Il 5G dallo spazio: implicazioni per misure e collaudi NTN

Misura e collaudo di una stazione base NTN

Stiamo vivendo un cambiamento paradigmatico: il termine "stazione base" non si addice alle reti non terrestri (NTN). I nodi della rete, invece, sono integrati nei satellitie si muovono rispetto alla superficie terrestre. Nel lungo termine - cioè per il 6G - le reti multi-orbitalisaranno una realtà, con nodi di rete tridimensionalia tutte le altitudini LEO, MEO e GEO.

Esistono diversi approcci architettonici attualmente in fase di standardizzazione:

• Inizialmente, come definito nella Release 17, verrà utilizzatala modalità trasparente. In altre parole, il satellite agirà come una sorta di 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 attraverso il collegamento feedertra il satellite e un gateway terrestre. Il collegamento diretto tra il satellite e il dispositivo è chiamato collegamento di servizio ("serving link").
• La futura modalità rigenerativa, attualmente discussa come punto di lavoro nella Release 19, incorporerà le funzioni gNB intere o disaggregate nel nodo di accesso satellitare (SAN). L'obiettivo è avere decisioni di pianificazione più rapide e una maggiore potenza di elaborazione e di calcolo nel nodo satellitare. Tuttavia, ciò ha come prezzo una maggiore complessità.

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

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

La Figura 1 mostra un breve schema degli scenari di test e una configurazione simbolica per una SAN che opera in modalità NTN transparent payload. Il dispositivo in esame (DUT) è costituito da tre blocchi funzionali: il satellite (descritto come payload RF NTN), il gateway e le funzioni di rete non NTN (gNB).

I test di interfaccia RF possono essere suddivisi grossomodo in:

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

I test sul trasmettitore hanno un approccio analogo a quello del caso terrestre, con metriche quali la potenza di trasmissione (potenza TX, controllo della potenza TX), la qualità della modulazione (EVM) e le caratteristiche spettrali di trasmissione (ACLR, emissioni spurie, SEM). Un analizzatore di segnaleè lo strumento di test ideale. A seconda della categoria del nodo satellitare, la connessione allo strumento di test può avvenire tramite una connessione via cavo o via etere (OTA). I test OTA consentono di verificare le antenne direzionali, che vengono utilizzate per il beamforming. Questo tipo di test richiede camere anecoiche (FAC) e sistemi di posizionamento.

Esistono due approcci diversi ai test sui ricevitori:

• Per parametri come la sensibilità del ricevitoreviene inviato al DUT un segnale di test di riferimento mediante un generatore di segnale. Il risultato di questo test è il tasso di errore di blocco (BLER) nel ricevitore o il throughput dei dati. Affinché il test di sensibilità venga superato, le specifiche 3GPP richiedono che il throughput raggiunga una soglia del 95% di un canale di riferimento definito a un livello minimo di ingresso. 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 protocollo della gNB.
• Il secondo approccio si basa sulleprestazioni RX, che sono simili alla sensibilità, rispetto alla metrica del 95% del throughput. Tuttavia, i test prestazionali simulano una situazione di stressper il ricevitore, ad esempio applicando un profilo di dissolvenza al segnale di test o aggiungendo segnali di interferenza.

Strumenti di prova per le apparecchiature utente NTN

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

Inoltre, i casi d'uso come la messaggistica o le piccole serie di dati in genere non richiedono particolari profili QoS e sono molto tolleranti ai ritardi. Apparecchiature utenti NTN future, come le tipologie di terminali ad apertura molto piccola (VSAT), incorporeranno metodi più sofisticati come il beamforming, frequenze più elevate e una maggiore larghezza di banda. Ciò richiederà test approfonditi. Lo spettro di frequenzaè fondamentale per le NTN, poiché esistono numerose possibilità di disposizione: le bande NTN possono sovrapporsi a quelle terrestri, essere adiacenti o avere un margine di sicurezza sufficiente. Per questo motivo, la campagna di test dovrebbe prendere in considerazione anche alcuni scenari di coesistenza.

Il progetto 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 includervi gli aspetti NTN e copre le metriche pertinenti:

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

Un test UE adeguato richiede un simulatore di sistema in grado di gestire una connessione che includa lostack intero di protocolli e consenta metodi di test RFnonché test di protocollo. La Figura 2 in basso fornisce una panoramica di questo tipo di configurazione. L'apparecchiatura utente è il DUT collegato al simulatore di sistema via cavo o in una camera OTA. Questo simulatore di sistema esegue sia test RF che test di protocollo, dove i test di protocollo sono particolarmente importanti per verificare gli scenari di connessione e mobilità.

Un requisito dei terminali NTN è la definizione della posizione terrestre. Pertanto, il posizionamento basato su segnali GNSSè una funzionalità obbligatoria dell'apparecchiatura utente NTN. La stazione satellitare trasmette i propri dati orbitali tramite le informazioni di sistema e supporta l'UE nella correzione dell'offset temporale e dello spostamento Doppler.

In un sistema di test NTN per la verifica della conformità, un generatore di segnale può simulare il segnale GNSS per consentire la definizione della posizione dell'UE. Inoltre, l'omologazione e i test normativi richiedono misure spettrali approfondite, come i test sulle emissioni spurie e sulle prestazioni RX. Il simulatore di sistema 5Gpuò comprendere strumenti di misura aggiuntivi, come generatori e analizzatori di segnale, per supportare queste esigenze di scenari di interferenza addizionalioppure analisi approfondite dello spettro.

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