Superando a Lacuna de Conectividade: A Evolução Técnica das Redes Não Terrestres 5G

O desafio de longa data da cobertura sem fio universal está se aproximando de uma solução, à medida que engenheiros trabalham para integrar constelações de satélites diretamente ao ecossistema 5G. Ao ir além das torres terrestres para uma Rede Não-Terrestre (NTN) unificada, a indústria de telecomunicações visa eliminar as "zonas mortas" até mesmo nas regiões mais remotas do planeta. Um estudo abrangente intitulado "5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design", de autoria de uma equipe de pesquisadores da University of Padova e da Toyota Motor North America, descreve as mudanças arquitetônicas críticas necessárias para tornar essa visão uma realidade. À medida que as redes de 5ª geração (5G) continuam a evoluir, a pesquisa destaca que a integração de Redes Terrestres (TNs) e NTNs representa a próxima grande fronteira na conectividade global, prometendo uma transição contínua entre torres de celular e satélites em órbita.

A Ascensão das Redes Não-Terrestres (NTN)

O conceito de Redes Não-Terrestres abrange uma gama diversificada de plataformas situadas acima da superfície da Terra, incluindo satélites de Órbita Terrestre Baixa (LEO), Plataformas de Alta Altitude (HAPs), como balões ou dirigíveis na estratosfera, e Veículos Aéreos Não Tripulados (UAVs). Embora a internet via satélite tradicional exista há décadas, ela era em grande parte uma tecnologia proprietária e isolada. A evolução atual, liderada pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP), busca padronizar essas plataformas dentro da estrutura 5G New Radio (NR). Essa integração foi projetada para atender a três objetivos principais: expandir a cobertura sem fio para áreas rurais e remotas carentes, fornecer backup resiliente para comunicações de emergência durante desastres naturais e aliviar o tráfego de ambientes urbanos altamente congestionados, onde a infraestrutura terrestre é levada ao seu limite.

De acordo com a equipe de pesquisa, liderada por Francesco Rossato, Mattia Figaro e Alessandro Traspadini da University of Padova, os satélites LEO são particularmente atraentes para essas redes. Operando em altitudes entre 500 e 2.000 quilômetros, as constelações LEO oferecem uma latência significativamente menor do que os satélites Geoestacionários (GEO) tradicionais, que estão situados muito mais alto, a 35.786 quilômetros. Essa proximidade permite a entrega de internet com velocidade de banda larga e suporta uma ampla gama de aplicações modernas, desde a navegação de veículos autônomos até o monitoramento ambiental e o gerenciamento de redes inteligentes (smart grids). O estudo enfatiza que, embora os satélites LEO forneçam conectividade de área ampla, seu rápido movimento orbital introduz um conjunto único de complexidades técnicas que o 5G terrestre nunca foi originalmente projetado para lidar.

Obstáculos Técnicos no Design de Protocolos Full-Stack

A transição de torres terrestres para estações rádio base espaciais exige uma reformulação fundamental do design de protocolos de "pilha completa" (full-stack), abrangendo desde a camada Física (PHY) até a camada de Transporte. Um dos obstáculos mais significativos identificados pelos pesquisadores é a perda de percurso (path loss). Os sinais que viajam pela atmosfera estão sujeitos a uma atenuação severa causada por chuva, nuvens e cintilação ionosférica. Além disso, como os satélites se movem a velocidades imensas em relação aos usuários no solo, eles geram desvios Doppler significativos — mudanças de frequência que podem interromper a sincronização entre o dispositivo e a rede. Se esses desvios não forem compensados com precisão, a conexão torna-se instável ou falha inteiramente.

Na camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC), o principal desafio é a enorme distância. Mesmo na velocidade da luz, o atraso de propagação para um satélite é vastamente maior do que o atraso para uma torre de celular próxima. Esse atraso complica procedimentos críticos como estimativa de canal, alocação de recursos e escalonamento. Por exemplo, as redes 5G tradicionais usam um processo chamado Hybrid Automatic Repeat reQuests (HARQ) para lidar com erros de dados. Em um cenário terrestre, o "tempo de espera" para uma retransmissão é de milissegundos; em uma rede de satélite, esse atraso pode paralisar todo o fluxo de dados. Os pesquisadores argumentam que, sem modificações substanciais na forma como os recursos são gerenciados e como os handovers entre satélites são realizados, a rede sofrerá com gargalos massivos e redução no throughput.

Padronização 3GPP e 5G NR-NTN

O caminho em direção a uma rede unificada está sendo codificado por meio do processo de padronização do 3GPP. Os pesquisadores detalham a jornada desde o Release 17, que introduziu as primeiras especificações para comunicação direta de satélite para telefone, em direção a lançamentos futuros, como o Release 20. Uma premissa fundamental nos padrões atuais é o modelo de carga útil "transparente", onde o satélite atua como um repetidor "bentpipe", simplesmente amplificando e encaminhando sinais entre um gateway terrestre e o dispositivo do usuário. No entanto, à medida que a tecnologia amadurece, há um impulso em direção a cargas úteis "regenerativas", onde o próprio satélite realiza o processamento a bordo, atuando efetivamente como uma estação rádio base (gNB) em órbita.

Para validar suas teorias, a equipe de pesquisa, que inclui especialistas como Michele Zorzi e Marco Giordani da University of Padova e Takayuki Shimizu da Toyota Motor North America, realizou extensas simulações de ponta a ponta usando o simulador de eventos discretos ns-3. Ao contrário de grande parte da literatura existente, que permanece conceitual, este estudo forneceu evidências numéricas sobre como configurações específicas impactam o desempenho da rede. Suas simulações demonstraram a importância crítica dos Períodos de Guarda (GPs) em Duplexação por Divisão de Tempo (TDD) e mostraram como atrasos diferenciais em grandes células de satélite podem levar a desalinhamentos de temporização que degradam a experiência do usuário. Essa abordagem empírica é vital para o 3GPP à medida que ele avança para refinar os padrões para o ecossistema 5G NR-NTN.

Descobertas Detalhadas: Retransmissões e Latência de Transporte

As descobertas dos pesquisadores no ambiente de simulação ns-3 revelaram que o número de processos HARQ — os mecanismos que gerenciam as retransmissões de dados — deve ser significativamente aumentado para redes de satélite. No 5G terrestre padrão, alguns processos são suficientes, mas no contexto de NTN, o longo tempo de ida e volta (RTT) significa que muitos outros processos devem ser executados em paralelo para manter o link de dados ativo. Sem esse ajuste, o transmissor gasta a maior parte do tempo esperando por confirmações em vez de enviar novos dados. Além disso, o estudo destacou um efeito de "estancamento" (stalling), onde a incapacidade da camada MAC de acompanhar os longos atrasos faz com que o Protocolo de Controle de Transmissão (TCP) de nível superior reduza drasticamente sua taxa de transmissão, prejudicando ainda mais a velocidade da conexão.

A equipe também investigou o impacto de células de grandes dimensões. Um único feixe de satélite pode cobrir centenas de quilômetros quadrados, levando ao "atraso diferencial", onde usuários no centro do feixe experimentam tempos de propagação diferentes daqueles na borda. Os resultados da simulação sugeriram que a rede deve implementar mecanismos sofisticados de avanço de temporização (timing advance) para garantir que os sinais de diferentes usuários não colidam quando chegarem ao satélite. Essas descobertas ressaltam a necessidade de uma pilha de protocolos "consciente do satélite" que possa se ajustar dinamicamente à dinâmica orbital e às vastas distâncias envolvidas na comunicação não-terrestre.

Implicações Comerciais: Starlink e a Mudança para o 5G Padronizado

O cenário comercial para NTNs é atualmente dominado por grandes provedores de satélite como a Starlink da SpaceX, que já começou a implantar a tecnologia "direct-to-cell". No entanto, muitos serviços de satélite atuais dependem de hardware e software proprietários. A pesquisa de Rossato et al. sugere uma grande mudança na indústria: passar desses sistemas fechados e proprietários para hardware 5G padronizado. Essa mudança permitiria que smartphones comuns de consumidores se conectassem a satélites sem exigir antenas ou chips especializados, um desenvolvimento que tornaria a conectividade via satélite uma commodity e a integraria aos planos de celular padrão.

As implicações disso são profundas, não apenas para o 5G, mas para a futura era 6G. Ao estabelecer uma base de NTN padronizada agora, a indústria está preparando o terreno para uma arquitetura de rede verdadeiramente 3D, onde torres terrestres, drones e satélites trabalham em uma malha (mesh) coordenada. Grandes players automotivos como a Toyota, envolvidos nesta pesquisa, estão particularmente interessados nisso para a segurança de veículos conectados. Um carro movendo-se por uma passagem de montanha remota deve, em teoria, alternar de um sinal terrestre perdido para um sinal de satélite de forma tão contínua que um mapa de navegação de alta definição ou uma chamada de emergência permaneçam ininterruptos.

O Que Vem a Seguir: O Futuro da Conectividade Global

Olhando para o futuro, a equipe de pesquisa aponta para várias "questões abertas" que definirão a próxima década das telecomunicações. As futuras atividades de padronização devem abordar cenários de roteamento mais complexos, especialmente para Enlaces Inter-Satélite (ISL), onde os dados saltam de um satélite para outro no espaço antes de serem enviados para uma estação terrestre. Além disso, a integração de Inteligência Artificial (IA) e Aprendizado de Máquina (ML) na pilha de protocolos poderia permitir o gerenciamento preditivo de handover, antecipando quando um usuário perderá a linha de visada com um satélite e alternando proativamente a conexão para o próximo na constelação.

O cronograma para a adoção em massa está se acelerando. Com o trabalho fundamental estabelecido nos Releases 17 e 18 do 3GPP, e os rigorosos dados de simulação fornecidos por parcerias acadêmico-industriais como a entre a University of Padova e a Toyota, a transição de "Sem Sinal" para "Sempre Conectado" não é mais uma questão de se, mas de quando. Como sugere o artigo (atualmente submetido à IEEE para publicação), a evolução do 5G NR-NTN não é meramente uma atualização incremental da tecnologia celular, mas uma expansão radical dos limites da própria internet, transformando o céu na próxima grande camada da infraestrutura digital global.

• Autores Principais: Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (University of Padova); Takayuki Shimizu (Toyota Motor North America).
• Apoio Institucional: University of Padova, Itália; Toyota Motor North America Inc., EUA; Plano Nacional de Recuperação e Resiliência (NRRP) da União Europeia.
• Metodologia Chave: Simulações de nível de sistema de ponta a ponta usando o simulador de eventos discretos ns-3.
• Status da Publicação: Submetido à IEEE para publicação (arXiv:2601.14883v1).