Tecnología 5G desde el espacio: implicaciones para T&M de redes no terrestres (NTN)

T&M de estaciones base de redes no terrestres (NTN)

Estamos sometiéndonos a un cambio de paradigma, el término «estación base» ya no se aplica realmente a las redes no terrestres (NTN). En su lugar, los nodos se integran en satélites y se mueven en relación con la superficie de la tierra. A largo plazo, es decir, para la tecnología 6G, las redes multiórbita serán una realidad, con nodos de red tridimensionales en todas las altitudes LEO, MEO y GEO.

Existen diversos enfoques arquitectónicos que se encuentran actualmente en proceso de estandarización:

• Inicialmente, tal y como se define en el Release 17, se utilizará el modo transparente. Dicho de otra manera, el satélite actuará como una especie de repetidor, con la señal de radio 5G NR generada y recibida en un nodo terrestre (gNB). La comunicación entre el nodo terrestre (gNB) y el satélite se realizará por medio del enlace de conexión entre el satélite y una pasarela terrestre. La conexión directa entre el satélite y el dispositivo se denomina enlace de servicio (serving link).
• El futuro modo regenerativo, que actualmente se debate como un elemento de trabajo en el Release 19, incorporará las funciones completas o desagregadas del nodo terrestre (gNB) en el nodo de acceso satelital (SAN). El objetivo es agilizar las decisiones de planificación, así como generar más potencia de procesamiento y cálculo en el nodo satelital. Sin embargo, esto tiene el costo de ser más complejo.

Actualmente, existen dos documentos que sugieren los requisitos de estandarización que serán importantes para futuras pruebas de nodos SAN:

• La especificación técnica TS 38.108 de 3GPP describe los requisitos tanto para receptores como transmisores de redes no terrestres (NTN).
• La especificación técnica TS 38.181 describe los requisitos de pruebas actuales.
• La especificación técnica TS 38.101-5 describe las especificaciones para realizar pruebas de equipos de usuario (UE) de redes no terrestres (NTN)

La figura 1 muestra un breve esquema de los escenarios de prueba y una configuración simbólica para un nodo SAN, que funciona en modo de carga útil transparente de redes no terrestres (NTN). El dispositivo consta de tres bloques funcionales: el satélite (descrito como carga útil de RF de redes no terrestres), la pasarela y las funciones de la red NTN (gNB).

Las pruebas de la interfaz de RF pueden dividirse a groso modo en:

• pruebas del transmisor (TX)
• sensibilidad del receptor (RX)
• rendimiento del receptor (rendimiento RX)

Las pruebas en el transmisor tienen un enfoque parecido al del caso terrestre, con métricas como potencia de transmisión (potencia TX, control de potencia TX), calidad de modulación (EVM), así como características espectrales de transmisión (relación de potencia de canal adyacente, emisiones espurias, mercadotecnia en buscadores web). Un analizador de señales es el instrumento de medición ideal aquí. En función de la categoría del nodo satelital, la conexión con el instrumento de T&M puede establecerse por medio de una conexión basada en cable u «over-the-air» (OTA). Las pruebas OTA permiten verificar las antenas direccionales que se utilizan para la formación del haz. Este tipo de pruebas requieren de cámaras anecoicas completas (FAC), así como de sistemas de posicionamiento.

Existen dos enfoques diferentes para probar el receptor:

• Para métricas como sensibilidad del receptor, se envía una señal de medición de referencia al dispositivo por medio de un generador de señales. El resultado de esta prueba es la tasa de error de bloques (BLER) en el receptor o en el flujo de datos. Para pasar la prueba de sensibilidad, las especificaciones de 3GPP requieren de un rendimiento que alcance un umbral del 95 % de un canal de referencia definido a un nivel de entrada mínimo. Debido a la desagregación de componentes, el punto de inyección de la señal de RF se encuentra en la entrada del satélite, pero solo puede determinarse el BLER en la pila de protocolos del gNB.
• El segundo enfoque se basa en el rendimiento del receptor, el cual es similar a la sensibilidad con respecto a la métrica del 95 % en el rendimiento. Sin embargo, las pruebas de rendimiento simulan una situación de tensión para el receptor al, por ejemplo, aplicar un perfil de desvanecimiento a la señal de prueba o al añadir señales interferentes.

Equipamiento de prueba y medición para equipos de usuario de redes no terrestres (NTN)

En principio, los terminales para las comunicaciones satelitales 5G tienen los mismos requisitos de transmisor y receptor que los de las redes terrestres. Sin embargo, los pequeños detalles pueden ser complejos: habrá diversas configuraciones y metodologías de prueba diferentes en función de la capacidad y los casos de uso del equipo de usuario de redes no terrestres (NTN). A modo de ejemplo, la categoría de dispositivos de NTN-IoT utilizará una arquitectura de baja complejidad.

Además, casos de uso como mensajería o pequeños registros de datos, por lo general no solicitan un determinado perfil de QoS y son muy tolerantes al retraso. Los futuros equipos de usuario de redes no terrestres (NTN), como las estaciones VSAT (estaciones terrestres de muy pequeña apertura), incorporarán métodos más sofisticados, como la formación de haz, frecuencias mucho más altas y un ancho de banda más amplio. Esto requerirá de pruebas ampliadas. El espectro de frecuencia es fundamental para las redes no terrestres (NTN) debido a que existen numerosas disposiciones posibles: las bandas de las redes no terrestres (NTN) pueden superposicionarse con las bandas terrestres, ser adyacente entre sí o tener un suficiente margen de seguridad. Como tal, las campañas de prueba deben también considerar algunos escenarios de coexistencia.

3GPP está trabajando para ampliar los requisitos de los equipos de usuario en las comunicaciones satelitales con la especificación TS 38.101-5. Este documento amplía la serie de especificaciones de requisitos TS 38.101-x a fin de incluir aspectos de las redes no terrestres, así como abarcar métricas relevantes:

• Potencia de transmisión
• Ancho de banda espectral
• Calidad de modulación
• Sensibilidad del receptor
• Emisiones espectrales (máscara de emisión de espectro, relación de potencia de canal adyacente, emisiones espurias)

Pruebas adecuadas de equipos de usuario requieren de un simulador de sistema que pueda gestionar una conexión que incluya toda la pila de protocolos y permita realizar tanto mediciones en RF, como pruebas de protocolo. La figura 2 proporciona una visión general de este tipo de configuración. El equipo de usuario es el dispositivo que se conecta al simulador de sistema ya sea por medio de un cable o en una cámara OTA. Este simulador de sistema realiza tanto pruebas de protocolo como mediciones en RF, siendo las pruebas de protocolo especialmente importantes para verificar escenarios de conexión y movilidad.

Un requisito de los terminales de redes no terrestres (NTN) es determinar la posición terrestre. Por lo tanto, el posicionamiento basado en señales GNSS es una función obligatoria de los equipos de usuario de redes no terrestres (NTN). La estación satelital transmite sus propios datos orbitales por medio de la información del sistema y ayuda al equipo de usuario a corregir tanto el desajuste de tiempo como el desplazamiento Doppler.

En un sistema de pruebas de redes no terrestres (NTN) para pruebas de conformidad, a fin de poder determinar la posición del equipo de usuario. Además, tanto la aprobación de tipo como las pruebas regulatorias requieren de mediciones espectrales ampliadas, como pruebas de emisiones espurias y de rendimiento del receptor. El simulador de sistema 5G puede incluir instrumentos de T&M adicionales, como generadores y analizadores de señales, para poder admitir estas necesidades de escenarios de interferencia adicionales o de análisis espectral ampliado.

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