Non-Terrestrial Networks:
Planning and IntegrationReti Non Terrestri:
Pianificazione e Integrazione
Non-Terrestrial Networks (NTN) extend 5G connectivity beyond the reach of ground-based infrastructure, using satellites, High-Altitude Platform Stations (HAPS), and Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as airborne base stations. 3GPP formalized NTN integration into the 5G NR standard with Release 17, creating a unified radio interface that spans from LEO orbit to maritime vessels on the ocean's surface.
Le Reti Non Terrestri (NTN) estendono la connettività 5G oltre la portata delle infrastrutture terrestri, utilizzando satelliti, Stazioni di Piattaforma ad Alta Quota (HAPS) e Veicoli Aerei Senza Pilota (UAV) come stazioni base aeree. Il 3GPP ha formalizzato l'integrazione NTN nello standard 5G NR con la Release 17, creando un'interfaccia radio unificata che si estende dall'orbita LEO alle navi marittime sulla superficie degli oceani.
What Are Non-Terrestrial Networks?Cosa Sono le Reti Non Terrestri?
An NTN is any radio access network that uses an airborne or spaceborne platform as the radio node. The platforms range enormously in altitude, coverage footprint, and propagation characteristics — from LEO satellites at 550–2,000 km altitude to HAPS at 20 km to UAVs at a few hundred meters. What they share is the ability to provide coverage where terrestrial infrastructure is economically or physically impractical: remote rural areas, oceans, polar regions, and disaster zones.
Una NTN è qualsiasi rete di accesso radio che utilizza una piattaforma aerea o spaziale come nodo radio. Le piattaforme variano enormemente in quota, impronta di copertura e caratteristiche di propagazione — dai satelliti LEO a 550–2.000 km di quota alle HAPS a 20 km fino agli UAV a poche centinaia di metri. Ciò che condividono è la capacità di fornire copertura dove l'infrastruttura terrestre è economicamente o fisicamente impraticabile: aree rurali remote, oceani, regioni polari e zone di disastro.
The three NTN orbital regimes — LEO, MEO, and GEO — differ fundamentally in coverage area, latency, and link budget characteristics.I tre regimi orbitali NTN — LEO, MEO e GEO — differiscono sostanzialmente per area di copertura, latenza e caratteristiche del link budget.
LEO (Low Earth Orbit) — 550 to 2,000 kmLEO (Orbita Bassa Terrestre) — da 550 a 2.000 km
LEO satellites are the primary NTN platform for broadband internet (Starlink, OneWeb, Amazon Kuiper) and for 3GPP NTN integration. Their relatively low altitude produces lower free-space path loss (roughly 148–168 dB at 2 GHz vs 190+ dB for GEO), enabling direct-to-device connectivity with unmodified smartphones. The trade-off is that a single LEO satellite has a ground-track velocity of ~7.5 km/s, meaning it sweeps across the sky in 8–12 minutes and produces Doppler shifts up to ±48 kHz at L-band. Large constellations (hundreds to thousands of satellites) provide continuous coverage by ensuring a satellite is always above the minimum elevation angle.
I satelliti LEO sono la principale piattaforma NTN per internet a banda larga (Starlink, OneWeb, Amazon Kuiper) e per l'integrazione 3GPP NTN. La loro quota relativamente bassa produce una perdita di percorso in spazio libero inferiore (circa 148–168 dB a 2 GHz rispetto a oltre 190 dB per il GEO), abilitando la connettività diretta al dispositivo con smartphone non modificati. Il compromesso è che un singolo satellite LEO ha una velocità di traccia a terra di ~7,5 km/s, il che significa che attraversa il cielo in 8–12 minuti e produce spostamenti Doppler fino a ±48 kHz in banda L. Costellazioni ampie (da centinaia a migliaia di satelliti) forniscono copertura continua garantendo che un satellite sia sempre sopra l'angolo di elevazione minimo.
MEO (Medium Earth Orbit) — 2,000 to 35,000 kmMEO (Orbita Terrestre Media) — da 2.000 a 35.000 km
MEO satellites (GPS, Galileo, O3b mPOWER) occupy the middle ground: each satellite covers a larger footprint than LEO (reducing constellation size), while propagation delay (30–150 ms one-way) remains acceptable for interactive broadband — unlike GEO. O3b mPOWER targets maritime and enterprise connectivity with steerable spot beams that track vessels.
I satelliti MEO (GPS, Galileo, O3b mPOWER) occupano la via di mezzo: ogni satellite copre un'impronta maggiore rispetto al LEO (riducendo le dimensioni della costellazione), mentre il ritardo di propagazione (30–150 ms in un senso) rimane accettabile per la banda larga interattiva — a differenza del GEO. O3b mPOWER si rivolge alla connettività marittima e aziendale con beam spot direzionabili che tracciano le navi.
GEO (Geostationary Earth Orbit) — 35,786 kmGEO (Orbita Geostazionaria) — 35.786 km
GEO satellites appear stationary from the ground, which simplifies antenna pointing and eliminates Doppler shift. But their 35,786 km altitude produces ~270 ms one-way propagation delay — incompatible with real-time voice and gaming without TCP protocol adaptation. GEO remains dominant for broadcast (DVB-S2) and for backhaul links where latency is tolerable.
I satelliti GEO appaiono fermi dal suolo, il che semplifica il puntamento dell'antenna ed elimina lo spostamento Doppler. Ma la loro quota di 35.786 km produce un ritardo di propagazione in un senso di ~270 ms — incompatibile con la voce in tempo reale e il gaming senza adattamento del protocollo TCP. Il GEO rimane dominante per la diffusione (DVB-S2) e per i link di backhaul dove la latenza è tollerabile.
3GPP NTN Standards: Rel-17 and BeyondStandard 3GPP NTN: Rel-17 e Successivi
3GPP Release 17 (frozen March 2022) introduced the first complete NTN specification set into 5G NR. The key changes relative to terrestrial 5G:
3GPP Release 17 (congelata a marzo 2022) ha introdotto il primo set completo di specifiche NTN nel 5G NR. Le principali modifiche rispetto al 5G terrestre:
Extended Timing AdvanceTiming Advance Esteso
The TA (Timing Advance) range in NR was expanded to accommodate the round-trip propagation delay of NTN links — up to 622 ms for GEO. Without this, uplink transmissions from UEs at different distances would collide at the satellite receiver.Il range del TA (Timing Advance) in NR è stato ampliato per accogliere il ritardo di propagazione andata-ritorno dei link NTN — fino a 622 ms per il GEO. Senza questo, le trasmissioni uplink da UE a distanze diverse colliderebbero al ricevitore del satellite.
Doppler Pre-compensationPre-compensazione Doppler
The UE (or the satellite gateway) applies a frequency pre-correction based on ephemeris data to cancel the Doppler shift caused by satellite motion. This keeps the signal within the UE's frequency tracking range.L'UE (o il gateway satellitare) applica una pre-correzione di frequenza basata sui dati di effemeridi per annullare lo spostamento Doppler causato dal moto del satellite. Questo mantiene il segnale entro il range di tracciamento della frequenza dell'UE.
HARQ DisablingDisabilitazione HARQ
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) operates on 8 ms round-trip time assumptions in terrestrial networks. For NTN, HARQ round-trip can exceed 600 ms for GEO, making traditional HARQ retransmission impractical. Rel-17 allows HARQ disabling with CRC-only error detection.L'HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) opera su assunzioni di round-trip time di 8 ms nelle reti terrestri. Per NTN, il round-trip HARQ può superare 600 ms per il GEO, rendendo impraticabile la ritrasmissione HARQ tradizionale. La Rel-17 consente la disabilitazione dell'HARQ con rilevamento degli errori solo tramite CRC.
Conditional HandoverHandover Condizionale
LEO satellite handovers happen frequently and are predictable (ephemeris-driven). Conditional handover (CHO) allows the UE to execute the handover autonomously when the trigger condition (elevation angle drop) is met, without round-trip signaling to the core.Gli handover dei satelliti LEO avvengono frequentemente e sono prevedibili (guidati dalle effemeridi). L'handover condizionale (CHO) consente all'UE di eseguire l'handover autonomamente quando la condizione di trigger (calo dell'angolo di elevazione) è soddisfatta, senza segnalazione andata-ritorno al core.
Release 18 and 19 extend NTN support to IoT (NTN-NB-IoT, NTN-eMTC), air-to-ground connectivity for aviation, and improved beam management for regenerative (on-board processing) payloads.
Release 18 e 19 estendono il supporto NTN all'IoT (NTN-NB-IoT, NTN-eMTC), alla connettività aria-terra per l'aviazione e alla gestione migliorata del beam per payload rigenerativi (con elaborazione a bordo).
Technical Challenges in NTNSfide Tecniche nelle NTN
Propagation DelayRitardo di Propagazione
One-way propagation delay for LEO (at 600 km altitude, 30° elevation) is approximately 4 ms — comparable to a distant terrestrial cell. GEO one-way delay is 238–270 ms depending on elevation angle. For applications that use TCP, GEO delay without protocol optimization (TCP SACK, large window scaling) results in severe throughput degradation due to the slow-start and congestion-avoidance algorithms assuming low RTT.
Il ritardo di propagazione in un senso per il LEO (a 600 km di quota, 30° di elevazione) è di circa 4 ms — paragonabile a una cella terrestre distante. Il ritardo in un senso del GEO è di 238–270 ms a seconda dell'angolo di elevazione. Per le applicazioni che usano TCP, il ritardo GEO senza ottimizzazione del protocollo (TCP SACK, large window scaling) comporta una grave degradazione del throughput a causa degli algoritmi di slow-start e congestion-avoidance che assumono un RTT basso.
Doppler Shift and Frequency UncertaintySpostamento Doppler e Incertezza di Frequenza
A LEO satellite moving at 7.5 km/s produces a Doppler shift of up to f_d = f_c × v/c — at 2 GHz, this is approximately ±50 kHz. For a 15 kHz subcarrier spacing (5G NR), this Doppler exceeds one full subcarrier width and would cause severe inter-carrier interference without correction. Pre-compensation based on satellite ephemeris data reduces residual Doppler to within ±200 Hz — manageable by the UE's standard AFC (Automatic Frequency Control).
Un satellite LEO che si muove a 7,5 km/s produce uno spostamento Doppler fino a f_d = f_c × v/c — a 2 GHz, questo è circa ±50 kHz. Per una spaziatura di sottoportante di 15 kHz (5G NR), questo Doppler supera la larghezza di una sottoportante intera e causerebbe grave interferenza inter-portante senza correzione. La pre-compensazione basata sui dati di effemeridi del satellite riduce il Doppler residuo entro ±200 Hz — gestibile dall'AFC (Automatic Frequency Control) standard dell'UE.
Link Budget ConstraintsVincoli del Link Budget
Satellite link budgets are fundamentally constrained by the UE's antenna gain and transmit power. A smartphone has 0 dBi antenna gain and 23 dBm maximum transmit power. Closing a link from a smartphone to a LEO satellite at 600 km altitude requires a satellite receiver with G/T (Gain-to-Temperature ratio) above +25 dB/K — demanding large phased-array antennas on the satellite. This is why direct-to-device satellite (D2D) at broadband speeds required a new generation of large LEO satellites.
I link budget satellitari sono fondamentalmente vincolati dal guadagno d'antenna e dalla potenza di trasmissione dell'UE. Uno smartphone ha un guadagno d'antenna di 0 dBi e una potenza di trasmissione massima di 23 dBm. Chiudere un link da uno smartphone a un satellite LEO a 600 km di quota richiede un ricevitore satellitare con G/T (rapporto Guadagno-Temperatura) superiore a +25 dB/K — richiedendo grandi antenne a schiera di fase sul satellite. Ecco perché la connettività satellite diretta al dispositivo (D2D) a velocità di banda larga ha richiesto una nuova generazione di grandi satelliti LEO.
NTN Link Budget AnalysisAnalisi del Link Budget NTN
NTN link budget analysis follows the same fundamental structure as terrestrial link budgets — transmit EIRP minus path loss minus implementation losses must exceed the receiver sensitivity plus a link margin — but the magnitudes are very different. Free-space path loss at 600 km altitude and 2 GHz is approximately 161 dB. Atmospheric absorption, rain fade, and ionospheric scintillation add a further 1–5 dB depending on elevation angle and weather.
L'analisi del link budget NTN segue la stessa struttura fondamentale dei link budget terrestri — EIRP trasmessa meno perdita di percorso meno perdite di implementazione deve superare la sensibilità del ricevitore più un margine di link — ma le grandezze sono molto diverse. La perdita di percorso in spazio libero a 600 km di quota e 2 GHz è di circa 161 dB. L'assorbimento atmosferico, la pioggia attenuante e la scintillazione ionosferica aggiungono ulteriori 1–5 dB a seconda dell'angolo di elevazione e delle condizioni meteorologiche.
A 5G NR downlink link budget for a LEO satellite at 600 km altitude. Achievable link margin determines the maximum supported MCS.Un link budget downlink 5G NR per un satellite LEO a 600 km di quota. Il margine di link raggiungibile determina la MCS massima supportata.
The satellite EIRP — determined by transmit power and antenna gain — is the primary design variable. Phased-array antennas on modern LEO satellites achieve 40–55 dBW EIRP per beam, enabling multiple simultaneous spot beams that reuse frequency across the coverage footprint. Frequency reuse planning for NTN constellations follows the same co-channel interference principles as terrestrial cellular, but with the added complexity that beam footprints move continuously across the ground.
L'EIRP del satellite — determinata dalla potenza di trasmissione e dal guadagno d'antenna — è la variabile di progetto principale. Le antenne a schiera di fase sui moderni satelliti LEO raggiungono 40–55 dBW di EIRP per beam, abilitando più spot beam simultanei che riutilizzano la frequenza sull'impronta di copertura. La pianificazione del riutilizzo delle frequenze per le costellazioni NTN segue gli stessi principi di interferenza co-canale del cellulare terrestre, ma con la complessità aggiuntiva che le impronte dei beam si spostano continuamente sul suolo.
NTN Use CasesCasi d'Uso NTN
Rural and Remote CoverageCopertura Rurale e Remota
NTN is the only economically viable way to extend broadband connectivity to geographies where terrestrial infrastructure density cannot support the required capex return. LEO constellations enable gigabit-class broadband in areas where the alternative is VSAT at 20 Mbps.Le NTN sono l'unico modo economicamente praticabile per estendere la connettività a banda larga in aree geografiche dove la densità dell'infrastruttura terrestre non può supportare il ritorno di capex richiesto. Le costellazioni LEO abilitano la banda larga di classe gigabit in aree dove l'alternativa è il VSAT a 20 Mbps.
Maritime ConnectivityConnettività Marittima
The global maritime market — commercial shipping, fishing fleets, passenger ferries — requires continuous broadband connectivity across oceans where terrestrial cells end at the coastline. MEO and LEO satellites provide the only option beyond L-band MSS (Mobile Satellite Service).Il mercato marittimo globale — trasporto commerciale, flotte da pesca, traghetti passeggeri — richiede connettività a banda larga continua attraverso gli oceani dove le celle terrestri terminano alla linea costiera. I satelliti MEO e LEO forniscono l'unica opzione oltre al servizio mobile satellitare (MSS) in banda L.
Aviation BroadbandBanda Larga Aeronautica
Aeronautical connectivity for commercial airlines uses GEO Ku/Ka-band today, with LEO networks (Starlink Aviation, OneWeb) rapidly gaining share for lower-latency, higher-throughput passenger connectivity.La connettività aeronautica per le compagnie aeree commerciali utilizza oggi la banda GEO Ku/Ka, con le reti LEO (Starlink Aviation, OneWeb) che stanno rapidamente guadagnando quote per una connettività passeggeri a latenza inferiore e throughput maggiore.
Global IoT CoverageCopertura IoT Globale
NB-IoT over NTN (standardized in 3GPP Rel-17) enables asset tracking, precision agriculture sensors, and environmental monitoring anywhere on Earth — using the same SIM and protocol stack as terrestrial NB-IoT, with no application-layer changes required.NB-IoT su NTN (standardizzato nel 3GPP Rel-17) abilita il tracciamento degli asset, i sensori per l'agricoltura di precisione e il monitoraggio ambientale ovunque sulla Terra — usando lo stesso SIM e stack protocollare del NB-IoT terrestre, senza modifiche al livello applicativo.
Emergency and Disaster ResponseRisposta alle Emergenze e ai Disastri
When terrestrial infrastructure is damaged or overloaded, NTN provides immediate backup connectivity. Direct-to-device (D2D) satellite SMS (Apple Emergency SOS, T-Mobile/Starlink) enables distress messaging from standard smartphones without any accessory.Quando l'infrastruttura terrestre è danneggiata o sovraccarica, le NTN forniscono connettività di backup immediata. Il satellite SMS diretto al dispositivo (D2D) (Apple Emergency SOS, T-Mobile/Starlink) abilita i messaggi di soccorso da smartphone standard senza accessori aggiuntivi.
Backhaul for Remote SitesBackhaul per Siti Remoti
NTN provides backhaul for terrestrial small cells in locations where fiber and microwave are impractical — oil platforms, remote mines, and research stations. LEO reduces backhaul latency by 10× compared to GEO VSAT.Le NTN forniscono backhaul per le small cell terrestri in luoghi dove la fibra e il microonde sono impraticabili — piattaforme petrolifere, miniere remote e stazioni di ricerca. Il LEO riduce la latenza del backhaul di 10 volte rispetto al VSAT GEO.
Hybrid NTN-Terrestrial PlanningPianificazione Ibrida NTN-Terrestre
The most effective coverage architectures combine terrestrial macro/small cells for high-capacity urban areas with NTN for coverage-only rural, maritime, and in-flight use. Planning a hybrid network requires simultaneous optimization of: the terrestrial layer's geographic extent (where to stop deploying macros), the NTN layer's coverage mask (minimum elevation angle, beam footprint), and the handover boundary between the two layers.
Geospatial tools are essential for hybrid planning because the decision boundary is fundamentally geographic: population density, terrain, road network connectivity, and regulatory spectrum assignments all vary by location. Overlaying NTN beam footprints (which depend on satellite orbital position and antenna steering angle) against terrestrial coverage predictions on a unified map is the only practical way to identify the optimal handover zones.
Le architetture di copertura più efficaci combinano macro/small cell terrestri per le aree urbane ad alta capacità con NTN per uso rurale, marittimo e in volo con sola copertura. La pianificazione di una rete ibrida richiede l'ottimizzazione simultanea di: l'estensione geografica del layer terrestre (dove smettere di installare macro), la maschera di copertura del layer NTN (angolo di elevazione minimo, impronta del beam) e il confine di handover tra i due layer.
Gli strumenti geospaziali sono essenziali per la pianificazione ibrida perché il confine decisionale è fondamentalmente geografico: densità di popolazione, terreno, connettività della rete stradale e assegnazioni regolamentari dello spettro variano tutte per posizione. Sovrapporre le impronte dei beam NTN (che dipendono dalla posizione orbitale del satellite e dall'angolo di sterzatura dell'antenna) alle previsioni di copertura terrestre su una mappa unificata è l'unico modo pratico per identificare le zone di handover ottimali.
How NEXT GIS Supports NTN PlanningCome NEXT GIS Supporta la Pianificazione NTN
NEXT GIS provides the geospatial foundation for hybrid NTN-terrestrial planning. Operators import satellite beam footprint polygons (derived from ephemeris data and antenna model) as map layers, then overlay them against Cell Planner terrestrial coverage predictions to identify geographic gaps and handover zones. Link budget analysis for NTN links is supported through the Cell Planner's configurable propagation model parameters, which accommodate the free-space + atmospheric loss model appropriate for space-to-ground links.
NEXT GIS fornisce le fondamenta geospaziali per la pianificazione ibrida NTN-terrestre. Gli operatori importano i poligoni dell'impronta del beam satellitare (derivati dai dati di effemeridi e dal modello d'antenna) come layer cartografici, poi li sovrappongono alle previsioni di copertura terrestre del Cell Planner per identificare le lacune geografiche e le zone di handover. L'analisi del link budget per i link NTN è supportata attraverso i parametri del modello di propagazione configurabili del Cell Planner, che accolgono il modello di perdita spazio libero + atmosferica appropriato per i link spazio-terra.