[論文レビュー] Integrating Terrestrial and Non-terrestrial Networks: 3D Opportunities and Challenges

Giovanni Geraci, David López‐Pérez+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Satellite Communication Systems被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、地上、空域および宇宙空間にいるユーザーに対する恒久的かつ広範な接続性を実現するため、3次元統合地上・非地上ネットワーク（TN-NTN）アーキテクチャを提案する。2つの導入パラダイム（垂直に傾けたセルを備えたアップグレード済み地上ネットワークおよびLEO衛星コンstellレーション）を提示し、干渉管理、モビリティ、ネットワークオchestrationにおける主な課題を特定。相互運用性とスケーラブルな展開を可能にするために3GPP規格化の推進を提言する。

ABSTRACT

Integrating terrestrial and non-terrestrial networks has the potential of connecting the unconnected and enhancing the user experience for the already-connected, with technological and societal implications of the greatest long-term significance. A convergence of ground, air, and space wireless communications also represents a formidable endeavor for the mobile and satellite communications industries alike, as it entails defining and intelligently orchestrating a new 3D wireless network architecture. In this article, we present the key opportunities and challenges arising from this (r)evolution by presenting some of its disruptive use-cases and key building blocks, reviewing the relevant standardization activities, and pointing to open research problems. By considering two multi-operator paradigms, we also showcase how terrestrial networks could be efficiently re-engineered to cater for aerial services, or opportunistically complemented by non-terrestrial infrastructure to augment their current capabilities.

研究の動機と目的

• 世界の人口のほぼ半数が現在接続されていない、特に農村・孤立地域に焦点を当て、グローバルなデジタル格差を是正すること。
• UAV、eVTOL、ドローンなど、3次元空域において信頼性の高い低遅延・高信頼性接続を必要とする高移動性航空サービスを支援すること。
• 将来的な需要に対応できない2次元地上ネットワークの限界を克服し、大量のIoT、没入型AR/VR、災害時における重要な通信を実現すること。
• 地上、高高度プラットフォーム（HAPS）、衛星ベースのネットワークを統合するにあたり、技術的・運用的・規格化上の主な課題を特定・解決すること。
• 複数のレイヤーおよび技術を横断するシームレスなハンドオーバー、動的リソース割り当て、サービス品質管理を可能にする統一された3次元ネットワークアーキテクチャを提言すること。

提案手法

• 2つのマルチオペレータ導入パラダイムを提案：(1) 航空用カバレッジを目的とした専用の傾けたセルを備えた地上ネットワークの再設計、(2) LEO衛星コンステレーションによる地上ネットワークの補完による範囲拡張。
• 再生型および透過型衛星ペイロードの利用を分析し、NTNベースステーション機能をサポートする。これにより、柔軟なバックホールおよび信号処理が可能になる。
• 現実的な地上からの空中通信チャネルモデルに基づく動的3次元無線リソース管理を導入。時間、周波数、電力、空間ドメインの多重化を活用し、干渉を低減する。
• GEO、MEO、LEO、HAPS、地上の各レイヤーを有する階層的3次元ネットワークアーキテクチャを構築。各レイヤーは遅延、カバレッジ、容量の面で異なるトレードオフを提供する。
• TNおよびNTNノード間で無線、計算、キャッシュリソースを動的に割り当てるサービスオchestレータを設計。これにより、断続的な接続があってもサービスの継続性が保証される。
• 3GPP規格化作業を相互運用性の基盤として活用。これにより、異種の3次元TN-NTNにおけるマルチベンダーおよびマルチオペレータ連携が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元空域における航空ユーザーの信頼性の高い低遅延接続を実現するために、地上ネットワークをどのように効率的に再設計できるか？
• RQ2 航空サービスのための専用の傾けた地上セルを導入するのと、LEO衛星オペレータのインfraをレンタルするのとでは、性能上のトレードオフは何か？
• RQ3 地上、空域、宇宙の各レイヤーにまたがる周波数共用環境下で、干渉を効果的に管理するにはどうすればよいか？
• RQ4 複数のレイヤーおよび技術を横断する高移動性航空ユーザーのシームレスなハンドオーバーを実現するには、どのようなモビリティ管理戦略が必要か？
• RQ5 3次元TN-NTNにおいて、無線、計算、キャッシュリソースの多様な特性を持つリソースを動的に割り当てることで、サービス継続性とQoE（サービス品質）を確保するにはどうすればよいか？

主な発見

• 専用の傾けた地上セルは航空ユーザーのサポートに有効であるが、地上ユーザーおよび周波数共用システムと共存させるには高度な干渉低減技術が必要である。
• LEO衛星コンステレーションは、十分に密度が高い場合にのみ、ほぼ天頂付近のカバレッジを提供でき、高高度ユーザーの継続的接続を可能にし、サービスの中断を低減する。
• GEO、LEO、HAPS、地上の複数のレイヤーを有する3次元ネットワークアーキテクチャは、遅延、カバレッジ、移動性要件に基づいた差別化されたサービス提供を可能にする。
• 現実的な地上から空中へのチャネルモデルに基づく動的3次元無線リソース管理は、異種ネットワーク展開におけるスペクトル効率の最適化と干渉低減に不可欠である。
• 効果的なネットワークオchestレーションには、動的なトポロジー、断続的なリンク、エンドデバイスおよびネットワークインfraの異なる移動パターンを考慮する必要がある。これにより、シームレスなサービス継続性が確保される。
• 3GPP規格化は、特にビーム再利用および異種技術間ハンドオーバーを含め、異種3次元TN-NTNにおける相互運用性とマルチオペレータ連携を実現するために不可欠である。