ケネス・M・オハラ、グレゴリー・J・スキッドモア（Remcom Inc.、ペンシルベニア州ステートカレッジ）
本記事では、SATCOMリンクのモデリングについて解説する。特に、通信環境の整っていない地方地域において、衛星オーバーレイを活用してIoTデバイスへのサービス継続性を確保するユースケースに焦点を当てる。
非地上波無線ネットワーク（衛星コンステレーションや高高度プラットフォームなど）には、広域的なサービスカバレッジと長期的な信頼性という独自の利点があり、これらが異種混在型5Gグローバルネットワークシステムにおける重要な構成要素となっています。 非地上ネットワーク（NTN）は、地方や遠隔地、移動プラットフォーム、被災地など、地上5Gネットワークのカバー範囲外にある場所にサービスを提供する上で、重要な役割を果たすことになるでしょう。 NTN のユースケースの一つは、マシン・ツー・マシン（M2M）や IoT デバイスが 5G 地上ネットワークのカバレッジ外へ移動する際、サービスの継続性を確保することです。1これは、重要な通信（eHealth や重要資産の追跡などのアプリケーション）を提供する M2M/IoT デバイスにとって特に重要です。
M2MおよびIoT通信の要件は、音声やデータストリーミングの要件とは大きく異なる場合があります。具体的には、データスループットが通常、はるかに低くなります。M2MおよびIoTデバイスの顕著な特徴の一つは、低消費電力が求められる点です。幸いなことに、M2M/IoT通信におけるこれらの要件は、狭帯域・低消費電力の広域ネットワーク（WAN）を利用することで同時に満たすことが可能です。 狭帯域IoT（NB-IoT）は、そのようなネットワーク規格の一例であり、3GPPリリース13に組み込まれ、5Gエコシステム内で動作する能力を確保するためにリリース15および16でさらに強化されました。これらのデバイスの低い信号電力は、NB-IoT規格の狭い帯域幅によって対応されており、これによりRFノイズの低減が図られています。幸いなことに、この狭い帯域幅の要件は、これらの通信で許容される低いデータレートと整合しています。
NB-IoTは、最大帯域幅200 kHzの簡略化されたLTE規格に基づいており、専用帯域、LTEまたは5G NRキャリア内の帯域内、あるいはそれらのガードバンド内で送信されます。全帯域幅を使用した場合のダウンリンクおよびアップリンクのピーク転送速度は250 kbpsです。データスループットが低いシステムでは、個別のサブキャリアを使用することができます。
衛星ネットワークには、広範なサービスエリアと信頼性という利点がある一方で、その通信リンクには、比較的大きな遅延や伝搬損失が避けられない。これら両方を最小限に抑えるため、低軌道（LEO）の衛星コンステレーションを利用して、地上のNB-IoTデバイスと通信を行うことができる（図1参照）。 例えば、高度1000 kmを周回するLEO衛星の場合、衛星が真上にあるときの往復遅延は10 ms未満である。自由空間伝搬経路損失（FSPL）は、フリスの伝送式によって次のように表される：
ここで、d は距離、λ は波長である。FSPL は衛星リンク予算における損失の主な要因であり、LEO 衛星に伴う伝搬距離が短く、より長い波長を使用することで最小化される。λ = 14 cm（2.1 GHz 搬送波）かつ d = 1000 km の場合、真上（仰角 = 90 度）にある衛星に対する FSPL は 159 dB となる。 仰角が低いほど、地球大気中の屈折や吸収を伴う直視（LOS）伝搬に伴う衛星までの斜距離が長くなるため、伝搬経路は長くなる。高周波数ではなくLバンドおよびSバンドの搬送波を使用することで、大気吸収を比較的小さく抑えることができる。
低軌道（LEO）衛星には、比較的大きなドップラーシフトによって通信経路が複雑になるという欠点がある。高度1000 kmのLEO衛星が軌道を維持するためには、速度vが7.4 km/sでなければならない。この運動によるドップラーシフトは、次の式で与えられる：
ここで、k⃗は衛星の位置における無線信号の波数ベクトルである。この波数ベクトルの大きさは k = 2π/λ である。
極軌道上のLEO衛星について、図2aは、2 GHz付近のダウンリンクおよびアップリンクの搬送波周波数におけるドップラーシフトの時間変化を示しており、ここでt = 0は衛星が真上を通過する瞬間である。 対応する仰角は上軸に示されている。アップリンク（UL）（1.7 GHz）とダウンリンク（DL）（2.1 GHz）の信号は、波長が異なるため、異なるシフトが生じる。 衛星の位置における信号波数ベクトル k⃗ の方向を正確に考慮するために、ITU-R P.676-112 および ITU-R P.834-83 に基づく独自の地上-衛星伝搬モデルを使用し、直線視界（LOS）伝搬と比較して、大気中の屈折（電波を地球の表面に向かって曲げる現象）を考慮しています。 ドップラーシフトの時間変化率は図2bに示す通りである。帯域間干渉を回避するためには、シフトのコモンモード成分を衛星側で動的に補償し、カバレッジエリア全体にわたる残りの差動シフトをユーザー機器（UE）側で補償する必要がある。4
衛星と地上間のリンク予算に影響を与えるその他の要因としては、雨によるフェージング、電離層および対流圏のシンチレーション、地形による遮蔽、樹木による減衰、およびマルチパス効果などが挙げられる。NB-IoT通信で一般的に使用されるLバンドおよびSバンドの搬送波については、雨によるフェージングや対流圏シンチレーションの影響は比較的小さい。5-6一方、電離層シンチレーションは、赤道から 20 度以内、または極付近の高緯度に位置する UE において、日没後の数時間にわたって、時間依存性の深刻なフェージングを引き起こす可能性があります。7これらの地域に位置する UE のリンク予算には、特に太陽活動が活発な期間において、少なくとも 25 dB のマージンが必要となる場合があります。 その他の緯度では、通常、電離層シンチレーションは無視できる。地形による遮蔽、樹木による減衰、およびマルチパス効果を考慮するため、特に特性が十分に把握されている環境では、レイトレーシング技術を採用することができる。
ここでは、地方のモバイルNB-IoTデバイスへのサービス継続性の拡大というユースケースについて検討する（図3参照）。図は、地上波の電波状況が良好な都市部と郊外、およびその間に位置する地方地域を示している。 南側の都市部の北端には、20 MHzの帯域幅でそれぞれ40 dBmの送信出力を有する2つの地上基地局が設置されている。北側の郊外地域には、40 dBmの基地局が1つある。その間の農村地域については、LEO衛星によってカバレッジが提供されている。
まず、シーン内の任意の場所に配置されたNB-IoTデバイスに対して、地上基地局が提供するカバレッジについて検討する。基地局からNB-IoTデバイスへと伝搬する信号に対する地形による遮蔽、樹木による影、およびマルチパス効果を考慮するため、Remcom社のWireless InSite®スイートを用いたレイトレーシングモデルを採用する。8このモデルには、地形や構造物による反射や回折を含む、シーンの屋外部分を通るマルチパス伝搬が組み込まれている。 この手法は、偏波や位相を含む完全な3次元マルチパス効果を組み込んでいます。このシナリオでは、基地局は垂直偏波であると仮定し、NB-IoT受信機は水平面に対して偏波軸が45度回転した直線偏波の0 dBiアンテナを備えていると仮定します。 NB-IoT 受信機の雑音指数は 9 dB で、周囲の RF ノイズフロアは −167 dBm/Hz と仮定されます。これは、都市部、郊外、および農村環境における 1.7 GHz および 2.1 GHz の RF ノイズの測定値と一致しています。9
シーン内の任意の場所に配置されたNB-IoT受信機について、図4は帯域幅180 kHzのUL（1.7 GHz）およびDL（2.1 GHz）信号の信号対雑音比（SNR）を示している。地上基地局に近い都市部および郊外では、DLで最大57 dB、ULで最大66 dBという高いSNRが観測される。 しかし、地方地域では、地形の遮蔽や樹木の影の影響により、SNRが0 dBを大幅に下回る（透明で表示）ことが頻繁に見られる。Wireless InSiteは、Weissbergerモデルを採用することで、樹木による減衰をモデル化している。10
農村地域におけるNB-IoTデバイスの通信エリアは、衛星によるオーバーレイによって復元可能です。衛星信号はWireless InSite内でモデル化され、前述の衛星-地上モデルを用いた計算から導き出された見かけの仰角および高度の位置に、Wireless InSite内に等方性送信機を配置することで、独自のモデルを用いて補完されます。これにより、大気中の屈折による経路損失の増加が考慮されます。
DLのカバレッジをモデル化するため、等方性送信機の等方性放射等価電力（EIRP）は66 dBmとし、そこから衛星から地上への伝搬モデルによって算出される大気吸収による電力損失を差し引きます。11その後、Wireless InSite内では、この低減されたEIRPによって大気吸収がすでに考慮されているため、衛星リンクにおける大気吸収は無効化されます。 この 66 dBm の EIRP は、衛星が 180 kHz の帯域幅で 36 dBm の送信電力を供給でき、アンテナ利得が 30 dBi であることを前提としている。衛星アンテナは、ファラデー効果による偏波回転を排除するために、SATCOM で一般的な円偏波であると仮定する。 衛星アンテナの雑音指数は3 dB、上り（UL）の雑音温度は290 Kと仮定され、その結果、雑音電力は−174 dBm/Hzとなります。下り（DL）については、本シナリオで使用される周波数帯における地上通信に適した、雑音指数9 dBおよびRF雑音フロア−167 dBm/Hzという仮定を維持します。
図5は、図3のシーンにおいて、地平線上の衛星の仰角が異なる場合の衛星DLおよびULのSNRを示している。0 dB未満のSNRは透明とみなされる。伝搬経路損失と大気吸収が最小化されるため、衛星が真上（すなわち仰角90度）にあるときに最大SNRが得られる。仰角が低い場合、樹木や地形の影の影響によりSNRが低下する。 こうした損失があるにもかかわらず、仰角が25度以上であれば、シーンの大部分で0 dBを超えるSNRを維持できる。NB-IoTデバイスの送信電力は低い（本解析では23 dBmと仮定）ものの、衛星受信機の雑音指数が低コストのNB-IoTデバイスよりも6 dB低いため、ULのSNRはDLよりも平均で約2 dB高くなる。 衛星の環境雑音は−174 dBm/Hz（地上システムより約7 dB低い）であり、波長の違いにより、90度の仰角では上り（UL）信号の伝搬経路損失が下り（DL）に比べて2 dB低減される。
衛星オーバーレイによって改善されたカバレッジを定量的に評価するため、図6では、異なる仰角における地上基地局と衛星のSNR値の累積分布関数（CDF）を比較している。農村部に焦点を当てるため、図3に示すシーンの中央3分の2に位置するNB-IoT端末についてCDFを算出している。 地上基地局のCDFを見ると、受信機／送信機の位置の60％以上でSNRが0 dB未満となっている。対照的に、仰角がわずか25度の場合でも、シミュレーションされたデバイスの位置のほぼ100％で、衛星による上り／下り伝送においてSNRが0 dBを超えている。衛星が真上にある場合、エリアの大部分でSNRが10 dB以上を達成している。
特定のSNRおよび変調・符号化方式が与えられれば、データスループットを算出することができる。 180 kHzの帯域幅をフルに利用する場合、NB-IoT規格では下り（DL）および上り（UL）の両方でQPSKが使用される。図7は、3GPP TS 38.30613に規定された式に基づき、下位順QPSK変調に限定して推定したスループットを、シーン内の異なる位置におけるNB-IoTデバイスが達成したスループットとして示している。 図7aは地上基地局のみの場合のDLおよびULスループットを示し、図7bは地上基地局に衛星カバレッジが追加された場合のスループットを示している。ここでは、衛星の仰角を25度と仮定している。ULについては、仰角25度の衛星であっても、衛星オーバーレイによりシーン全体を完全にカバーしている。 DLについても、カバレッジはほぼ完全である。衛星の仰角が高くなるにつれて、全体的なスループットは上昇し続け、衛星が真上にあるときにそのエリアにおける最大スループットに達する。
このケーススタディでは、予測シミュレーションを用いて衛星通信のカバレッジをモデル化する方法について示しています。このようなモデルでは、SATCOMチャネルをシミュレートし、リンクバジェットの適切な評価に不可欠な、地形による遮蔽、樹木による影、マルチパスフェージングといった重要な影響を捉えることができます。 さらに、レイトレーシングモデルを用いることで、地方部におけるNB-IoTのカバレッジを改善するために、地上網のカバレッジをLEO衛星によるオーバーレイで補完する必要があるケースを特定できる。これらのLEO衛星は比較的低遅延のカバレッジを提供できるが、その代償として通信チャネルが複雑化する。これは、衛星および／またはUE（ユーザー端末）側で大きなドップラーシフトを補償する必要があるためである。
参考文献