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HAPS et satellites artificiels : débloquer l'ère des réseaux non terrestres au-delà de la 5G/6G
Qu'est-ce qu'un réseau non terrestre (RNT) ?
Un réseau non terrestre (RNT) est un type de réseau de communication sans fil utilisé pour des applications telles que les communications mobiles. Le terme fait référence à des réseaux multicouches reliant des stations de base terrestres, des navires en mer, des stations de plate-forme à haute altitude (HAPS) et des satellites de communication dans l'espace.
Ces caractéristiques permettent à un NTN de surmonter les limites des réseaux terrestres, en élargissant considérablement la couverture de l'infrastructure de communication pour inclure des zones telles que les vallées montagneuses et les zones océaniques éloignées de la terre.
Parmi les réseaux non terrestres, cet article se concentre sur les réseaux de communication sans fil comprenant des éléments à haute altitude, loin au-dessus de la terre et de la mer. La R&D, les bancs d'essai et les démonstrations commencent à être déployés dans le cadre des plans de développement des réseaux non terrestres dans la stratosphère et l'espace extra-atmosphérique, en préparation de l'avènement de la norme de télécommunications de la prochaine génération connue sous le nom de Beyond 5G (système de communication mobile de cinquième génération, B5G)/6G (système de communication mobile de sixième génération).
De la stratosphère à l'espace. Configuration et caractéristiques des réseaux non terrestres (RNT).
Comme le montre la figure 1, un réseau non terrestre déployé dans le ciel au-dessus de nous serait composé de différents types d'équipements de transmission pour lesquels une altitude plus élevée correspond à une zone de couverture plus large. Naturellement, plus la distance par rapport à la surface de la Terre est grande, plus le retard du signal est important, et les différents types d'équipements de transmission seront utilisés à des fins différentes en fonction de leur emplacement, dans l'espace extra-atmosphérique ou la stratosphère, ou au niveau du sol. Il est ainsi possible de construire une infrastructure de communication dont la portée est plus large que ce qui était possible auparavant, de sorte que nous pourrons dire que "nulle part sur Terre n'est hors de portée".
Nous présentons ci-dessous une vue d'ensemble et une description des caractéristiques des satellites artificiels (GEO et LEO) et des aéronefs sans pilote (HAPS) qui composent le réseau non terrestre illustré à la figure 1.
Satellite géostationnaire (GEO)
Un satellite géostationnaire ou satellite à orbite terrestre géostationnaire (GEO) est le composant des réseaux non terrestres pour la B5G/6G qui fonctionne à l'altitude la plus élevée. Ces satellites artificiels sont positionnés à environ 36 000 km au-dessus de l'équateur terrestre. Ils gravitent autour de la Terre à une vitesse qui correspond à la vitesse de rotation de la Terre, de sorte qu'ils semblent être stationnaires au-dessus d'un point précis au sol. En général, les satellites météorologiques qui prévoient le temps en fonction des conditions météorologiques sur de vastes zones appartiennent à cette catégorie de satellites.
Les GEO utilisés dans les réseaux de communication fonctionnent à haute altitude, ce qui leur permet de communiquer avec une zone étendue. On dit que trois ou quatre de ces satellites seraient capables de couvrir la totalité de la surface de la Terre. Cependant, leur éloignement du sol leur confère un retard de transfert de données plus important que d'autres types d'équipements de transmission, et leur vitesse de transfert de données serait généralement de l'ordre de plusieurs mégabits par seconde (Mbps). En outre, comme l'envoi de signaux à la surface de la Terre nécessite une puissance élevée, les GEO ont tendance à être plus grands que les satellites en orbite basse (LEO), dont il sera question plus loin, et leur mise en orbite nécessite des fusées plus puissantes.
Satellite en orbite basse (LEO)
Un satellite en orbite basse (LEO) est un type de satellite artificiel qui opère dans l'espace mais sur une orbite terrestre plus basse*1 qu'un GEO, généralement à une altitude de plusieurs centaines à 2 000 km. Contrairement aux satellites géostationnaires (GEO), ils ne sont pas synchronisés avec la rotation de la Terre.
Le télescope Hubble et la Station spatiale internationale (ISS) opèrent également à basse altitude, utilisant une orbite terrestre basse d'environ 400 km, au maximum. Cependant, il est dit que les LEO utilisés dans les NTN seront positionnés à des altitudes de l'ordre de mille à plusieurs centaines de kilomètres.
Les LEO fonctionnent à des altitudes plus basses que les GEO, ce qui permet de transférer des données avec un faible retard et d'utiliser des signaux à faible sortie. Ces satellites peuvent également être plus petits. Les LEO permettent des vitesses de communication avec la surface de la Terre de plusieurs centaines de mégabits par seconde (Mbps), de sorte qu'ils pourraient être utilisés pour des services permettant une communication directe entre les téléphones intelligents et les satellites.
D'autre part, comme les LEO fonctionnent à des altitudes plus basses que les GEO, la zone de couverture de chaque satellite est plus étroite, et les satellites opérant sur des orbites terrestres basses ont une vitesse orbitale plus élevée. Cela signifie qu'il est nécessaire d'utiliser des "constellations de satellites" composées de plusieurs petits satellites LEO fonctionnant en coordination afin de fournir des communications stables dans ces conditions. Le terme "constellation" fait référence aux constellations d'étoiles et est utilisé pour désigner un groupe coordonné de LEO.
*1 La définition de l'"orbite terrestre" varie d'un pays à l'autre et d'une organisation à l'autre. Par exemple, l'Agence spatiale européenne (ESA) définit l'orbite terrestre comme une orbite autour de la Terre à une altitude maximale de 1 000 km, tandis que l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA) spécifie une altitude maximale de 2 000 km.
Station de plate-forme à haute altitude (HAPS)
Une plate-forme de haute altitude (HAPS), parfois appelée plate-forme de communication stratosphérique, est un aéronef sans pilote (certains ressemblent à des avions, d'autres prennent la forme de ballons ou de dirigeables) qui vole dans la stratosphère à une altitude d'environ 20 km et qui fonctionne comme une station de base de communication aéroportée.
En règle générale, les avions de ligne peuvent atteindre une altitude d'environ 10 km, et la partie de la stratosphère dans laquelle opère un HAPS est environ deux fois plus élevée. À cette altitude, les courants aériens et les conditions météorologiques sont relativement stables et la résistance de l'air est faible. La densité de l'air étant inférieure à celle nécessaire à un avion sans pilote pour obtenir la portance dynamique requise, on estime que les modèles opérationnels de HAPS seront équipés de panneaux solaires ou de batteries qui leur permettront de rester en vol sans interruption pendant plusieurs semaines d'affilée.
Alors que les stations de base terrestres ont généralement une zone de couverture couvrant un rayon de quelques kilomètres à quelques dizaines de kilomètres, un seul HAPS est susceptible d'avoir une zone de couverture couvrant un rayon d'environ 100 km. En outre, étant donné qu'ils sont plus proches de la surface de la Terre que les satellites artificiels opérant dans l'espace, ils devraient jouer un rôle majeur dans la nouvelle infrastructure de communication pour la B5G/6G en raison de leur retard minime dans le transfert des données. Néanmoins, comme la stratosphère occupe l'espace aérien territorial de différentes nations, contrairement à l'espace extra-atmosphérique, on peut dire que l'établissement d'un cadre juridique dans chaque pays sera essentiel à la mise en œuvre internationale des HAPS et à la fourniture de services de communication.
Avantages et tendances des réseaux non terrestres (RNT) pour la B5G/6G
En conclusion, nous examinerons les avantages et les tendances des réseaux non terrestres.
Avantages des réseaux non terrestres (RNT)
L'un des grands avantages des réseaux non terrestres, qui, contrairement aux réseaux terrestres, comprennent des éléments opérant dans la stratosphère et l'espace extra-atmosphérique, est qu'ils peuvent fournir une infrastructure de communication qui est relativement peu affectée par les catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre ou les tsunamis.
En outre, ils ont le potentiel d'étendre considérablement la zone de couverture, au point que plus aucun endroit de la Terre n'est hors de portée. Cela permettra aux gens d'utiliser leur smartphone pour communiquer en cas d'urgence, même s'ils se trouvent dans des endroits où la communication était auparavant difficile, comme dans les vallées montagneuses ou en mer.
Il sera ainsi possible de maintenir l'infrastructure de communication en cas d'urgence (catastrophes naturelles ou accidents), quel que soit le lieu, et d'étendre le réseau de communication mobile à des zones de plus en plus vastes sans interruption, ce qui évitera les problèmes en montagne ou lors de voyages en mer.
Tendances des réseaux non terrestres (RNT)
L'une des grandes caractéristiques des réseaux non terrestres est la tendance remarquable à la participation active des entreprises privées. Dans le passé, la plupart des projets spatiaux étaient des initiatives nationales, mais aujourd'hui, une grande variété d'entreprises dans le monde, non seulement dans le domaine du matériel mais aussi dans des domaines tels que les services de communication, s'associent et participent à des projets aérospatiaux, y compris dans le domaine des réseaux non terrestres.
Il s'agit par exemple du développement et de la fabrication de satellites artificiels et de HAPS, de leurs composants et des équipements de télécommunication (charges utiles) qui y sont embarqués. Un grand nombre d'entreprises sont impliquées dans ces activités, y compris certaines qui exploitent les fusées qui transportent les satellites artificiels dans l'espace. En particulier, le domaine des communications mobiles de la prochaine génération, appelé B5G/6G, sert de point de départ à la croissance rapide d'entreprises desservant un marché d'envergure mondiale.
Murata Manufacturing développe et fabrique une variété de modules de communication sans fil. Dans le cadre de cet effort, nous nous efforçons de développer des produits qui répondent à des besoins changeants, y compris des modules de connectivité compatibles avec les réseaux non terrestres (NTN). Pour plus de détails, consultez la page dont le lien figure ci-dessous.
