5G desde el espacio – aspectos relacionados con las medidas de NTN

Test y medida de estaciones base de NTN

Se está produciendo un cambio de paradigma, y es que el término «estación base» ya no es realmente aplicable a las redes no terrestres (NTN). En lugar de ello, aquí se trata de nodos de red que están integrados en satélitesy se mueven en relación a la superficie de la Tierra. Al largo plazo —es decir, con 6G— se impondrán las redes multiórbitacon nodos de red tridimensionalesen todas las altitudes LEO, MEO y GEO.

Actualmente se encuentran en proceso de estandarización varios planteamientos de la arquitectura:

• Inicialmente, tal y como se define en la Release 17, se utilizará el modo transparente. Esto significa que el satélite actuará a modo de repetidor, y la señal radioeléctrica 5G NR se generará y recibirá en un nodo terrestre (gNB). La comunicación entre el gNB terrestre y el satélite se realizará a través del enlace de conexión (feeder link)entre el satélite y un gateway terrestre. La conexión directa entre el satélite y el dispositivo se denomina enlace de usuario o de servicio (serving link).
• El futuro modo regenerativo, que actualmente se está abordando como línea de trabajo en la Release 19, incorporará todas las funciones o funciones desagregadas de gNBen el nodo de acceso de satélite (SAN). El objetivo consiste en lograr decisiones de programación más rápidas, así como más potencia de procesamiento y de cálculo en el nodo del satélite. Sin embargo, esto implica tener que asumir una mayor complejidad.

En la actualidad, dos documentos proponen requisitos de estandarización que serán importantes para futuros test de SAN:

• TS 38.108describe requisitos para los receptores y transmisores de NTN
• TS 38.181describe los requisitos de test actuales
• TS 38.101-5describe las especificaciones para pruebas de equipos terminales de NTN

Más abajo, en la figura 1, se muestra una visión esquemática de escenarios de test y una configuración simbólica para un SAN que funciona en modo de carga útil transparente de NTN. El dispositivo bajo prueba (DUT) consiste en tres bloques funcionales: el satélite (descrito como carga útil de RF de NTN), el gateway y las funciones de red NTN (gNB).

Los test de interfaz de RF se pueden dividir a grandes rasgos en:

• test de transmisor (TX)
• sensibilidad del receptor (RX)
• rendimiento de receptor (rendimiento de RX)

Los test del transmisor siguen un enfoque similar al del caso terrestre, con métricas como potencia de transmisión (potencia TX, control de potencia de TX), calidad de modulación (magnitud del vector de error) y características de transmisión espectral (relación de potencia de canal adyacente, emisiones espurias, SEM). Aquí, el instrumento ideal es un analizador de señales. Dependiendo de la categoría del nodo de satélite, la conexión con el instrumento de medida se puede establecer a través de una conexión basada en cable u «over-the-air» (OTA). Mediante pruebas OTA se pueden verificar las antenas direccionales que se utilizan para la formación de haz. Este tipo de pruebas requiere cámaras completamente anecoicasasí como sistemas de posicionamiento.

Para los test de receptor existen dos enfoques diferentes:

• Para métricas como la sensibilidad del receptorse envía una señal de prueba de referencia al DUT mediante un generador de señales. El resultado de esta prueba es la tasa de errores de bloque (BLER)en el receptor o el caudal de datos. Según las especificaciones de 3GPP, el caudal de datos debe alcanzar un umbral del 95 % de un canal de referencia definido con un nivel de entrada mínimo para pasar el test de sensibilidad. Debido a la desagregación de componentes, el punto de inyección de la señal de RF está en la entrada del satélite, pero la BLER solamente se puede determinar en la pila de protocolo del gNB.
• El segundo enfoque se basa en el rendimiento del receptor, que es similar a la sensibilidad, con relación a la métrica del 95 % del caudal. Aquí, en cambio, los test de rendimiento simulan una situación de estrésen el receptor, por ejemplo, aplicando un perfil de desvanecimiento a la señal de prueba o agregando señales interferentes.

Instrumentación para terminales de usuario de NTN

En principio, los equipos terminales para comunicaciones 5G por satélitedeben cumplir los mismos requisitos de transmisor y receptor que los de las redes terrestres. Sin embargo, la cosa se complica al entrar en detalles: existen varias configuraciones de medida y metodologías diferentes dependiendo de la capacidad del terminal NTN y del caso de uso. Por ejemplo, la categoría de dispositivo NTN-IoTutilizará una arquitectura de baja complejidad.

Además, los casos de uso como la mensajería o conjuntos de datos pequeños generalmente no exigen un determinado perfil de calidad de servicio, y son muy tolerantes al retraso. Los futuros equipos terminales para NTN, como p. ej. del tipo de las estaciones terrestres de muy pequeña apertura (VSAT), incorporarán métodos más sofisticados como formación de haz, frecuencias más altas y mayor ancho de banda. Esto hará necesario realizar medidas más extensas. El espectro de frecuenciases esencial para las NTN, ya que hay numerosas configuraciones posibles: las bandas de la NTN pueden solaparse con bandas terrestres, ser adyacentes entre sí o guardar un margen de seguridad suficiente. Por tanto, una campaña de medidas debería considerar también algunos escenarios de coexistencia.

3GPP está ampliando los requisitos para los equipos terminales de comunicación por satélite mediante la especificación TS 38.101-5. Este documento amplía la serie de especificaciones de requisitos para equipos terminales TS 38.101-x incluyendo los aspectos de las NTN y cubre métricas relevantes:

• potencia de transmisión
• ancho de banda espectral
• calidad de modulación
• sensibilidad del receptor
• emisiones espectrales (SEM, relación de potencia de canal adyacente, emisiones espurias)

Para llevar a cabo adecuadamente medidas de equipos terminales se requiere un simulador de sistemas capaz de gestionar una conexión que incluya la pila de protocolo completay permita realizar medidas de RFasí como de protocolo. La figura 2 de abajo muestra un esquema de este tipo de configuración. El equipo terminal es el DUT conectado al simulador del sistema, bien a través de cable o en una cámara OTA. Este simulador de sistema ejecuta pruebas de RF y de protocolo, siendo los test de protocolo especialmente importantes para verificar escenarios de conexión y de movilidad.

Un requisito de los terminales NTN es la determinación de la posición terrestre. Por lo tanto, el posicionamiento basado en señales GNSSes una función obligatoria en los terminales NTN. La estación de satélite transmite sus propios datos de órbita a través de información del sistema y apoya al terminal en la corrección de desfase temporal y desplazamiento Doppler.

En un sistema de test de NTN para ensayos de conformidad, un generador de señales puede simular la señal GNSS para activar la determinación de posición del terminal. Además, los ensayos de homologación de tipo y certificación exigen medidas de espectro ampliadas, como p. ej. emisiones espurias y test de rendimiento de receptor. El simulador de sistemas 5Gpuede incluir otros instrumentos de test y medida, como generadores de señales y analizadores, para atender a estas exigencias de escenarios de interferencias adicionaleso análisis de espectro ampliados.

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