衛星と非地上系ネットワーク

概要

衛星リンクは、距離・速度・カバーエリアの広さという3つの要素を極端にした地上リンクです。経路損失はどのセルラーのセルよりも大きくなります。低軌道の衛星は、搬送波を数十 kHzずらすほど高速で移動します。1本のビームで地域全体をカバーできます。衛星システムは従来、セルラーとは別のエアインタフェースを使ってきました。3GPPはRelease 17以降、NRとIoT向けの無線を非地上系ネットワーク（NTN）として衛星経由で動作させる方法を規定しています。このハブは、衛星リンクの規模を見積もる必要があるエンジニア、3GPP端末でNTNにより何が変わるかを理解したいエンジニア、ダイレクト・トゥ・デバイスの主張を評価したいエンジニアを対象としています。

重要な考え方

軌道とリンク幾何

3GPPのNTN概要では、静止軌道（GEO）を赤道上空35,786 kmの円軌道、低軌道（LEO）を通常500〜2,000 kmの円軌道としています。中軌道（MEO）はその中間にあります。GEO衛星は空の一点に静止して見えるため、地上のアンテナは向きを固定したままにできます。ただし距離の分だけ遅延と経路損失が大きくなります。LEOは近いため遅延が小さく、リンクバジェットも有利です。しかし各衛星が見えるのは数分間なので、サービスには多数の衛星と頻繁なハンドオーバーが必要です。

この幾何は一度自分で計算しておく価値があります。次のコードは、高度600 kmのLEOとGEOについて、2 GHzでのスラントレンジ、片道遅延、自由空間損失を求めます。さらに、真上を通過するLEOパスでのドップラーシフトを計算します。地球の自転と大気は無視しています。

import numpy as np

MU = 3.986004418e14   # Earth's gravitational parameter, m^3/s^2
R_E = 6371e3          # mean Earth radius, m
C = 299_792_458.0     # speed of light, m/s


def slant_range(h_m: float, elev_deg: float) -> float:
    """Distance from a ground terminal to a satellite at altitude h, seen at elevation elev."""
    e = np.radians(elev_deg)
    return np.sqrt((R_E + h_m) ** 2 - (R_E * np.cos(e)) ** 2) - R_E * np.sin(e)


def fspl_db(d_m: float, f_hz: float) -> float:
    return 20 * np.log10(4 * np.pi * d_m * f_hz / C)


f_c = 2.0e9  # S-band carrier, Hz
print(f"carrier {f_c / 1e9:.1f} GHz")
for name, h in [("LEO 600 km", 600e3), ("GEO", 35_786e3)]:
    for elev in (90, 10):
        d = slant_range(h, elev)
        print(f"{name:10s} elev {elev:2d} deg: range {d / 1e3:8.0f} km, "
              f"one-way delay {d / C * 1e3:6.2f} ms, FSPL {fspl_db(d, f_c):6.1f} dB")

# Doppler on a LEO pass straight overhead, Earth rotation ignored
h = 600e3
v = np.sqrt(MU / (R_E + h))
for elev in (90, 30, 10):
    v_radial = v * R_E / (R_E + h) * np.cos(np.radians(elev))
    print(f"LEO 600 km elev {elev:2d} deg: radial speed {v_radial / 1e3:5.2f} km/s, "
          f"Doppler {f_c * v_radial / C / 1e3:5.1f} kHz")
print(f"orbital speed {v / 1e3:.2f} km/s, period {2 * np.pi * (R_E + h) / v / 60:.1f} min")

出力を見ると、LEOの自由空間損失は天頂で154.0 dB、仰角10°で164.2 dBです。これに対しGEOでは天頂で189.5 dBです。片道遅延はLEOの天頂で2.00 ms、GEOで119.37 msです。LEOパスでは、ドップラーシフトは仰角10°で45.4 kHzに達し、衛星が天頂を通過するときに符号が反転します。衛星は7.56 km/sで移動し、96.5分で地球を一周します。

3GPP NTNで何が変わるか

3GPPの概要によれば、Release 17はNTNの規範的要件を含む最初のリリースでした。対象はNR NTNとIoT NTN（衛星経由のNB-IoTとLTE-M）です。初期のNR NTNの検討では、衛星がRFリピータとして動作する透過型ペイロードと、パワークラス3のハンドヘルド端末を前提としていました。これに対し再生型ペイロードでは、基地局の機能を衛星に搭載します。UEはランダムアクセスの前に、自身のGNSS位置と衛星が報知するエフェメリス（軌道情報）を使って、タイミングアドバンスとドップラーシフトを自ら事前補償する必要があります。そのため、NTN対応端末はGNSSを備えていることが前提です。Release 18では、カバレッジ、ネットワークによるUE位置の検証、NTNから地上網へのモビリティ、10 GHzを超える周波数バンドに関する検討が追加されました。Release 19のスタディ項目には、ストア・アンド・フォワード動作、再生型ペイロード、GNSSなしでの動作が含まれます。Linらによる5G from Space（arXiv、2021年）は分かりやすい解説です。

ダイレクト・トゥ・デバイス

ダイレクト・トゥ・デバイスとは、通常のスマートフォンがパラボラアンテナなしで衛星と通信することです。方式は2つあります。1つは、衛星業務用に割り当てられた周波数バンドで3GPP NTN仕様を使う方式です。もう1つは、移動体通信事業者の地上向け周波数を宇宙から使う方式です。米国では、FCCが2024年3月14日に採択したReport and Orderで、この2つ目の方式の枠組みを定めました。この枠組みはSupplemental Coverage from Spaceと呼ばれます。リンクバジェットには余裕がありません。スマートフォンのアンテナは小さく低利得で、送信電力も限られます。そのため、ユーザーあたりのスループットは地上のセルに比べて低くなります。独立した測定結果が公表されるまでは、サービスの発表はベンダーの主張として扱ってください。

どこから始めるか

計算は地上と同じです。デシベルとリンクバジェットと雑音・SNR・通信路容量を学んだ後、アンテナと伝搬の公式集を使って等価等方輻射電力（EIRP）と経路損失を求めてください。システム雑音温度はリンクバジェットと雑音のハブで扱っています。NTNの仕様を読む前に5G NRのハブを読んでください。IoT NTNの対象となるデバイスについてはLPWANとIoTのハブを参照してください。屋外で長距離リンクや衛星リンクに頼るロボットについては、Robotics Field Guideの空中・フィールドロボットのハブで扱っています。

ツールとプラットフォーム

プラットフォームのハブ：オープンソースツール、チャネルエミュレーションと試験にはKeysight・Rohde & Schwarz。

よくある間違い

• リンクバジェットに天頂方向の距離を使う。低仰角では距離・大気損失・遮蔽が増えます。
• LEOのパス中にドップラーと遅延が連続的に変化することを忘れる。
• 端末がそのリリースに対応しているから、NTNにも対応していると思い込む。NTNは独自の周波数バンドを持つ別個の機能です。
• 往復を1ホップとみなす。透過型ペイロードでは、信号はサービスリンクとフィーダリンクの両方を通ります。
• 10 GHzを超える帯域で降雨減衰を無視する。固定マージンではなく、ITU-Rのモデルを使ってください。

さらに深く

• 3GPP、Non-Terrestrial Networks (NTN) overview。
• Linら、5G from Space: An Overview of 3GPP Non-Terrestrial Networks、arXiv、2021年。
• FCC、Single Network Future: Supplemental Coverage from Space、Report and Order FCC 24-28、2024年。
• ITU-R P.618、地球・宇宙間通信システムの伝搬データと予測手法。