Combler la fracture numérique : l'évolution technique des réseaux non terrestres 5G

Le défi de longue date de la couverture sans fil universelle est en passe d'être résolu alors que les ingénieurs s'efforcent d'intégrer les constellations de satellites directement dans l'écosystème 5G. En passant des tours terrestres à un réseau non terrestre (NTN) unifié, l'industrie des télécommunications vise à éliminer les « zones blanches » même dans les régions les plus reculées de la planète. Une étude complète intitulée « 5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design », rédigée par une équipe de chercheurs de l'Université de Padoue et de Toyota Motor North America, expose les changements architecturaux critiques nécessaires pour faire de cette vision une réalité. Alors que les réseaux de 5e génération (5G) continuent d'évoluer, la recherche souligne que l'intégration des réseaux terrestres (TN) et des NTN représente la prochaine grande frontière de la connectivité mondiale, promettant une transition fluide entre les tours cellulaires et les satellites en orbite.

L'essor des réseaux non terrestres (NTN)

Le concept de réseaux non terrestres englobe un large éventail de plateformes situées au-dessus de la surface de la Terre, notamment les satellites en orbite terrestre basse (LEO), les plateformes à haute altitude (HAP) telles que les ballons ou les dirigeables dans la stratosphère, et les véhicules aériens sans pilote (UAV). Bien que l'Internet par satellite traditionnel existe depuis des décennies, il s'agissait largement d'une technologie propriétaire et isolée. L'évolution actuelle, menée par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP), cherche à normaliser ces plateformes au sein du cadre 5G New Radio (NR). Cette intégration est conçue pour répondre à trois objectifs principaux : étendre la couverture sans fil aux zones rurales et reculées mal desservies, fournir une solution de secours résiliente pour les communications d'urgence lors de catastrophes naturelles, et délester le trafic des environnements urbains très encombrés où l'infrastructure terrestre atteint ses limites.

Selon l'équipe de recherche, dirigée par Francesco Rossato, Mattia Figaro et Alessandro Traspadini de l'Université de Padoue, les satellites LEO sont particulièrement attrayants pour ces réseaux. Opérant à des altitudes comprises entre 500 et 2 000 kilomètres, les constellations LEO offrent une latence nettement inférieure à celle des satellites géostationnaires (GEO) traditionnels, qui se situent beaucoup plus haut, à 35 786 kilomètres. Cette proximité permet de fournir un Internet à haut débit et de prendre en charge un large éventail d'applications modernes, de la navigation de véhicules autonomes à la surveillance environnementale et à la gestion des réseaux intelligents. L'étude souligne que si les satellites LEO offrent une connectivité sur une zone étendue, leur mouvement orbital rapide introduit un ensemble unique de complexités techniques que la 5G terrestre n'a jamais été conçue pour gérer à l'origine.

Obstacles techniques dans la conception de protocoles « full-stack »

La transition des tours terrestres vers des stations de base spatiales nécessite une refonte fondamentale de la conception des protocoles « full-stack », de la couche physique (PHY) à la couche transport. L'un des obstacles les plus importants identifiés par les chercheurs est l'affaiblissement de propagation (path loss). Les signaux traversant l'atmosphère sont soumis à une atténuation sévère causée par la pluie, les nuages et la scintillation ionosphérique. De plus, comme les satellites se déplacent à des vitesses immenses par rapport aux utilisateurs au sol, ils génèrent des décalages Doppler importants — des changements de fréquence qui peuvent perturber la synchronisation entre l'appareil et le réseau. Si ces décalages ne sont pas précisément compensés, la connexion devient instable ou échoue complètement.

Au niveau de la couche de contrôle d'accès au support (MAC), le principal défi est la distance pure et simple. Même à la vitesse de la lumière, le délai de propagation vers un satellite est bien plus important que le délai vers une tour cellulaire à proximité. Ce délai complique des procédures critiques telles que l'estimation du canal, l'allocation des ressources et la planification. Par exemple, les réseaux 5G traditionnels utilisent un processus appelé Hybrid Automatic Repeat reQuests (HARQ) pour gérer les erreurs de données. Dans un cadre terrestre, le « temps d'attente » pour une retransmission est de l'ordre de la milliseconde ; dans un réseau satellitaire, ce délai peut bloquer l'intégralité du flux de données. Les chercheurs soutiennent que sans modifications substantielles de la gestion des ressources et de la manière dont les transferts (handovers) entre satellites sont effectués, le réseau souffrira de goulots d'étranglement massifs et d'un débit réduit.

Normalisation 3GPP et 5G NR-NTN

Le chemin vers un réseau unifié est codifié par le processus de normalisation du 3GPP. Les chercheurs détaillent le parcours depuis la Release 17, qui a introduit les premières spécifications pour la communication directe de satellite à téléphone, vers les futures versions telles que la Release 20. Une hypothèse clé dans les normes actuelles est le modèle de charge utile « transparente », où le satellite agit comme un relais « bentpipe » (miroir), amplifiant et transmettant simplement les signaux entre une passerelle au sol et l'appareil de l'utilisateur. Cependant, à mesure que la technologie mûrit, on assiste à une poussée vers des charges utiles « régénératives » où le satellite lui-même effectue un traitement à bord, agissant efficacement comme une station de base (gNB) en orbite.

Pour valider leurs théories, l'équipe de recherche, qui comprend des experts comme Michele Zorzi et Marco Giordani de l'Université de Padoue et Takayuki Shimizu de Toyota Motor North America, a mené des simulations de bout en bout approfondies à l'aide du simulateur à événements discrets ns-3. Contrairement à une grande partie de la littérature existante qui reste conceptuelle, cette étude a fourni des preuves numériques sur la manière dont des paramètres spécifiques impactent les performances du réseau. Leurs simulations ont démontré l'importance cruciale des intervalles de garde (Guard Periods, GPs) dans le duplexage par répartition dans le temps (TDD) et ont montré comment les retards différentiels dans les grandes cellules satellitaires peuvent entraîner des désalignements temporels qui dégradent l'expérience utilisateur. Cette approche empirique est vitale pour le 3GPP alors qu'il s'apprête à affiner les normes pour l'écosystème 5G NR-NTN.

Résultats détaillés : retransmissions et latence de transport

Les conclusions des chercheurs dans l'environnement de simulation ns-3 ont révélé que le nombre de processus HARQ — les mécanismes qui gèrent les retransmissions de données — doit être considérablement augmenté pour les réseaux satellitaires. Dans la 5G terrestre standard, quelques processus suffisent, mais dans le contexte NTN, le long temps aller-retour (RTT) signifie que beaucoup plus de processus doivent s'exécuter en parallèle pour maintenir la liaison de données active. Sans cet ajustement, l'émetteur passe la majorité de son temps à attendre des accusés de réception plutôt qu'à envoyer de nouvelles données. De plus, l'étude a mis en évidence un effet de « blocage » (stalling) où l'incapacité de la couche MAC à suivre les longs délais amène le protocole de contrôle de transmission (TCP) de niveau supérieur à réduire considérablement son taux de transmission, paralysant davantage la vitesse de connexion.

L'équipe a également étudié l'impact des cellules de grande taille. Un seul faisceau satellite peut couvrir des centaines de kilomètres carrés, entraînant un « retard différentiel », où les utilisateurs au centre du faisceau connaissent des temps de propagation différents de ceux situés en bordure. Les résultats de la simulation suggèrent que le réseau doit mettre en œuvre des mécanismes sophistiqués d'avance temporelle (timing advance) pour garantir que les signaux des différents utilisateurs ne se percutent pas lorsqu'ils arrivent au satellite. Ces résultats soulignent la nécessité d'une pile de protocoles « consciente du satellite » capable de s'adapter dynamiquement à la dynamique orbitale et aux vastes distances impliquées dans la communication non terrestre.

Implications commerciales : Starlink et le passage à la 5G standardisée

Le paysage commercial des NTN est actuellement dominé par de grands fournisseurs de satellites comme Starlink de SpaceX, qui a déjà commencé à déployer la technologie « direct-to-cell ». Cependant, de nombreux services satellites actuels reposent sur du matériel et des logiciels propriétaires. La recherche de Rossato et al. suggère un changement majeur dans l'industrie : passer de ces systèmes fermés et propriétaires à un matériel 5G standardisé. Ce changement permettrait aux smartphones grand public standard de se connecter aux satellites sans nécessiter d'antennes ou de puces spécialisées, un développement qui banaliserait la connectivité par satellite et l'intégrerait dans les forfaits cellulaires standards.

Les implications sont profondes, non seulement pour la 5G mais aussi pour l'ère de la 6G à venir. En établissant dès maintenant une base NTN normalisée, l'industrie prépare le terrain pour une véritable architecture de réseau en 3D où les tours terrestres, les drones et les satellites travaillent dans un maillage coordonné. Les grands acteurs de l'automobile comme Toyota, impliqués dans cette recherche, s'y intéressent particulièrement pour la sécurité des véhicules connectés. Une voiture traversant un col de montagne isolé devrait, en théorie, passer d'un signal terrestre perdu à un signal satellite de manière si fluide qu'une carte de navigation haute définition ou un appel d'urgence resterait ininterrompu.

Et après : l'avenir de la connectivité mondiale

En regardant vers l'avenir, l'équipe de recherche pointe plusieurs « questions ouvertes » qui définiront la prochaine décennie des télécommunications. Les futures activités de normalisation devront aborder des scénarios de routage plus complexes, en particulier pour les liaisons inter-satellites (ISL), où les données sautent d'un satellite à l'autre dans l'espace avant d'être envoyées vers une station au sol. De plus, l'intégration de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique (ML) dans la pile de protocoles pourrait permettre une gestion prédictive des transferts (handovers), anticipant le moment où un utilisateur perdra la ligne de mire avec un satellite pour basculer proactivement la connexion vers le suivant dans la constellation.

Le calendrier d'adoption massive s'accélère. Avec les travaux fondamentaux définis dans les Releases 17 et 18 du 3GPP, et les données de simulation rigoureuses fournies par des partenariats université-industrie comme celui entre l'Université de Padoue et Toyota, le passage de « Aucun signal » à « Toujours connecté » n'est plus une question de si, mais de quand. Comme le suggère l'article (actuellement soumis à l'IEEE pour publication), l'évolution de la 5G NR-NTN n'est pas seulement une mise à jour incrémentale de la technologie cellulaire, mais une expansion radicale des frontières de l'Internet lui-même, transformant le ciel en la prochaine grande couche de l'infrastructure numérique mondiale.

• Auteurs principaux : Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (Université de Padoue) ; Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Soutien institutionnel : Université de Padoue, Italie ; Toyota Motor North America Inc., États-Unis ; Plan national de relance et de résilience (PNRR) de l'Union européenne.
• Méthodologie clé : Simulations au niveau système de bout en bout utilisant le simulateur à événements discrets ns-3.
• Statut de publication : Soumis à l'IEEE pour publication (arXiv:2601.14883v1).