【最先端】5Gと衛星移動通信システムの統合解析

導入

モバイルインターネットの急速な発展とスマート端末機器の普及・応用に伴い、モバイル通信の速度に対する要求はますます高まっています。第5世代移動通信システム（5G）は、10Gbpsから20Gbpsのピークレートと100Mbpsから1Gbpsのユーザー体験レートを提供することで、より多様なビジネスニーズに対応することを目指しています。5Gは、無線通信サービスの容量が大きく、サービスの種類が豊富で、高速であるため、人口密度の高い地域で広く利用できます。しかし、人口密度の低い地域や地上ネットワークの敷設が困難な地域では、その利点を十分に活用することは難しいです。地上移動通信ネットワークと比較すると、衛星通信システムは、広範囲なカバレッジ、大容量の通信、地形の影響が小さい、柔軟性が高い、多様なサービスへの適応性など、主に比類のない利点を持っています。したがって、衛星は人口密度の低い地域や地上ネットワークの敷設が困難な地域をカバーするために利用でき、地上ネットワークをうまく補完することで、真のグローバルカバレッジを実現し、世界中のユーザーに差別化のない通信サービスを提供することができる。

実際、衛星通信の利用は、地上セルラー無線通信の構築に先行していた。世界初の商用通信衛星システムは、1965年に国際衛星通信機構（INTERSAT）によって打ち上げられ、運用されたアーリーバードであった。衛星システムは、世界で最初の世代の携帯電話無線通信システムが構築され始めた1980年代に登場した。近年、国際的に運用されている衛星通信システムには、静止軌道上のインマルサット、スラヤ、ビアサットなどだけでなく、低軌道上のイリジウム、グローバルスター、オーブコムなども含まれる。特に2015年以降、OneWebやStarlinkといった低軌道インターネット通信衛星群の構築が国際的に急増し、国際的なホットスポットで大きな注目を集めている。衛星通信システムと地上無線通信システムの統合および構築は、国際的に深く実証されている開発方向として、再び注目を集めている。

01衛星と5Gの統合に関する研究状況

21世紀初頭、通信事業者は衛星・地上ハイブリッド通信ネットワークの構築認可を取得することで、衛星通信を主流市場に導入しました。衛星通信ネットワークを拡張するために、通信事業者は地上補助コンポーネント（ATC）または地上補助コンポーネント（CGC）を追加しました。ATCとは、衛星移動通信に使用される地上補助基地局のことです。衛星と多数のATC基地局を組み合わせることで広範囲にわたるシームレスなカバレッジを実現し、衛星通信の課題解決に役立てることができます。高層ビルが立ち並ぶ都市部や屋内では電波状況が悪いという問題があるが、それにはいくつかの要因も関係している。衛星や航空交通管制基地局の周波数再利用、宇宙システムと地上システムの切り替えおよび協調制御など、複雑な問題が含まれる。

5G技術が成熟するにつれ、5Gと衛星の統合は国内外で広く注目を集めている。国際電気通信連合（ITU）や第3世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）といった標準化団体は、衛星統合型5Gシステムに関する技術実証作業に多大なエネルギーを注いでいる。

1) 国際電気通信連合（ITU）は2016年に「次世代移動通信ネットワークは、いつでもどこでもサービスにアクセスできるというユーザーのニーズを満たすべきである」と提唱し、衛星アクセス技術分野でITU-RMを実施しました。[NGAT_SAT]規格に関する研究では、下図に示すように、中継ブロードバンド伝送サービス、データバックホールおよび配信サービス、ブロードバンド移動通信サービス、ハイブリッドマルチメディアサービスなど、衛星と地上の統合に関する4つの典型的なアプリケーションシナリオを提案し、上記のアプリケーションをサポートする主要な特徴を明確にしています。また、ITUは衛星の周波数利用と5Gに関する作業も積極的に推進しており、衛星と5Gに関する一連のスペクトル共有と電磁両立性分析を実施しています。

図1は、ITUが提示する衛星・地上統合システムの4つの応用シナリオを示している。

2) 第三世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）は、2017年のリリース14規格以降、地上移動通信システムにおける衛星通信の利点を実証し始めています。2017年末に公開された技術レポートTR22.822では、3GPPワーキンググループSA1が、5Gにおける衛星アクセス利用の3つの主要な方法、すなわち、継続的サービス、ユビキタスサービス、拡張サービスを定義しました。新規および既存サービスのユースケースを検討し、要件について議論します。現在、3GPPは主に「非地上ネットワーク（NTN）」と呼ばれる研究プロジェクトに基づいて、5Gにおける衛星通信の展開シナリオと無線インターフェース設計に関する研究を実施しています。

3) 2017年6月、欧州はSaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）アライアンスを設立しました。メンバーにはBT、SES、Avanti、サリー大学、その他の欧州企業や研究機関が含まれています。このアライアンスは、5G向けの費用対効果の高いプラグアンドプレイ衛星ソリューションを提供し、衛星産業チェーンに継続的な成長市場機会を提供することを目的としています。2018年の欧州ネットワークおよび通信会議はスロベニアのリュブリャナで開催されました。会議では、VT iDi-directやSESを含むSaT5Gメンバー5社が、衛星と3GPPネットワークアーキテクチャの統合を実演しました。

図2 Sat5Gが提示する衛星5Gアプリケーションシナリオ

4) 5Gシステムが提案する1000倍の容量増加目標に対応するため、欧州連合H2020の資金提供を受けて開始されたSANSA（Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas）プログラムは、将来の大容量無線通信システム向けに優れたバックホールリンクソリューションを提供することを目指しています。SANSAプロジェクトでは、低オーバーヘッドのスマートアンテナビームフォーミング技術、衛星・地上統合無線ネットワーク向けの動的インテリジェント無線リソース管理技術、データベース支援型動的スペクトル共有技術などを提案し、詳細な研究を実施しました。

02  衛星5G統合のための主要技術

衛星通信と地上無線通信は、伝搬距離、通信範囲、電力供給能力において違いがあるため、両者の高度な統合には避けられない課題が伴います。以下では、衛星5G統合の主要技術を、システムアーキテクチャ、ビームカバレッジ、無線インターフェース波形、スペクトル共有、ネットワーク制御の5つの側面から分析します。

2.1 システムアーキテクチャ

衛星5G統合アーキテクチャでは、高軌道衛星と低軌道衛星を組み合わせたコンステレーションが想定されています。同時に、通信周波数帯域の設計には、中低速およびブロードバンド伝送サービスの要件を考慮し、低周波数帯域（LバンドやSバンドなど）と高周波数帯域（KuバンドやKaバンドなど）が含まれています。衛星のカバーエリアはサブサテライトポイントの移動に伴って移動し、エンドユーザーは異なるセル間を切​​り替えます。

低軌道衛星コンステレーションの衛星間リンクはレーザーリンクまたはマイクロ波リンクで構成され、複数の衛星が相互接続されて、衛星をスイッチングノードとする宇宙通信ネットワークを形成します。コンステレーションは通常、極軌道コンステレーションを使用して設計されます。これは、隣接する軌道面にある衛星は（極域や逆シームを除いて）比較的安定した相対位置関係を持つため、衛星間リンクの維持と高緯度地域のカバレッジの実現に有利だからです。さらに、ゲートウェイ局では衛星フィーダーリンク業務が実施され、衛星ネットワークと地上のPSTN、PLMN、インターネットとの相互接続と相互運用性が実現されます。これらの業務はすべてKaまたはQ/V周波数帯で実施されます。

現在、衛星・地上統合ネットワークには主に3つのアーキテクチャがあります。1つ目は衛星・地上補完ネットワークです。このアーキテクチャでは、5Gシステムと衛星システムがネットワーク管理センターを共有しますが、それぞれのアクセスネットワークとコアネットワークは独立しています。アクセスネットワークと一部のコアネットワーク機能は衛星ゲートウェイ局によって提供され、端末はセルラーアクセスモードと衛星アクセスモードの両方、またはどちらか一方をサポートします。2つ目は衛星・地上ハイブリッドネットワークです。このアーキテクチャでは、地上システムと衛星システムがネットワーク管理センターを共有し、それぞれのコアネットワークと周波数帯域の独立性を維持するために、無線インターフェース部分も可能な限り統合されています。端末は地上アクセスモードと衛星アクセスモードの両方をサポートできます。3つ目は衛星・地上統合ネットワークです。その主な特徴は、システム全体のアクセスポイント（AP）、周波数、アクセスネットワーク、コアネットワークが完全に統合され、計画および設計されていることです。衛星・地上統合ネットワークは衛星・地上統合通信システムの最高段階であり、大きな技術的課題に直面していることを指摘しておく必要があります。

2.2 ビームカバレッジ

衛星・地上統合型移動通信システムでは、スポットビームと無線リソースを調整することで、ホットスポットエリアに対して予め定められた容量を超える音声およびデータサービスを提供できます。この柔軟な機能は、デジタルビームフォーミング（DBF）技術によって実現されます。現在、衛星通信用のデジタルビームフォーミング技術は、主に地上DBF、宇宙搭載DBF、ハイブリッドDBFの3つの形態があります。中でも、ハイブリッドデジタルビームフォーミングは、性能と複雑さのバランスが優れており、広く研究されています。ハイブリッドDBFを使用する場合、地上ネットワーク制御センターは、ビーム調整要件と対応する戦略に基づいて最適化されたビームフォーミングマトリックスを計算し、フィードリンクを介してビームフォーミングマトリックスのパラメータを衛星に送信し、衛星上のマルチビームアンテナを再構築することで、地上へのビームカバレッジを動的に調整します。

衛星または端末の移動によって発生するハンドオーバーには、主に2種類あります。1つは衛星システム内でのハンドオーバーです。低軌道衛星の場合、地上に対する位置が急速に変化するため、端末が同じ衛星によって継続的にカバーされるのはわずか10分程度です。そのため、ハンドオーバー処理中のデータ損失を防ぐには、衛星間またはビーム間のハンドオーバーを事前に準備し、迅速に実行する必要があります。もう1つは、端末が地上5Gネットワ​​ークと衛星ネットワークを切り替える場合です。この切り替えでは、オンボード処理やベンドパイプ透過転送アーキテクチャのサポート、時刻同期、計測、情報調整などの要素を考慮する必要があります。セルラーネットワークの信号が非常に弱い場合、端末はセルラーネットワークから衛星ネットワークに切り替わりますが、そうでない場合は地上ネットワークへのアクセスを維持します。

2.3 空気界面波形

直交周波数分割多重（OFDM）は依然として5Gシステムの基本的な伝送方式ですが、キャリア間干渉（ICI）によってシステム性能が著しく低下します。これは、OFDM技術自体が周波数オフセットに非常に敏感であり、周波数オフセットによって生じるサブキャリア間のクロストークが通信性能を低下させるためです。残留周波数オフセットがシステム性能に及ぼす影響を効果的に抑制するために、可変サブキャリア帯域幅を用いた設計方式を採用することができます。狭い周波数帯域を持つLバンドでは、サポートする音声サービスの符号化率が2.4Kbpsと低いため、15KHz以下のサブキャリア設計を使用する必要があります。Ka周波数帯域では、使用できるサブキャリア幅はより広くなります。これは、ユーザーがブロードバンド経由でインターネットにアクセスすることが多く、最低仰角が大きいため、ドップラー効果の影響を効果的に低減できるためです。

さらに、5Gでサポートされている非直交多元接続（NOMA）では、各ユーザーが専用リソースを占有する必要はありません。ユーザーは非直交リソース上で同時に情報を送受信できます。マルチユーザー共同検出に基づき、信号処理によってユーザー間の相互干渉を回避できます。従来の直交アクセス方式と比較して、NOMA技術の適用によりスペクトル効率を3倍以上向上させることができます。現在、地上5Gシステム向けのNOMAチップが開発、普及、適用されています。NOMA技術はスペクトル効率と引き換えに複雑さを伴いますが、これは、ユーザーアクセスパラメータを動的に制御するために大量の信号相互作用が使用されるため、長遅延の静止軌道（GEO）衛星通信シナリオへの適用が困難であることを意味します。衛星通信におけるNOMA技術については、今後の技術研究を進める必要があります。

2.4 スペクトル共有

衛星通信であれ地上移動通信システムであれ、利用可能な周波数帯域の不足は、解決すべき喫緊の課題となっている。特に、衛星通信と地上通信は、周波数帯域をめぐって激しい競争を繰り広げている。例えば、長年衛星通信システムで使用されてきたCバンドとKaバンドは、ITUによって地上5Gシステム向けに認可されている。両者の周波数帯域をめぐる競争状況は、具体的には以下の通りである。

1) Kaバンド: ユーザー速度とシステム容量の急速な増加に対応するため、5Gと衛星通信の両方でKaバンドまたはミリ波周波数帯の使用が期待されています。例えば、2019年の世界無線通信会議（WRC-19）では、5Gおよび将来の国際移動通信システム向けに、24.25GHz～27.5GHz、37GHz～43.5GHz、66GHz～71GHzの合計14.75GHzの帯域幅スペクトル識別が使用されました。米国FCCは、地上5Gでの使用のために27.5GHz～28.35GHz、37GHz～38.6GHzの周波数帯を指定しており、これらの周波数帯は衛星通信システムで使用される周波数帯とある程度重複しています。

2) 3GHz～6GHz帯Cバンド：中国、欧州連合、日本、韓国など多くの国が、5Gシステムの候補周波数帯としてCバンドの使用を提案している。しかし、アジアでは、中国、ベトナム、マレーシアなどの国々がこの周波数帯で多数の衛星通信システムを構築しており、地上5GシステムにおけるCバンドの使用を調整することは困難である。

衛星と地上の協調計画による構成の最適化により、周波数リソースの効率的な利用を改善できます。衛星と地上のスペクトルセンシングシステムを共同で構築することで、衛星と地上の通信システム間でスペクトルを共有し、スペクトル利用効率を向上させることができます。地上無線通信ネットワークと比較すると、認知ユーザーがネットワーク環境内のすべてのスペクトルを検出することははるかに困難です。これは、衛星通信の広範囲なカバレッジが原因です。スペクトルデータベースの迅速な更新、ビーム形成、スペクトルセンシングの精度、および認知領域記述はすべて、この技術の研究の焦点です。さらに、リソース統合の観点から、セルラー通信と衛星通信の統一的な計画と設計により、「スペクトル共有」の形で干渉を解決し、周波数リソースの共有利用を促進することで、衛星通信システムと5Gシステムの深い統合のための互換性のある基盤を提供できます。

2.5 ネットワーク制御

SDNとNFV技術によって実現されるエンドツーエンドのネットワークスライシングは、5Gシステムのネットワーク制御クラウドにおける最大の特長です。SDNとNFV技術はそれぞれ、ネットワークベアラと制御の分離、およびコアネットワーク要素のソフトウェア化を実現します。これらは、ネットワークスライシングを実現するための強固な基盤となります。強固な基盤。

衛星通信システムが地上5Gと高度に統合されると、衛星コアネットワークの制御機能と転送機能を分離することができ、転送機能がさらに簡素化されます。高トラフィック伝送要件と柔軟かつバランスの取れたトラフィック負荷スケジューリングをサポートするために、業務ストレージおよびコンピューティング機能をネットワークセンターからネットワークエッジに移動できます。

地上との統合をサポートするためには、3GPPが提供する9つのネットワーク機能（基本サービス機能）に加えて、5G衛星コアネットワークのユーザープレーンに、3GPP以外の相互接続機能とユーザープレーン機能を追加する必要がある。

03 衛星5G統合が直面する課題と研究の方向性

衛星5G統合の取り組みは大きく進展しているものの、衛星と5Gの統合という壮大なビジョンを真に実現するには、依然として多くの技術的課題が残されています。衛星と地上の領域には共通する課題も多く存在します。以下に、主な技術的課題と今後の研究方向を列挙します。

1) 伝送システムの課題：衛星・地上統合ネットワーク伝送では、ドップラー周波数シフト、周波数管理と干渉、電力制限、タイミングアドバンスといった課題を早急に解決する必要があります。ドップラー周波数シフトへの対応として、5Gでは伝送システムにマルチキャリアOFDMを採用しています。しかし、そのサブキャリア間隔設計ではドップラー周波数シフトの影響を考慮していないため、サブキャリア間の干渉が発生します。電力制限に関しては、信号のピーク対平均比を低減しつつ、高周波数帯域の利用率を確保しています。最後に、タイミングアドバンスに関しては、無線リンク伝送遅延の急激な変化により、すべてのアップリンク伝送が同期するように、端末個々のタイミングアドバンスを動的に更新する必要が生じる可能性があります。

2) アクセスとリソース管理の課題：衛星と地上の統合ネットワークの長い遅延は、MAC層とRLC層のアクセス制御、HARQ、ARQなどのプロセスに課題をもたらしていることを考慮すると、アクセス制御に関しては、5Gと衛星の効果的な統合をサポートするために、事前認証、半永続スケジューリング、認証不要などの合理的なアクセスメカニズムを設計する必要があります。HARQに関しては、往復時間は通常、最大HARQタイマー長を超え、HARQプロセスには厳しい時間要件があります。MAC層とRLC層のスケジューリングプロセスでは、衛星システムの長い遅延がスケジューリングの適時性にも影響するため、スケジューリング遅延パラメータを調整する必要があります。

3) モビリティ管理の課題：衛星と地上システムが統合されたネットワークでは、モビリティ管理の課題はさらに深刻になります。通信レベルに応じて、ネットワークレベルのスイッチングとリンクレベルのスイッチングに分類できます。アプリケーションシナリオに応じて、地上セル間のハンドオーバー、衛星と地上セル間のハンドオーバー、衛星セル間のハンドオーバー、および衛星間ハンドオーバーに分類できます。この問題については検討が進められていますが、さらなる研究が必要です。

04 結論

衛星通信と地上セルラー通信システムは、30年近くにわたる発展を経て、目覚ましい成果を上げてきました。しかし、これらのシステムには固有の限界があり、人々のモバイル通信や大規模データ相互接続に対する高まるニーズを満たすことは困難です。近年、IoT（モノのインターネット）技術の急速な発展に伴い、将来の無線通信システムは「人と人」から「人とモノ」、そして「モノとモノ」へと移行し、ユビキタス通信とあらゆるもののインターネット（IoE）を実現する方向へと向かっています。衛星通信と地上セルラー通信の統合的な発展を通じて、相補的な利点が実現され、新たな発展の機会がもたらされるでしょう。本稿では、衛星通信と5Gの統合における開発状況、主要技術、そして直面する課題について紹介・考察し、この技術の発展に参考と指針を提供することを目的としています。

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