Les réseaux non terrestres (NTN) pour la 5G-Advanced et la 6G

Une simulation NTN efficace commence par la géométrie (distance, élévation, angles de visée, effet Doppler et latence en fonction du temps), car ces grandeurs régissent presque toutes les dégradations en aval. Elle intègre ensuite la propagation et les pertes, en combinant les effets de l'espace libre aux pertes atmosphériques (pluie, gaz, nuages/brouillard, scintillation) et en calculant les statistiques de disponibilité sur la fenêtre d'accès. Lorsque l'évanouissement ou la sélectivité entrent en jeu, les modèles de canaux NR-NTN normalisés (comme les familles à bande étroite/TDL du rapport TR 38.811) offrent un moyen cohérent de mettre les récepteurs à l'épreuve. Le modèle doit enfin représenter les réseaux d'antennes et les faisceaux. Les limites d'orientation, les erreurs d'alignement, la polarisation et les interférences entre faisceaux, en particulier avec la réutilisation du spectre, influent directement sur la qualité de la liaison et la capacité du système.

Un workflow MATLAB^® pratique commence généralement par une modélisation des scénarios et des orbites avec satelliteScenario pour générer les fenêtres d'accès et la géométrie variable dans le temps. Les ingénieurs établissent ensuite la faisabilité grâce à des bilans de liaison statiques et dynamiques via l'application Satellite Link Budget Analyzer, en incluant une analyse de disponibilité basée sur la norme ITU-R P.618 pour dimensionner les antennes, la PIRE (EIRP) et le G/T, ainsi que pour évaluer le choix des bandes de fréquences. Ensuite, les études de forme d'onde et de couche physique (PHY) associent la 5G Toolbox™ aux modèles de canaux NR-NTN pour évaluer la robustesse de la synchronisation, l'estimation de canal, le BLER et le débit face aux dynamiques d'effet Doppler et de délai de propagation. Le workflow intègre après cela la réalité du beamforming et de la RF, notamment les réseaux d'antennes, la déviation de faisceau, la quantification et la non-linéarité de l'amplificateur de puissance, puis s'étend aux KPI au niveau système en faisant abstraction de la qualité de liaison. Cette approche crée une passerelle fluide, du design d'algorithmes jusqu'aux tests en laboratoire et sur le terrain.

Dans les systèmes NTN, les bilans de liaison déterminent la faisabilité, tandis que la disponibilité définit si les objectifs de performance sont tenus dans le temps. Les ingénieurs valident généralement la liaison en amont en utilisant des objectifs de C/N₀, d'E_b/N₀ et des marges liées aux schémas de modulation et de codage. Ils examinent ensuite l'évolution de ces marges au fil du temps à mesure que la distance, l'élévation et l'alignement varient au cours d'une fenêtre d'accès. Les pertes atmosphériques peuvent devenir prédominantes dans certaines bandes de fréquences et à certains angles d'élévation. En conséquence, la disponibilité devient un KPI majeur. Les objectifs de design sont souvent définis en « pourcentage de temps respectant un objectif » en tenant compte de la géométrie et des conditions météorologiques, ce qui est particulièrement critique pour les passerelles et les liaisons d'interconnexion.

L'évaluation des performances de la couche physique (PHY) NR-NTN nécessite des simulations de bout en bout faisant le lien entre d'une part l'effet Doppler et le délai de propagation et, d'autre part, le BLER et le débit. Les équipes exécutent généralement des simulations de canaux physiques s'appuyant sur des modèles de canaux NTN adaptés aux déploiements (souvent définis par le rapport 3GPP TR 38.811) pour capturer les dégradations liées à l'effet Doppler et leur impact sur la synchronisation et l'estimation de canal. Les stratégies d'atténuation de l'effet Doppler sont modélisées de manière explicite : cela inclut la précompensation côté émetteur et la poursuite côté récepteur, pour que l'offset résiduel de la fréquence porteuse (CFO) reflète des erreurs réelles d'éphémérides et d'oscillateur. Lorsque la sensibilité aux procédures est critique, le délai de propagation variable dans le temps est pris en compte pour évaluer son impact sur l'avance temporelle, le comportement HARQ et la mise en mémoire tampon. Pour traduire ces effets en indicateurs de performance, un workflow de référence du débit (par exemple, une simulation de débit PDSCH NR-NTN) associe les conditions du canal au BLER décodé et au débit final.

Le beamforming dans les systèmes NTN doit prendre en compte l'orientation à grand angle, les contraintes hardware et les interférences, et ne pas se limiter à la direction du lobe principal. Les grands angles d'orientation introduisent des pertes de balayage et des variations de couverture qui affectent directement le bilan de liaison sur l'ensemble de la zone de service. Dans les systèmes à large bande, des effets dépendant de la fréquence, comme la déviation de faisceau, peuvent déformer les modèles de faisceaux et doivent être pris en considération lors du design et de la pondération des réseaux d'antennes. Les contraintes d'implémentation pratique jouent également un rôle crucial. La quantification de phase, la variabilité des éléments et les erreurs de calibrage façonnent les lobes secondaires et influent sur les interférences, en particulier lorsque le spectre est réutilisé entre plusieurs faisceaux. Les dégradations au niveau de l'émetteur et du récepteur impactent davantage les performances : la non-linéarité de l'amplificateur de puissance, l'EVM, la remontée spectrale et la quantification du récepteur altèrent la qualité de la liaison et doivent être pris en compte pour faire le lien entre le comportement RF et le débit effectif. Enfin, lorsque plusieurs faisceaux partagent le même spectre, les interférences deviennent une contrainte au niveau système. Des techniques telles que la formation de zéros et l'atténuation des interférences sont essentielles pour maintenir la capacité globale, et pas seulement pour améliorer le gain de liaison. (Consultez le webinar Beamforming pour les systèmes NTN avec MATLAB (29:49) pour une démonstration couvrant l'ensemble du processus technique.)

Les équipes NTN valident souvent leurs designs dans une logique de vérification continue : les mêmes modèles de référence utilisés en simulation sont réemployés lors du prototypage et des tests. Concrètement, cela consiste à générer et analyser des formes d'onde dans MATLAB, à se connecter à des SDR et à des instruments RF pour valider la sensibilité aux dégradations ainsi que la robustesse du récepteur. Enfin, des workflows d'implémentation (incluant la génération de code et l'accélération sur FPGA, si nécessaire) permettent d'adapter les algorithmes aux contraintes du temps réel tout en maintenant la chaîne de vérification intacte.

Pour aller au-delà de la couche physique (PHY) sans avoir à développer une pile réseau satellite complète, de nombreuses équipes s'appuient sur des traces de scénarios. Les intervalles d'accès et la géométrie variable dans le temps (élévation, effet Doppler, latence) génèrent une série temporelle de la qualité de liaison. Au lieu de réexécuter le traitement des formes d'onde pour chaque paquet, la couche physique (PHY) est simplifiée en associant le C/N₀ ou le SINR à des courbes de MCS/débit issues des études au niveau liaison. Un modèle à événements discrets peut ensuite représenter les files d'attente, l'ordonnancement, les transferts intercellulaires, la sélection des passerelles et, au besoin, la disponibilité des liaisons inter-satellites (ISL) afin de calculer la latence, le jitter, la perte de paquets et l'équité de répartition. Le routage et l'ingénierie de trafic étant spécifiques à chaque mission, les études évolutives intègrent généralement en priorité les comportements réseau qui dictent les choix de design, avant d'élargir le périmètre grâce à l'automatisation de scénarios et à des balayages de paramètres scriptés.