[논문 리뷰] 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)|2021. 08. 24.

Satellite Communication Systems인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저궤도 위성 기반의 광대역 대역폭 용량과 사용자당 비용을 평가하기 위한 일반화 가능하고 오픈소스 기반의 기술경제 모델을 제안한다. 위성 수와 사용자 밀도를 변화시켜 스타링크, 원웹, 쿠이퍼를 시뮬레이션한 결과, 사용자 밀도가 높아질수록 사용자당 대역폭이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 특히 1명/km²의 밀도에서 스타링크는 2.49 Mbps, 원웹은 0.10 Mbps로 감소하여, LEO 시스템이 지상 대안보다 경쟁력을 가지기 위해서는 사용자 밀도를 0.1명/km² 이하로 유지해야 함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저궤도 위성 기반 기반의 광범위하게 적용 가능한 오픈소스 기술경제 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 위성 수와 사용자 밀도를 변화시키며 스타링크, 원웹, 쿠이퍼의 공학적 및 경제적 성능을 평가하기 위해.
• 인구 밀도와 위성 기반 기반 매개변수를 바탕으로 글로벌 지리적 지역별 사용자당 대역폭과 비용을 추정하기 위해.
• 연구자, 엔지니어, 정책 입안자들이 분석을 재현하고 확장할 수 있도록 공개된 코드베이스를 제공하기 위해.
• 지상 대안과의 비교를 통해 LEO 광대역 서비스의 실현 가능성에 대한 정량적 정보를 제공함으로써 정책 및 툈자 결정을 지원하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 위성 수, 비추출 영역 크기, 주파수 재사용 등 공학적 매개변수와 경제적 비용 모델을 통합하여 사용자당 용량과 비용을 시뮬레이션한다.
• 위성 수와 대역폭 할당 등의 위성 기반 기반 매개변수를 校정하기 위해 공개된 규제 서류(FCC, ITU 등)와 재무 데이터를 활용한다.
• 10 km² 격자 셀 내에서 균일하게 분포된 것으로 가정하여, 세계 각국의 지역별 사용자 공간 분포를 모의한다.
• 스펙트럼 효율성과 다중접근 제약 조건을 기반으로 사용자당 대역폭을 추정하며, 시간분할다중접근(TDMA) 및 비추출 영역 간 주파수 재사용을 가정한다.
• 다양한 사용자 수 시나리오에 대해 총 대역폭과 사용자당 비용을 계산하며, 95% 신뢰수준에서 신뢰구간을 보고한다.
• 모델는 오픈소스 코드로 구현되어 공개 저장소에 배포되어 재현성과 확장성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 지역에서 사용자 밀도가 증가함에 따라 LEO 기반 기반의 사용자당 대역폭은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 실제 배치 시나리오에서 스타링크, 원웹, 쿠이퍼의 사용자당 비용은 얼마로 추정되는가?
• RQ3 LEO 기반 기반의 광대역 서비스가 지상 대안보다 경제적·기술적으로 경쟁력을 失하는 사용자 밀도는 어느 정도인가?
• RQ4 위성 수와 궤도 구성의 차이가 다양한 기반 기반의 총 대역폭과 사용자당 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 인구 밀도와 대역폭 추정치를 바탕으로 LEO 광대역 서비스가 가장 실현 가능한 지리적 지역은 어디인가?

주요 결과

• 사용자 밀도가 0.1명/km²(10 km²당 1명)일 경우, 스타링크의 평균 사용자당 대역폭은 24.94 Mbps, 원웹은 1.01 Mbps, 쿠이퍼는 10.30 Mbps로 측정되었다.
• 더 높은 밀도인 1명/km²일 경우, 사용자당 대역폭은 스타링크 2.49 Mbps, 원웹 0.10 Mbps, 쿠이퍼 1.02 Mbps로 감소하였다.
• 95% 신뢰수준에서 스타링크, 원웹, 쿠이퍼의 총 대역폭은 각각 11.72±0.04 Gbps, 3.43±0.01 Gbps, 7.53±0.03 Gbps로 추정되었다.
• 중앙 아시아, 서아프리카, 동유럽 등 저밀도 지역은 사용자 분포가 흩어져 있고 스펙트럼 재사용이 제한되어 있어 대역폭이 10 Mbps 이하로 낮게 나타났다.
• LEO 기반 기반은 사용자 밀도가 0.1명/km² 이하일 때 가장 실현 가능하며, 이보다 높은 밀도에서는 사용자당 성능이 크게 떨어지고 지상 대안과의 경쟁력이 떨어진다.
• 오픈소스 코드베이스는 향후 텔레세이트와 같은 새로운 기반 기반을 위한 모델의 재현 및 확장 가능성을 보장하며, 더 넓은 기술경제 분석을 지원한다.