Cet article a été écrit avec la collaboration de Mohamed El Jaafari, expert Réseau radio 3GPP et satellitaire chez Thales AleniaSpace, et en attente de relecture.
Je remercie également Dorin Panaitopol, expert 3GPP chez Thales.
Mohamed El Jaafari est un des auteurs du livre 5G Non-Terrestrial Networks: Technologies, Standards, and System Design
Introduction
L’intégration des réseaux non-terrestres (NTN – Non-Terrestrial Networks) dans l’écosystème 5G New Radio (NR) constitue l’une des évolutions majeures des télécommunications modernes.
Initialement conçue pour des réseaux cellulaires terrestres, la 5G doit désormais s’adapter à des infrastructures hybrides capables d’assurer une connectivité via des satellites en orbite basse (LEO), moyenne (MEO) ou géostationnaire (GEO). Cette convergence entre réseaux terrestres et spatiaux est aujourd’hui considérée comme un élément structurant des futures architectures 6G.
Cependant, l’extension de la 5G NR vers les réseaux NTN ne consiste pas simplement à remplacer une station de base terrestre par un satellite. Les caractéristiques physiques des liaisons satellite-terre introduisent des contraintes radicalement différentes, notamment en matière de propagation radio et de synchronisation temporelle. Alors qu’un réseau terrestre traditionnel fonctionne avec des distances de quelques kilomètres entre l’UE et la station de base, les réseaux NTN doivent gérer des distances pouvant dépasser 36 000 km dans le cas des satellites GEO, entraînant des délais de propagation plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des réseaux cellulaires conventionnels.
Ces délais ont un impact direct sur les mécanismes fondamentaux de la couche radio 5G NR. Les procédures de synchronisation temporelle, conçues à l’origine pour des environnements terrestres à faible latence, doivent être adaptées afin de maintenir l’orthogonalité des transmissions et garantir le bon fonctionnement de l’interface radio. Le 3GPP a ainsi introduit plusieurs évolutions spécifiques au NTN concernant notamment le Timing Advance (TA), l’estimation du Round-Trip Time (RTT) ainsi que les mécanismes d’ordonnancement temporel reposant sur les paramètres Koffset et Kmac.
Il faut séparer deux ajustements temporels complémentaires : •
- Ajustement précis par le calcul du TA afin de se synchroniser au niveau de la station de base afin d’éviter les interférences inter-symboles
- Ajustement grossier pour l’ordonnancement afin de laisser plus de temps au récepteur d’envoyer sa réponse. Cet ajustement a un impact sur la latence (Koffset et Kmac).
L’un des aspects les plus novateurs de cette évolution réside dans la capacité de l’UE à pré-calculer certaines corrections temporelles à partir de sa position géographique et des éphémérides satellites. Cette approche marque une rupture importante avec le fonctionnement des terminaux 5G terrestres traditionnels et soulève de nouveaux enjeux autour de la dépendance aux systèmes GNSS, de la complexité terminale et de l’expérience utilisateur.
À plus long terme, les travaux du 3GPP s’orientent vers des approches GNSS-free afin de supprimer la nécessité de pré-calculs basés sur la position de l’UE. Cette évolution est essentielle pour limiter la complexité des terminaux NTN et éviter qu’une dépendance aux capacités GNSS ne devienne un obstacle à la démocratisation du service satellite sur smartphone. On peut citer comme exemple l’échec de l’offre Unik qui imposait au client un changement de téléphone. L’offre Unik d’Orange était une offre de convergence fixe-mobile lancée vers 2006, basée sur la technologie UMA (Unlicensed Mobile Access), plus tard renommée GAN (Generic Access Network).
Dans cet article, nous allons analyser les principaux mécanismes temporels introduits pour la 5G NTN et comprendre comment le 3GPP adapte l’architecture NR afin de faire fonctionner efficacement des communications radio sur des liaisons satellitaires à très longue distance.
L’alignement de la trame
Le délai : UE – gNB terrestre
Dans un réseau terrestre classique (TN – Terrestrial Network), le délai d’un signal entre un équipement utilisateur (UE) et une station de base (gNB) est typiquement de l’ordre de quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. L’allocation de ressource en 4G est basée sur la sous-trame d’une durée de 1 ms. L’allocation de ressource en 5G est basée sur le slot.
Si d est la distance entre l’UE et la station de base, le délai UE – gNB – UE est égal à 2*d/c, avec c la vitesse de la lumière (300 m en 1 µs).
Ainsi, pour une station de base située à 1,2 km, le temps de propagation radio RTT (Radio Round Trip Time ou two way radio latency) est de 8 µs.
On appelle :
- RTT radio : Aller-retour UE ↔ gNB sur l’interface radio
- End-to-end RTT : Aller-retour complet jusqu’au serveur/applicatif
- HARQ RTT : Temps d’un cycle HARQ ACK/NACK
- Ping RTT : RTT IP mesuré par ICMP
Le délai UE – Satellite – gNB
La situation change radicalement en NTN. Selon le 3GPP TS 38.821, les scénarios NTN considèrent :
Satellites LEO (Low Earth Orbit) :
- Altitude : 400 kms à 1100 kms (600 km cas nominal)
- Distance maximale UE-satellite : ~1 200 km (élévation minimale pour un satellite à 600 kms et un angle de 30°)
- Delai UE – satellite – UE : ~8 ms pour une distance de 1200 kms
Satellites GEO (Geostationary Earth Orbit) :
- Altitude : 35 786 km
- Distance maximale UE-satellite : ~41 000 km
- Delai UE – satellite – UE maximal : ~270 ms
Ces valeurs de RTT sont supérieures à la durée d’un slot 5G NR (TS 38.211), ce qui pose des problèmes fondamentaux pour les mécanismes de synchronisation (alignement de trame) conçus initialement pour les réseaux terrestres.
Impact sur la Synchronisation Temporelle et l’effet Doppler
La durée élevée du délai UE – Satellite – UE et la vitesse élevée du satellite ont plusieurs conséquences critiques :
- Variation temporelle du délai : Pour les satellites LEO en mouvement, le délai change continuellement en raison du déplacement relatif du satellite par rapport à l’UE. Le délai de propagation devient asymétrique : Le signal montant (uplink) et le signal descendant (downlink) varie en fonction de la position du satellite pour les LEO non-géostationnaires.
- La fréquence Doppler : le satellite LEO se déplace à 28 000 km/h ce qui provoque un décalage élevé de la fréquence de réception.
- Budget temporel HARQ : Les mécanismes de retransmission automatique (HARQ) doivent être adaptés pour accommoder ces délais importants.
Le prochain article (Part2) mettra en avant les mécanismes pour pré-compenser le Timing Advance.