非地上ネットワークの利点、課題、およびアプリケーション

非地上系ネットワーク (NTN) とは何か？

A 非地上系ネットワーク (NTN)とは、空中または宇宙空間の資産と地上の資産を統合した通信ネットワークです。これらのハイブリッドネットワークは、衛星通信 (SATCOM) 技術を適用して既存のセルラー通信を拡張します。非地上系ネットワーク、すなわちNTNは通常、セルラーの世界と衛星リンクを接続し、エンドユーザーが衛星ネットワークに直接アクセスする方法を提供するネットワークを指します。

6Gの登場により、NTNは超低遅延、高スループット接続、および地上ネットワークとのシームレスな統合をサポートするように進化しており、リアルタイム遠隔操作、没入型拡張現実（XR）、グローバルIoTカバレッジなどの高度なアプリケーションを可能にします。

今日の新たな宇宙開発競争は、政府や企業が通信、監視、センシング、モニタリング能力の向上を目指す中で、主にNTNに焦点を当てています。NTNは最新のSATCOM進化であり、宇宙の商業化を支える重要な要素です。非地上ネットワークがNTN衛星をバックホールトラフィックに使用し、単なる中継器から重要なコンポーネントへと変貌させるため、NTNにはかなりの固有の複雑さがあります。

非地上系ネットワーク（NTN）は何で構成されていますか？

An NTNは、地球上に物理的に配置されていないノードを含むネットワークです。NTNでは主に衛星を考えますが、その他に低高度プラットフォーム（LAP）、高高度擬似衛星（HAPS）、ドローン、気球、無人航空機（UAV）が基地局として機能する構成も可能であり、これらは6G NTNアーキテクチャでますます検討されています。 

現在、ほとんどの開発は、3GPPリリース17以降によって可能になるデバイス直接（D2D）衛星接続に焦点を当てており、標準的なスマートフォンが5G NR NTNプロトコルを使用して衛星と直接通信できるようになります。

すべての非地上系ネットワーク (NTN) には、衛星ネットワークが地上インターネットに接続する複数のPoP (Points of Presence) があります。光ファイバーリンクは地上局を相互に接続し、一方、レーザー光リンクは衛星間でますます使用されており、6G NTNのスケーラビリティに不可欠な高速、低遅延、および干渉耐性のある通信を提供します。地上の衛星ゲートウェイから、広帯域リンクはセルラーネットワークを衛星コンステレーションに接続し、NASAやStarlinkのような商用オペレーターによって実証されているように、光衛星間リンク (OISL) およびレーザー通信システムを使用して、フィーダーリンクは現在最大200 Gbpsに達しています。これらのPoPは1つ以上のゲートウェイに接続します。この図は、ゲートウェイと衛星間のこれらのリンクを、地上セルタワーの広帯域バックホールリンクとして示しています。

非地上系ネットワーク（NTN）は低軌道（LEO）のみで動作しますか？

非地上系ネットワーク（NTN）は、静止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）、低地球軌道（LEO）で運用されます。6G NTNの研究には、超低遅延とグローバルカバレッジをサポートするため、特にモビリティおよびIoTユースケース向けに、高楕円軌道（HEO）および超低地球軌道（VLEO）が含まれます。5G NTNの主要なアプリケーションは現在、GEOとLEOに集中しています。今日のLEO衛星の爆発的な増加は、商業、政府、軍事産業におけるほとんどのNTNユースケースの基盤を提供しています。低地球軌道衛星は、MEOの約150ミリ秒、GEOの約280ミリ秒と比較して、6～30ミリ秒という低遅延を提供するため、デバイス直接接続のようなリアルタイムアプリケーションにLEOは理想的です。

各軌道は、通信ネットワークにおいて異なる課題を生み出します。LEOでは、衛星はより近い距離で動作しますが、より高速に移動します。この近接性により、衛星から地上への低遅延通信が可能です。対照的に、従来のGEOは、その軌道上の衛星と地上局間の信号経路において、はるかに長い遅延を伴う長時間の固定接続を提供します。このプロセスは、信号がポイント間を移動する必要がある回数に応じて、遅延を指数関数的に増加させます。例えば、衛星が地球を周回する必要がある場合、顕著な遅延が発生します。

遅延はストア＆フォワード方式でも発生します。この場合、衛星は信号を受信し、目標とする地上局との可視性を確保したときにその信号を後で送信します。この現象は、不連続伝送と呼ばれることがよくあります。

NTNの利点とは何ですか？

NTNの主な利点は、カバレッジの拡張です。農村地域、島嶼部、孤立したコミュニティなど、遠隔地やサービスが行き届いていない地域は、このテクノロジーの恩恵を受けることができます。NTNは、海上船舶、飛行中の航空機、ドローン、自動運転車、ウェアラブルデバイスにもサービスを提供でき、将来のモビリティ中心の6Gシナリオにおけるシームレスな接続をサポートします。NTNにより、ネットワークサービスプロバイダーは、これまで未開拓だった市場で事業を展開し、従来の地上ネットワークの能力を超えるプレミアムサービスを提供できます。NTNは、データに対する絶え間なく増加する需要を満たし、通信およびデータ転送のために衛星を介してより多くの情報を送受信します。スマート農業、自律ロジスティクス、気候センシング、産業オートメーションを含むM2M（マシンツーマシン）および大規模IoTアプリケーションは、6GにおけるAI強化型低消費電力NTN接続の恩恵を受けます。 

非地上系ネットワークは、既存の5Gネットワークに回復力と冗長性の層も追加します。自然災害、地域紛争、またはネットワーク障害が発生した場合、6G時代のNTNは、分散型でAI駆動のアーキテクチャを提供し、災害時の迅速な復旧と優先的な緊急サービスを可能にし、地上インフラが機能しなくなった場合でも超高信頼性、低遅延の通信を保証します。分散型LEO衛星コンステレーションの利点は、リスクとコストを数百または数千の衛星に分散できることです。 

非地上系通信を強化することで、NTNは以下を含む多くの利点をもたらします。

• ユビキタスなカバレッジ
• 重要な緊急サポートの改善。
• センシング機能による農業向け診断機能の強化。
• 地球および気候変数の正確な監視。
• 衛星全体にわたるリスクとコスト費用の効果的な分散。
• 大気質のリアルタイム監視のための高度な気候および環境センシング。

NTNが直面する課題とは何ですか？

NTNとそのアプリケーションには多くの課題があり、これらのネットワークが進化するにつれて、さらなる障害が発生するでしょう。

宇宙環境：宇宙はNTNにとって最大の課題です。一度展開された機器にはアクセスできません。さらに、システムは極端な温度と放射線のある非常に過酷な環境で動作する必要があります。成功裏に機能するためには、システムは一貫した電力生成と貯蔵も提供する必要があります。宇宙空間にメッシュネットワークを構築することは、問題発生の可能性を増大させることで、これらの複雑さを悪化させます。

サイズ、重量、消費電力、コスト：もう1つの懸念は、高周波RFおよびコンピューティングリソースを空中に配置する物理的な限界です。静止軌道（GEO）の20トン級衛星から、より小型の低軌道（LEO）衛星やHAPSプラットフォームへと移行するにつれて、サイズ、重量、消費電力、コスト（SWaP-C）が問題となり、ペイロードもそれに応じて変化させる必要があります。6G NTNの設計は、衛星の役割を分離することでSWaP-Cの制限を軽減するように進化しています。サービス衛星はユーザーリンクに焦点を当て、フィーダー衛星はRANおよびコア機能を処理し、ペイロードの質量と消費電力の使用を最適化します。

常に移動しながら接続：非地上系ネットワークは、ネットワーク内の一部のもの、あるいはすべてを常に移動状態に置きます。NTN衛星およびHAPSの動きは、接続設定、信号品質、およびハンドオーバーに影響を与えます。5G NTNでは、上空を飛行するgNodeBインスタンスと無線アクセスネットワーク（RAN）の一部が、地表にあるあらゆるユーザー機器（UE）の動きに加わります。

ペイロードの選択：透過型ペイロードと回生型ペイロードの選択は、ネットワークの編成方法と結果として生じる信号ルーティングを完全に変える可能性があります。LEO衛星が移動しているため、すべてのタイミング関係は動的です。問題となるのは、主に可変遅延と複雑なハンドオーバーによって接続が切断される可能性があるサービス品質（QoS）のユーザーエクスペリエンスです。6G NTNでは、回生型ペイロードが注目を集めており、オンボードgNodeB機能と衛星間リンク（ISL）を可能にして、カバレッジ、レイテンシ、モビリティ管理を改善しています。一方、透過型ペイロードはよりシンプルですが、地上インフラに大きく依存しています。

レイテンシ： 信号伝送の遅延は、地上と衛星間での信号送信に起因します。従来のNTNはレイテンシの制限に直面していますが、6G NTNの研究は、テラヘルツ通信、再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）、AI駆動ルーティングなどの技術を通じて、3GPP超高信頼低遅延通信 （URLLC） ユースケースをサポートする方向で進展しており、サブミリ秒のレイテンシと99.99999%の信頼性を目指しています。

セキュリティ: 分散型LEO衛星コンステレーションは、コストとリスクを複数の衛星に分散させますが、ハードウェアは非友好的な領土を通過する際に脆弱になります。国家安全保障上のニーズは、宇宙に配備されたインフラストラクチャを保護するためのサイバー保護と新たな運用を要求します。例えば、米国宇宙軍は、軍および政府のすべての部門に対してこの任務を負っています。6G NTNは、AI悪用、量子ハッキングのリスク、意味認識型脅威など、新たなサイバーセキュリティの課題をもたらします。検討されているソリューションには、動的で分散されたNTN環境を保護するためのコンテキスト認識認証プロトコル、ブロックチェーンベースの信頼モデル、AI駆動の異常検出などがあります。

5G NTNとは何ですか？

NTNという用語には通常、ネットワークの一側面として第5世代（5G）セルラーが含まれます。5G NTNは、5G地上ネットワークから多くの機能を継承し、多くの同じ課題に直面しており、以前のSATCOMネットワークと比較して5G NTNサービスに対する高い信頼性への期待が加わっています。通常、地上に設置されたタワーで構成される地上ネットワークである基地局は、陸上から空中、そして宇宙へと移動しています。5Gコアネットワークは、次世代コア（NGC）と呼ばれます。5G NTNは、携帯電話やセンサーなどのモバイルデバイスで構成されるUEを含みます。必要に応じて、UEは基地局と通信し、各基地局はgNodeBと呼ばれます。

この構成は典型的な5G NTNセットアップですが、多くのバリエーションが存在します。例えば、すべてのNTNアプリケーションがgNodeBを必要とするわけではありません。独自のシステム上のゲートウェイに直接接続されたインターネットであるコアネットワークを持つこともあります。もう1つの代替アプローチは、NTNをエッジコンピューティングに使用し、ネットワークエッジを衛星に配置することです。

5G NTNアーキテクチャには様々なアプローチが存在します。例えば、航空機や衛星は、UEとgNodeB間のベントパイプとして機能することができます。そのデバイスは、周波数1で信号を受信し、周波数2で送信することで、広範囲の地理的領域にわたる非地上ネットワーク通信を促進します。このモデルでは、UEが衛星ベントパイプから送受信するために十分な電力と感度を必要とすることに注意してください。gNodeBは、NTN衛星ベントパイプと通信できる限り、地上に設置することができます。

代替アーキテクチャでは、gNodeBが空中または宇宙空間の資産自体に配置されます。この場合、UEはその空中資産と通信します。コアネットワークもその空中または宇宙空間の資産に接続されます。さらに、衛星ベントパイプを備えた標準UE、またはUEと空中または宇宙空間のgNodeBのいずれかとインターフェースするためのリレーノードを導入する例もあります。

5G NTNの導入は、従来の5G地上ネットワークアーキテクチャを破壊し、接続性におけるパラダイムシフトをもたらします。gNodeBおよびRANドメインに参加する衛星やHAPSには多くの代替案が存在し、中には何マイルもの空に散らばる複数の衛星が連鎖しているものもあります。5G NTNは5G地上ネットワークから多くの機能を引き継ぎ、多くの同様の課題に直面しており、以前のSATCOMネットワークと比較して5G NTNサービスにはより高い信頼性への期待が加わっています。

5Gと6G NTNの主な違いは何ですか？

5G NTNは地上5Gへのアドオンであり、主に衛星または航空接続を提供して遠隔地やサービスが行き届いていない地域へのカバレッジを拡大し、3GPPリリース17および18で定義された機能強化に基づいています。6G NTNはまだ研究および初期標準化段階にあり、その全機能と差別化要因は3GPP、ITU、および主要な業界団体によって活発に議論されています。以下に主な方向性と期待される進歩をまとめますが、技術的な探求とグローバルなコンセンサスの進化に伴い、変更される可能性があります。 

ネイティブNTN-TN統合：非地上系ネットワークと地上系ネットワークの調和は6Gの主要な提案であり、3GPPとITUの研究は、シームレスな移行と統一されたアーキテクチャを可能にするための共同設計に焦点を当てています。これは、NTNがアドオンである5Gのアプローチとは異なります。この統合の詳細はまだ最終決定されておらず、グローバルな研究と協力の対象となっています。

高度な測位とセンシング: 研究イニシアチブは、さまざまなNTN層からの信号を統合することにより、cmレベルの測位を調査しており、GNSSが利用できない場所での位置特定に対処する可能性があります。初期の3GPPおよびEUの研究では、これが差別化要因となる可能性が示されていますが、技術と標準はまだ進化途上であり、具体的なアプローチはまだ確立されていません。

低遅延と大規模接続: 6G NTNは、5Gの容量と信頼性をはるかに上回り、リアルタイムIoTやあらゆる場所での堅牢なモバイルブロードバンドといった新しいアプリケーションを可能にすることを目指しています。これらの目標はITUと3GPPの両方によって研究目標として設定されていますが、検証と実現可能性テストは研究およびパイロットプログラム内で進行中です。

新しい波形とAIネイティブ設計： 動的なリソース割り当てのためのいくつかの高度な波形とAIのネイティブ統合が検討されています。最近の業界プロジェクトレポートでは、AI対応RANコントローラと新しい波形候補が提案されていますが、これらはまだ完全に標準化または商業的に検証されていません。

持続可能性とエネルギー効率：6G-NTNのようなイニシアチブは、初期の結果で強調されているように、持続可能性の指標を積極的に定義し、グリーン設計原則を探求しています。これらの概念は、成熟するにつれて最終的な6G標準に大きな影響を与えることが予想されます。

NTNと衛星通信は同じものですか？

非地上系ネットワークは、次世代の衛星通信（SATCOM）の到来を告げ、SATCOMをセルラーネットワークの一部とします。衛星通信技術は、インフラがない、または孤立したプラットフォームしかない到達困難な地域をカバーし、セルラーネットワークの展開をサポートします。SATCOMの利用は、M2M/IoTの信頼性を高め、航空機、列車、自動車などの移動プラットフォームへの接続性も提供します。

SATCOMに対する新たな性能要求を満たすため、衛星業界はより高いスループット、より広い帯域幅、より高い動作周波数を目指しています。ネットワークは、ますます光フォトニクスリンクにも依存するようになっています。非地上ネットワークはまた、自由空間、天候、雲、その他の電離層条件にもかかわらず、受信機に十分な電力を供給する必要があります。NTNとSATCOMの複雑さが増していることを考えると、遅延信号のバッファリングを追加し、現実的な衛星運動を生成するためにスライディング遅延をシミュレートするなど、現実的な環境モデルを使用して衛星通信システムをテストする必要があります。キーサイトは、5G NR NTN衛星リンクのテストを含め、地上および空中／宇宙のワークフロー全体にわたる非地上ネットワークの開発、製造、展開、および保守をサポートしています。

キーサイトはNTNユースケースをどのようにサポートしているか？

キーサイトは、以下のNTNユースケースの開発と継続的な性能検証をサポートします。

• 未サービスエリアのカバレッジ
• 航空機、船舶、列車、バスなどへのサービス
• 人と機械、そしてIoT
• 緩和されたレイテンシ要件
• サービス提供状況
• 5G Advanced / 6Gネットワークのスケーラビリティ

キーサイトは、ネットワークアクセスや完全な衛星コンステレーションさえも仮想化できる、エンドツーエンドのNTNテスト環境を提供します。NTN対応無線ネットワークを、完全に機能するNTNネットワークエミュレーションデバイスであるキーサイトのUXM 5Gに置き換えます。キーサイトのPROPSIMチャネルエミュレータと、キーサイトのAdvanced VXGマイクロ波信号発生器およびキーサイトのUXAシグナルアナライザを併用して、衛星リンクを再構築します。テスト対象システムを完全に制御し、NTNノードとリンクを完全に可視化します。XバンドやKバンドなどの主要なNTNバンドすべてをカバーするように周波数範囲を拡張するために、ハードウェアを簡単に追加できます。

柔軟なChannel Studioシナリオ作成により、ノードレベルとネットワークレベルの両方で実際の衛星無線ハードウェアとソリューションをテストできます。UXA信号アナライザで動作するキーサイトWaveJudgeワイヤレス・アナライザとキーサイトPathWave Vector Signal Analysis (VSA)を使用して、パフォーマンスの問題をトラブルシューティングします。WaveJudgeを超えてIQストリームを解析するには、PROPSIMの内部IQキャプチャおよびストリーミング機能を使用できます。

VXGマイクロ波信号発生器をPROPSIMおよびUeSIMのユーザー端末動作の現実的な表現と組み合わせることで、ラボで現実的なテスト条件を生成することもできます。キーサイトが、お客様のワークフロー全体にわたるNTNの地上から空中への継続的な開発をどのようにサポートし、将来の通信の接続とセキュリティ確保に貢献しているかについて、詳細をご確認ください。