[Frontière] Analyse de l'intégration des systèmes de communication mobile 5G et par satellite

introduction

Avec le développement rapide de l'Internet mobile et la généralisation des terminaux intelligents, les exigences en matière de vitesse des communications mobiles se sont accrues. La 5G vise à offrir un débit de pointe de 10 à 20 Gbit/s et un débit utilisateur de 100 Mbit/s à 1 Gbit/s afin de répondre aux besoins croissants des entreprises. Grâce à sa grande capacité de communication sans fil, ses multiples services et sa haute vitesse, la 5G peut être largement déployée dans les zones densément peuplées. Cependant, son utilisation reste difficile dans les zones peu peuplées ou celles où le déploiement de réseaux terrestres est complexe. Comparés aux réseaux de communication mobile terrestres, les systèmes de communication par satellite présentent des avantages incomparables : large couverture, grande capacité de communication, faible impact sur le terrain, grande flexibilité et adaptabilité à une variété de services. Par conséquent, les satellites peuvent être utilisés pour couvrir des zones peu peuplées ou des zones où il est difficile de déployer des réseaux terrestres, constituant ainsi un bon complément à ces derniers, permettant d'atteindre une véritable couverture mondiale et de fournir des services de communication uniformes aux utilisateurs du monde entier.

En réalité, l'utilisation des communications par satellite précède la construction des réseaux de communication cellulaire terrestres. Le premier système de communication par satellite commercial au monde fut Early Bird, lancé et exploité par l'Organisation internationale des communications par satellite (INTERSAT) en 1965.Les systèmes satellitaires, tandis que la première génération de systèmes de communication cellulaire sans fil au monde a commencé à être construite dans les années 1980.Au cours des dernières décennies, les systèmes de communication par satellite mis en service à l'échelle internationale comprennent non seulement Inmarsat, Thuraya, Viasat, etc. en orbite géostationnaire, mais aussi Iridium, Global-star, Orbcom, etc. en orbite terrestre basse.Depuis 2015 notamment, on observe une recrudescence internationale de la construction de constellations de communication Internet en orbite basse, telles que OneWeb et Starlink, qui ont suscité un vif intérêt dans les points chauds internationaux.L'intégration et la construction de systèmes de communication par satellite et de systèmes de communication sans fil terrestres sont redevenues une voie de développement qui a été largement démontrée à l'échelle internationale.

01État de la recherche sur l'intégration des satellites et de la 5G

Au début du XXIe siècle, les opérateurs ont démocratisé les communications par satellite en obtenant l'autorisation de constituer des réseaux de communication hybrides satellite-sol. Afin d'étendre ces réseaux, ils ont ajouté des composants auxiliaires au sol (ATC) ou des composants supplémentaires au sol (CGC). Un ATC désigne une station de base auxiliaire au sol utilisée pour les communications mobiles par satellite. La combinaison de satellites et d'un grand nombre de stations de base ATC permet d'obtenir une couverture continue sur de vastes zones, et ainsi de pallier les problèmes liés aux communications par satellite.Il existe un problème de mauvaise couverture du signal dans les villes comportant des immeubles de grande hauteur et à l'intérieur des bâtiments, mais cela implique également certainsDes problématiques complexes, telles que : la réutilisation des fréquences des satellites et des stations de base ATC, la commutation et le contrôle coordonné des systèmes spatiaux et terrestres.

Avec la maturation croissante de la technologie 5G, l'intégration de la 5G et des satellites suscite un vif intérêt tant au niveau national qu'international. Des organismes de normalisation tels que l'Union internationale des télécommunications (UIT) et le 3GPP (Third Generation Partnership Project) ont investi des efforts considérables dans la réalisation de démonstrations techniques relatives à l'intégration des systèmes 5G par satellite.

1) En 2016, l'Union internationale des télécommunications (UIT) a proposé que « le réseau de communication mobile de nouvelle génération (NGN) réponde aux besoins des utilisateurs d'accéder aux services à tout moment et en tout lieu ». Elle a mené des travaux de recherche sur la norme NGAT_SAT (UIT-RM) dans le domaine des technologies d'accès par satellite. Ces recherches proposent quatre scénarios d'application typiques pour l'intégration satellite-sol : services de transmission haut débit par relais, services de liaison et de distribution de données, services de communication mobile haut débit et services multimédias hybrides (voir figure ci-dessous). Elles précisent également les caractéristiques essentielles permettant de prendre en charge ces applications. Par ailleurs, l'UIT promeut activement les travaux sur l'utilisation des fréquences par satellite et la 5G, et a réalisé une série d'analyses de partage du spectre et de compatibilité électromagnétique pour les satellites et la 5G.

Figure 1 : 4 scénarios d’application du système d’intégration satellite-sol proposés par l’UIT

2) Le Third Generation Partnership Project (3GPP) a commencé à démontrer les avantages des communications par satellite pour les systèmes de communication mobile terrestre depuis la norme Release 14 en 2017. Dans le rapport technique TR22.822 publié fin 2017, le groupe de travail SA1 du 3GPP a défini trois méthodes principales d'utilisation de l'accès par satellite dans la 5G : service continu, service omniprésent et service étendu.Des cas d'utilisation sont étudiés, ainsi que les exigences relatives aux services nouveaux et existants. Actuellement, le 3GPP s'appuie principalement sur un projet de recherche intitulé « Réseau non terrestre (NTN) » pour mener des recherches sur les scénarios de déploiement et la conception de l'interface radio des communications par satellite en 5G.

3) En juin 2017, l'Europe a créé l'Alliance SaT5G (Réseau satellite et terrestre pour la 5G), dont les membres incluent BT, SES, Avanti, l'Université de Surrey et d'autres entreprises et institutions de recherche européennes. Son objectif est de fournir une solution satellite 5G économique et prête à l'emploi, et de favoriser la croissance du marché pour l'ensemble de la chaîne de valeur de l'industrie satellitaire. La Conférence européenne sur les réseaux et les communications de 2018 s'est tenue à Ljubljana, en Slovénie. Lors de cette conférence, cinq membres de SaT5G, dont VT iDi-rect et SES, ont présenté l'intégration de l'architecture réseau satellite et 3GPP.

Figure 2 Scénarios d'application de la 5G par satellite fournis par Sat5G

4) Afin de répondre à l'objectif de multiplication par 1 000 de la capacité fixé par le système 5G, le programme SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas), financé par le programme Horizon 2020 de l'Union européenne, vise à fournir une solution de liaison de retour performante pour les futurs systèmes de communication sans fil à haute capacité. Le projet SANSA a proposé une technologie de formation de faisceaux à antennes intelligentes à faible encombrement, une technologie de gestion dynamique et intelligente des ressources sans fil pour les réseaux sans fil intégrés satellite-sol, une technologie de partage dynamique du spectre assisté par base de données, etc., et a mené des travaux de recherche approfondis.

02  Technologies clés pour l'intégration de la 5G par satellite

Compte tenu des différences entre les communications par satellite et les communications sans fil terrestres en termes de distance de propagation, de couverture et de puissance, leur intégration poussée se heurte à des difficultés inhérentes. Les technologies clés de l'intégration de la 5G par satellite sont analysées ci-dessous sous cinq angles : architecture système, couverture du faisceau, forme d'onde de l'interface radio, partage du spectre et contrôle du réseau.

2.1 Architecture du système

L'architecture d'intégration 5G par satellite repose sur une constellation mixte de satellites en orbite haute et basse. La conception des bandes de fréquences de communication inclut des bandes basses (telles que les bandes L et S) et des bandes hautes (telles que les bandes Ku et Ka), afin de répondre aux exigences des services de transmission à débit moyen et faible, ainsi qu'à haut débit. La zone de couverture du satellite se déplace en fonction du point de passage du sous-satellite, et l'utilisateur final bascule entre différentes cellules.

Les liaisons inter-satellites des constellations de satellites en orbite basse sont constituées de liaisons laser ou micro-ondes. Plusieurs satellites sont interconnectés pour former un réseau de communication spatiale, les satellites faisant office de nœuds de commutation. Les constellations sont généralement conçues sur des orbites polaires. En effet, les satellites situés dans des plans orbitaux adjacents présentent une relation de position relative relativement stable (à l'exception des régions polaires et des zones de convergence inter-satellites), ce qui favorise le maintien des liaisons inter-satellites et permet une couverture des zones de haute latitude. Par ailleurs, la liaison d'alimentation satellite est mise en œuvre au niveau de la station passerelle, assurant ainsi l'interconnexion et l'interopérabilité entre le réseau satellitaire et les réseaux téléphoniques terrestres (RTC, PLMN et Internet). Ces opérations sont toutes réalisées dans les bandes de fréquences Ka ou Q/V.

Actuellement, il existe trois architectures principales pour les réseaux d'intégration sol-satellite. La première est le réseau complémentaire sol-satellite. Dans cette architecture, les systèmes 5G et les systèmes satellitaires partagent un centre de gestion de réseau, mais leurs réseaux d'accès et leurs réseaux cœur respectifs restent indépendants. Le réseau d'accès et certaines fonctions du réseau cœur sont assurés par des stations passerelles satellitaires, et les terminaux prennent en charge les modes d'accès cellulaire et/ou satellitaire. Le deuxième type est le réseau hybride sol-satellite. Dans cette architecture, le système terrestre et le système satellitaire partagent le centre de gestion de réseau, et les interfaces radio sont unifiées autant que possible afin de préserver l'indépendance de leurs réseaux cœur et bandes de fréquences respectifs. Le terminal peut prendre en charge les modes d'accès terrestre et satellitaire. Le troisième type est le réseau intégré sol-satellite. Ses principales caractéristiques sont l'unification complète du point d'accès (PA), de la fréquence, du réseau d'accès et du réseau cœur de l'ensemble du système. Il convient de souligner que le réseau intégré sol-satellite représente le stade le plus avancé des systèmes de communication intégrés sol-satellite et fait face à d'importants défis techniques.

2.2 Couverture du faisceau

Dans un système de communication mobile intégré satellite-sol, l'ajustement des faisceaux et des ressources sans fil permet de fournir des services voix et données dépassant la capacité prédéterminée des zones à forte densité de trafic. Cette flexibilité est rendue possible grâce à la technologie de formation de faisceaux numériques (DBF). Actuellement, la technologie de formation de faisceaux numériques pour les communications par satellite comprend principalement trois variantes : la DBF au sol, la DBF spatiale et la DBF hybride. Parmi celles-ci, la formation de faisceaux numériques hybride offre un bon compromis entre performance et complexité et a fait l'objet de nombreuses études. En DBF hybride, le centre de contrôle du réseau au sol calcule la matrice de formation de faisceaux optimisée en fonction des exigences d'ajustement des faisceaux et des stratégies correspondantes, puis transmet les paramètres de cette matrice au satellite via la liaison de transmission. Le centre de contrôle ajuste dynamiquement la couverture au sol en reconstruisant l'antenne multifaisceaux du satellite.

Il existe deux principaux types de transferts intercellulaires dus aux mouvements des satellites ou des terminaux : le transfert au sein du système satellitaire et le basculement du terminal entre le réseau terrestre 5G et le réseau satellite. Pour les satellites en orbite basse, leur position par rapport au sol change rapidement, de sorte que la couverture du terminal par le même satellite n'est assurée que pendant dix minutes. Par conséquent, afin d'éviter toute perte de données lors du transfert, les basculements inter-satellites ou inter-faisceaux doivent être anticipés et exécutés rapidement. Ce basculement doit prendre en compte des facteurs tels que la prise en charge du traitement embarqué et de l'architecture de transfert transparent « bend-pipe », la synchronisation temporelle, ainsi que la coordination des mesures et des informations. Lorsque le signal du réseau cellulaire est très faible, le terminal bascule du réseau cellulaire vers le réseau satellite ; sinon, il maintient l'accès au réseau terrestre.

2.3 Forme d'onde de l'interface radio

Le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) demeure le système de transmission de base de la 5G, mais les interférences entre porteuses (ICI) entraînent une dégradation importante des performances du système. En effet, la technologie OFDM est très sensible au décalage de fréquence, et la diaphonie entre les sous-porteuses induite par ce décalage réduit les performances de communication. Afin de contrer efficacement l'impact du décalage de fréquence résiduel sur les performances du système, une architecture à bande passante de sous-porteuse variable peut être adoptée. Pour la bande L, caractérisée par une bande passante étroite, le débit de codage du service vocal étant très faible (2.4 kbit/s), une bande passante de sous-porteuse de 15 kHz ou moins est recommandée. Dans la bande Ka, la largeur de sous-porteuse utilisable est plus importante. Ceci s'explique par le fait que les utilisateurs accèdent souvent à Internet via le haut débit et que l'angle d'élévation minimal y est élevé, ce qui permet de réduire efficacement l'effet Doppler.

De plus, l'accès multiple non orthogonal (NOMA) pris en charge par la 5G ne requiert pas que chaque utilisateur occupe des ressources exclusives. Les utilisateurs peuvent envoyer et recevoir des informations simultanément sur des ressources non orthogonales. Grâce à la détection conjointe multi-utilisateurs, les interférences mutuelles entre utilisateurs sont évitées par traitement du signal. Comparée aux méthodes d'accès orthogonal traditionnelles, l'application de la technologie NOMA permet d'accroître l'efficacité spectrale de plus de trois fois. À l'heure actuelle, des puces NOMA pour les systèmes 5G terrestres ont été développées, promues et déployées. La technologie NOMA, au prix d'une efficacité spectrale accrue, présente une complexité accrue, ce qui rend son application aux communications par satellite géostationnaire (GEO) à longue latence difficile. En effet, le contrôle dynamique des paramètres d'accès des utilisateurs nécessite un grand nombre d'interactions de signalisation. Des recherches techniques supplémentaires sur la technologie NOMA pour les communications par satellite sont donc nécessaires.

2.4 Partage du spectre

Que ce soit pour les communications par satellite ou les systèmes de communication mobile terrestre, la pénurie de spectre disponible est devenue un problème urgent à résoudre. En particulier, les communications par satellite et les communications terrestres se livrent une concurrence féroce pour l'accès aux ressources spectrales. Par exemple, les bandes C et Ka, utilisées depuis de nombreuses années par les systèmes de communication par satellite, ont été autorisées par l'UIT pour les systèmes 5G terrestres. Cette concurrence spectrale se manifeste notamment par :

1) Bande Ka : Afin de répondre à la croissance rapide du débit des utilisateurs et de la capacité des systèmes, la 5G et les communications par satellite devraient utiliser la bande Ka, voire les bandes de fréquences millimétriques. Par exemple, la Conférence mondiale des radiocommunications (CMR-19) de 2019 a attribué les bandes de fréquences 24.25 GHz-27.5 GHz, 37 GHz-43.5 GHz et 66 GHz-71 GHz, soit une largeur de bande totale de 14.75 GHz, à la 5G et aux futurs systèmes de communications mobiles internationaux. Aux États-Unis, la FCC a attribué les bandes de fréquences 27.5 GHz-28.35 GHz et 37 GHz-38.6 GHz à la 5G terrestre, et ces bandes chevauchent partiellement celles utilisées par les systèmes de communication par satellite.

2) Bande C (3-6 GHz) : De nombreux pays, dont la Chine, l’Union européenne, le Japon et la Corée du Sud, ont proposé l’utilisation de la bande C comme bande de fréquences candidate pour les systèmes 5G. Cependant, en Asie, des pays comme la Chine, le Vietnam et la Malaisie ont déployé un grand nombre de systèmes de communication par satellite dans cette bande de fréquences. Il est donc difficile de coordonner l’utilisation de la bande C pour les systèmes 5G terrestres.

L'optimisation de la configuration par une planification collaborative satellite-sol permet d'améliorer l'utilisation efficace des ressources fréquentielles. La mise en place d'un système conjoint de détection du spectre satellite-sol permet le partage du spectre entre les systèmes de communication satellite-sol et améliore ainsi l'efficacité de son utilisation. Comparé aux réseaux de communication sans fil terrestres, la détection de l'ensemble du spectre par les utilisateurs est beaucoup plus complexe pour les réseaux de communication par satellite, en raison de la vaste zone de couverture. La mise à jour rapide de la base de données spectrale, la formation de faisceaux, la précision de la détection spectrale et la description de la zone de couverture sont autant d'axes de recherche de cette technologie. Par ailleurs, dans une perspective d'intégration des ressources, la planification et la conception unifiées des communications cellulaires et satellitaires, permettant de résoudre les interférences grâce au partage du spectre et de promouvoir ainsi l'utilisation partagée des ressources fréquentielles, constituent une base solide pour une intégration poussée des systèmes de communication par satellite et des systèmes 5G.

2.5 Contrôle du réseau

Le découpage de réseau de bout en bout, rendu possible grâce aux technologies SDN et NFV, constitue la principale caractéristique du cloud de contrôle réseau dans le système 5G. Les technologies SDN et NFV permettent respectivement la séparation des supports et du contrôle du réseau, ainsi que la virtualisation des éléments du cœur de réseau. Elles offrent une base solide pour la mise en œuvre du découpage de réseau.Fondation solide.

Lorsque le système de communication par satellite est profondément intégré à la 5G terrestre, les fonctions de contrôle et de transmission du cœur de réseau satellite peuvent être dissociées, simplifiant ainsi la transmission des données. Afin de répondre aux exigences de transmission à haut débit et d'assurer une gestion flexible et équilibrée de la charge, les capacités de stockage et de calcul des entreprises peuvent être déplacées du centre du réseau vers sa périphérie.

Afin de permettre l'intégration avec le sol, en plus des neuf fonctions réseau que le 3GPP fournit comme fonctions de service de base, il est nécessaire d'ajouter des fonctions d'interconnexion non-3GPP et des fonctions de plan utilisateur au plan utilisateur du réseau central satellite 5G.

03 Défis et orientations de recherche liés à l'intégration de la 5G par satellite

Malgré les progrès considérables réalisés dans l'intégration de la 5G par satellite, de nombreux défis techniques restent à relever pour concrétiser pleinement la vision d'une intégration réussie. Ces défis sont communs aux domaines satellitaire et terrestre. Nous présentons ci-dessous les principaux défis techniques et les pistes de recherche futures.

1) Défis liés au système de transmission : Dans les réseaux intégrés satellite-sol, l’effet Doppler, la gestion des fréquences et les interférences, la limitation de puissance et l’avance de synchronisation sont autant de problèmes qui nécessitent une résolution urgente. Pour contrer l’effet Doppler, la 5G utilise la modulation OFDM multiporteuse. La conception de l’espacement des sous-porteuses ne tient pas compte de l’impact de l’effet Doppler, ce qui peut engendrer des interférences entre les sous-porteuses. Concernant la limitation de puissance, elle garantit une utilisation optimale de la bande de fréquences tout en réduisant le rapport crête/moyenne du signal. Enfin, en ce qui concerne l’avance de synchronisation, les variations rapides des délais de transmission sur les liaisons sans fil peuvent nécessiter une mise à jour dynamique de l’avance de synchronisation de chaque terminal afin d’assurer la synchronisation de toutes les transmissions montantes.

2) Défis liés à l'accès et à la gestion des ressources : La latence importante du réseau intégré satellite-sol complexifie le contrôle d'accès, le HARQ, l'ARQ et d'autres processus des couches MAC et RLC. Afin de garantir une intégration efficace de la 5G et des satellites, il est nécessaire de concevoir des mécanismes d'accès adaptés, tels que la pré-autorisation, la planification semi-persistante et l'accès sans autorisation. Concernant le HARQ, le temps d'aller-retour dépasse généralement la durée maximale du temporisateur HARQ, et ce processus est soumis à des contraintes temporelles strictes. Lors de la planification des couches MAC et RLC, la latence importante du système satellite affecte également la ponctualité de la planification, et les paramètres de délai de planification doivent être ajustés.

3) Défis liés à la gestion de la mobilité : Dans un réseau intégré satellite-sol, les défis de la gestion de la mobilité sont encore plus importants. Selon le niveau de communication, on distingue la commutation au niveau du réseau et la commutation au niveau de la liaison. Selon les scénarios d’application, on distingue les transferts intercellulaires entre cellules terrestres, entre satellites et cellules terrestres, entre cellules satellitaires et entre satellites. Cette problématique a été étudiée, mais nécessite des recherches complémentaires.

04 Conclusion

Les systèmes de communication par satellite et de communication cellulaire terrestre bénéficient de près de trente ans de développement et ont obtenu des résultats remarquables. Cependant, leurs limitations intrinsèques rendent difficile la satisfaction des besoins croissants en communications mobiles et en interconnexion massive de données. Ces dernières années, avec le développement rapide de l'Internet des objets (IoT), les futurs systèmes de communication sans fil s'orienteront vers une transformation des interactions « personnes-personnes » vers « personnes-objets » et « objets-objets », concrétisant ainsi la communication omniprésente et l'Internet de tout. Le développement intégré des communications par satellite et des communications cellulaires terrestres permettra de tirer parti de leurs avantages complémentaires et d'ouvrir de nouvelles perspectives. Cet article présente et analyse l'état de développement, les technologies clés et les défis liés à l'intégration des communications par satellite et de la 5G, dans l'espoir de fournir des éléments de référence et des orientations pour le développement de cette technologie.

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