Comment la technologie NB-IoT mise en œuvre sur les réseaux non terrestres rend le monde véritablement connecté

La technologie NB-IoT mise en œuvre sur les réseaux non terrestres (NTN, Non Terrestrial Network) permet aux satellites de fournir des services de télécommunications aux appareils IoT déployés dans les zones dépourvues de couverture cellulaire terrestre. Adnan Khan, directeur du marketing des technologies avancées d’Anritsu, explique son fonctionnement et le rôle que jouent les tests pour garantir la conformité des appareils aux spécifications NTN NB-IoT.

Qu’est-ce que la technologie NTN NB-IoT et dans quelles situations offre-t-elle une meilleure alternative aux autres technologies IoT ?

Adnan Khan – Les services cellulaires étaient initialement destinés aux utilisateurs équipés de smartphones. Les opérateurs de réseaux étendent leurs services aux entreprises qui exploitent un grand nombre d’appareils IoT et déploient des applications mettant en œuvre des communications avec des machines. La demande de continuité de service devrait stimuler l’évolution et l’expansion des réseaux dans des zones non traditionnellement couvertes. Dans les secteurs de la Recherche et de l’Industrie, les réseaux non terrestres (NTN) rencontrent un intérêt croissant au fur et à mesure du développement de la technologie 5G-Advanced et, à terme, de l’émergence des systèmes de communication mobile de sixième génération (6G). La technologie NTN présente plusieurs atouts majeurs : évolutivité, continuité de service et ubiquité, ce qui est déterminant puisque 7% de la population mondiale ne bénéficie toujours pas d’une couverture cellulaire terrestre.

Les communications par satellite peuvent jouer un rôle crucial pour améliorer les infrastructures de communication et réduire la fracture numérique. En règle générale, une architecture de communication satellitaire met en œuvre des satellites en orbite géosynchrone (GSO), en orbite terrestre géostationnaire (GEO), en orbite terrestre moyenne (MEO) et en orbite terrestre basse (LEO) qui opèrent à des altitudes allant de 400 km à 36000 km afin de fournir la couverture réseau requise. Il faut cependant faire des compromis en termes de performances et de coûts de déploiement entre les différents systèmes de satellites.

La technologie NTN exploite différentes implémentations de techniques d’accès radio : NR-NTN qui repose sur la 5G NR (New Radio), et l’IoT-NTN qui peut être basée sur les technologies Cat-M1 ou NB-IoT (venant du LTE). Les déploiements initiaux mettent principalement en œuvre la technologie NB-IoT. Ce qui offre une flexibilité en termes de réutilisation des actifs existants de l’opérateur tels que le spectre de fréquences, le cœur de réseau et le réseau d’accès. L’IoT-NTN peut être utilisé pour parfaire la couverture réseau lorsque le coût de déploiement d’un réseau terrestre (TN) est prohibitif. Différents secteurs d’activités tels que les services de missions critiques, les services publics, l’automobile et l’agriculture pourront pleinement tirer parti de cette technologie.

Comment la technologie NTN NB-IoT s’inscrit-elle dans les normes en cours de développement ?

Adnan Khan – Le consortium 3GPP (3rd Generation Partnership Project) est chargé du développement des normes de télécommunications mobiles. Il a commencé à travailler en 2017 à la mise en place des services de communication IoT et NR via un réseau de satellites. Des éléments d’étude sur les réseaux non terrestres (NTN) ont été inclus dans les versions 15 et 16 des spécifications 3GPP. La version 17 contient le premier ensemble de spécifications IoT-NTN conformes aux exigences 3GPP. Les versions 18 et 19 comprennent des éléments de travail (WI, Work Items) qui proposent des améliorations pour les technologies IoT-NTN ainsi que NR-NTN.

La prise en compte des réseaux non terrestres (NTN) par les normes 3GPP est importante car elle donne aux fabricants d’appareils et de puces électroniques l’assurance dont ils ont besoin pour intégrer à leurs produits des capacités de communications satellite compatibles. Ils peuvent ainsi réaliser de substantielles économies. Bien que certains fabricants de composants prennent depuis longtemps en charge les services par satellite en orbite terrestre géostationnaire (GEO), cela se faisait à petite échelle, en se limitant à des bandes de fréquences spécifiques et avec une technologie propriétaire ce qui se traduit par des coûts élevés pour les clients utilisateurs.

Quels sont les principaux défis que doivent relever les appareils NTN ?

Adnan Khan – Plusieurs aspects doivent être pris en compte pour déployer des applications IoT communiquant par satellite.

Budget de liaison. La distance entre l’équipement de l’utilisateur (UE) et la station de base est importante, ce qui pose problème. Le signal doit être transmis en liaison descendante (DL) depuis la passerelle satellite située au sol jusqu’au satellite en utilisant la liaison de connexion avec un feeder (câble), et depuis la charge utile du satellite jusqu’à l’UE et vice versa en liaison montante (UL). Il en résulte un bilan de liaison médiocre, qui affecte le débit et entraîne de longs temps de trajet aller-retour (RTT, Round-Trip Time). Pour les satellites en orbite terrestre géostationnaire (GEO), le budget de liaison est important. Des caractéristiques spécifiques à la technologie IoT-NTN, telles que la répétition des données en liaison montante et en liaison descendante, participent au maintien de la connectivité dans les zones de moindre couverture et à l’augmentation des performances de démodulation et de couverture géographique. La technologie IoT-NTN accepte que la puissance de réception du signal de référence (RSRP, Reference Signal Received Power) soit aussi faible que -140 dBm, ce qui n’est pas courant dans le cadre du déploiement de réseaux terrestres. Les équipements de test doivent donc être dotés d’un étage d’entrée RF très performant qui permet de tester avec fiabilité des liaisons qui mettent en jeu des signaux d’aussi faibles niveaux.

Latence. Dans le cadre de communications par satellites en orbite terrestre géostationnaire (GEO), le temps de trajet aller-retour d’un signal peut atteindre 500 ms, ce qui est trop élevé pour les applications sensibles au paramètre qu’est le temps. De plus, il peut arriver que la station de base soit embarquée sur la charge utile du satellite afin de minimiser la latence et de permettre un meilleur contrôle de la mobilité. Un temps trop long de trajet aller-retour pose également problème pour certaines boucles de contrôle dans un réseau 3GPP. Il peut en effet entraîner un blocage lorsque les accusés de réception HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) ne sont pas reçus dans le délai spécifié.

Handovers. Les cellules des réseaux non terrestres (NTN) sont très étendues et se déplacent rapidement du point de vue de l’orbite terrestre basse. Il est difficile de concevoir le réseau de manière à limiter la surcharge de signalisation et à déclencher le handover, non seulement en tenant compte de la puissance du signal, mais aussi de l’emplacement de l’utilisateur dans la cellule.

Interférences. Les liaisons de connexion entre la passerelle au sol et le satellite, ainsi que les liaisons de service entre le satellite et l’utilisateur peuvent utiliser des fréquences appartenant à l’opérateur de réseau mobile ou à l’opérateur de la constellation de satellites. Il est important que le spectre soit soigneusement contrôlé afin d’éviter de manière proactive toute interférence entre les réseaux terrestres (TN) et les réseaux non terrestres (NTN).

Effet Doppler. Pour les satellites en orbite non géostationnaire, le mouvement rapide par rapport à la Terre constitue une complication supplémentaire. Un satellite en orbite terrestre basse, situé à une altitude de 600 km, par exemple, qui se déplace à une vitesse d’environ 7,5 km/s, fait le tour de la Terre en 90 minutes. Ceci conduit à des décalages de fréquence par effet Doppler qui peuvent atteindre 24 ppm (parties par million).

Dérive temporelle. Lorsqu’un satellite se rapproche ou s’éloigne du UE, le temps de référence entre cet équipement et la station de base change. Cela pose des problèmes de synchronisation et de décalage temporel. De plus, les mesures des cellules voisines deviennent plus difficiles car la synchronisation entre la cellule de desserte (serving cell) et la cellule voisine peut diverger lorsqu’elles se trouvent sur des satellites différents.

Quel rôle jouent les plateformes de test dans le cadre du déploiement croissant des réseaux NTN IoT-NB ?

Adnan Khan – Il existe trois catégories de tests : les tests sur le terrain, les tests de satellites et les tests de l’équipement utilisateur (UE).

Les tests sur le terrain permettent de s’assurer de la conception, de l’intégration et du déploiement corrects du réseau terrestre. Un soin particulier doit être apporté au déploiement du spectre et aux tests de coexistence entre les réseaux terrestres, non terrestres et les services en place utilisant le spectre. Les outils de contrôle à distance du spectre ou les analyseurs de spectre portatifs (MS2090A) proposés par Anritsu peuvent être utilisés. Le testeur de performance réseau de la série MT1000A permet d’effectuer les tests de latence afin de vérifier les tests de débit, de latence et de perte de paquets de données. Il constitue une solution adaptée au test des différentes configurations de constellations de satellites.

Les satellites en orbite terrestre basse (LEO) seront déployés en grand nombre. Ils seront équipés d’antennes qui doivent être caractérisées à l’aide de divers instruments de test : analyseurs de réseaux vectoriels, générateurs de signaux et analyseurs de signaux. Il est également important de noter que certains déploiements de satellites LEO peuvent reposer sur une architecture régénérative, c’est-à-dire qu’une station de base est installée sur le satellite. Une station de base peut être déployée selon différentes configurations combinant plusieurs composants. Une unité distribuée (DU)/unité radio (RU) peut se trouver sur le satellite et une unité centralisée (CU) au sol, une fonction gNB RU/DU/CU dans le ciel, ou bien encore une RU/DU/CU/partie du cœur de réseau complètement dans le ciel. Outre les tests de performance de ces différentes configurations d’architectures, il peut également être nécessaire de tester la capacité des composants de la station de base. Un simulateur de UE , un analyseur de signaux (SA) et un générateur de signaux (SG) pour tester la station de base (BTS) sont des outils indispensables à ce type d’essais.

Plusieurs types d’essais concernent l’UE : les essais par voie hertzienne (OTA, Over The Air), les essais de conformité radiofréquence (RF), les essais de conformité du protocole (PCT), les essais RF/protocole en R&D et les essais de conformité de l’Opérateur.

Quelles données sont collectées et analysées lors d’un test de conformité ?

Adnan Khan – Les tests de conformité permettent de s’assurer du respect des exigences de la 3GPP ou des Opérateurs réseaux. La figure ci-dessous montre un exemple de système de test de conformité de protocole (PCT) mis en œuvre pour tester l’équipement de l’utilisateur (UE) selon les exigences de protocole de la référence technique 36.521 établie par la 3GPP.

La procédure de test de conformité au protocole consiste à tester différents aspects relatifs à la couche protocole qui a été instaurée depuis la technologie NB-IoT jusqu’à la technologie NTN NB-IoT. Presque toutes les couches protocoles ont été affectées par l’introduction de la technologie IoT-NTN. Ces procédures de test sont normalisées dans le document 36.521 de la 3GPP. Les tests concernent les processus HARQ, les nouveaux paramètres du bloc d’information système (SIB), les rapports de positionnement, les timers et les handovers.

Comment ce type de test permet aux ingénieurs d’évaluer leurs dispositifs dans les conditions rencontrées dans le monde réel ?

Adnan Khan – Il est important de tester minutieusement les dispositifs avec des simulateurs de réseau qui mettent correctement en œuvre les protocoles, les paramètres et les conditions du réseau avant que ces modules ne soient commercialisés. Souvent, il n’existe pas encore de réseau terrestre ou non terrestre pour les tester car les fonctions/technologies n’ont pas été activées officiellement, ou il n’est pas possible de modifier le réseau pour se placer dans des cas de figure particuliers ou des scénarios défavorables. Il est essentiel de simuler un environnement radio réaliste qui intègre les stations de base terrestres et satellitaires pour tester les modules en conséquence.

Quel est le processus d’adoption d’un test de conformité ?

Adnan Khan – Pour choisir la procédure appropriée au test de conformité, il faut avant tout s’assurer que l’équipement répond aux normes industrielles correspondantes et fonctionne de manière fiable. Voici les différents éléments qui doivent être pris en compte.

Il faut commencer par identifier les normes et les exigences qui doivent être prises en considération. Les spécifications et procédures d’essai sont définies par les références techniques 36.521-4 (mesures TRx), 36.521-3 (mesures de performance / mesures RRM) et 36.523 (mesures de protocole).

Un ensemble complet de cas de test (Test Cases) doit ensuite être élaboré sur la base des exigences de conformité, afin de couvrir toutes les fonctionnalités et tous les scénarios appropriés en termes de protocole et de radiofréquences. Les cas de test doivent être détaillés en précisant les résultats attendus et les critères de réussite ou d’échec pour chacun d’entre eux.

Les cas de test peuvent ensuite être mis en œuvre dans l’équipement de test, ce qui garantit que chacun d’entre eux peut être exécuté automatiquement. Des fonctionnalités d’enregistrement et de génération de rapport sont incorporées pour collecter les résultats détaillés de chaque test exécuté.

La précision et la fiabilité des cas de test mis en œuvre sont établies par des tests réalisés en partenariat confidentiel avec un fabricant de chipsets. Une fois que les résultats donnent satisfaction, un cas de test peut être soumis à un laboratoire de certification accrédité pour être évalué. Le laboratoire évaluera la conformité de l’équipement avec les normes et protocoles pertinents pour différentes bandes de fréquences, selon les exigences du Global Certification Forum (GCF) ou du PCS Type Certification Review Board (PTCRB). Pour ce faire, il effectuera des essais avec plusieurs appareils sur différentes bandes de fréquences. Le GCF et le PTCRB disposent de leurs propres critères d’évaluation, ce qui conduit les équipementiers à intégrer leurs tests respectifs dans le cadre de la procédure de validation des tests.

Ce processus s’applique également aux tests de conformité des opérateurs, sauf que les tests de validation et de certification sont généralement exécutés dans les locaux mêmes de l’opérateur.

Une fois que l’équipement de test certifié a été déployé chez les clients ou dans les laboratoires d’essais, il sera bien sûr nécessaire d’assurer en permanence une assistance technique et de réaliser des mises à jour ainsi que des opérations de maintenance pour résoudre les problèmes qui se posent ou prendre en compte les modifications des spécifications.

Que fait Anritsu pour accompagner l’innovation dans ce domaine ?

Adnan Khan – La technologie IoT-NTN évolue à mesure que de nouvelles fonctionnalités sont introduites dans les futures versions 3GPP. Il est important d’avoir accès aux équipements qui ont permis les premières mises à jour des fonctionnalités. Il est également important d’établir des partenariats avec divers fabricants de chipsets car toutes les fonctionnalités ne seront pas simultanément disponibles sur toutes les puces électroniques.

Anritsu a collaboré avec les principaux fournisseurs de puces et de modules tels que Sony Altair, Mediatek, Qualcomm et Samsung. Ceci permet de vérifier les tests de conformité dès que les fonctions essentielles sont stabilisées avant de soumettre les résultats des tests de conformité protocole/RF aux laboratoires accrédités. Anritsu a également établi des partenariats avec des opérateurs de réseaux satellitaires (SNO) tels que Skylo pour valider leurs exigences de test sur les plateformes de test d’Anritsu.

Des informations complémentaires sur les solutions de tests et de mesures d’Anritsu pour les réseaux non terrestres, sont disponibles en cliquant sur ce lien.