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 has developed leading-edge satellite communication systems for over 20 years. Today, the software-only company and waveform developer contributes its expertise to several commercial and military markets and recently became an Individual Member of ETSI and an active participant in 3GPP’s revolutionary Release 17 to standardize direct-to-device 5G NB-IoT specifications.
Avec l'intégration du NTN dans les 3GPP , on s'attend à ce que la prochaine génération d'appareils IoT n'ait besoin que d'une mise à jour avec un chipset compatible NTN pour pouvoir passer d'un réseau mobile à un réseau satellite.
« La capacité de service 5G direct vers l'appareil est une étape importante pour la connectivité par satellite et offre de nombreuses opportunités intéressantes », déclare Svend Holme Sørensen, directeur produit GateHouse Satcom, avant de poursuivre :
« Auparavant, nous considérions la connectivité par satellite à travers le prisme des grands terminaux et des antennes imposantes conçus uniquement pour les communications par satellite. Les appareils que nous contribuons à développer aujourd'hui peuvent fonctionner avec des services terrestres et satellitaires, ce qui permet une utilisation généralisée et ininterrompue des appareils 5G terrestres et satellitaires dans de nombreux secteurs, même dans des régions réputées difficiles à couvrir. »
Les industries peuvent mettre en œuvre des services 5G par satellite dans des appareils également conçus pour les services terrestres en utilisant les capacités de l'architecture système NB-IoT .
«Nous voyons de nombreux appareils qui ne prennent en charge que la connectivité terrestre, mais qui ont un énorme potentiel d'adaptabilité NB-IoT . Le secteur de la logistique pourrait enfin obtenir la visibilité de bout en bout tant convoitée. Le secteur agricole pourrait disposer de traceurs GPS alimentés par satellite pour suivre l'activité du bétail. De même, les secteurs agricoles pourraient adopter des enregistreurs de température et d'humidité sans fil alimentés par satellite. Les possibilités sont infinies».
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.
Rattraper son retard et s'adapter
3GPP originally created NB-IoT for terrestrial use in its Release 13 specifications, with the system architecture involving no satellite-driven signaling.
Un NB-IoT se connecte directement au réseau via une interface Uu, atteignant une tour NodeB terrestre dans le réseau cellulaire. Lorsque NB-IoT envoie finalement des données à Internet, celles-ci transitent par le cœur de réseau paquet, en l'occurrence un EPC 4G. Cette architecture de système NB-IoT a servi de base à l'exploration de la connectivité NTN par satellite via les études préliminaires de la version 16 et les spécifications de la version 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.
Contraintes liées au service et aux liaisons d'alimentation
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.
Un autre domaine d'intérêt concerne la manière dont les satellites gèrent des millions d'appareils IoT en mouvement constant, couvrent simultanément plusieurs zones de suivi en peu de temps et restent connectés aux réseaux NGSO :
“Devices are given a list of tracking area identifiers similar to terrestrial networks. The NodeB will broadcast its current tracking identifier and a list of tracking areas in service, which will change over time as satellites move. This list will guide device paging, and only devices with an intersection between the lists can be paged. Devices may send their locations to the network, providing for optimization”.
Higher frequency equals greater signaling challenges
Release 17’s NB-IoT NTN specifications will begin operating on S-band frequencies which range between 2-4 gigahertz (GHz), crossing the conventional ultra-high frequency (UHF) and super high frequency (SHF) band boundaries at 3 GHz. Aviation, shipping and space industries utilize S-band for their optimized two-way communication and content delivery capabilities for mobile networks and handheld devices.
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”.
