[論文レビュー] A Techno-Economic Cost Framework for Satellite Networks Applied to Low Earth Orbit Constellations: Assessing Starlink, OneWeb and Kuiper

Osoro B. Ogutu, Edward J. Oughton|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Satellite Communication Systems被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、低地球軌道（LEO）衛星コンstellレーションのブロードバンド容量および1ユーザーあたりコストを評価する汎用的でオープンソースの技術的・経済的モデルを提案する。衛星数と加入者密度を変化させたStarlink、OneWeb、Kuiperのシミュレーションを通じて、ユーザー密度が上昇するにつれて1ユーザーあたりの容量が著しく低下することが明らかになった—1 km²あたり1ユーザーの密度ではStarlinkが2.49 Mbps、OneWebが0.10 Mbpsにまで低下する。これは、LEOシステムが地上回線を凌駕するには0.1ユーザー/km²未満で運用する必要があることを示している。

ABSTRACT

Delivering broadband connectivity to unconnected areas is extremely challenging. The emergence of Low Earth Orbit (LEO) satellite systems has been seen as a potential solution for connecting remote areas. Despite the hype around these new technologies, we still lack an open-source modeling framework for assessing the techno-economics of satellite broadband connectivity which is therefore the purpose of this paper. Firstly, a generalizable techno-economic model is presented to assess the engineering-economics of satellite constellations. Secondly, the approach is applied to assess the three main competing LEO constellations which include Starlink, OneWeb and Kuiper. This involves simulating the impact on coverage, capacity and cost as both the number of satellites and quantity of subscribers increases. Finally, a global assessment is undertaken visualizing the potential capacity and cost per user via different subscriber scenarios. The results demonstrate how limited the capacity will be once resources are spread across users in each satellite coverage area. For example, if there is 1 user per 10 km^2 we estimate a mean per user capacity of 24.94 Mbps, 1.01 Mbps and 10.30 Mbps for Starlink, OneWeb and Kuiper respectively in the busiest hour of the day. But if the subscriber density increases to 1 user per km^2, then the mean per user capacity drops significantly to 2.49 Mbps, 0.10 Mbps and 1.02 Mbps for Starlink, OneWeb and Kuiper respectively. LEO broadband will be an essential part of the connectivity toolkit, but the results reveal that these mega-constellations will most likely have to operate below 0.1 users per km^2 to provide a service that outcompetes other broadband connectivity options. The open-source codebase which the paper contributes is provided with the hope that other engineers will access, use, and further develop the satellite assessment capability.

研究の動機と目的

• LEO衛星コンステレーションを評価するための汎用的でオープンソースの技術的・経済的シミュレーションフレームワークの開発を目的とする。
• 衛星数と加入者密度を変化させた状況下で、Starlink、OneWeb、Kuiperの技術的および経済的パフォーマンスを評価することを目的とする。
• 人口密度とコンステレーションのパrameterに基づいて、世界の地理的地域における1ユーザーあたりの容量およびコストを推定することを目的とする。
• 研究者、技術者、政策立案者が解析を再現・拡張できるように、公開可能なコードベースを提供することを目的とする。
• 地上回線の代替手段としてのLEOブロードバンドの実現可能性を数量的に評価することで、政策立案および投資意思決定を支援することを目的とする。

提案手法

• フレームワークは、衛星数、ビームサイズ、周波数再利用などの技術的パrameterと、経済的コストモデルを統合し、1ユーザーあたりの容量とコストをシミュレートする。
• FCC や ITU などの公的レギュラトリーファイルおよび財務データを用いて、衛星数や帯域幅割り当てなどのコンステレーションパラメータをキャリブレーションする。
• 10 km²グリッドセル内での均一分布を仮定し、世界の地方的地域におけるユーザーの空間的分布を人口密度に基づいてシミュレートする。
• スペクトル効率と多重アクセス制約を用いて1ユーザーあたりの容量を推定し、時分割多重アクセス（TDMA）とビーム間周波数再利用を仮定する。
• さまざまな加入者シナリオにおける集計容量と1ユーザーあたりコストを計算し、95%信頼区間を報告する。
• モデルはオープンソースコードとして実装され、公開リポジトリにホスティングされており、再現可能性と拡張性を確保している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる地域におけるユーザー密度の上昇に伴い、LEOコンステレーションの1ユーザーあたり容量はどのように変化するか？
• RQ2 現実的な展開シナリオ下で、Starlink、OneWeb、Kuiperの1ユーザーあたりコストはそれぞれどの程度と推定されるか？
• RQ3 LEOコンステレーションが地上回線の代替手段として技術的・経済的に劣るようになるユーザー密度の閾値は何か？
• RQ4 衛星数と軌道配置の違いが、コンステレーション全体および1ユーザーあたりの容量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 人口密度と容量推定に基づくと、どの地理的地域でLEOブロードバンドが最も実現可能とされるか？

主な発見

• 1 km²あたり0.1ユーザー（10 km²あたり1ユーザー）の加入者密度の場合、ピーク時間帯におけるStarlinkの平均1ユーザーあたり容量は24.94 Mbps、OneWebは1.01 Mbps、Kuiperは10.30 Mbpsに達する。
• 1 km²あたり1ユーザーの高い密度では、1ユーザーあたり容量はStarlinkで2.49 Mbps、OneWebで0.10 Mbps、Kuiperで1.02 Mbpsに低下する。
• 95%信頼区間で、Starlink、OneWeb、Kuiperの集計容量はそれぞれ11.72±0.04 Gbps、3.43±0.01 Gbps、7.53±0.03 Gbpsと推定される。
• 中央アジア、サハラ以南アフリカ、東ヨーロッパなど人口密度が低い地域では、ユーザー分布が疎らでスペクトル再利用が制限されるため、容量が10 Mbps未満に低下する。
• LEOコンステレーションは、0.1ユーザー/km²未満で運用されている場合に最も実現可能であり、密度が上昇すると1ユーザーあたりのパフォーマンスが著しく低下し、地上回線との競争力が低下する。
• オープンソースのコードベースにより、Telesatなどの将来のコンステレーションのためのモデルの再現・拡張が可能となり、広範な技術的・経済的分析を支援する。