Doppler, tamaños de celda grandes y movilidad de la plataforma.

2. Plataformas NTN: Esta es la clasificación más básica de las órbitas de satélites, que afecta directamente a la latencia, la cobertura y la movilidad; incluyendo específicamente:

• GEO (Órbita Geoestacionaria): Los satélites GEO están ubicados a una altitud de aproximadamente 35.786 kilómetros y son estacionarios en relación con la Tierra. Los satélites GEO (Órbita Geoestacionaria) tienen una amplia cobertura pero una alta demora de ida y vuelta, lo que los hace inadecuados para servicios sensibles a la latencia.
• MEO (Órbita Terrestre Media): Los satélites MEO operan a altitudes entre 2.000 y 20.000 kilómetros, logrando un equilibrio entre cobertura y latencia; esto se enfatiza particularmente en las especificaciones actuales de 3GPP NTN.
• LEO (Órbita Terrestre Baja): Los satélites LEO operan a altitudes entre 300 y 2.000 kilómetros. Ofrecen baja latencia y alto rendimiento, pero se mueven muy rápidamente en relación con la Tierra, lo que lleva a frecuentes transferencias entre satélites y efectos Doppler significativos.
• VLEO (Órbita Terrestre Muy Baja): VLEO se refiere a satélites experimentales diseñados para operar a altitudes por debajo de los 300 kilómetros. Se espera que logren una latencia ultra baja, pero enfrentan desafíos atmosféricos significativos.
• HAPS (Estación de Plataforma de Gran Altitud): Los HAPS operan típicamente a altitudes entre 20 y 50 kilómetros. Las plataformas HAPS incluyen: drones de energía solar, globos y dirigibles. Los Sistemas de Plataforma de Gran Altitud (HAPS) pueden actuar como estaciones base NR, relés o potenciadores de cobertura, y en comparación con los satélites, tienen características cuasi-estáticas y una latencia significativamente menor.

3. Acceso Inalámbrico (Terminología)

• NTN gNB: Esta es una estación base 5G (NR) específicamente modificada para la implementación no terrestre. Dependiendo de la arquitectura, el NTN gNB puede estar completamente alojado en un satélite o HAPS, parcialmente implementado en el espacio y parcialmente en tierra, o completamente basado en tierra con el satélite actuando como un relé. La división funcional entre el espacio y la tierra es una elección de diseño clave.
• Carga útil transparente o arquitectura de tubo doblado: En una carga útil transparente o arquitectura de tubo doblado, el satélite no realiza procesamiento de banda base. Esta arquitectura tiene como objetivo simplificar el diseño del satélite, pero su funcionamiento depende en gran medida de la disponibilidad de la infraestructura terrestre y los enlaces de alimentación; la carga útil de transmisión realiza las siguientes funciones:
• Recibir señales de radiofrecuencia del equipo de usuario (UE)
• Realizar el cambio y la amplificación de frecuencia
• Reenviarlas a la estación base terrestre (gNB) a través del enlace de alimentación
• Carga útil regenerativa: Realiza parte o la totalidad del procesamiento de la Capa 1 y la Capa 2 en el satélite. En este modelo, el satélite en sí mismo lleva la funcionalidad gNB. Esta arquitectura reduce la latencia del enlace de alimentación, mejora la escalabilidad y permite la toma de decisiones localizada. Sin embargo, las cargas útiles regenerativas aumentan la complejidad y el costo del satélite.

4. Enlaces NTN

• Enlace de servicio: Se refiere específicamente a la conexión inalámbrica entre el equipo de usuario (UE) y la plataforma NTN (satélite o plataforma de gran altitud). Utiliza la forma de onda de la interfaz aérea NR adecuada para radios de celda grandes y avance de temporización extendido. Diagrama del enlace de servicio 5G NTN, enlace entre satélites, enlace de alimentación e integración de la red terrestre.
• Enlace de alimentación: Esto conecta el satélite con la estación terrestre de puerta de enlace, que interactúa con la red central 5G. Los enlaces de alimentación suelen operar a frecuencias más altas y requieren enlaces de retorno de alta capacidad.
• Enlace entre satélites (ISL): Soporta la comunicación directa entre satélites, lo que permite que los datos se enruten en el espacio sin la participación directa de las estaciones terrestres. ISL mejora la resiliencia de la red y reduce la latencia de extremo a extremo.

5. Arquitectura de red

• Estación terrestre de puerta de enlace: La estación terrestre de puerta de enlace actúa como la interfaz entre el sistema de satélites y la red central 5G. Conecta el enlace de alimentación y juega un papel crucial en la movilidad y la continuidad de la sesión. 5GC que soporta NTN: Desde una perspectiva de protocolo, la red central 5G (5GC) permanece en gran medida sin cambios. Las mejoras se centran principalmente en: soportar la latencia larga, manejar celdas grandes y optimizar los procedimientos de procesamiento para los modos inactivo y conectado.
• D2D NTN (Directo a Dispositivo): El equipo de usuario (UE) se comunica directamente con satélites/plataformas de gran altitud (HAPS) sin acceso terrestre intermedio.
• Arquitectura híbrida NTN-TN: NTN complementa la red terrestre, utilizada para la conmutación por error, la descarga o la extensión de la cobertura.
• NTN basado en relés: Los satélites o plataformas de gran altitud (HAPS) actúan como nodos de relé entre el equipo de usuario (UE) y la red terrestre.