Cerrando la brecha de conectividad: la evolución técnica de las redes no terrestres 5G

El desafío de larga data de la cobertura inalámbrica universal está cerca de encontrar una solución a medida que los ingenieros trabajan para integrar las constelaciones de satélites directamente en el ecosistema 5G. Al ir más allá de las torres terrestres hacia una Red No Terrestre (NTN) unificada, la industria de las telecomunicaciones pretende eliminar las "zonas muertas" incluso en las regiones más remotas del planeta. Un estudio exhaustivo titulado "5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design", realizado por un equipo de investigadores de la University of Padova y Toyota Motor North America, describe los cambios arquitectónicos críticos necesarios para hacer realidad esta visión. A medida que las redes de quinta generación (5G) continúan evolucionando, la investigación destaca que la integración de las Redes Terrestres (TN) y las NTN representa la próxima gran frontera en la conectividad global, prometiendo una transición fluida entre las torres celulares y los satélites en órbita.

El auge de las redes no terrestres (NTN)

El concepto de redes no terrestres abarca una diversa gama de plataformas situadas por encima de la superficie de la Tierra, incluidos los satélites de órbita terrestre baja (LEO), las plataformas de gran altitud (HAP), como globos o dirigibles en la estratosfera, y los vehículos aéreos no tripulados (UAV). Si bien el internet satelital tradicional ha existido durante décadas, era en gran medida una tecnología patentada y aislada. La evolución actual, liderada por el 3rd Generation Partnership Project (3GPP), busca estandarizar estas plataformas dentro del marco de 5G New Radio (NR). Esta integración está diseñada para cumplir tres objetivos principales: expandir la cobertura inalámbrica a áreas rurales y remotas desatendidas, proporcionar un respaldo resiliente para las comunicaciones de emergencia durante desastres naturales y aliviar el tráfico de entornos urbanos altamente congestionados donde la infraestructura terrestre llega a sus límites.

Según el equipo de investigación, liderado por Francesco Rossato, Mattia Figaro y Alessandro Traspadini de la University of Padova, los satélites LEO son particularmente atractivos para estas redes. Al operar a altitudes de entre 500 y 2.000 kilómetros, las constelaciones LEO ofrecen una latencia significativamente menor que los satélites geoestacionarios (GEO) tradicionales, que se sitúan mucho más arriba, a 35.786 kilómetros. Esta proximidad permite la entrega de internet de banda ancha y soporta una amplia gama de aplicaciones modernas, desde la navegación de vehículos autónomos hasta el monitoreo ambiental y la gestión de redes inteligentes. El estudio enfatiza que, si bien los satélites LEO proporcionan conectividad de área amplia, su rápido movimiento orbital introduce un conjunto único de complejidades técnicas que el 5G terrestre no fue diseñado originalmente para manejar.

Obstáculos técnicos en el diseño de protocolos de pila completa

La transición de torres terrestres a estaciones base espaciales requiere replantear fundamentalmente el diseño de protocolos de "pila completa" (full-stack), que abarca desde la capa física (PHY) hasta la capa de transporte. Uno de los obstáculos más significativos identificados por los investigadores es la pérdida de trayectoria (path loss). Las señales que viajan a través de la atmósfera están sujetas a una atenuación severa causada por la lluvia, las nubes y el centelleo ionosférico. Además, debido a que los satélites se mueven a velocidades inmensas en relación con los usuarios en tierra, generan desplazamientos Doppler significativos: cambios de frecuencia que pueden interrumpir la sincronización entre el dispositivo y la red. Si estos desplazamientos no se compensan con precisión, la conexión se vuelve inestable o falla por completo.

En la capa de control de acceso al medio (MAC), el principal desafío es la enorme distancia. Incluso a la velocidad de la luz, el retraso de propagación hacia un satélite es considerablemente mayor que el retraso hacia una torre celular cercana. Este retraso complica procedimientos críticos como la estimación del canal, la asignación de recursos y la programación. Por ejemplo, las redes 5G tradicionales utilizan un proceso llamado solicitudes de repetición automática híbrida (HARQ) para manejar errores de datos. En un entorno terrestre, el "tiempo de espera" para una retransmisión es de milisegundos; en una red satelital, este retraso puede paralizar todo el flujo de datos. Los investigadores argumentan que, sin modificaciones sustanciales en la forma en que se gestionan los recursos y se realizan los handovers entre satélites, la red sufrirá cuellos de botella masivos y una reducción en la tasa de transferencia (throughput).

Estandarización 3GPP y 5G NR-NTN

El camino hacia una red unificada se está codificando a través del proceso de estandarización del 3GPP. Los investigadores detallan el trayecto desde la Release 17, que introdujo las primeras especificaciones para la comunicación directa de satélite a teléfono, hacia futuras versiones como la Release 20. Una suposición clave en los estándares actuales es el modelo de carga útil "transparente", donde el satélite actúa como un relé "bent-pipe", simplemente amplificando y reenviando señales entre una puerta de enlace terrestre y el dispositivo del usuario. Sin embargo, a medida que la tecnología madura, existe un impulso hacia cargas útiles "regenerativas" donde el propio satélite realiza el procesamiento a bordo, actuando efectivamente como una estación base (gNB) en órbita.

Para validar sus teorías, el equipo de investigación, que incluye a expertos como Michele Zorzi y Marco Giordani de la University of Padova y Takayuki Shimizu de Toyota Motor North America, realizó extensas simulaciones de extremo a extremo utilizando el simulador de eventos discretos ns-3. A diferencia de gran parte de la literatura existente que sigue siendo conceptual, este estudio proporcionó evidencia numérica sobre cómo las configuraciones específicas impactan el rendimiento de la red. Sus simulaciones demostraron la importancia crítica de los periodos de guarda (GPs) en el dúplex por división de tiempo (TDD) y mostraron cómo los retrasos diferenciales en grandes celdas satelitales pueden provocar desalineaciones temporales que degradan la experiencia del usuario. Este enfoque empírico es vital para el 3GPP a medida que avanza en el perfeccionamiento de los estándares para el ecosistema 5G NR-NTN.

Hallazgos detallados: Retransmisiones y latencia de transporte

Los hallazgos de los investigadores en el entorno de simulación ns-3 revelaron que el número de procesos HARQ —los mecanismos que gestionan las retransmisiones de datos— debe aumentarse significativamente para las redes satelitales. En el 5G terrestre estándar, unos pocos procesos son suficientes, pero en el contexto de NTN, el largo tiempo de ida y vuelta (RTT) significa que muchos más procesos deben ejecutarse en paralelo para mantener activo el enlace de datos. Sin este ajuste, el transmisor pasa la mayor parte de su tiempo esperando confirmaciones en lugar de enviar nuevos datos. Además, el estudio destacó un efecto de "estancamiento" donde la incapacidad de la capa MAC para seguir el ritmo de los largos retrasos provoca que el protocolo de control de transmisión (TCP) de nivel superior reduzca drásticamente su tasa de transmisión, paralizando aún más la velocidad de conexión.

El equipo también investigó el impacto del gran tamaño de las celdas. Un solo haz de satélite puede cubrir cientos de kilómetros cuadrados, lo que genera un "retraso diferencial", donde los usuarios en el centro del haz experimentan tiempos de propagación diferentes a los de los bordes. Los resultados de la simulación sugirieron que la red debe implementar mecanismos sofisticados de avance de temporización (timing advance) para garantizar que las señales de diferentes usuarios no colisionen cuando lleguen al satélite. Estos hallazgos subrayan la necesidad de una pila de protocolos "consciente del satélite" que pueda ajustarse dinámicamente a la dinámica orbital y a las vastas distancias involucradas en la comunicación no terrestre.

Implicaciones comerciales: Starlink y el paso al 5G estandarizado

El panorama comercial de las NTN está dominado actualmente por importantes proveedores satelitales como Starlink de SpaceX, que ya ha comenzado a desplegar tecnología "direct-to-cell" (directo al móvil). Sin embargo, muchos servicios satelitales actuales dependen de hardware y software patentados. La investigación de Rossato et al. sugiere un cambio importante en la industria: pasar de estos sistemas cerrados y patentados a hardware 5G estandarizado. Este cambio permitiría que los smartphones estándar de los consumidores se conecten a satélites sin requerir antenas o chips especializados, un avance que comercializaría la conectividad satelital e la integraría en los planes celulares estándar.

Las implicaciones de esto son profundas, no solo para el 5G sino para la próxima era 6G. Al establecer una base de NTN estandarizada ahora, la industria está preparando el escenario para una arquitectura de red verdaderamente 3D donde las torres terrestres, los drones y los satélites trabajen en una malla coordinada. Importantes actores automotrices como Toyota, involucrados en esta investigación, están particularmente interesados en esto para la seguridad de los vehículos conectados. Un automóvil que se desplaza por un paso de montaña remoto debería, en teoría, cambiar de una señal terrestre perdida a una señal satelital de forma tan fluida que un mapa de navegación de alta definición o una llamada de emergencia permanezcan ininterrumpidos.

¿Qué sigue?: El futuro de la conectividad global

Mirando hacia el futuro, el equipo de investigación señala varias "preguntas abiertas" que definirán la próxima década de las telecomunicaciones. Las futuras actividades de estandarización deben abordar escenarios de enrutamiento más complejos, especialmente para los enlaces intersatelitales (ISL), donde los datos saltan de un satélite a otro en el espacio antes de ser enviados a una estación terrestre. Además, la integración de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML) en la pila de protocolos podría permitir una gestión predictiva del handover, anticipando cuándo un usuario perderá la línea de visión con un satélite y cambiando proactivamente la conexión al siguiente en la constelación.

El cronograma para la adopción masiva se está acelerando. Con el trabajo fundamental establecido en las Releases 17 y 18 del 3GPP, y los rigurosos datos de simulación proporcionados por asociaciones entre el mundo académico y la industria como la de la University of Padova y Toyota, la transición de "Sin señal" a "Siempre conectado" ya no es una cuestión de si ocurrirá, sino de cuándo. Como sugiere el artículo (actualmente enviado a IEEE para su publicación), la evolución de 5G NR-NTN no es simplemente una actualización incremental de la tecnología celular, sino una expansión radical de los límites de la propia internet, convirtiendo al cielo en la próxima gran capa de la infraestructura digital global.

• Autores principales: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (University of Padova); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Apoyo institucional: University of Padova, Italia; Toyota Motor North America Inc., EE. UU.; Plan Nacional de Recuperación y Resiliencia (NRRP) de la Unión Europea.
• Metodología clave: Simulaciones de nivel de sistema de extremo a extremo utilizando el simulador de eventos discretos ns-3.
• Estado de publicación: Enviado a IEEE para su publicación (arXiv:2601.14883v1).