La tecnología NTN NB-IoT permite que los satélites proporcionen servicios de telecomunicaciones a los dispositivos del Internet de las Cosas en zonas sin cobertura de estaciones base terrestres. Adnan Khan, Director de Marketing de Tecnología Avanzada, explica cómo funciona y el papel que desempeñan las pruebas para garantizar la conformidad de los productos. 

¿Qué es NTN NB-IoT y en qué situaciones ofrece una alternativa mejor que otras tecnologías IoT?
Respuesta: Los operadores de redes están ampliando los servicios celulares que inicialmente estaban dirigidos a consumidores con teléfonos inteligentes, a empresas con un gran número de dispositivos de Internet de las Cosas (IoT) y de comunicación de tipo máquina (MTC). Se espera que la demanda de continuidad de los servicios impulse la evolución y expansión de las redes a zonas no tradicionales. Las redes no terrestres (NTN) se están convirtiendo en un foco importante en la investigación y la industria a medida que el mundo avanza hacia los sistemas 5G-Advanced y, finalmente, de sexta generación (6G). La principal ventaja de la tecnología NTN es la escalabilidad, continuidad y ubicuidad del servicio, ya que el 7% de la población mundial aún carece de cobertura celular terrestre.

Las comunicaciones por satélite pueden desempeñar un papel crucial en la mejora de las infraestructuras de comunicación y la reducción de la brecha digital. Normalmente, una arquitectura basada en satélites que utiliza sistemas de órbita geosíncrona (GSO), órbita terrestre geoestacionaria (GEO), órbita terrestre media (MEO) y órbita terrestre baja (LEO) proporciona cobertura a altitudes comprendidas entre 400 km y 36.000 km. Sin embargo, entre los distintos sistemas de satélites hay compensaciones en cuanto a prestaciones y costes de despliegue.
La NTN se divide en varias tecnologías de acceso radioeléctrico: NR-NTN, que se basa en 5G New Radio (NR), e IoT-NTN, que puede basarse en Cat-M1 o NB-IoT. Los despliegues iniciales se basan principalmente en NB-IoT, lo que ofrece flexibilidad de reutilización de los activos existentes del operador, como el espectro, la red básica y la red de acceso. IoT-NTN puede utilizarse para complementar la cobertura allí donde el coste de desplegar una red terrestre (TN) sea prohibitivo. Los sectores que más se beneficiarán de esta tecnología son los servicios de misión crítica, los servicios públicos, la automoción y la agricultura.

¿Cómo encaja la NTN NB-IoT con los estándares en desarrollo?
Respuesta: El consorcio 3GPP (3rd Generation Partnership Project) responsable del desarrollo de estándares de telecomunicaciones móviles comenzó a trabajar en la habilitación de servicios de Nueva Radio (NR) e IoT a través de satélites en 2017. Los elementos de estudio sobre las NTN se incluyeron en las versiones 15 y 16 del 3GPP, y la versión 17 contiene el primer conjunto completo de especificaciones IoT-NTN conformes con el 3GPP. Las versiones 18 y 19 incluyen elementos de trabajo (WI) que ofrecen mejoras para IoT-NTN y NR-NTN.
La inclusión de NTN en las normas 3GPP es importante porque proporciona a los fabricantes de dispositivos y chipsets la seguridad que necesitan para incorporar la compatibilidad por satélite a sus productos y beneficiarse también de las economías de escala. Aunque algunos fabricantes de dispositivos llevan mucho tiempo ofreciendo compatibilidad con los servicios por satélite GEO, lo han hecho a pequeña escala, limitándose a bandas espectrales específicas y a tecnología propietaria, lo que se traduce en elevados costes para los clientes.

¿Cuáles son los principales retos a los que se enfrentan los dispositivos NTN?
Respuesta: Hay varias cuestiones que deben tenerse en cuenta a la hora de hacer que IoT funcione a través de satélites.
Presupuesto de enlace (Link Budget). La distancia significativa entre el equipo de usuario (UE) y la estación base plantea un reto. La señal debe viajar en enlace descendente (DL) desde la pasarela del satélite en tierra hasta el satélite en el espacio utilizando el enlace de alimentación, y desde la carga útil del satélite en el espacio hasta el equipo de usuario y viceversa en enlace ascendente (UL). Esto da lugar a un presupuesto de enlace pobre, que afecta al rendimiento y provoca largos tiempos de ida y vuelta (RTT). Para los satélites GEO, el presupuesto de enlace es importante, e IoT-NTN ofrece funciones como la repetición de datos tanto en UL como en DL que pueden ayudar a mantener la conectividad en zonas de cobertura marginal y aumentar el rendimiento de demodulación y cobertura. La potencia recibida de la señal de referencia (RSRP) podría ser tan baja como -140dBm en IoT-NTN, lo que no es habitual en despliegues terrestres. Se necesitan equipos de prueba con front-end de RF avanzado para testar de forma fiable esta conectividad de baja señal.
Latencia. Un retardo RTT tan alto como 500 ms para satélites GEO no será apropiado para aplicaciones sensibles al retardo. Además, puede haber ocasiones en las que la estación base resida en la carga útil del satélite para minimizar la latencia y permitir un mayor control sobre la movilidad. El RTT ampliado también es problemático para determinados bucles de control en una red 3GPP, ya que puede provocar bloqueos debido a que los acuses de recibo de la Solicitud de Repetición Automática Híbrida (HARQ-Hybrid Automatic Repeat Request) no se reciben dentro de la ventana especificada. Además, la retroalimentación de canal del UE puede quedar inutilizada para cuando llegue a la estación base en tierra.
Traspasos (Handovers). Las celdas de las NTN son muy grandes y se mueven rápidamente desde la perspectiva de LEO. Diseñar la red para limitar la sobrecarga de señalización y activar el traspaso es todo un reto, no sólo en función de la intensidad de la señal, sino también de la ubicación del usuario en la celda.
Interferencias. Los enlaces de alimentación desde la pasarela en tierra al satélite y los enlaces de servicio desde el satélite al usuario pueden utilizar espectro que puede ser propiedad de operadores de redes móviles u operadores de constelaciones de satélites. Es importante que el espectro se controle cuidadosamente para evitar proactivamente cualquier interferencia entre los despliegues de TN y NTN.
Desplazamiento Doppler (Doppler Shift). Para los satélites en órbita no geoestacionaria, el rápido movimiento respecto a la Tierra es una complicación añadida. Un satélite LEO a una altitud de 600 km, por ejemplo, viaja a unos 7,5 km/sg y orbitará la Tierra en 90 minutos. Esto provoca desplazamientos de frecuencia Doppler que pueden llegar a 24 ppm.
Deriva temporal (Time drift). Cuando un satélite se acerca o se aleja del equipo de usuario, el tiempo de referencia entre el equipo de usuario y la estación base gNB se desplaza. Esto supone un reto para la sincronización y el avance temporal inicial. Además, las mediciones de las celdas vecinas se vuelven más difíciles, ya que la temporización de la celda servidora y la celda vecina pueden divergir cuando se encuentran en satélites diferentes.

¿Qué papel desempeñan las plataformas de prueba en el crecimiento de NTN IoT-NB?
Respuesta: Las pruebas pueden dividirse en tres aspectos: pruebas de campo, pruebas de satélite y pruebas de UE.
Para realizar pruebas sobre el terreno, es importante diseñar, integrar y desplegar correctamente una red terrestre sobre el terreno. Hay que tener especial cuidado al llevar a cabo el despliegue del espectro y realizar pruebas de coexistencia entre redes terrestres, no terrestres y servicios tradicionales que utilicen el espectro. Las herramientas de monitorización remota del espectro de Anritsu o los analizadores de espectro portátiles (MS2090A) son útiles para este fin. Para las pruebas de rendimiento, latencia y pérdida de paquetes, el comprobador de rendimiento de red MT1000A de Anritsu ofrece una forma sencilla de testar diferentes configuraciones de satélites.
Los satélites LEO que se desplegarán en grandes cantidades estarán equipados con antenas que deberán caracterizarse utilizando una combinación de analizadores vectoriales de redes, generadores de señales y analizadores. Además, algunos de los despliegues pueden incluir arquitectura regenerativa, es decir, una estación base en el satélite. Podría haber diferentes configuraciones de despliegue de la estación base dependiendo de las combinaciones de componentes distribuidos. Podría haber una Unidad Distribuida (DU)/Unidad de Radio (RU) en el satélite y una Unidad Centralizada (CU) en tierra; función gNB RU/DU/CU todo en el cielo; o RU/DU/CU/Parte de la Red Central todo en el cielo. También puede ser necesario probar la capacidad de los componentes de la estación base, además de las pruebas de rendimiento de estas diferentes combinaciones. Un simulador de UE y una BTS SA/SG son herramientas importantes para este aspecto de las pruebas.
Las pruebas de UE pueden dividirse en pruebas en el aire (OTA), pruebas de conformidad de radiofrecuencia (RF), pruebas de conformidad de protocolo (PCT), pruebas de nivel de I+D de RF/protocolo y pruebas de conformidad de portadora.

 ¿Qué datos recoge y analiza una prueba de conformidad?
Respuesta: Las pruebas de conformidad se crean para alinearse con los requisitos 3GPP o los requisitos del operador. La figura 1 muestra un ejemplo de un sistema de pruebas de conformidad de protocolos (PCT) configurado para probar equipos de usuario (UE) frente a especificaciones de protocolo definidas en 3GPP, como la 36.521.

Figura 1: Ejemplo de un sistema PCT para IoT-NTN, que prueba un equipo de usuario con las especificaciones de protocolo definidas en 3GPP
La suite de conformidad de protocolos consiste en probar diferentes áreas de la pila de protocolos que se ha introducido de NB-IoT a NB-IoT NTN. Casi todas las capas de la pila de protocolos se han visto afectadas por la introducción de IoT-NTN. Estos procedimientos de prueba están estandarizados en el documento 36.521 del 3GPP. Las áreas de prueba incluyen procesos HARQ, nuevos parámetros del bloque de información del sistema (SIB), informes de posicionamiento, temporizadores y traspasos.

¿Cómo ayuda este tipo de pruebas a los ingenieros a evaluar los dispositivos en las condiciones que se encontrarán en el mundo real?
Respuesta: Es importante probar a fondo los dispositivos con simuladores de red que hayan implementado correctamente los protocolos, parámetros y condiciones de la red antes de comercializarlos. A menudo, puede que no exista una red terrestre o no terrestre para probar los dispositivos porque no se han habilitado las funciones/tecnología, o puede que no sea posible controlar la red en vivo para generar casos especiales ("corner cases") o escenarios adversos. Es fundamental simular un entorno radioeléctrico realista para las estaciones base terrestres y por satélite y probar los dispositivos en consecuencia; resolver problemas que sólo se detectan después de que un dispositivo se haya lanzado comercialmente puede resultar prohibitivo desde el punto de vista de los costes.

¿Cuál es el proceso para que se adopte una prueba de conformidad? 
Respuesta: La adopción de una prueba de conformidad para un equipo de prueba y medida implica varios pasos, que garantizan que el equipo cumple las normas del sector y funciona de forma fiable. He aquí un esquema del proceso típico:
Un proceso típico comienza por comprender las normas y requisitos pertinentes. Las especificaciones y procedimientos de prueba incluyen 36.521-4 (mediciones TRx), 36.521-3 (mediciones Performance/RRM) y 36.523 (mediciones de protocolo).
A continuación, hay que desarrollar un conjunto completo de casos de prueba, basados en los requisitos de conformidad, que cubran todas las funcionalidades y escenarios de protocolo/RF necesarios. Los casos de prueba tienen que ser detallados, especificando los resultados esperados y los criterios para aprobar o suspender cada uno.
A continuación, los casos de prueba pueden implementarse en equipos de prueba, garantizando que cada uno pueda ejecutarse con automatización. Se incorporan funcionalidades de registro e informes para capturar los resultados detallados de cada ejecución.
La precisión y fiabilidad de los casos de prueba implementados se establece mediante pruebas internas en colaboración con un proveedor de chipsets. Una vez que se ha desarrollado la confianza suficiente, se puede enviar un caso de prueba a un laboratorio de certificación acreditado para su evaluación. El laboratorio evaluará la conformidad del equipo con las normas y protocolos pertinentes en diferentes bandas, según sea necesario para el Foro Global de Certificación (GCF) o la Junta de Revisión de Certificación de Tipo PCS (PTCRB), mediante pruebas en diferentes bandas y con múltiples dispositivos. El GCF y el PTCRB tienen sus propios criterios a la hora de exigir a los fabricantes de equipos originales que incluyan las pruebas respectivas como parte de la habilitación para las pruebas.
El proceso aquí descrito es igualmente aplicable a las pruebas de conformidad del operador, con la salvedad de que las pruebas suelen ejecutarse para su validación en las instalaciones del operador para su validación y certificación. Una vez que el equipo de pruebas certificado se haya entregado a los clientes o a los laboratorios de pruebas, habrá, por supuesto, necesidad de soporte técnico continuo, actualizaciones y mantenimiento para abordar los problemas que surjan o los cambios en las especificaciones.

¿Qué está haciendo Anritsu para fomentar la innovación en este ámbito?
Respuesta: IoT-NTN es una tecnología en evolución y, a medida que se introducen nuevas funciones en futuras versiones de 3GPP, es importante tener acceso a los dispositivos que han habilitado las primeras funciones. También es importante asociarse con diversos proveedores de chipsets, ya que no todas las funciones estarán disponibles en todos los chipsets al mismo tiempo.
Anritsu ha trabajado con los principales proveedores de chipsets y dispositivos OEM, como Sony Altair, Mediatek, Qualcomm y Samsung, para colaborar en la verificación de las pruebas de conformidad tan pronto como se estabilicen las características clave, antes de enviar los resultados de las pruebas de conformidad de protocolo/RF a los laboratorios acreditados. Anritsu también se ha asociado con operadores de redes por satélite (SNO) como Skylo para validar sus requisitos de pruebas en plataformas Anritsu.