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 satélitese se movem em relação à superfície da Terra. A longo prazo - ou seja, para o 6G- redes de múltiplas órbitasserão uma realidade, com nós de rede tridimensionaisem 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 transparenteserá 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 alimentaçãoentre 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 completasno 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 38.108descreve os requisitos para receivers e transmissores de redes não terrestres.
• A especificação TS 38.181descreve os requisitos reais de teste.
• A especificação TS 38.101-5descreve as especificações para testes de equipamentos de usuário de redes não terrestres

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

Os testes de interface de radiofrequência 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 sinaisé 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 de posicionamento.

Há duas abordagens diferentes para os testes de receivers:

• Para métricas como a de sensibilidade do receiver, um sinal de teste de referência é enviado ao dispositivo em teste usando um gerador de sinal. O resultado desse teste é a taxa de erro de bloco (BLER)no receiver ou na 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 receiver, 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 estressepara o receiver ao, por exemplo, aplicar um perfil de atenuação ao sinal de teste ou adicionando sinais de interferência.

Equipamento de teste para equipamentos de usuário de redes não terrestres

Em princípio, o equipamento terminal para comunicações 5G via satélitetem os mesmos requisitos de transmissor e receiver 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 do usuário para redes não terrestres. A título de exemplo, a categoria de 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 o modelo 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 prolongados. O espectro de frequênciaé fundamental para as redes não terrestres, 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.

A 3GPP está trabalhando para ampliar os requisitos para equipamentos do usuário em comunicações via satélite com a especificação TS 38.101-5. Este documento amplia a série de especificações de requisitos para equipamentos do usuário TS 38.101-x para 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 protocolose permita testes de radiofrequência, 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 radiofrequência 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 do equipamento do usuário para redes não terrestres. 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 regulatórios exigem medições espectrais prolongadas, como emissões espúrias e testes de desempenho de receivers. O simulador de sistema 5Gpode incluir instrumentos de teste e medição adicionais, como analisadores e geradores de sinais, para atender a essas necessidades de cenários adicionais de interferênciaou a análise de espectro prolongada.

O testador de radiocomunicações R&S®CMX500oferece suporte às opções de medição e sinalização da banda de frequência 2 (FR2) e radiofrequência de LTE / banda de frequência 1 (FR1) totalmente independentes, bem como todas as combinações de banda da 3GPP atuais e futuras, com taxa de transferência de dados de até 20 Gbps a nível de IP. Ela segue a estratégia de plataforma únicada Rohde & Schwarz, oferecendo larguras de banda de frequência total de até 10 GHz e preparando os usuários para os desafios de teste atuais e futuros. Com sua interface gráfica de usuário intuitiva baseada na web R&S®CMsquares, esse testador com tudo incluído em um só instrumentodefine o novo padrão para testar o 5G espacial.