5G espacial: implicações para o teste e medição de NTN

Teste e medição de estações rádio-base de redes não terrestres

Estamos passando por uma mudança de paradigma - o termo « estação rádio-base » não se aplica mais de maneira apropriada às redes não terrestres. Em vez disso, os nós de rede são integrados aos satélites e se movem em relação à superfície da Terra. A longo prazo (ou seja, para o 6G), redes de múltiplas órbitas serão uma realidade, com nós de rede tridimensionais em todas as altitudes de Órbita Terrestre Baixa (LEO), Órbita Terrestre Média (MEO) e Órbita Geoestacionária (GEO).

Há diversas abordagens arquitetônicas que estão atualmente em processo de padronização:

• Inicialmente, conforme definido na atualização 17, o modo transparente será usado. Em outras palavras, o satélite atuará como uma espécie de repetidor, com o sinal de rádio 5G NR que será gerado e recebido em um nó terrestre (gNB, ou nó de próxima geração B). A comunicação entre o gNB terrestre e o satélite ocorrerá por meio do enlace de alimentação entre o satélite e um gateway terrestre. A conexão direta entre o satélite e o dispositivo é chamada de enlace de serviço.
• O futuro modo regenerativo, atualmente discutido como um item de trabalho na atualização 19, incorporará as funções de gNB desagregadas ou completas no nó de acesso a satélite (SAN). O objetivo é ter decisões de programação mais rápidas, assim como mais capacidade de computação e processamento no nó do satélite. No entanto, isso tem o custo de uma maior complexidade.

Atualmente, há dois documentos que sugerem requisitos de padronização que serão importantes para futuros testes de nós de acesso a satélite:

• A especificação TS 38.108 descreve os requisitos para transmissores e receptores de redes não terrestres.
• A especificação TS 38.181 descreve os requisitos reais de teste.
• A especificação TS 38.101-5 descreve as especificações para testes de equipamentos de usuário de NTN

A figura 1 abaixo mostra uma breve descrição dos cenários de teste e uma configuração simbólica para um nó de acesso a satélite operando no modo de carga útil transparente de NTN. O dispositivo em teste (DUT) consiste em três blocos funcionais: o satélite (descrito como « NTN RF payload », ou carga útil de RF da NTN), o gateway e as funções de redes não terrestres (gNB).

Os testes de interface de RF podem ser divididos, de forma geral, em:

• Testes de transmissores (TX)
• Sensibilidade de receivers (RX)
• Desempenho de receivers (Desempenho de RX)

Os testes no transmissor têm uma abordagem semelhante à do caso terrestre, com métricas como potência de transmissão (potência do transmissor, controle de potência do transmissor), qualidade de modulação (EVM, ou magnitude do vetor de erro) e características espectrais de transmissão (Taxa de perda do canal adjacente - ACLR, emissões espúrias, máscara de emissão de espectro - SEM). Um analisador de sinais é o instrumento de teste ideal nesse caso. Dependendo da categoria do nó de satélite, a conexão com o instrumento de teste pode ser estabelecida por meio de uma conexão via cabo ou over-the-air (OTA). Os testes over-the-air permitem a verificação de antenas direcionais, que são utilizadas para beamforming. Esse tipo de teste requer câmaras totalmente anecoicas (FAC), assim como sistemas radiogoniométricos.

Há duas abordagens diferentes para os testes de receivers:

• Para métricas como a de sensibilidade do receptor, um sinal de teste de referência é enviado ao dispositivo em teste usando um gerador de sinais. O resultado desse teste é a taxa de erro de bloco (BLER) no receptor ou taxa de transferência de dados. As especificações da 3GPP exigem que a taxa de transferência atinja um limite de 95% de um canal de referência definido em um nível de entrada mínimo para passar no teste de sensibilidade. Devido à desagregação de componentes, o ponto de injeção do sinal de radiofrequência está na entrada do satélite, mas a taxa de erro de bloco só pode ser determinada na pilha de protocolos do gNB.
• A segunda abordagem é baseada no desempenho do receptor, que é semelhante à sensibilidade, com relação à métrica de 95% na taxa de transferência. No entanto, os testes de desempenho simulam uma situação de estresse para o receptor, por exemplo, aplicando um perfil de desvanecimento ao sinal de teste ou adicionando sinais de interferência.

Equipamento de teste para equipamentos de usuário de redes não terrestres

A princípio, o terminal para comunicações 5G via satélite tem os mesmos requisitos de transmissor e receptor que os das redes terrestres. No entanto, o problema está nos detalhes: haverá várias configurações e metodologias de teste diferentes, dependendo do caso de uso e da capacidade do equipamento de usuário para NTN. Para exemplificar, a categoria dos dispositivos de redes não terrestres de Internet das Coisas (NTN-IoT) usará uma arquitetura de baixa complexidade.

Além disso, os casos de uso (como mensagens ou pequenos conjuntos de dados) normalmente não solicitam um determinado perfil de qualidade de serviço e são muito tolerantes a atrasos. Futuros equipamentos para redes não terrestres, tais como os modelos de terminal de abertura muito pequena (VSAT), vão incorporar métodos mais sofisticados, como beamforming, frequências mais altas e largura de banda mais ampla. Isso exigirá testes mais abrangentes. O espectro de frequência é fundamental para as NTNs, pois há vários arranjos possíveis: as bandas dessas redes podem se sobrepor às bandas terrestres, ser adjacentes umas às outras ou ter uma margem de segurança suficiente. Dessa forma, a campanha de teste também deve considerar alguns cenários de coexistência.

O 3GPP está trabalhando para ampliar os requisitos para equipamentos de usuário em comunicações via satélite com a especificação TS 38.101-5. Este documento amplia a série de especificações de requisitos para equipamentos de usuário TS 38.101-x com o objetivo de incluir aspectos das redes não terrestres e abranger métricas relevantes:

• Potência de transmissão
• Largura de banda espectral
• Qualidade da modulação
• Sensibilidade do receiver
• Emissões de espectro (máscara de emissão de espectro - SEM , taxa de perda do canal adjacente - ACLR, emissões espúrias)

O teste adequado de equipamentos de usuário requer um simulador de sistema que possa lidar com uma conexão que inclua toda a pilha de protocolos e permita testes de RF, assim como testes de protocolo. A figura 2 abaixo apresenta uma visão geral desse tipo de configuração. O equipamento do usuário (UE) é o dispositivo em teste (DUT) conectado ao simulador de sistema por meio de um cabo ou em uma câmara over-the-air. Esse simulador de sistema realiza tanto testes de RF como de protocolo, sendo que os testes de protocolo são especialmente importantes para verificar os cenários de mobilidade e conexão.

Um dos requisitos dos terminais de redes não terrestres é a determinação da posição terrestre. Portanto, o posicionamento baseado em sinais do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) é uma funcionalidade obrigatória dos equipamentos de usuário de NTN. A estação de satélite transmite seus próprios dados orbitais por meio de informações do sistema e oferece o suporte necessário para o equipamento do usuário corrigir a diferença de tempo e o efeito Doppler.

Em um sistema de teste de uma rede não terrestre para testes de conformidade, um gerador de sinais pode simular o sinal do GNSS para permitir a determinação da posição do equipamento do usuário. Além disso, a homologação e os testes regulamentares exigem medições espectrais prolongadas, como emissões espúrias e testes de desempenho de receptores. O simulador de sistemas 5G pode incluir instrumentos de teste e medição adicionais, como analisadores e geradores de sinais, para atender a essas necessidades de cenários adicionais de interferência ou a análise de espectro prolongada.

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