Colmare il divario di connettività: l'evoluzione tecnica delle reti non terrestri 5G

La sfida di lunga data della copertura wireless universale si avvicina a una soluzione mentre gli ingegneri lavorano per integrare le costellazioni satellitari direttamente nell'ecosistema 5G. Passando dalle torri terrestri a una rete non terrestre (NTN) unificata, l'industria delle telecomunicazioni mira a eliminare le "zone morte" anche nelle regioni più remote del pianeta. Uno studio approfondito intitolato "5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design", redatto da un team di ricercatori dell'Università di Padova e di Toyota Motor North America, delinea i cambiamenti architetturali critici necessari per trasformare questa visione in realtà. Mentre le reti di quinta generazione (5G) continuano a evolversi, la ricerca sottolinea che l'integrazione tra reti terrestri (TN) e NTN rappresenta la prossima grande frontiera della connettività globale, promettendo una transizione senza soluzione di continuità tra torri cellulari e satelliti in orbita.

L'ascesa delle reti non terrestri (NTN)

Il concetto di reti non terrestri comprende una vasta gamma di piattaforme situate sopra la superficie terrestre, inclusi i satelliti in orbita bassa (LEO), le piattaforme ad alta quota (HAP) come palloni aerostatici o dirigibili nella stratosfera, e i veicoli aerei senza pilota (UAV). Sebbene l'internet satellitare tradizionale esista da decenni, si trattava in gran parte di una tecnologia proprietaria e isolata. L'attuale evoluzione, guidata dal 3rd Generation Partnership Project (3GPP), cerca di standardizzare queste piattaforme all'interno del framework 5G New Radio (NR). Questa integrazione è progettata per servire tre obiettivi primari: espandere la copertura wireless alle aree rurali e remote sottoservite, fornire un backup resiliente per le comunicazioni di emergenza durante i disastri naturali e alleggerire il traffico dagli ambienti urbani altamente congestionati dove l'infrastruttura terrestre è spinta ai suoi limiti.

Secondo il team di ricerca, guidato da Francesco Rossato, Mattia Figaro e Alessandro Traspadini dell'Università di Padova, i satelliti LEO sono particolarmente interessanti per queste reti. Operando ad altitudini comprese tra 500 e 2.000 chilometri, le costellazioni LEO offrono una latenza significativamente inferiore rispetto ai tradizionali satelliti geostazionari (GEO), che si trovano molto più in alto, a 35.786 chilometri. Questa vicinanza consente l'erogazione di internet a velocità a banda larga e supporta un'ampia gamma di applicazioni moderne, dalla navigazione dei veicoli autonomi al monitoraggio ambientale e alla gestione delle smart grid. Lo studio sottolinea che, sebbene i satelliti LEO forniscano una connettività ad ampia area, il loro rapido movimento orbitale introduce una serie unica di complessità tecniche che il 5G terrestre non era stato originariamente progettato per gestire.

Ostacoli tecnici nella progettazione del protocollo full-stack

La transizione dalle torri a terra alle stazioni base spaziali richiede un ripensamento fondamentale del design del protocollo "full-stack", che spazia dallo strato fisico (PHY) allo strato di trasporto. Uno degli ostacoli più significativi identificati dai ricercatori è la perdita di percorso (path loss). I segnali che viaggiano attraverso l'atmosfera sono soggetti a una severa attenuazione causata da pioggia, nuvole e scintillazione ionosferica. Inoltre, poiché i satelliti si muovono a velocità immense rispetto agli utenti a terra, generano significativi spostamenti Doppler — variazioni di frequenza che possono interrompere la sincronizzazione tra il dispositivo e la rete. Se questi spostamenti non vengono compensati con precisione, la connessione diventa instabile o fallisce del tutto.

Allo strato Medium Access Control (MAC), la sfida principale è rappresentata dalla distanza. Anche alla velocità della luce, il ritardo di propagazione verso un satellite è enormemente superiore al ritardo verso una vicina torre cellulare. Questo ritardo complica procedure critiche come la stima del canale, l'allocazione delle risorse e la pianificazione (scheduling). Ad esempio, le reti 5G tradizionali utilizzano un processo chiamato Hybrid Automatic Repeat reQuests (HARQ) per gestire gli errori nei dati. In un contesto terrestre, il "tempo di attesa" per una ritrasmissione è di millisecondi; in una rete satellitare, questo ritardo può bloccare l'intero flusso di dati. I ricercatori sostengono che senza modifiche sostanziali al modo in cui vengono gestite le risorse e a come vengono eseguiti gli handover tra i satelliti, la rete soffrirà di massicci colli di bottiglia e di una riduzione del throughput.

Standardizzazione 3GPP e 5G NR-NTN

Il percorso verso una rete unificata viene codificato attraverso il processo di standardizzazione 3GPP. I ricercatori descrivono dettagliatamente il percorso dalla Release 17, che ha introdotto le prime specifiche per la comunicazione diretta da satellite a telefono, verso le versioni future come la Release 20. Un presupposto chiave negli standard attuali è il modello di carico utile "trasparente", in cui il satellite agisce come un relè "bentpipe", limitandosi ad amplificare e inoltrare i segnali tra un gateway di terra e il dispositivo dell'utente. Tuttavia, con la maturazione della tecnologia, si sta spingendo verso carichi utili "rigenerativi" in cui il satellite stesso esegue l'elaborazione a bordo, agendo a tutti gli effetti come una stazione base (gNB) in orbita.

Per convalidare le loro teorie, il team di ricerca, che comprende esperti come Michele Zorzi e Marco Giordani dell'Università di Padova e Takayuki Shimizu di Toyota Motor North America, ha condotto ampie simulazioni end-to-end utilizzando il simulatore a eventi discreti ns-3. A differenza di gran parte della letteratura esistente che rimane a livello concettuale, questo studio ha fornito prove numeriche su come impostazioni specifiche influenzino le prestazioni della rete. Le loro simulazioni hanno dimostrato l'importanza critica dei periodi di guardia (GP) nel Time Division Duplexing (TDD) e hanno mostrato come i ritardi differenziali nelle grandi celle satellitari possano portare a disallineamenti temporali che degradano l'esperienza dell'utente. Questo approccio empirico è vitale per il 3GPP mentre si appresta a perfezionare gli standard per l'ecosistema 5G NR-NTN.

Risultati dettagliati: ritrasmissioni e latenza di trasporto

I risultati dei ricercatori nell'ambiente di simulazione ns-3 hanno rivelato che il numero di processi HARQ — i meccanismi che gestiscono le ritrasmissioni dei dati — deve essere aumentato significativamente per le reti satellitari. Nel 5G terrestre standard, pochi processi sono sufficienti, ma nel contesto NTN, il lungo tempo di andata e ritorno (RTT) significa che molti più processi devono essere eseguiti in parallelo per mantenere attivo il collegamento dati. Senza questo aggiustamento, il trasmettitore passa la maggior parte del tempo in attesa di conferme invece di inviare nuovi dati. Inoltre, lo studio ha evidenziato un effetto di "stallo" in cui l'incapacità dello strato MAC di tenere il passo con i lunghi ritardi costringe il Transmission Control Protocol (TCP) di livello superiore a ridurre drasticamente la sua velocità di trasmissione, paralizzando ulteriormente la velocità di connessione.

Il team ha anche studiato l'impatto delle grandi dimensioni delle celle. Un singolo raggio satellitare può coprire centinaia di chilometri quadrati, portando a un "ritardo differenziale", dove gli utenti al centro del raggio sperimentano tempi di propagazione diversi rispetto a quelli al bordo. I risultati della simulazione hanno suggerito che la rete deve implementare sofisticati meccanismi di anticipo temporale (timing advance) per garantire che i segnali provenienti da utenti diversi non entrino in collisione quando arrivano al satellite. Questi risultati sottolineano la necessità di uno stack di protocolli "satellite-aware" in grado di adattarsi dinamicamente alla dinamica orbitale e alle vaste distanze coinvolte nella comunicazione non terrestre.

Implicazioni commerciali: Starlink e il passaggio al 5G standardizzato

Il panorama commerciale delle NTN è attualmente dominato dai principali fornitori di servizi satellitari come Starlink di SpaceX, che ha già iniziato a distribuire la tecnologia "direct-to-cell". Tuttavia, molti servizi satellitari attuali si basano su hardware e software proprietari. La ricerca di Rossato et al. suggerisce un importante cambiamento nel settore: il passaggio da questi sistemi chiusi e proprietari all'hardware 5G standardizzato. Questo cambiamento consentirebbe ai normali smartphone dei consumatori di connettersi ai satelliti senza richiedere antenne o chip specializzati, uno sviluppo che renderebbe la connettività satellitare un bene di consumo e la integrerebbe nei piani tariffari cellulari standard.

Le implicazioni di ciò sono profonde, non solo per il 5G ma per l'imminente era del 6G. Stabilendo ora una base NTN standardizzata, l'industria sta preparando il terreno per una architettura di rete veramente 3D in cui torri terrestri, droni e satelliti lavorano in una maglia coordinata. I principali attori del settore automobilistico come Toyota, coinvolti in questa ricerca, sono particolarmente interessati a questo per la sicurezza dei veicoli connessi. Un'auto che attraversa un passo di montagna remoto dovrebbe, in teoria, passare da un segnale terrestre perso a un segnale satellitare in modo così fluido che una mappa di navigazione ad alta definizione o una chiamata di emergenza rimangano ininterrotte.

Prossimi passi: il futuro della connettività globale

Guardando al futuro, il team di ricerca indica diverse "questioni aperte" che definiranno il prossimo decennio delle telecomunicazioni. Le future attività di standardizzazione dovranno affrontare scenari di routing più complessi, specialmente per i collegamenti inter-satellitari (ISL), dove i dati vengono saltati da un satellite all'altro nello spazio prima di essere inviati a una stazione di terra. Inoltre, l'integrazione dell'intelligenza artificiale (IA) e dell'apprendimento automatico (ML) nello stack dei protocolli potrebbe consentire una gestione predittiva dell'handover, anticipando quando un utente perderà la linea di vista con un satellite e commutando proattivamente la connessione a quello successivo nella costellazione.

La tabella di marcia per l'adozione di massa sta accelerando. Con il lavoro fondamentale tracciato nelle Release 17 e 18 del 3GPP e i rigorosi dati di simulazione forniti da partnership accademico-industriali come quella tra l'Università di Padova e Toyota, il passaggio da "Nessun segnale" a "Sempre connesso" non è più una questione di se, ma di quando. Come suggerisce il documento (attualmente sottoposto a IEEE per la pubblicazione), l'evoluzione del 5G NR-NTN non è solo un aggiornamento incrementale della tecnologia cellulare, ma un'espansione radicale dei confini di internet stesso, trasformando il cielo nel prossimo grande strato dell'infrastruttura digitale globale.

• Autori principali: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (Università di Padova); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Supporto istituzionale: Università di Padova, Italia; Toyota Motor North America Inc., USA; Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) dell'Unione Europea.
• Metodologia chiave: Simulazioni a livello di sistema end-to-end utilizzando il simulatore a eventi discreti ns-3.
• Stato della pubblicazione: Inviato a IEEE per la pubblicazione (arXiv:2601.14883v1).