先端ネットワーク利用研究に関するワークショップADVNET 2023, 2023年10月5日

衛星地上連接技術を活用したBeyond 5Gシステムの研究開発
金井 謙治1)、鈴木 彩音1)、福元 徳広2)、中尾 彰宏1)2)
1)東京大学 工学系研究科
2)東京大学 情報学環・学際情報学府

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もくじ• 研究背景• 令和5年度電波資源拡大のための研究開発「多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発」✓次世代ハイスループット衛星（HTS）通信システム「技術試験衛星９号機（ETS-9）」を活用した衛星通信システムと5G通信システムの連接に向けた検討✓ 移動車両型の迅速展開かつ広域通信可能な通信システム✓ JGNを利用した衛星地上連接システムに向けたテストベッド✓低軌道衛星（LEO）通信システム（Starlink）における通信特性解析と改善に向けた検討3

研究背景（１）• 空、海、山岳を含む、あらゆる活動領域での高速・大容量な無線通信の需要の高まり• 深海・山岳といった危険地帯における遠隔探査・監視への期待• 地上系ネットワークと非地上系ネットワークの連携による課題解決• Beyond 5Gでは、宇宙から地上までの3次元ネットワークを実現• 衛星通信システムと5G通信システムの効果的な連接• 通信が未踏なエリアに対する5G通信が提供• 大規模災害時における緊急通信システムとして利用

NICT, “Beyond 5G／6G時代のNon Terrestrial Networks” https://www2.nict.go.jp/wireless/i_ntn.html

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研究背景（２）• 富士山は地上系の通信が脆弱な地域等の一つ• 地理的には山頂・主要山道に、時期的には登山シーズンに限定• 富士山での死亡事故のうち、75%が登山シーズン以外に発生• 富士山景観配慮条例（平成28年6月24日施行）などの制約• 新たに大規模な通信設備を敷設することの敷居は高い• 噴火・落石をはじめとした深刻な災害の危険性を持つことから情報通信システムの重要性は極めて高い• リアルタイムでの遠隔監視• 災害時の迅速な情報伝達

迅速に展開かつ広域な通信が可能な通信システムへの期待
富士山が噴火したらどうなる？想定される影響は？徹底検証(2)(2021)：NHK.

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令和5年度電波資源拡大のための研究開発「多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発」

次世代のハイスループット衛星（HTS）通信システム「技術試験衛星９号機（ETS-9）」を活用した衛星通信システムと5G通信システムの連接に向けた検討

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研究開発の目的と目標

・本研究開発は、技術試験衛星9号機（ETS-9）を利用した軌道上実証実験による総合評価を行うことを前提として、衛星のリソース配分を最適化するための制御技術を確立し、限られた周波数で多様なサービスへの対応や大容量通信を可能とすることを目的として実施する地上システムの研究開発
・従来のベントパイプ型HTS衛星通信システムに比べ周波数利用効率を２倍へ改善を目標として、衛星-地上連接技術や運用計画技術、衛星リソース制御技術の研究開発を実施
HTS：High Throughput Satellite
従来技術の課題（ﾍﾞﾝﾄﾊﾟｲﾌﾟHTS+衛星のﾌﾚｷｼﾌﾞﾙ化）
ユーザリンクトラヒック
要求の空間変動

ﾍﾞﾝﾄﾊﾟｲﾌﾟHTS➡
フレキシブル化

エリア固定➡
可変（DBF）フィーダリンク
フィーダリンク
選択

周波数固定➡
可変（ﾁｬﾈﾗｲｻﾞ）

次世代HTS

ユーザリンクトラヒック
要求の空間変動

エリア変更
周波数変更

ETS-9での実環境評価

周波数利用効率を2倍に改善

©JAXA

フィーダ
リンク選択
フィーダ
リンク
Ka帯地球局

Ka帯地球局

他の地球局

マルチビームマルチビーム

地上NW
トラヒック要求の時間変動

本研究開発実施後の成果（フレキシブルHTSのためのリソース制御技術の確立）

地上網との連接・ﾄﾗﾋｯｸ要求や回線条件は時々刻々と変化➡適切に割り当てなければ呼損やﾘｿｰｽの余剰が発生
・地上網との性能差➡QoSに課題➡限られた周波数を有効利用する衛星リソースの最適な制御技術が未確立

地上NW
トラヒック要求の時間変動

衛星地上連接によるQoSの課題克服

トラヒック要求
予測に基づく運用計画で時間軸上の適切なリソース割当

回線条件

衛星通信機器のリソース制御

研究開発項目

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NICTと東京大学が連携して実施

課題ア：
衛星通信システムにおける衛星－地上連接技術➢ 通信方式情報共有➢ 運用計画のためのインタフェースの調整・提供➢ 衛星運用計画の提供“衛星5G連携”⇒ 衛星と地上の回線条件差によるQoSの課題を5Gの新技術により克服➢ 衛星－地上連接システムの最適化➢ 評価のためのインタフェースの提供➢ 総合評価への協力

研究機関／大学
ア-1．システム全体構想・インタフェース（NICT）
ア-2．衛星－5G連接方式（東京大学）

課題イ：予測技術を活用した衛星通信システムの運用計画作成技術

課題ウ：
衛星リソース制御技術及び総合評価

変化する通信需要／回線条件に対応した衛星リソースの割当計画⇒ AIを活用した予測で時間軸上で適切に割当て衛星通信機器の制御＋課題アイウの有効性確認⇒ ETS-9の制御・実証環境構築・実証

研究機関／大学／企業
イ-1．衛星リソース割当方式（NICT）
イ-2．最適制御方式の理論検討（東北大学）
イ-3．通信需要・回線条件の予測技術（天地人）イ-4．実装検討・開発及び評価（三菱電機）➢ 運用計画のためのインタフェースの調整・提供➢ 衛星運用計画の提供➢ 衛星回線状態の授与➢ 総合評価への協力

研究機関／企業
ウ-1．衛星リソース制御技術（NICT、三菱電機）
ウ-2．衛星通信サブシステムの実証環境構築・機器実証（NICT、三菱電機）
ウ-3．総合評価（NICT）

フレキシビリティ機能を有するHTSのリソースの最適な制御技術の確立

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課題ア－２ 衛星ー５Ｇ連接方式検討及び開発
技術課題：衛星と地上網の連接には、衛星区間の遅延（約500msec）、衛星と地上網の伝送速度差（約100倍）、通信プロトコルの違いによって、実効伝送速度の低下や通信断が発生する課題がある。
実現手法

CUPS：Control and User Plane
Separation(制御信号/ユーザ信号分離）

5G新技術により課題を解決をする① CUPSと機能ブロックの細分化
衛星と地上の高度なインテグレーションで、より柔軟なネットワーク設計を実現② ネットワーク仮想化機能 (NFV)
サービス・アプリケーションに応じ、データ圧縮、プロトコル変換、MEC機能を柔軟に適用③ ネットワークスライシング
アプリケーションごとのリソース管理と適切なトラフィック制御の適用

HTS

5G機能ブロック細分化

制御信号

Network Function
Virtualization(NFV）
によりネットワーク処理
機能実装

ユーザ信号
ビーム制御

5G UE
5G端末

I-UPF

gNB
5G基地局
低遅延サービス➢ QoS制御➢ コーデック（データ圧縮等）➢ プロトコル変換➢ キャッシュ

UPF

UPF

地上広域ネットワーク

リソース要求衛星NOC
ビーム・リソース情報

５Gオーケストレータによるスライス管理制御（ネットワークスライシング）

MEC

MEC: Multi-access Edge Computing

衛星－地上系連携接続の提案構成

有効性：5G新技術の適用により技術課題が解決・軽減され、多様なサービスの高効率なトラフィック収容と経済性の高いシステムの実現が可能となる。

95Gシステムと衛星通信システムの連接形態の検討例• 衛星通信システムを5Gバックホールとして使用する形態
5Gシステム（gNB + 5GC）

• 衛星通信システムを5Gフロントホールとして使用する形態
5G基地局
（gNB）

5Gコア

福元 徳広, 中尾 彰宏, “衛星通信システムとの連接に向けた Beyond 5G システムの検討“ NS研究会2023年3月

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移動車両型の迅速展開かつ広域通信可能な通信システム• ローカル5Gシステムと衛星通信システムの一体型システム• 山梨県との連携：富士山で災害対策・減災活用を想定したローカル5Gシステムと衛星インターネットアクセスサービスを接続する技術実証に成功
ローカル5Gアンテナ
衛星通信システム

小型ローカル5G実証機
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-03-31-001

https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-11-25-002
https://businessnetwork.jp/article/11789/

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移動車両型の迅速展開かつ広域通信可能な通信システム• ローカル5Gシステムと衛星通信システムの一体型システム

https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-11-25-002
https://businessnetwork.jp/article/11789/

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5Gシステムと衛星通信システムの効果的な連接に向けた課題と目的• 大きく異なる通信特性を持つ5Gシステムと衛星通信システムによる実効伝送速度の低下や瞬断が発生する課題がある。
• 伝送速度差（10 – 100倍）、通信遅延差（50 msec ~ 500 msec）• 静止衛星（GEO）、低軌道衛星（LEO）による通信特性差• 多様なサービスの高効率なトラフィック収容と経済性の高いシステムを実現する• 検討内容の一例• 制御信号/ユーザ信号分離• MECを活用した柔軟なアプリケーション処理• 5Gと衛星通信区間のエンドツーエンドスライス（QoS、リソース制御）• GEO、LEOにおける通信特性把握（予測）• 転送効率化のための新たな通信プロトコル• GEOとLEOの適応選択（マルチオービット）

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5Gシステムと衛星通信システムの効果的な連接
低軌道衛星通信の周期的通信品質変動などを補償するアクティブキュー制御

鈴木彩音、金井謙治、中尾彰宏、“富士山におけるローカル5Gとの連接に向けた低軌道衛星通信の通信品質評価” IN研究会 2023年8月

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連携先のNICT側の取り組み～衛星地上連接システムにおけるスライシング～
阿部, 関口, 三浦，“多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発–衛星地上連接システムにおけるネットワークスライシングの検討–“ 総合大会
2023年3月より引用
スライス制御帯域制御
経路制御
5GとNTNのスライスマッピング

衛星通信制御（NICT）

制御要求

スライス制御5Gスライス制御（東大）

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JGNを利用した衛星地上連接システムに向けた
ETS-9
テストベッド模擬ノード
JGNを利用した
ETS-9テストベッド

DN
UE

gNB
（東大）

サービスリンク
地上局

フィーダリンク
地上局

5GC
（東大）
スライス制御（リソース制御）

NOC（オーケストレータ）（NICT）

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令和5年度電波資源拡大のための研究開発「多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発」

低軌道衛星（LEO）通信システム（Starlink）における通信特性解析と改善に向けた検討➢鈴木彩音、金井謙治、中尾彰宏、“富士山におけるローカル5Gとの連接に向けた低軌道衛星通信の通信品質評価” IN研究会
2023年8月➢鈴木彩音、金井謙治、中尾彰宏、“低軌道衛星コンステレーションにおけるTCP通信品質解析と評価” NS研究会 2023年9月

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研究課題① ~低軌道衛星（LEO）における通信品質の把握~
ローカル5G（L5G）とLEOを効果的に連接するためには、双方の通信品質や制御の違いなどを考慮した通信品質制御（QoS制御）のため、双方の品質特性の把握が必要だが、特にLEOにおける通信品質特性の把握は不十分［先行研究］• 評価地域を欧米と限定的• 時系列分析などを含んだ詳細な通信品質特性を評価した例は少ない• 所属する研究室での先行研究では富士山にてL5GシステムとStarlinkの接続性を検証したが、詳細な通信品質の評価・分析には至っていない[6][6] 福元 徳広, 中尾 彰宏, “衛星通信システムとの連接に向けた Beyond 5G システムの検討“ NS研究会2023年3月

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研究課題② ~LEOにおけるTCPにおける通信品質の劣化~• LEO環境におけるTCP通信時に、UDPと比較して大きく通信性能を劣化させている点について、詳細な解析までは実施されていない。

• TCP通信時の詳細な特性評価は、地上通信・LEOの連接に向け重要である。
• 多くのアプリケーションは、TCP（特にCUBIC）上で動作している• アプリケーションの変更は多大なコストが伴うことから、TCPの最適化を行う必要がある

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研究目的
••

•

•
•

LEOに代表されるStarlinkの通信品質評価を短期間の周期性に着目した詳細な分析を行い、その通信品質特性を明らかにする
Starlink利用時のCUBIC輻輳制御の課題点を示す
CUBIC輻輳制御の改善により期待される初期性能改善効果を示す

出典：TDSC「通信衛星の種類低軌道衛星」
https://www.planetnet.jp/blog/column0003/

QoS制御の一例として得られた通信品質特性に基づくバッファ制御の初期検討を行う
今後、上記にて明らかにしたCUBIC輻輳制御の課題点を解決可能な新たな輻輳制御を提案していく

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本研究の貢献••••Starlinkの通信品質特性が15秒の周期性で変動している点を明らかにする
上記の通信品質の周期変動がTCP（特にCUBIC）へ与える課題を示す•

周期境界にてRTTおよびパケットロスが増大する点•CUBIC輻輳制御が有効に機能しない点

通信品質の周期変動を考慮した初期CUBIC改善手法による期待される改善効果を定量評価する
Starlink特有の通信品質変動の周期性に着目したバッファ制御を考案しL5Gと衛星通信の効果的な連接のためのQoS制御実現に向けた初期考察を示す

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評価手法 〜評価実験と評価項目〜
評価実験

評価項目
••
•

pingによる往復遅延（RTT）
消費電力（従量/定常電力）
iperf3による上下方向のTCP/UDPスループット

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評価結果 〜定常電力特性〜
データ送受信以外の処理が定期的に発生約45Wの間を推移し不安定①

約30Wまで減少するも、定期的なピーク電力が生じる②

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評価結果 〜定常電力特性〜
ピーク電力から周期性を定量評価
1. ピークを抽出
2. その間隔を分析

大部分において、ピーク間隔が15秒となるStarlinkアンテナと衛星が通信を維持するための制御メッセージを定期的（15秒間隔）に送受信していることが推察される

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評価結果 〜UDPスループット特性〜
2つのアンテナのスループット変動タイミングが一致

図 UDPスループット変動※輻輳制御・再送制御の影響を除外••

スループットは一定の周期性に従い、ステップ状に変動
Starlinkの通信制御は一元的に同期されている

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評価結果 〜スループット特性〜 [5]
多くのアプリケーションが、TCP（特にCUBIC）通信であることから、CUBICの特性に注目する[5]【アップリンクスループット】
中央値約1/3、最大値約1/3【CUBIC】
スループットが大きく劣化
アップリンク最大約20Mbps
定期的な品質変動・Starlink通信リンク起因のパケットロスにより、輻輳ウィンドウを下げる[5] 鈴木彩音, 金井謙治，中尾彰宏，“富士山における ローカル 5G との連接に向けた低軌道衛星通信の通信品質評価”，信学技報，vol. 123，no.148, IN2023-26, pp. 52-57, 2023 年 8 月.

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評価結果 〜遅延特性〜
ピークが15秒の間隔で出現※ 先行研究で明らかにしたStarlinkの通信品質特性の変動周期と一致[5]周期性に関して世界中で同様な結果[7]が明らかにされつつあり、大規模な観測が行われようとしている。
Starlinkの通信品質特性が持つ周期性は、普遍的な現象といえる。
[5] 鈴木彩音, 金井謙治，中尾彰宏，“富士山における ローカル 5G との連接に向けた低軌道衛星通信の通信品質評価”，信学技報，vol. 123，no.148, IN2023-26, pp. 52-57, 2023 年 8 月.
[7] J. Garcia, et al., “Multi-Timescale Evaluation of Starlink Throughput”, LEO-NET 23

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評価結果 〜遅延特性〜

大部分は周期の切り替え時に発生【原因】キューイング
周期の切り替えでデータを送れない時間が発生している。

最大で10倍以上通常通信時

周期的なRTTの増大が実際の輻輳状況を反映しているのではないと考えられることから、周期性がTCPの輻輳制御に対して悪影響を及ぼす可能性がある32

CUBIC輻輳制御の解析 〜解析概要〜① Starlink特有の周期に着目することで、帯域を効率的に活用できていないことを明らかにする② ①の解析に基づき、低軌道衛星コンステレーションにおけるCUBIC輻輳制御の課題を整理する③ 周期境界のパケットロスに対し、理想的にCUBIC輻輳制御が機能した際の改善効果を定量評価する※輻輳ウィンドウの減少が、全てStarlink起因であり、かつ競合フローが存在しないという仮定

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CUBIC輻輳制御の解析 〜解析概要〜① Starlink特有の周期に着目することで、帯域を効率的に活用できていないことを明らかにする② ①の解析に基づき、低軌道衛星コンステレーションにおけるCUBIC輻輳制御の課題を整理する③ 周期境界のパケットロスに対し、理想的にCUBIC輻輳制御が機能した際の改善効果を定量評価する※輻輳ウィンドウの減少が、全てStarlink起因であり、かつ競合フローが存在しないという仮定

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CUBIC輻輳制御の解析 〜解析手法〜【輻輳ウィンドウの増加特性】
周期内での帯域最大化に要する時間に着目

1スロット（15秒）

周期内で初めて帯域を最大活用した点【輻輳ウィンドウの減少特性】
周期切り替えにおける輻輳ウィンドウの減少に着目→ スループットに概算37

輻輳ウィンドウの減少特性 〜評価結果〜
5割以上のスロットにて、スロット切り替わり時に輻輳ウィンドウが減少

スループット損失の概算値は中央値2Mbps以上、最大値5Mbps以上
CUBICスループットの1/4以上に相当

必要に応じて輻輳ウィンドウの減少を抑えることで、さらにスループットを向上させる余地がある40

輻輳ウィンドウの増加特性 〜評価結果〜
3割のスロットにて、5秒以上の時間を要する

輻輳ウィンドウの最大化にかかる時間
は、中央値8秒以上可用帯域の利用効率が低い（原因）
1. 周期の切り替えにおける輻輳ウィンドウの減少
1. 衛星リンク起因のパケットロス
2. RTTが大きいことにより、輻輳ウィンドウの更新が遅い

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CUBIC輻輳制御の解析 〜解析概要〜① Starlink特有の周期に着目することで、帯域を効率的に活用できていないことを明らかにする② ①の解析に基づき、低軌道衛星コンステレーションにおけるCUBIC輻輳制御の課題を整理する③ 周期境界のパケットロスに対し、理想的にCUBIC輻輳制御が機能した際の改善効果を定量評価する※輻輳ウィンドウの減少が、全てStarlink起因であり、かつ競合フローが存在しないという仮定

42

LEOにおけるCUBIC輻輳制御の課題整理
輻輳ウィンドウの減少特性• 5割以上のスロットにて、スロット切り替わり時に輻輳ウィンドウが減少• CUBICスループットの1/4以上に相当するスループットを損失

輻輳ウィンドウの増加特性• 3割のスロットにて、帯域最大化に5秒（スロットの1/3）以上を要し、その中央値は8秒以上

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LEOにおけるCUBIC輻輳制御の課題整理
低軌道衛星コンステレーションにおける輻輳制御改善に向けた検討• 通信品質モデルの確立• 帯域幅・遅延・パケットロスなど• 周期的に変動する帯域の予測• 周期ごとの帯域の増減など• パケットロスの発生要因の識別による悪影響の抑制• 輻輳によるものか / 周期性に伴う品質変動によるものか• → 上記に基づき新たな輻輳制御戦略手法を検討中である• ex) 周期境界のパケットロスを意図的に無視する手法

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CUBIC輻輳制御の解析 〜解析概要〜① Starlink特有の周期に着目することで、帯域を効率的に活用できていないことを明らかにする② ①の解析に基づき、低軌道衛星コンステレーションにおけるCUBIC輻輳制御の課題を整理する③ 周期境界のパケットロスに対し、理想的にCUBIC輻輳制御が機能した際の改善効果を定量評価する※輻輳ウィンドウの減少が、全てStarlink起因であり、かつ競合フローが存在しないという仮定

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CUBIC輻輳制御の改善に向けた検討
パケットロスの発生要因や周期境界を完全に識別できるという理想条件下にて、周期性に基づく通信品質特性の変化を考慮したCUBIC輻輳制御によって期待される改善効果を評価する

可用帯域の効率化
1. スループットの改善
2. 最大可用帯域到達までにかかる時間を短縮

47

CUBIC輻輳制御の改善に向けた検討
中央値約2Mbps、最大5Mbps以上のスループット改善が見込める

改善率の中央値は1.3倍以上

通信品質の周期変動が確定的に把握できるという理想条件のもと、CUBIC
輻輳制御に基づく理論算出によって、スループットの改善が期待できる47

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富士山研究所でのLEO通信品質測定環境

富士山研①

リアルタイムなデータ収集

富士山研②

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まとめと今後の予定【まとめ】• 令和5年度電波資源拡大のための研究開発「多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発」• 次世代ハイスループット衛星（HTS）通信システム「技術試験衛星９号機（ETS-9）」を活用した衛星通信システムと5G通信システムの連接に向けた検討• 低軌道衛星（LEO）通信システム（Starlink）における通信特性解析と改善に向けた検討【今後の予定】• JGNを利用した衛星地上連接システムに向けたテストベッドの構
築および有用性を実証• 富士山における衛星地上連接システムの実証

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謝辞

本研究の一部は総務省電波資源拡大のための研究開発「多様なユースケースに対応するためのKa帯衛星の制御に関する研究開発」(JPJ000254) の助成を受けたものです．