5GNB-IoT アーキテクチャの未来 -Gatehouse Satcom

The finalisation of 3GPP’s Release 17 has solidified space-based 5G NB-IoT and direct-to-device connectivity as a reality. Increasing interest in satellite-based 5G services places new demands on NB-IoT system architecture to achieve uninterrupted network coverage across vast geographical areas whilst addressing current connectivity challenges and constraints worldwide. GateHouse SatCom’s Product Director, Svend Holme Sørensen, and Senior Software Architect, Henrik Krogh Møller, introduce the architecture and system elements required for developing 5G NB-IoT NTN systems now and in the future.

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。

However, Svend explains further that developing 5G NB-IoT system architecture to achieve optimal interoperability and connectivity between terrestrial networks, non-terrestrial networks and millions of IoT devices isn’t without its challenges.

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。

“Satellites now play a critical role in adapting NB-IoT NTN system architecture to existing terrestrial networks. Instead of a device connecting to a NodeB cellular tower directly, its service link will first pass through a satellite, forwarding a signal via a feeder link to a ground-based NTN NodeB that’s connected to the satellite operator’s EPC”, explains GateHouse SatCom’s Senior Software Architect, Henrik Krogh Møller.

Release 17 currently focuses on Transparent Mode (See Fig. 1), where the NodeB is ground-based. Regenerative Mode, which will be studied in Release 18 and again in Release 19, aims to implement NodeBs as payloads on the satellites. Implementation will require further device, NodeB and EPC adaption to increase connection speed and efficiency.

5GNB-IoT システムアーキテクチャ — Figure 1: GEO transparent mode system overview

サービスおよびフィーダーリンク制約

Several service and feeder link challenges exist, including doppler, delay, signal changes and path loss, all of which depend on the satellite, its elevation angle and position in the sky.

High-orbit GEO satellites operating 36,000 km above the ground will experience significantly higher path loss than lower orbit LEO (NGSO) satellites at e.g., 600 km. Signal delay and NGSO-affected doppler will also vary as a satellite moves closer or further away.

“The device’s physical layer requires adaptation enabled by GNSS positioning information to compensate for these challenges. Satellites will broadcast their position and timing information in this compensation”, explains Henrik.

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。

However, Svend states that higher frequencies “involve major technical challenges”, affecting satellite-connected 5G service quality, efficiency and reliability worldwide. This challenge primarily affects high-orbit GEOs operating at frequencies of above 6 GHz. “Discussions are ongoing between 3GPP and the International Telecommunication Industry (ITU) to address frequency spectrum challenges and how they affect NB-IoT connectivity. Unfortunately, these discussions haven’t been resolved, but we believe they will in the future”.