[TRIBUNE de Nancy Friedrich, KEYSIGHT] Malgré les défis techniques que représentent les réseaux de communication non terrestres (NTN), les secteurs de l’aérospatial et de la défense peuvent renforcer leurs capacités de communications en passant d'un réseau 100% terrestre à un réseau hybride espace/sol, dès lors qu’ils disposent des bons outils de simulation virtuelle, d'émulation et de jumeaux numériques. Eclairages de Nancy Friedrich, responsable Aérospatial et défense chez Keysight Technologies.

Les agences militaires et gouvernementales exploitent de plus en plus les technologies développées par le secteur privé pour renforcer leurs capacités de communication et améliorer leur connaissance du terrain. Elles sont également nombreuses à prévoir de renforcer leurs capacités de connectivité grâce aux réseaux non terrestres NTN (Non Terrestrial Networks) de cinquième génération (5G).

Un NTN est un réseau hybride qui applique la technologie de communication par satellite (SATCOM) pour étendre la technologie 5G existante. Les réseaux 5G NTN s'inspirent en grande partie des réseaux terrestres 5G et sont confrontés aux mêmes défis, tout en ajoutant des attentes de fiabilité plus élevées pour les services 5G NTN par rapport aux réseaux SATCOM plus anciens.

Au-delà du battage médiatique autour des possibilités commerciales de la 5G NTN, cette technologie promet également de transformer les secteurs de l’aérospatial et de la défense. Les cas d’usage potentiels de la 5G NTN pour les armées et les gouvernements incluent la couverture des champs de bataille avancés ou des opérations spéciales ciblées. Les NTN ont également vocation à fournir une couverture pour rétablir les communications dans les zones sinistrées touchées par des pannes d'infrastructure généralisées. Dans le domaine des transports, les réseaux NTN permettent aussi le suivi logistique des itinéraires de camions longue distance, des lignes ferroviaires et des voies de navigation maritime. Cinq défis restent toutefois à relever.

1 - Plus de données, un spectre encombré

Le réseau hybride 5G NTN présente des avantages et des défis évidents. L'équipement utilisateur (UE) portable ou installé sur un véhicule a tendance à exiger de grands volumes de données pour les services vidéo et cartographiques. D’un autre côté, les applications de capteurs peuvent connecter des équipements utilisateurs avec des débits de données plus faibles. Pour fournir les volumes de données requis, il faut exploiter les principes de signalisation de la 5G pour la 5G NTN, notamment les fréquences porteuses en ondes millimétriques et les modulations complexes dans les grandes largeurs de bande.

Le spectre de la 5G est toutefois déjà largement alloué dans les réseaux terrestres, et les dizaines de milliers de satellites en orbite terrestre basse (LEO), de plates-formes en orbite terrestre géostationnaire (GEO) ou moyenne (MEO) et de plates-formes en haute altitude (HAPS) qui opéreront bientôt dans les réseaux 5G NTN ne feront qu'ajouter à l'encombrement du spectre.

2- L'environnement spatial

L'espace est le principal défi pour les NTN. Une fois déployé, l'équipement est inaccessible. En outre, les systèmes doivent fonctionner dans un environnement particulièrement sévère, avec des températures et des rayonnements extrêmes. Pour être performants, les systèmes doivent également assurer une production et un stockage d'énergie constants.

Pour tous ces aspects, les fournisseurs de systèmes satellitaires doivent trouver un équilibre entre les risques et les coûts tout au long de la durée de vie de l'opération.

3 - Taille, poids, consommation et coût

Les limites physiques pour la mise en place de ressources informatiques et de ressources RF à haute fréquence dans le ciel posent également problème. La taille, le poids, la consommation et le coût (SWaP-C, Size, Weight, Power and Cost) deviennent des problèmes lorsque l'on s'éloigne des satellites GEO de 20 tonnes pour aller vers des satellites LEO et des plates-formes HAPS aux dimensions plus compactes. Et les charges utiles doivent être transformées en conséquence.

En revanche, il est désormais possible et rentable de mettre en service un plus grand nombre de satellites avec des charges utiles plus petites et des cycles de vie plus courts. Un réseau 5G NTN pourrait consister en un groupe de satellites travaillant ensemble sur différentes orbites.

4 -Se connecter en mouvement

Les réseaux 5G NTN mettent certains éléments, voire tous les éléments du réseau, en mouvement constant. Les mouvements des satellites et des plates-formes HAPS influent sur l'établissement des connexions, la qualité du signal et les transferts intercellulaires. Les instances de nœuds gNodeB (*) et certaines parties du RAN (Radio Access Network) qui volent en altitude s'ajoutent au mouvement de tout équipement utilisateur à la surface. Les paramètres, précédemment fixés ou limités à une petite plage de variation dans un réseau terrestre 5G, deviennent soudain des variables de grande envergure dans un réseau 5G NTN.

Les zones de suivi, les retards de groupe, les décalages Doppler, les rapports signal/bruit et d'autres éléments acquièrent des caractéristiques dynamiques.

5 - La question de la charge utile

L'introduction des réseaux 5G NTN perturbe l'architecture traditionnelle des réseaux terrestres 5G et ouvre la voie à un changement de paradigme en matière de connectivité. Il existe de nombreuses alternatives pour les satellites et les HAPS participant aux domaines gNodeB et RAN, certains avec plusieurs satellites à la queue leu leu dispersés sur plusieurs kilomètres dans le ciel.

Le choix entre des charges utiles transparentes ou régénératives peut complètement modifier l'organisation du réseau et l'acheminement des signaux qui en résulte. Avec les satellites LEO en mouvement, il faut se rappeler que toutes les relations temporelles sont dynamiques. Ce qui est en jeu, c'est la qualité de service (QoS) de l'expérience utilisateur, principalement en raison des retards variables et des transferts intercellulaires complexes qui peuvent entraîner des interruptions de connexion.

La cinématique des plates-formes modifie rapidement le comportement du canal 5G NTN, et il n'est pas possible de placer les plates-formes en mouvement rapide dans la bonne orientation suffisamment longtemps pour recueillir des mesures physiques détaillées. Toutefois, les simulations peuvent tenir compte des trajectoires orbitales complexes et décomposer les mouvements temps réel en détails précis grâce à l'analyse à corrélation temporelle

Promouvoir la prochaine vague NTN

Une simulation multidomaine précise d'une liaison 5G NTN dépend de quatre éléments : une représentation authentique de la modulation numérique complexe dans une forme d'onde 5G avec des effets réels, un modèle complet de la cinématique du satellite, une modélisation robuste du traitement système du signal RF et une vue corrélée dans le temps du décodage du protocole 5G.

L'objectif essentiel est de valider les performances dans une simulation avant le déploiement du matériel en orbite.

(*) Le gNodeB est l’élément d’un réseau 5G qui fournit les liaisons radio entre l’unité utilisateur et l’infrastructure du réseau. Il est responsable de plusieurs fonctions, notamment la gestion des ressources radio, la transmission et la réception des radiofréquences, la gestion de la mobilité et la gestion de la qualité de service.