3GPPリリース17の最終化により、宇宙ベースの5GNB-IoT デバイス直結接続が現実のものとなった。 衛星ベースの5Gサービスへの関心の高まりは、広大な地理的領域にわたる途切れないネットワークカバレッジを実現すると同時に、世界的な接続課題と制約に対処するため、NB-IoT に新たな要求を課している。GateHouse SatComディレクター、スヴェンド・ホルム・ソレンセンとシニアソフトウェアアーキテクト、ヘンリック・クログ・モーラーが、現在および将来の5GNB-IoT システム開発に必要なアーキテクチャとシステム要素を紹介する。
GateHouse SatCom 20年以上にわたり最先端の衛星通信システムGateHouse SatCom 現在、ソフトウェア専業企業かつ波形開発者として、複数の民生・軍事市場に専門技術を提供。最近では欧州電気通信標準化機構（ETSI）の個人会員となり、3GPP期3GPPリリース17において、デバイス直結型5GNB-IoT 標準化に積極的に参画しています。
NT3GPP 組み込まれたことで、次世代のIoTデバイスは、モバイルネットワークと衛星ネットワーク間のローミングを実現するために、NTN対応チップセットへの更新のみで済む見込みである。
「デバイス直結型5Gサービス機能は、衛星通信における重要なマイルストーンであり、多くの魅力的な機会を提供します」と、GateHouse Satcom、スヴェンド・ホルム・ソレンセンは述べ、続けてこう語った：
従来、衛星通信専用に設計された大型端末や巨大なアンテナを通じて衛星接続を目にしてきました。現在当社が開発を支援するデバイスは地上波と衛星サービスの両方に対応し、通信が困難な地域を含む複数業界において、地上波と衛星ベースの5Gネットワークデバイスを広く途切れなく利用可能にします。
産業分野では、NB-IoT システムアーキテクチャの機能を活用し、地上波サービス向けに設計されたデバイスにも衛星駆動型5Gサービスを導入できる。
多くのデバイスは地上波接続のみをサポートしていますが、NB-IoT 応可能性は非常に高いです。物流業界はついに待ち望んでいたエンドツーエンドの可視性を実現できるでしょう。農業分野では、衛星通信を活用した家畜活動トラッカーやGPSトラッカーの導入が可能になります。同様に、農業分野では衛星通信による無線温度・湿度ロガーの採用が進むでしょう。可能性は無限大です。
しかし、スヴェンドはさらに、地上ネットワーク、非地上ネットワーク、そして数百万のIoTデバイス間の最適な相互運用性と接続性を実現するための5GNB-IoT アーキテクチャの開発には、課題がないわけではないと説明している。
遅れを取り戻し、適応する
3GPP 、Release 13仕様において地上利用NB-IoT を開発した。このシステムアーキテクチャは衛星駆動のシグナリングを一切含まない。
NB-IoT を介してネットワークに直接接続し、セルラーネットワーク内の地上設置型NodeBタワーに到達する。NB-IoT インターネットへデータを送信する際には、パケットコア（この場合は4G EPC）を経由する。NB-IoT 、Release 16事前調査およびRelease 17仕様書を通じた衛星駆動型NTN接続性の探求の基盤を形成した。
「衛星は現在、NB-IoT アーキテクチャを既存の地上ネットワークに適応させる上で重要な役割を果たしています。デバイスがNodeBセルラータワーに直接接続する代わりに、そのサービスリンクはまず衛星を経由し、フィーダーリンクを介して衛星事業者のEPCに接続された地上ベースのNTN NodeBへ信号を転送します」と、GateHouse SatComシニアソフトウェアアーキテクト、ヘンリック・クロッグ・モーラーは説明する。
リリース17では現在、NodeBが地上設置型の透過モード（図1参照）に焦点を当てています。再生モードはリリース18およびリリース19で検討される予定であり、衛星のペイロードとしてNodeBを実装することを目的としています。実装には、接続速度と効率を向上させるためのデバイス、NodeB、EPCのさらなる適応が必要となります。
サービスおよびフィーダーリンク制約
複数のサービスリンクおよびフィーダーリンクの課題が存在し、これにはドップラー効果、遅延、信号変化、経路損失が含まれる。これらはすべて衛星、その仰角、および空中の位置に依存する。
地上36,000kmの高度で運用されるGEO 、例えば600kmの低LEO NGSO）衛星と比べて著しく高い経路損失を経験する。衛星が接近または遠ざかるにつれて、信号遅延とNGSOの影響によるドップラー効果も変動する。
「このデバイスの物理層では、これらの課題を補正するためにGNSS測位情報による適応機能が必要です。衛星はこの補正において自らの位置と時刻情報を送信します」とヘンリックは説明する。
もう一つの焦点は、衛星が数百万の絶えず移動するIoTデバイスをどのように処理し、短期間で複数の追跡エリアを同時にカバーし、NGSOネットワークとの接続を維持するかである：
デバイスには、地上ネットワークと同様の追跡エリア識別子のリストが与えられる。NodeBは現在の追跡識別子と稼働中の追跡エリアのリストをブロードキャストする。このリストは衛星の移動に伴い時間とともに変化する。このリストがデバイスのページングを誘導し、リスト間で交差するデバイスだけがページング可能となる。デバイスは自身の位置をネットワークに送信でき、これにより最適化が可能となる。
周波数が高いほど、信号伝達の課題が大きくなる
リリースNB-IoT 仕様は、2～4ギガヘルツ（GHz）のSバンド周波数帯で運用を開始する。この周波数帯は3GHzで従来の超高周波（UHF）帯と超高周波（SHF）帯の境界を越える。航空、海運、宇宙産業では、モバイルネットワークや携帯端末向けの双方向通信およびコンテンツ配信能力を最適化するため、Sバンドが利用されている。
しかし、スヴェンドは、より高い周波数帯は「重大な技術的課題」を伴い、世界中の衛星接続型5Gサービスの品質、効率、信頼性に影響を与えると述べている。この課題は主に、6GHz以上の周波数で動作する高軌道静止軌道衛星（GEO）に影響を及ぼす。 「周波数スペクトル上の課題と、NB-IoT 、 3GPP （ITU）の間で協議が進行中です。残念ながら、これらの協議はまだ解決に至っていませんが、将来的に解決されると確信しています」。
シニアソフトウェアアーキテクト
事業開発マネージャー
