5G-Advanced および 6G 向けの NTN

効果的な NTN シミュレーションはジオメトリ (距離、仰角、視角、ドップラー、時間に対するレイテンシ) から始まります。なぜなら、これらの条件が、下流のほぼすべての性能劣化を引き起こすからです。次に、伝播損失の要素を重ね合わせ、自由空間の影響と大気損失 (雨、気体、雲/霧、シンチレーション) を組み合わせて、アクセスウィンドウ全体にわたる可用性統計を算出します。フェージングや選択性が重要な場合、規格に基づく NR NTN チャネルモデル (例: TR 38.811 の狭帯域/TDL ファミリ) を使用すると、一貫性を維持しながら受信機の負荷試験を行えます。最後に、このモデルはアレイとビームを表現しなければなりません。ステアリングの制限、指向誤差、偏波、ビーム間の干渉 (特にスペクトル再利用の場合) は、リンク品質やシステム容量に直接影響を及ぼします。

実践的な MATLAB^® のワークフローでは、通常、satelliteScenario を使用したシナリオおよび軌道モデリングから始め、アクセスウィンドウや時変ジオメトリを生成します。その後、エンジニアは 衛星リンク バジェット アナライザーアプリを用いて、静的および時間変動型のリンクバジェットを算出し、実現可能性を検証します。これには、ITU-R P.618 に基づく可用性解析も含まれ、アンテナ、EIRP、G/T の必要値を決定し、帯域の選択肢を評価します。次に、波形および PHY に関する調査では、5G Toolbox™ と NR NTN チャネルモデルを組み合わせて、ドップラーや遅延の変動下における同期の堅牢性、チャネル推定、BLER、スループットを評価します。その後、このワークフローでは、ビームフォーミングや、アレイ、ビームスクイント、量子化効果、PA の非線形性といった RF 領域の現実的な挙動を追加し、リンク品質を抽象化することでシステムの KPI に拡張します。この手法により、アルゴリズムの設計から実験・実地試験に至るまでのプロセスが構築されます。

NTN システムにおいて、リンクバジェットは実現可能性を決定し、可用性は、経時的に性能目標が達成されるかどうかを規定します。エンジニアは通常、C/N₀、E_b/N₀、変調・符号化に関連するマージン目標値を用いてリンクを早期に閉じ、その後、アクセスウィンドウ全体を通じて距離、仰角、指向角が変化するにつれて、それらのマージンの経時的な変化を検証します。特定の帯域や仰角では、大気損失過程が支配的になる場合があります。その結果、可用性が主要な KPI となります。設計目標は、多くの場合、ジオメトリや気象条件下における「目標を達成する時間の割合」として定義されますが、これは特にゲートウェイやフィーダーリンクにおいて極めて重要です。

NR NTN PHY の性能を評価するには、ドップラーや遅延効果を BLER やスループットと関連付けるエンドツーエンドのシミュレーションが必要です。通常、各チームは、ドップラーに起因する障害や、それらが同期とチャネル推定に及ぼす影響を把握するために、導入環境に合わせた NTN チャネルモデル (多くの場合、3GPP TR 38.811 に基づいて構築) を使用して、物理チャネル シミュレーションを実行します。ドップラーの軽減策は、明示的にモデル化されています。これには、送信機側の事前補償と受信機側のトラッキングが含まれており、これにより残留 CFO が現実的なエフェメリスと発振器の誤差を反映するようになっています。手順の感度が重要な場合、時変伝播遅延を考慮して、タイミングアドバンス、HARQ の動作、バッファリングに対する影響が評価されます。これらの影響をパフォーマンス メトリクスに換算するには、スループット基準ワークフロー (例: NR NTN PDSCH スループット方式のシミュレーション) によって、チャネル条件を復号化後の BLER とスループットにマッピングします。

NTN システムにおけるビームフォーミングでは、メインローブの方向だけでなく、広角ステアリング、ハードウェアの制約、干渉も考慮に入れる必要があります。ステアリング角度が広いと、スキャン損失やカバレッジのばらつきが発生し、サービスエリア全体でのリンククロージャーに直接影響を及ぼします。広帯域システムでは、ビームスクイントなどの周波数依存の影響によってビームパターンが歪む可能性があるため、アレイの設計や重み付けにおいてこれらを考慮する必要があります。また、実運用上の制約も重要な要素です。位相量子化、素子のばらつき、キャリブレーション誤差は、サイドローブを形成し、特にビーム間でスペクトルが再利用される場合に干渉に影響を及ぼします。送信機や受信機の障害も、性能に対してさらに悪影響を及ぼします。パワーアンプの非線形性、EVM、スペクトル再成長、受信機の量子化は、いずれもリンク品質に影響を及ぼすため、RF 領域の動作とスループットを関連付ける際にはこれらを考慮に入れる必要があります。複数のビームがスペクトルを共有する場合、干渉はシステムレベルの制約条件となります。ヌルステアリングや干渉緩和といった技術は、単にリンクゲインを向上させるだけでなく、容量を維持するためにも不可欠です。(エンドツーエンドのエンジニアリングの解説については、Web セミナー「MATLAB による NTN システム向けビームフォーミング (29:49)」をご覧ください。)

NTN のチームは、多くの場合、「継続的検証」というコンセプトに基づいて設計検証を行っています。つまり、シミュレーションで使用したモデルと同じ参照モデルを、プロトタイピングやテストでも再利用しています。具体的には、MATLAB で波形を生成・解析し、SDR や RF 計測器に接続して、障害に対する感度や受信機の堅牢性を検証します。その後、実装ワークフロー (必要に応じてコード生成や FPGA による高速化を含む) を活用し、検証チェーンを完全な状態に維持したまま、アルゴリズムをリアルタイム制約に適合させます。

完全な衛星ネットワークスタックを構築しなくとも、PHY の範囲を超えて拡張するため、多くのチームはシナリオトレースから着手しています。アクセス間隔や時変ジオメトリ (仰角、ドップラー、レイテンシ) が、リンク品質の時系列データを形成します。パケットごとに波形処理を繰り返し実行するのではなく、C/N₀ または SINR を、リンクレベルの研究から導き出された MCS/スループット曲線にマッピングすることで、PHY を抽象化します。次に、離散イベントモデルは、キュー、スケジューリング、ハンドオーバー、ゲートウェイの選択のほか、必要に応じて ISL の可用性を表現し、レイテンシ/ジッター、パケットロス、および公平性を算出できます。ルーティングやトラフィック エンジニアリングは用途ごとに異なるため、スケーラブルな調査では通常、設計上の決定に最も大きな影響を与えるネットワーク動作を最初に組み込み、その後、スクリプトによるパラメータースイープやシナリオの自動化を通じて調査範囲を拡大していきます。