The finalisation of 3GPP’s Release 17 has solidified space-based 5G NB-IoT and direct-to-device connectivity as a reality. Increasing interest in satellite-based 5G services places new demands on NB-IoT system architecture to achieve uninterrupted network coverage across vast geographical areas whilst addressing current connectivity challenges and constraints worldwide. GateHouse SatCom’s Product Director, Svend Holme Sørensen, and Senior Software Architect, Henrik Krogh Møller, introduce the architecture and system elements required for developing 5G NB-IoT NTN systems now and in the future.
GateHouse SatCom más de 20 años desarrollando sistemas de comunicación por satélite de última generación. En la actualidad, esta empresa dedicada exclusivamente al desarrollo de software y formas de onda aporta su experiencia a varios mercados comerciales y militares, y recientemente se ha convertido en miembro individual del ETSI y participante activo en la revolucionaria versión 17 3GPPpara estandarizar NB-IoT 5G NB-IoT directas al dispositivo.
Con la inclusión de NTN en los 3GPP , se espera que la próxima generación de dispositivos IoT solo necesite actualizarse con un chipset compatible con NTN para poder alternar entre redes móviles y satelitales.
«La capacidad del servicio 5G directo al dispositivo es un hito importante para la conectividad por satélite y ofrece muchas oportunidades interesantes», afirma el director de producto GateHouse Satcom, Svend Holme Sørensen, y continúa:
«Anteriormente, veíamos la conectividad por satélite a través del prisma de grandes terminales y antenas diseñadas exclusivamente para las comunicaciones por satélite. Los dispositivos que ayudamos a desarrollar hoy en día pueden funcionar con servicios terrestres y por satélite, lo que permite un uso generalizado e ininterrumpido de dispositivos de red 5G terrestres y por satélite en múltiples sectores, incluso en regiones notoriamente difíciles de cubrir».
Las industrias pueden implementar servicios 5G basados en satélites en dispositivos diseñados también para servicios terrestres utilizando las capacidades de la arquitectura del sistema NB-IoT .
«Vemos muchos dispositivos que solo admiten conectividad terrestre, pero que tienen un enorme potencial de adaptabilidad NB-IoT . El sector logístico podría finalmente obtener la tan codiciada visibilidad de extremo a extremo. El sector ganadero podría disponer de rastreadores GPS y de actividad ganadera alimentados por satélites. Del mismo modo, los sectores agrícolas podrían adoptar registradores inalámbricos de temperatura y humedad alimentados por satélite. Las posibilidades son infinitas».
However, Svend explains further that developing 5G NB-IoT system architecture to achieve optimal interoperability and connectivity between terrestrial networks, non-terrestrial networks and millions of IoT devices isn’t without its challenges.
Ponerse al día y adaptarse
3GPP creó 3GPP NB-IoT uso terrestre en sus especificaciones de la versión 13, con una arquitectura del sistema que no implicaba señalización por satélite.
Un NB-IoT se conecta directamente a la red a través de una interfaz Uu, llegando a una torre NodeB terrestre en la red celular. Cuando el NB-IoT finalmente envía datos a Internet, pasa por el núcleo de paquetes, en este caso, un EPC 4G. Esta arquitectura de sistema NB-IoT sentó las bases para la exploración de la conectividad NTN impulsada por satélite a través de los estudios previos de la versión 16 y las especificaciones de la versión 17.
“Satellites now play a critical role in adapting NB-IoT NTN system architecture to existing terrestrial networks. Instead of a device connecting to a NodeB cellular tower directly, its service link will first pass through a satellite, forwarding a signal via a feeder link to a ground-based NTN NodeB that’s connected to the satellite operator’s EPC”, explains GateHouse SatCom’s Senior Software Architect, Henrik Krogh Møller.
Release 17 currently focuses on Transparent Mode (See Fig. 1), where the NodeB is ground-based. Regenerative Mode, which will be studied in Release 18 and again in Release 19, aims to implement NodeBs as payloads on the satellites. Implementation will require further device, NodeB and EPC adaption to increase connection speed and efficiency.
Restricciones de servicio y enlace alimentador
Several service and feeder link challenges exist, including doppler, delay, signal changes and path loss, all of which depend on the satellite, its elevation angle and position in the sky.
High-orbit GEO satellites operating 36,000 km above the ground will experience significantly higher path loss than lower orbit LEO (NGSO) satellites at e.g., 600 km. Signal delay and NGSO-affected doppler will also vary as a satellite moves closer or further away.
“The device’s physical layer requires adaptation enabled by GNSS positioning information to compensate for these challenges. Satellites will broadcast their position and timing information in this compensation”, explains Henrik.
Otra área de interés es cómo los satélites gestionan millones de dispositivos IoT en constante movimiento, cubren múltiples áreas de seguimiento simultáneamente en un breve periodo de tiempo y permanecen conectados a redes NGSO:
«Los dispositivos reciben una lista de identificadores de áreas de seguimiento similar a la de las redes terrestres. El NodeB transmitirá su identificador de seguimiento actual y una lista de áreas de seguimiento en servicio, que cambiará con el tiempo a medida que se muevan los satélites. Esta lista guiará la localización de los dispositivos, y solo los dispositivos con una intersección entre las listas podrán ser localizados. Los dispositivos pueden enviar su ubicación a la red, lo que permite su optimización».
Una mayor frecuencia implica mayores retos en materia de señalización.
Las especificaciones NB-IoT de la versión 17 comenzarán a operar en frecuencias de banda S que oscilan entre 2 y 4 gigahercios (GHz), cruzando los límites convencionales de las bandas de frecuencia ultraalta (UHF) y frecuencia superalta (SHF) a 3 GHz. Las industrias de la aviación, el transporte marítimo y el espacio utilizan la banda S por sus capacidades optimizadas de comunicación bidireccional y entrega de contenidos para redes móviles y dispositivos portátiles.
However, Svend states that higher frequencies “involve major technical challenges”, affecting satellite-connected 5G service quality, efficiency and reliability worldwide. This challenge primarily affects high-orbit GEOs operating at frequencies of above 6 GHz. “Discussions are ongoing between 3GPP and the International Telecommunication Industry (ITU) to address frequency spectrum challenges and how they affect NB-IoT connectivity. Unfortunately, these discussions haven’t been resolved, but we believe they will in the future”.
Arquitecto sénior de software
Directora de Desarrollo Empresarial
