Articolo: 5G dallo spazio: implicazioni per i test e le misure NTN

Misura e collaudo della stazione base NTN

Stiamo assistendo a un cambio di paradigma: il termine “stazione base” non è più realmente applicabile alle reti non terrestri (NTN). Per contro, i nodi della rete sono integrati nei satelliti e si muovono rispetto alla superficie terrestre. Nel lungo termine, ovvero con il 6G, le reti multi-orbita diventeranno realtà, con nodi di rete tridimensionali a tutte le altitudini LEO, MEO e GEO.

Esistono diversi approcci architettonici attualmente in fase di standardizzazione:

• Inizialmente, come definito nella Release 17, verrà utilizzata la modalità trasparente. In altre parole, il satellite fungerà da ripetitore, con il segnale radio 5G NR generato e ricevuto in un nodo terrestre (gNB). La comunicazione tra il gNB terrestre e il satellite avverrà tramite il collegamento feeder tra il satellite e un gateway terrestre. Il collegamento diretto tra il satellite e il dispositivo è chiamato collegamento di servizio.
• La futura modalità rigenerativa, attualmente in fase di discussione come argomento di lavoro nella Release 19, sarà dotata di funzioni gNB complete o disaggregate nel nodo di accesso satellitare (SAN). L'obiettivo è velocizzare le decisioni relative alla programmazione e aumentare la potenza di elaborazione e calcolo nel nodo satellitare. Questo, però, comporta una maggiore complessità.

Attualmente esistono due documenti contenenti requisiti di standardizzazione che saranno importanti per i futuri test SAN:

• TS 38.108 descrive i requisiti per i ricevitori e trasmettitori NTN.
• TS 38.181 descrive i requisiti effettivi di test.
• TS 38.101-5 descrive le specifiche per il collaudo delle apparecchiature utente (UE) NTN

La figura 1 riportata di seguito mostra una breve descrizione degli scenari di test e una configurazione simbolica per una SAN operante in modalità payload trasparente NTN. Il dispositivo in prova (DUT) è costituito da tre blocchi funzionali: il satellite (descritto come carico utile NTN RF), il gateway e le funzioni di rete non NTN (gNB).

I test dell'interfaccia RF possono essere suddivisi approssimativamente in:

• Test del trasmettitore (TX)
• Sensibilità del ricevitore (RX)
• Prestazioni del ricevitore (prestazioni RX)

I test sul trasmettitore hanno un approccio simile a quello previsto per l'ambito terrestre, con parametri quali potenza di trasmissione (potenza TX, controllo della potenza TX), qualità della modulazione (EVM) e caratteristiche di trasmissione spettrale (ACLR, emissioni spurie, SEM). In questo caso, uno strumento di prova ideale è un analizzatore di segnali. A seconda della categoria del nodo satellitare, la connessione allo strumento di prova può essere stabilita tramite una connessione via cavo o over-the-air (OTA). I test OTA consentono di verificare le antenne direzionali utilizzate per il beamforming. Questo tipo di test richiede camere anecoiche complete (FAC) e sistemi di posizionamento.

Esistono due diversi approcci ai test dei ricevitori:

• Per metriche quali la sensibilità del ricevitore, viene inviato un segnale di prova di riferimento al DUT utilizzando un generatore di segnali. Il risultato di questo test è il tasso di errore di blocco (BLER) nel ricevitore o la velocità di trasmissione dei dati. Le specifiche 3GPP richiedono che il throughput, per superare il test di sensibilità, raggiunga una soglia del 95% di un canale di riferimento definito ad un livello minimo di input. A causa della disaggregazione dei componenti, il punto di iniezione del segnale RF si trova all'ingresso del satellite, ma il BLER può essere determinato solo nello stack di protocolli gNB.
• Il secondo approccio si basa sulle prestazioni RX, simili alla sensibilità, con riferimento alla metrica del 95% in termini di throughput. Tuttavia, i test delle prestazioni simulano una situazione di stress per il ricevitore, ad esempio applicando un profilo di dissolvenza al segnale di prova o aggiungendo segnali interferenti.

Apparecchiature di prova per apparecchiature utente NTN

In linea di principio, le apparecchiature terminali per le comunicazioni satellitari 5G hanno gli stessi requisiti per trasmettitori e ricevitori delle apparecchiature per le reti terrestri. Tuttavia, è nei dettagli che si nasconde il problema: a seconda delle capacità dell'UE NTN e del caso d'uso, ci saranno numerose configurazioni di test e metodologie diverse. A titolo esemplificativo, la categoria di dispositivi NTN-IoT utilizzerà un'architettura a bassa complessità.

Inoltre, casi d'uso quali la messaggistica o piccoli set di dati generalmente non richiedono un determinato profilo QoS e sono molto tolleranti ai ritardi. I futuri UE NTN, come i terminali ad apertura molto piccola (VSAT), saranno dotati di metodi più sofisticati come il beamforming, frequenze più elevate e larghezza di banda più ampia. Ciò richiederà ulteriori test. Lo spettro di frequenza è fondamentale per le NTN, poiché esistono numerose possibili configurazioni: le bande NTN possono sovrapporsi alle bande terrestri, essere adiacenti tra loro o avere un margine di sicurezza sufficiente. Pertanto, la campagna di test dovrebbe anche prendere in considerazione alcuni scenari di coesistenza.

Il 3GPP sta lavorando all'estensione dei requisiti UE nelle comunicazioni satellitari con la specifica TS 38.101-5. Questo documento estende la serie di specifiche dei requisiti UE TS 38.101-x per comprendere gli aspetti NTN e copre le metriche pertinenti:

• Potenza di trasmissione
• Larghezza di banda spettrale
• Qualità della modulazione
• Sensibilità del ricevitore
• Emissioni spettrali (SEM, ACLR, emissioni spurie)

Per eseguire test UE adeguati è necessario un simulatore di sistema in grado di gestire una connessione che comprenda l'intero stack di protocolli e consenta sia i test RF che i test di protocollo. La figura 2 riportata di seguito offre una panoramica di questo tipo di configurazione. L'UE è il DUT collegato al simulatore di sistema tramite cavo o in una camera OTA. Questo simulatore di sistema esegue sia test RF che test di protocollo, questi ultimi particolarmente importanti per verificare gli scenari di connessione e mobilità.

Uno dei requisiti dei terminali NTN è la determinazione della posizione terrestre. Il posizionamento sulla base di segnali GNSS è, pertanto, una funzionalità obbligatoria per gli UE NTN. La stazione satellitare trasmette i propri dati orbitali tramite informazioni di sistema e supporta l'UE nella correzione dello scostamento temporale e dello spostamento Doppler.

In un sistema di prova NTN per il test di conformità, un generatore di segnali può simulare il segnale GNSS per consentire la determinazione della posizione dell'UE. Inoltre, l'omologazione e i test normativi richiedono misure spettrali estese, come le emissioni spurie e i test delle prestazioni RX. Per supportare queste esigenze relative a scenari di interferenza aggiuntivi o analisi estese dello spettro, il simulatore di sistema 5G può comprendere strumenti di misura e collaudo addizionali, quali generatori e analizzatori di segnali.

Il tester per radio mobili R&S®CMX500 supporta opzioni di segnalazione e misura RF LTE/FR1 e FR2 completamente indipendenti, nonché tutte le combinazioni di bande 3GPP attuali e future, con un throughput dati fino a 20 Gbps a livello IP. Segue la strategia monopiattaforma di Rohde & Schwarz, che propone larghezze di banda di frequenza totali fino a 10 GHz e prepara gli utenti alle sfide di test attuali e future. Con la sua interfaccia grafica intuitiva R&S®CMsquares basata sul Web, questo tester one-box definisce il nuovo standard per il collaudo 5G dallo spazio.