Alors que la demande en matière de connectivité mondiale continue de croître, l'extension de la 5G au-delà des réseaux terrestres occupe une place de plus en plus importante dans le paysage des télécommunications. La 5G par satellite est désormais considérée comme un complément pratique aux infrastructures terrestres, permettant une couverture dans les zones reculées, rurales et difficiles d'accès où les réseaux terrestres restent limités.
Ces dernières années, les efforts de normalisation au sein de 3GPP ont permis de faire passer les réseaux 5G non terrestres (5G NTN) du stade du concept à celui d’une mise en œuvre précoce. Cet article explique les principes fondamentaux de la 5G pour les satellites, ce qu’est l’ 5G NTN , quelles constellations de satellites peuvent être utilisées, ainsi que les principaux défis qui continuent de façonner les déploiements de la 5G par satellite en 2026.
En bref
- 5G NTN intègre les satellites dans le système 5G défini par l'3GPP, afin d'étendre la couverture plutôt que de remplacer les réseaux terrestres. La prise en charge normalisée a débuté avec la version 17.
- L'altitude orbitale détermine les compromis à faire. Une altitude de LEO (entre 550 et 1 200 km) offre une faible latence, mais un mouvement rapide, un effet Doppler important et des fenêtres de visibilité courtes. GEO (35 786 km) offre une large couverture, mais un délai aller-retour d’environ 240 ms.
- 3GPP définit les mécanismes de synchronisation, de correction Doppler et de transfert entre satellites. Il ne précise pas comment les paramétrer pour une orbite spécifique.
- C'est au niveau de ce réglage que la conformité aux normes et la stabilité de fonctionnement divergent. Un système conforme aux normes peut tout de même présenter des défaillances face à une constellation réelle si ses paramètres ne sont pas adaptés à l'orbite.
- Pour combler cette lacune, il faut procéder à une validation dans des conditions orbitales réalistes, et non se contenter de vérifier le comportement du protocole à un seul point de fonctionnement.
Qu'est-ce que 5G NTN?
5G NTN, abréviation de 5G Non-Terrestrial Networks (réseaux non terrestres 5G), désigne l'intégration des communications par satellite dans le système 5G tel que défini par 3GPP. Plutôt que de remplacer les réseaux mobiles terrestres, 5G NTN conçu pour étendre la couverture 5G en permettant aux satellites de participer à l'architecture globale du réseau.
Concrètement, un système « 5G NTN » associe des constellations de satellites, des éléments de réseau au sol et des protocoles 5G normalisés. Cela permet aux appareils des utilisateurs de se connecter par satellite tout en restant compatibles avec le même réseau central, les mêmes interfaces et les mêmes principes de service que ceux utilisés dans les déploiements 5G terrestres.
Depuis l'introduction de la prise en charge du NTN dans la version 17 d'3GPP , et son évolution continue dans les versions suivantes, l'accent s'est de plus en plus déplacé de la faisabilité vers les performances, l'interopérabilité et le réalisme du déploiement.
Quelles constellations de satellites peuvent être utilisées pour 5G NTN?
5G NTN peuvent être déployés selon différents régimes orbitaux, chacun présentant des caractéristiques et des compromis propres. L'altitude orbitale est le facteur déterminant qui conditionne la quasi-totalité des décisions techniques qui s'ensuivent.
- Orbite terrestre basse (LEO), généralement comprise entre 550 et 1 200 km. Faible latence et budgets de liaison élevés. Le satellite se déplace rapidement, à environ 7, 5 km/s par rapport au sol ; il n’est donc visible que pendant quelques minutes et la connexion doit être transférée d’un satellite à l’autre.
- Orbite terrestre moyenne (MEO), comprise entre environ 8 000 et 20 000 km. Un compromis : latence modérée, effet Doppler modéré et durée de visibilité plus longue que celle de l'LEO.
- Orbite géostationnaire (GEO), à 35 786 km. Le satellite semble fixe dans le ciel, ce qui permet une couverture très étendue et une planification des cellules similaire à celle des réseaux terrestres. Le compromis réside dans le délai : un signal met environ 120 ms pour aller de l'appareil au satellite puis au sol, soit environ 240 ms pour l'aller-retour.
Les mêmes mécanismes définis dans la norme « 3GPP » doivent fonctionner sur l’ensemble de ces orbites, mais les paramètres appropriés sont totalement différents pour chacune d’entre elles. Une approche de synchronisation adaptée à la géométrie lente et stable de GEOne convient pas à la distance en constante évolution de LEO. Une correction Doppler conçue pour LEO n’est pas nécessaire pour GEO. La norme couvre l’ensemble de ces cas au sein d’un cadre unique. La stabilité de fonctionnement résulte de l’adaptation de ce cadre à la constellation spécifique.
La latence, c'est-à-dire le temps nécessaire à un signal pour parcourir le réseau, reste un critère de performance essentiel dans tous les régimes orbitaux et continue d'influencer les choix architecturaux dans la conception d'5G NTN .
Effets Doppler et mouvement des satellites
Lorsqu'un satellite se déplace rapidement par rapport à un appareil au sol, la fréquence du signal radio subit un décalage. C'est ce qu'on appelle l'effet Doppler ; s'il n'est pas corrigé, il nuit aux performances radio. L'ampleur du problème dépend presque entièrement de l'orbite.
Dans le cadre de la norme « LEO », le satellite se déplace à environ 7,5 km/s, ce qui, aux fréquences 5G habituelles, entraîne un décalage de fréquence de plusieurs dizaines de kilohertz, qui évolue également rapidement à mesure que le satellite traverse le ciel. La forme d’onde de l’ New Radio 5G (NR) tolère un faible écart, mais au-delà, le signal devient difficile à récupérer. 3GPP La version 17 exige que l’appareil corrige ce décalage avant d’émettre, en utilisant sa propre position déterminée par le système de navigation par satellite (GNSS) et les données orbitales diffusées par le satellite pour le calculer. Ce que la norme ne précise pas, c’est comment l’appareil doit prédire le décalage entre deux mises à jour, ni comment il doit gérer un satellite qui manœuvre ou s’écarte de sa trajectoire prévue. Ces choix sont laissés à la discrétion de l’implémentation.
Dans le cas de l'GEO, le satellite est pratiquement immobile par rapport au sol ; l'effet Doppler dû au mouvement orbital est donc négligeable. La faible erreur de fréquence résiduelle provient du matériel, principalement de la dérive de l'oscillateur et de légers écarts de maintien de la position. La correction est simple et reste valable pendant plusieurs heures.
C'est pourquoi un système validé uniquement dans des conditions de type « GEO » peut sembler stable en laboratoire, puis présenter des défaillances sur LEO, où l'environnement de fréquence évolue de seconde en seconde. LEO et GEO nécessitent des approches de correction fondamentalement différentes. LEO est dominé par un mouvement orbital présentant un taux de variation élevé. GEO est dominé par des imperfections matérielles qui ne nécessitent qu'une correction quasi statique.
Quels sont les principaux défis de la 5G pour les satellites ?
La fourniture de la 5G par satellite introduit des contraintes qui n'existent pas dans les réseaux terrestres. Plusieurs défis restent au cœur de la conception 5G NTN :
- Exigences en matière de ligne de visée entre les satellites et les terminaux des utilisateurs pour respecter le budget de liaison.
- Fenêtres de visibilité limitées dans LEO en raison du mouvement continu des satellites.
- Une resélection fréquente du satellite, qui nécessite que l'équipement de l'utilisateur passe d'un satellite à l'autre sans interruption de service.
- Retard de propagation, en particulier dans GEO , affectant les applications sensibles à la latence.
- Une perte de signal accrue, due aux longues distances de transmission.
Ces défis sont bien compris au niveau des normes. La norme « 3GPP » définit des mécanismes pour chacun d’entre eux. La question la plus épineuse, et celle qui fait la différence entre un système qui réussit les tests et un système qui fonctionne de manière fiable, est de savoir comment ces mécanismes sont adaptés à une orbite spécifique. Deux exemples illustrent pourquoi.
Synchronisation via des liaisons par satellite
Chaque réseau mobile doit tenir compte du temps que met un signal à parcourir la distance entre l'appareil et le réseau, et il ajuste la synchronisation de la transmission pour compenser ce retard. Cet ajustement s'appelle l'avance de synchronisation. Au sol, le retard est faible et varie lentement. Via un satellite, il est bien plus important, et via un satellite en orbite h LEO e à grande vitesse, il varie constamment.
Pour GEO, le délai est important mais stable. Le principal risque réside dans le fait que les temporisateurs réseau standard, ceux qui gèrent les retransmissions, les accusés de réception et la détection des défaillances de liaison (RLC, HARQ et RLF selon la terminologie de l’ 3GPP ), ont été conçus en partant du principe de temps de transit terrestres. S’ils ne sont pas reconfigurés pour le temps de transit par satellite d’environ 240 ms, une connexion parfaitement fonctionnelle peut apparaître comme défaillante, ce qui déclenche des retransmissions inutiles, voire une rupture de la liaison.
Pour la norme « LEO », la cible de synchronisation ne cesse de varier. Au cours d’un passage de cinq à dix minutes, la distance entre l’appareil et le satellite peut varier de plus de mille kilomètres. La version 17 prévoit que l’appareil calcule et applique sa propre correction de synchronisation à l’avance, en utilisant sa position déterminée par satellite et les données orbitales diffusées par le satellite. La norme exige que cela se produise. Elle ne précise toutefois pas à quelle fréquence l’appareil doit effectuer ce recalcul, ni comment il doit anticiper entre deux mises à jour. Des choix inadéquats à ce niveau entraînent des tentatives d’accès et des transmissions montantes qui arrivent en dehors de la fenêtre prévue, ce qui se traduit par des échecs de connexion et des pics d’erreurs.
Maintenir la connexion malgré les mouvements des satellites
Un satellite de type « LEO » ne reste au-dessus de nos têtes que quelques minutes, et un faisceau unique peut desservir un appareil pendant encore moins longtemps. Pour maintenir une session active, le réseau doit transférer l'appareil d'un satellite ou d'un faisceau à l'autre avant que la liaison actuelle ne s'affaiblisse trop.
3GPP fournit le cadre nécessaire à cet effet. L'appareil mesure la puissance et la qualité du signal, et le réseau décide du moment où effectuer le basculement en fonction de ces mesures et des informations diffusées concernant la position des satellites. Ce que la norme ne définit pas, c'est la stratégie à adopter : à quel moment déclencher le basculement compte tenu du peu de temps de visibilité restant, et comment combiner les mesures du signal avec les informations relatives à la trajectoire du satellite.
Les modes de défaillance sont prévisibles. Les déclencheurs hérités des réseaux terrestres se déclenchent trop tard, une fois que la liaison s’est déjà dégradée, provoquant des pertes de paquets. S’ils sont réglés de manière trop agressive, la connexion bascule sans cesse d’un satellite à l’autre. Ces deux phénomènes se produisent dans des systèmes entièrement conformes aux normes. Et comme les transferts de relais ont désormais lieu toutes les quelques minutes au lieu de toutes les quelques heures, chacun d’entre eux doit également préserver l’état de la session, son contexte de sécurité et les données mises en mémoire tampon, sans quoi l’utilisateur ressent l’interruption.
Pourquoi le respect de la norme « 3GPP » ne revient pas à la mettre en œuvre
La version 17 a défini ces mécanismes. La version 18 les a étendus en apportant de nouvelles améliorations en matière de mobilité et de couverture. Ces deux versions définissent le fonctionnement de chaque mécanisme. Aucune d'entre elles ne précise toutefois comment les calibrer pour une orbite spécifique. Ce calibrage, c'est-à-dire l'écart entre un système conforme à la norme et un système qui reste stable en service, repose sur des choix techniques qui ne peuvent être vérifiés qu'à l'aune de conditions orbitales réalistes.
Dans les environnements de test qui reproduisent le comportement spécifique à une orbite — retard variable dans le temps, effet Doppler suivant le passage réel d’ LEO , et transferts contraints par des fenêtres de visibilité réelles —, des problèmes apparaissent qui ne se manifestent jamais lors des tests de conformité statiques et ponctuels. Une synchronisation qui fonctionne à un angle d’élévation donnée échoue à un autre. Une correction Doppler qui fonctionne au milieu du passage diverge près de l’horizon. Des paramètres de transfert qui fonctionnent à une inclinaison orbitale donnée se déclenchent trop tard à une autre.
Mettre en évidence ces comportements avant le déploiement est au cœur du travail de validation mené par Gatehouse Satcom. L’enjeu concret pour tout programme NTN est le même : la validation doit modéliser la dynamique spécifique à l’orbite, et non se contenter de confirmer que le protocole fonctionne correctement à un point de fonctionnement nominal. Une campagne d’essais qui néglige ces conditions ne permettra pas de détecter les instabilités qui apparaissent sur le terrain. C’est de là que proviennent les surprises liées à l’intégration tardive, et leur coût se mesure généralement en termes de retard sur le calendrier, et non en heures d’ingénierie.
5G NTN le paysage de la connectivité en 2026
D’ici 2026, la question de savoir si l’ 5G NTN fonctionne ne se posera plus. Les fondements techniques sont définis, et les essais en conditions réelles permettent d’affiner les performances et les modèles opérationnels. Les travaux en cours portent moins sur la norme elle-même que sur la transformation des implémentations basées sur cette norme en réseaux fonctionnant de manière prévisible sur des constellations réelles.
Pour les équipes qui passent de la phase de validation à celle du déploiement, il est important de bien cerner cet écart dès le début. Les travaux de validation et de faisabilité menés par Gatehouse Satcomdans le cadre du projet « 5G NTN » portent précisément sur cette transition, c’est-à-dire le passage d’une implémentation conforme aux normes à une implémentation dont la fiabilité a été démontrée dans les conditions orbitales auxquelles elle sera réellement confrontée en service.
