低軌道周回衛星におけるインターネット構築に関する研究

政策・メディア研究科２年山本 聡

sohy@sfc.keio.ac.jp

背景 通信インフラへの Needs の拡大

インターネットにおいて、可搬性、広域性、同報性、低遅延の要求

地上系通信インフラでは世界全体を覆うことはできない 海の上 基地局を置けない場所

モバイルインターネット環境 静止軌道衛星をインターネットに用いる

地上回線の敷設が困難な地域への通信インフラとして使われている（ AI3 などで実用済み）

静止軌道のため極地方を覆うことは物理的に不可能 軌道高度が高いため所要 EIRP が高く、端末の小型化に限界がある

低軌道衛星をインターネットに用いる 複数衛星を用いるため複雑かつコストが高い 多くのシステムが提案されたがすべてが一度躓くか転んだ 衛星の利点の同報性を生かしていない

静止衛星と低軌道衛星の差異

静止衛星 低軌道衛星遅延 片方向 250ms 片方向 5.4ms

( 高度 780km の場合 )

所要 EIRP 大きい( 地上局は大型 )

小さい( 地上局の小型化が期待される )

地表全体を覆う衛の数

理論上、３つ 数多くの衛星、イリジウム：６６( ネットワークが複雑 )

捕捉衛星 変化なし 時刻とともに切り替わる( 端末はハンドオーバを行う )

カバーエリア 極地方はカバーできない

地球全体

既存の低軌道衛星通信システムの概要

：低軌道衛星（地上に対して移動する）

•多くのシステムが携帯電話サービスの延長としてデザインされた•地球全周を 24 時間カバーできる•しかし、衛星の利点である同報性を実装し、それをサービスに生かしたものはない

：衛星の移動方向

本研究の目的 複数の低軌道周回衛星を用いたネットワークにおい

て、ブロードキャスト性、マルチキャスト性を応用したネットワークについて検討

衛星のネットワーク部分は例として現在のイリジウムを採用し検討を行う

新規データリンク層を提案することで、現在のPoint-To-Point 型の通信に、 Point-To-Multicast の通信を実現

衛星数、軌道高度等のパラメータが変わってもスケールする

サービス例 LEO ネットワーク上での SOI-ASIA の授業配信 リアルタイムで多地点での遠隔会議 災害時の緊急放送

前提とするネットワークモデル

イリジウムの場合 軌道数 :6 1 軌道上あたりの衛星数 :11

1 地点で衛星が切り替わるのに要する時間 :10 分

衛星の移動方向

LEO が地上に向けて送信したデータは、カバーエリア内の全ての地上端末が受信可能

LEO ネットワークに対する要求事項

LEO衛星の移動方向 次に接続する LEO

LEO

地上端末は、接続する LEO が切り替わっても同一の IP アドレスを保持( 通信のセッションを維持するため )

単一のブロードキャストリンクのカバーエリアが不変

LEO から地上に向けた通信をブロードキャスト型のリンクとして扱う

LEO の役割 LEO=L3 or L2

LEO は地上に対して移動するため、衛星上での IP パケットの交換機能が必要

衛星をルータとして実装すると、新しいルーティングプロトコルやインターネット機構に対応できない、というデメリットがある

LEO を L2 のノードとして利用する

提案モデル：衛星が L2 スイッチとして機能する 位置情報に応じてブロードキャストリンクを作成

衛星ビームエリアの footprint を組み合わせてブロードキャストリンクをカバー

・カバーしたい範囲に 応じて、自由に ブロードキャストリンク を作成できる仕組み・衛星を IP router として扱った場合に、 比べ、リンクの柔軟な 利用が可能

複数の衛星のビームを組み合わせて、自在な形状のブロードキャストリンクを構成

設計1 02

位置情報によって定義されたブロードキャストリンク

ブロードキャストリンク上の地上端末は論理的に同一リンクに属する

地上端末が送信したブロードキャストフレームは衛星間通信を用いてブロードキャストリンクをカバーする衛星に送られる

設計1 02

位置情報によって定義されたブロードキャストリンク

ブロードキャストリンク上の地上端末は論理的に同一リンクに属する

衛星が移動に応じて、ブロードキャストリンクをカバーする衛星を切り替える

地上端末が送信したブロードキャストフレームは衛星間通信を用いてブロードキャストリンクをカバーする衛星に送られる

評価 コンピュータシミュレーション

データリンクプロトコルを設計し計算機シミュレーションをおこなう

評価項目 オーバヘッドの算出 端末ハンドオーバ時の遅延、パケットロス率 衛星をルータとして用いた場合との比較

MIP を用いる 経路制御を用いる

何が明らかになるか 既存の Point to Point リンクで構成された低軌道衛星回線に、

本研究で提案するブロードキャスト機構を導入したことによる有効性

今後の予定 今後の予定

11月 -12月 提案モデルの検討 シミュレーション

1月 執筆

想定される成果 低軌道衛星を用いたネットワーク上で同報型の通信サービスを実

現するプロトコルの提案 応用できる範囲

複数の L2 サブネットを組み合わせて自由なサイズの L2 サブネットを作る仕組みを実現できる

細かいビームを組み合わせ、自由な形のビームパターンを得ることができる

何を想定するのか。 どうやって比較するのか。

モデルＡだけ＝これができれば、これとこれとこれができる。 モデルＡとモデルＢがあって、とりあえず提案する。あとで評価する。 とてもよくわかっている話、目的もいいと思う・・・が、中間発表では、 L2モデルと L3モデルで迷っています。

研究として、低軌道衛星ネットワークをインターネットで使うときのモデル化そのものが研究で、提案されるモデルが二つあって、どっちがいいかを提供する

中間発表の一時間後には、こっちでいくという絞込みができて、実際に使うシステムを作ることはできないけど、想定されるモデルでの問題点を

少なくともさあ、 sohがこうすると、何を想定するのか、 L3 だったら、・・・なる、 L2だったら、・・・なる。 これを想定して、 L2の方がいいだろう、本当に正しいかどうかわからないから、両方やる。 L2 寄りだけれど、正しいかどうか評価。 理由は、物理的な 宇宙は厳しい環境、精密機器は乗せられない。衛星は５年くらい前に設計したものを Soh の L2方式は、複数の衛星をバカHUBとして使うとか、インテリジェンススイッチ、 衛星がMACアドレスを見るぐらいならばできる。 なぜ難しいか。どのような計画によってポシャったかを説明。

明日の予定９：００に発表練習

コメントをもらったら向こうで修正

Soh:１１：４５ Kuma:13:45

設計

地上端末が送信したブロードキャストフレームは衛星間通信を用いてブロードキャストリンクをカバーする衛星に送られる

隠し：提案モデル A ：衛星が IP router として機能する

LEO1 LEO2 LEO3

衛星の移動方向 個々の LEOはルータとして振舞う

個々の端末は所属する LEOに関係なく不変のアドレスを持つ

LEOのカバーエリアごとに固有のネットワークプレフィックス

192.168.0.1 192.168.0.2 192.168.0.3

192.168.1.1 192.168.2.1 192.168.3.1

.1.2 .1.3 .1.4 .1.5 .2.2 .2.3 .2.4 .2.5 .3.2 .3.3 .3.4 .3.5

LEO2 LEO3 LEO4

192.168.0.2 192.168.0.3 192.168.0.4

192.168.1.1 192.168.2.1 192.168.3.1

.1.2 .1.3 .1.4 .1.5 .2.2 .2.3 .2.4 .2.5 .3.2 .3.3 .3.4 .3.5

ハンドオーバ発生時