La finalisation de la version 17 3GPPa concrétisé la réalité de la connectivité 5G NB-IoT spatiale NB-IoT directe aux appareils. L'intérêt croissant pour les services 5G par satellite impose de nouvelles exigences à l'architecture NB-IoT afin d'assurer une couverture réseau ininterrompue sur de vastes zones géographiques tout en répondant aux défis et contraintes actuels en matière de connectivité à l'échelle mondiale. Svend Holme Sørensen, directeur produit GateHouse SatCom, et Henrik Krogh Møller, architecte logiciel senior, présentent l'architecture et les éléments système nécessaires au développement des systèmes 5G NB-IoT actuels et futurs.
GateHouse SatCom des systèmes de communication par satellite de pointe depuis plus de 20 ans. Aujourd'hui, cette entreprise spécialisée dans les logiciels et le développement de formes d'onde met son expertise au service de plusieurs marchés commerciaux et militaires. Elle est récemment devenue membre individuel de l'ETSI et participe activement à la révolutionnaire version 17 3GPPvisant à normaliser NB-IoT 5G NB-IoT directes vers les appareils.
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».
Cependant, Svend explique également que le développement d'une architecture NB-IoT 5G NB-IoT permettant d'optimiser l'interopérabilité et la connectivité entre les réseaux terrestres, les réseaux non terrestres et des millions d'appareils IoT n'est pas sans difficultés.
Rattraper son retard et s'adapter
3GPP a créé NB-IoT une utilisation terrestre dans ses spécifications Release 13, avec une architecture système ne nécessitant aucune signalisation par satellite.
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.
« Les satellites jouent désormais un rôle essentiel dans l'adaptation de l'architecture du système NB-IoT aux réseaux terrestres existants. Au lieu qu'un appareil se connecte directement à une tour cellulaire NodeB, sa liaison de service passera d'abord par un satellite, qui transmettra le signal via une liaison d'alimentation à un NodeB NTN terrestre connecté à l'EPC de l'opérateur satellite », explique Henrik Krogh Møller, architecte logiciel senior GateHouse SatCom.
La version 17 se concentre actuellement sur le mode transparent (voir fig. 1), dans lequel le NodeB est basé au sol. Le mode régénératif, qui sera étudié dans la version 18 puis à nouveau dans la version 19, vise à mettre en œuvre des NodeB en tant que charges utiles sur les satellites. La mise en œuvre nécessitera une adaptation supplémentaire des appareils, des NodeB et de l'EPC afin d'augmenter la vitesse et l'efficacité de la connexion.
Contraintes liées au service et aux liaisons d'alimentation
Plusieurs défis liés aux services et aux liaisons d'alimentation existent, notamment l'effet Doppler, le retard, les changements de signal et la perte de trajet, qui dépendent tous du satellite, de son angle d'élévation et de sa position dans le ciel.
GEO en orbite haute, opérant à 36 000 km au-dessus du sol, subiront une perte de trajet nettement plus importante que les satellites LEO NGSO) en orbite basse, à 600 km par exemple. Le retard du signal et l'effet Doppler lié au NGSO varieront également à mesure que le satellite se rapproche ou s'éloigne.
« La couche physique de l'appareil nécessite une adaptation rendue possible par les informations de positionnement GNSS afin de compenser ces difficultés. Les satellites diffuseront leurs informations de position et de synchronisation dans le cadre de cette compensation », explique 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 :
« Les appareils reçoivent une liste d'identifiants de zone de suivi similaire à celle des réseaux terrestres. Le NodeB diffusera son identifiant de suivi actuel et une liste des zones de suivi en service, qui évoluera au fil du temps à mesure que les satellites se déplaceront. Cette liste guidera la recherche des appareils, et seuls les appareils dont les listes se recoupent pourront être localisés. Les appareils peuvent envoyer leur position au réseau, ce qui permet une optimisation ».
Une fréquence plus élevée entraîne des défis plus importants en matière de signalisation.
Les spécifications NB-IoT de la version 17 commenceront à fonctionner sur les fréquences de la bande S, qui vont de 2 à 4 gigahertz (GHz), dépassant les limites conventionnelles des bandes ultra-haute fréquence (UHF) et super haute fréquence (SHF) à 3 GHz. Les industries aéronautique, maritime et spatiale utilisent la bande S pour ses capacités optimisées de communication bidirectionnelle et de diffusion de contenu pour les réseaux mobiles et les appareils portables.
Cependant, Svend affirme que les fréquences plus élevées « posent des défis techniques majeurs », affectant la qualité, l'efficacité et la fiabilité des services 5G connectés par satellite dans le monde entier. Ce défi concerne principalement les satellites géostationnaires en orbite haute fonctionnant à des fréquences supérieures à 6 GHz. «Des discussions sont en cours entre 3GPP l'Union internationale des télécommunications (UIT)afin de relever les défis liés au spectre des fréquences et à leur incidence sur NB-IoT . Malheureusement, ces discussions n'ont pas abouti, mais nous pensons qu'elles le feront à l'avenir».
Architecte logiciel senior
