[論文レビュー] Leo-Based Optical/Microwave Terrestrial Communications

A. Meulenberg, Rahul Suresh+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2010

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、地上付近の環状に配置された小型衛星を光ファイバーで接続することで、高スループットかつ低遅延なグローバル接続を実現する、新しい低軌道（LEO）光学・マイクロ波通信システムを提案する。衛星内通信リンクには光ファイバーを、地上リンクにはマイクロ波（Ku帯／低Ku帯）を組み合わせることで、遅延を低減し、高容量なグローバルカバレッジを実現し、従来の衛星コンステレーションや地上光ファイバー網に代わるコスト効率の高い代替手段を提供する。

ABSTRACT

We propose a LEO-based communication system that is built by deploying circum-terra, optic fibers connecting hundreds of small (perhaps) phased-array-communications and RF-signal-transfer antennas around the earth on multiple rings. The proposed LEO-earth connection will be through microwave links (Ku or low-Ka band) and many of the ISL's through the optic-fiber rings. Inter-ring connectivity could be with either high-Ka band or optical (laser) links. The initial ring would serve to complement existing terrestrial fiber networks; but, the system would expand with additional rings into non-equatorial planes to provide global connectivity. The proposed system would make use of connectivity & broadcasting capability of satellite constellations as well as the high throughput point-to-point capability of optic-fiber systems. The advantages, options, and economics of the proposed LEO optic-fiber / microwave communication system over existing terrestrial- and space-communication systems (of similar functionality) as well as the future development of the system are dealt with in the paper.

研究の動機と目的

• 光ファイバーの高スループットと衛星通信のグローバルカバレッジを組み合わせた、低軌道（LEO）通信システムの開発。
• 従来のGEO衛星（例：高遅延）および地上光ファイバー網（例：高コスト、地形的制約）の限界を克服すること。
• 複数の軌道環に配置された小型で光学的に接続された衛星の展開により、農村地域や遠隔地を含むグローバルな接続性を実現すること。
• 将来の宇宙インfraストラクチャー（例：宇宙エレベーター、太陽エネルギー発電所）の技術的・経済的基盤を確立すること。

提案手法

• 地球の周囲に複数のLEO環状に、多数の小型で位相配列アンテナを備えたマイクロ波および光ファイバーで接続された衛星を展開する。
• 衛星内通信リンクに光ファイバー環を用い、無線周波数帯域への依存度を低減する。
• Ku帯または低Ku帯のマイクロ波リンクを用いてLEOから地上への通信を実現し、ビームフォーミングおよび位相配列アンテナを活用して高精度を達成する。
• 環間接続には高Ku帯またはレーザーリンクを用い、赤道面を超えたグローバルカバレッジを実現する。
• 40個のサブサテライト、20 kmの光ファイバー、導電性ファイバーを備えた実験的プロトタイプフェーズを実施し、安定性、電力伝送、通信機能の妥当性を検証する。
• 光ファイバー伝送距離（10Gbps、1スパンあたり56.7 km）のリンク予算およびコスト分析を実施。1環あたり76台のリピーターが必要であり、初期環の総システムコストは約14億ドルと推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEOにおける光ファイバー環は、RFまたはレーザーリンクと比較して、なぜより優れた衛星間通信を実現できるのか？
• RQ2 熱的および動的応力にさらされるLEO環境下で、長く安定した光ファイバー構造を展開・維持することは技術的に可能か？
• RQ3 既存の衛星コンステレーション（例：Iridium、Globalstar、Teledesic）および地上光ファイバー網と比較して、本システムのコストと性能はいかがなっているか？
• RQ4 LEOで約40,000 kmにわたる10Gbpsの光ファイバー伝送に必要なリピーター数と電力予算はどの程度か？
• RQ5 マイクロ波および光リンクがハイブリッドLEOアーキテクチャで効果的に共存できるか。これにより、低遅延・高容量なグローバル接続が実現可能か？

主な発見

• 初期LEO環では、40,000 kmにわたる10Gbpsの光伝送を実現するため、76台のリピーターが必要であり、全スパン損失は18.7 dB、電力余裕は30 dBmである。
• 初期環の総コストは約14億ドルと推定され、その内訳は40基の衛星（1基1000万ドル）で4億ドル、打ち上げ費用2億ドル、軌道上修理ロボット2億ドル。
• 光ファイバーのスパンは、分散、モード分配損失（PMD）、非線形効果などの累積損失のため、1スパンあたり56.7 kmが限界であり、頻繁な増幅が必要となる。
• Ku帯上行・下行リンクの性能は雨衰え（最大10 dB損失）の影響を強く受けるが、大型アンテナまたは補助システムを用いることで妥当な性能を達成可能。
• GEO衛星と比較してほぼ無視できるほどのループ・トランジット遅延（GEOでは約0.5秒）を達成し、インタラクティブサービスに適している。
• リンク余裕の分析から、LEO KU帯の受信電力は-126.22 dBWに達しており、適切な利得と電力制御により、非常に高い実現可能性を示している。