[논문 리뷰] The Digital Divide in Canada and the Role of LEO Satellites in Bridging the Gap

Tuheen Ahmmed, Afsoon Alidadi외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Satellite Communication Systems인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 캐나다의 농촌 및 원격 지역의 디지털 격차를 해소하기 위해 저궤도 위성 기반 솔루션을 활용하는 실용적인 두 가지 접근법을 제안한다: (1) 기존 4G/5G 네트워크의 백홀로 LEO 위성을 통합하는 것과 (2) Starlink와 같은 LEO 위성 기반 기지국에 직접 사용자 단말기 연결을 허용하는 것. 주요 기여는 이러한 접근법이 인디언 공동체를 포함한 서비스 미흡 지역 주민들에게 캐나다의 목표 속도인 50/10 Mbps 대역폭을 제공할 수 있음을 입증하는 데 있다.

ABSTRACT

Overcoming the digital divide in rural and remote areas has always been a big challenge for Canada with its huge geographical area. In 2016, the Canadian Radio-television and Telecommunications Commission announced broadband Internet as a basic service available for all Canadians. However, approximately one million Canadians still do not have access to broadband services as of 2020. The COVID-19 pandemic has made the situation more challenging, as social, economic, and educational activities have increasingly been transferred online. The condition is more unfavorable for Indigenous communities. A key challenge in deploying rural and remote broadband Internet is to plan and implement high-capacity backbones, which are now available only in denser urban areas. For any Internet provider, it is almost impossible to make a viable business proposal in these areas. For example, the vast land of the Northwest Territories, Yukon, and Nunavuts diverse geographical features present obstacles for broadband infrastructure. In this paper, we investigate the digital divide in Canada with a focus on rural and remote areas. In so doing, we highlight two potential solutions using low Earth orbit (LEO) constellations to deliver broadband Internet in rural and remote areas to address the access inequality and the digital divide. The first solution involves integrating LEO constellations as a backbone for the existing 4G/5G telecommunications network. This solution uses satellites in a LEO constellation to provide a backhaul network connecting the 4G/5G access network to its core network. The 3rd Generation Partnership Project already specifies how to integrate LEO satellite networks into the 4G/5G network, and the Canadian satellite operator Telesat has already showcased this solution with one terrestrial operator, TIM Brasil, in their 4G network.

연구 동기 및 목표

• 기존에 넓게 존재하는 캐나다 농촌 및 원격 지역의 디지털 격차를 해결하며, 특히 넓은 대역폭 접근이 제한된 인디언 공동체에 영향을 미치는 문제를 다룬다.
• 노력이 크고 지리적으로 다양성이 높은 지역, 예를 들어 노스웨스트테리토리와 뉴나뷔트와 같은 지역에서 지상 백홀 인프라를 구축하는 데 직면한 과제를 분석한다.
• 기존의 파이버 및 마이크로파 백홀에 비해 확장 가능하고 비용 효율적인 대안으로서 LEO 위성 기반 기반 네트워크의 타당성을 평가한다.
• 네트워크 백홀링 및 직접 사용자 단말기 접근이라는 두 가지 LEO 기반 대역폭 공급 모델의 경제적, 기술적, 규제적 타당성을 평가한다.
• 특정 스펙트럼 할당 및 서비스 미흡 지역 주민들의 비용 부담 완화 조치를 포함하여 공정한 대역폭 접근을 지원하기 위한 정책 및 인프라 권고 사항을 제시한다.

제안 방법

• 3GPP 표준을 활용해 기존 4G/5G 모바일 네트워크의 핵심 네트워크 연결성을 보장하는 LEO 위성 기반 백홀 통합을 제안한다.
• LEO 위성이 기존 4G eNB 및 5G gNB를 핵심 네트워크에 연결할 수 있는 기술적 타당성을 분석하여, 새로운 인프라 없이도 이동 통신 사용자가 대역폭을 이용할 수 있도록 한다.
• Starlink 및 Telesat의 Lightspeed와 같은 LEO 멀티-위성 기반 기지국에 직접 사용자 단말기(UT)를 연결하는 방식을 평가하여, 사용자 장비를 통해 독립형 대역폭 접근을 가능하게 한다.
• 고이득 안테나, 고도화된 액세스 프로토콜, 콘텐츠 캐싱과 같은 기술적 지원 요소를 검토하여 네트워크 부하를 감소시키고 QoE를 향상시킨다.
• 위성 발사, 지상국 설치, 스펙트럼 라이선스, 위성 수명 주기 등 경제적 및 운영적 비용을 평가한다.
• 스펙트럼 간섭, 궤도 폐기물, LEO 위성 기반 기지국에서 발생하는 빛_pollution 등 규제 및 환경적 과제를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LEO 위성 백홀링은 새로운 지상 인프라 없이도 캐나다의 농촌 및 원격 지역 주민들에게 4G/5G 커버리지 확장을 얼마나 가능하게 하는가?
• RQ2 어떻게 Starlink와 같은 LEO 위성 기반 기지국에 직접 사용자 단말기를 연결하는 방식이, 접근이 어려운 지역에서 기존의 백홀 솔루션 대비 비용, 지연, 신뢰성 측면에서 비교되는가?
• RQ3 특히 인디언 공동체를 중심으로 하여 LEO 위성 기반 기반 네트워크를 대규모로 구축하는 데 있어 경제적 및 운영적 장벽은 무엇인가?
• RQ4 스펙트럼 할당 정책은 어떻게 인디언 공동체의 자치권을 강화할 수 있는가? 예를 들어, 인디언 공동체 전용 스펙트럼 할당을 통해 가능할까?
• RQ5 LEO 위성 기반 기지국에서의 간섭 및 충돌 위험은 무엇이며, 장기적인 시스템 신뢰성을 확보하기 위해 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• LEO 위성 백홀링은 새로운 지상 인프라 없이도 기존 4G/5G 네트워크를 활용해 농촌 및 원격 지역의 대역폭 커버리지를 확장할 수 있으며, 이는 원활한 이동 통신 대역폭 접근을 가능하게 한다.
• Telesat의 Lightspeed 위성 기반 기지국은 최초 298개의 LEO 위성으로 구성되며, 향후 1,671개까지 확장 가능하여 국가 차원의 대역폭 공급을 위한 위성 백홀링의 타당성을 입증한다.
• Starlink와 같은 위성 기반 기지국을 통한 직접 사용자 단말기 접근은 캐나다의 50 Mbps 목표 대역폭을 충족하는 속도를 제공하지만, 월간 요금(CAD$129)과 단말기 비용(CAD$699)으로 인해 접근성에 도전 과제가 있다.
• LEO 위성 발사 비용은 2000년의 kg당 $54,000에서 2018년에는 $2,720/kg으로 크게 감소하여, 이는 경제적 타당성을 향상시켰다. 이는 라이드셰어링과 대량 생산 덕분이다.
• 기술적 잠재력에도 불구하고 LEO 위성 기반 기지국은 Kessler 심리학적 위험(LEO에서 1cm 이상의 조각이 100만 개 이상로 추적됨)과 천문 관측에 영향을 주는 빛_pollution 등의 심각한 위험에 노출되어 있다.
• 규제 및 협업 과제는 여전히 높으며, 특히 NGSO와 정지궤도 위성 네트워크 간의 간섭 문제와 국제 스펙트럼 협조가 필요하여 처리량 저하를 방지해야 한다.