概要

この記事では、地球低軌道 (LEO) 衛星の展開を促進する主要な市場動向を紹介します。 LEO 衛星システムの基本的な動作について説明し、次世代の Ku および Ka バンド LEO ユーザーと地上端末を可能にする半導体 RFIC の進歩の一部を紹介します。

LEO コネクティビティ — 成功への道

衛星通信 (satcom) は、音声、ビデオ、およびデータを転送するための確立された手段であり、静止赤道軌道 (GEO)、地球中軌道 (MEO)、および LEO と呼ばれる一般的な軌道全体でさまざまなユースケースで使用されています。 Satcom は、ナビゲーション、気象情報、TV 放送、音声、およびデータのために GPS を通信する効果的な手段と見なされており、画像処理や科学ベースのアプリケーションにも使用されています。 ただし、約束された高速インターネット接続の新しい波は、LEO 衛星コンステレーションの周りで計画されています。 これにより、次世代インターネット通信用の低遅延で大容量のブロードバンド接続が実現します。

LEO 衛星は、5G セルラー接続の継続的な展開において重要な役割を果たします。 衛星ネットワークは 3GPP 標準化にますます関与するようになっており、将来のネットワークで期待される役割は十分に開発されています。 2017 年には、3G 接続内の衛星通信ネットワークの実現可能性を理解するために、5GPP 標準化団体内で活動が開始されました。 15GPP 標準のリリース 16、17、18、および 3 を通じて、これらのネットワークの統合をサポートするためにいくつかのアクティビティが開発されました。 LEO 衛星は、十分なサービスを受けていない地域に広域カバレッジを提供し、移動中の人々にサービスの継続性を提供し、マシン ツー マシン (M2M)/モノのインターネット (IoT) デバイスに接続し、5G の注目すべきアップグレード パスとなることができます。費用対効果の高い方法。

次世代の LEO システムは、地上 500 km から 2000 km の間を周回し、過去の衛星ネットワークに技術的に優れたソリューションを提供します。 このように地球に近いということは、消費者またはビジネスのユース ケース (たとえば、インターネット ゲームやリアルタイムでの産業/医療機器の制御) にとって重要な低遅延接続を提供することを意味します。 LEO 衛星は、たとえば 50 ミリ秒の GEO と比較して、約 20 ミリ秒の遅延を提供する必要があります (これは、次世代技術によって 700 ミリ秒未満に改善される予定です)。

LEO 衛星の主な実現要因は、軌道が低いため、放射線への被ばくがはるかに低いことです。 これは、費用がかかり、時には法外な放射線耐性試験を緩和できることを意味するため、重要です。 これにより、LEO 衛星の建設コストが大幅に削減されるため、規模の経済が生まれます。 放射が少ないということは、半導体プロセスの利用可能性が広がり、したがって使用するコンポーネントが増えることを意味します。

より低い軌道を考えると、はるかに多くの衛星が配備されることが予想されます。 このような衛星の平均寿命は、以前の使用例よりもはるかに短くなります。 おそらく 5 年から 8 年の間に、これらの衛星は軌道から外れ、交換が必要になります。 LEO 衛星は、代替衛星の打ち上げと再打ち上げに費用対効果が高くなければなりません。

LEO ブロードバンド コネクティビティのビジネス ケースが力強く見え始めているため、これらすべての傾向により、業界のウォッチドッグは注意を払っています。 1990 年代のことを思い出すと、このインターネット ベンチャーはいくつかの企業の目標でしたが、残念ながら導入コストが高く、需要が限られていたため失敗に終わりました。 今日に至るまで、前例のない性能と統合を実現する半導体技術の目覚ましい進歩が見られます。 より田舎の環境や十分なサービスを受けていない環境での高速で低遅延のインターネット接続に対する指数関数的な需要と、衛星通信の 5G 標準への統合と相まって、未来の LEO コンステレーションは、成功のためのはるかに優れたプラットフォーム上にあります。

これを書いている時点では、ユーザーは 100 Mbps の最大ダウンリンク データ速度を達成できると予想されており、これは将来的には 150 Mbps まで拡張される可能性があります。これは、マルチユーザーのフルタイム ビデオ ストリーミングに最適です。

LEO の課題の XNUMX つは、絶えず移動する衛星の性質です。実行可能な最小限のサービスになるには、コンステレーションを完全に展開する必要があります。 これは、低軌道を考えると、LEO 衛星の数が多くなるため、初期費用が高くなることを意味します。 しかし、そうであっても、これは今のところ成功を妨げるものではないようであり、ユビキタスカバレッジのビジネスケースは投資家にとって強力です.

LEO衛星システムはどのように機能しますか?

LEO 衛星通信システムは、図 1 に示すように、XNUMX つの主要コンポーネントで構成されています。

ユーザー端末/ユーザー機器 (UE)

これらは、ユーザーと衛星間の直接リンクであり、低コストで、家庭にあるセットアップが簡単な端末になる傾向がありますが、モバイル端末 (たとえば、海上、移動中の衛星通信、戦術的なマンパック ラジオ) の場合もあります。 ユーザー端末は高レベルの IC 統合を利用して、部品表 (BOM) を簡素化し、コストを削減し、小さなフォーム ファクターを維持します。

地上局/ゲートウェイ

これらは、通常はファイバーを介したサーバー (インターネット接続用のデータ センター) への地上接続であり、衛星を地上にリンクします。 それらは地球上の固定された場所に配備されています。

衛星

衛星のグループは星座と呼ばれ、これらは地球を周回し、端末とゲートウェイの両方を接続する同時リンクを提供します。

LEO 衛星は宇宙を横切って移動し、通常、単一の衛星が軌道周期と呼ばれる 90 分から 110 分の期間で地球を周回します。 このため、サテライトに接続しているユーザーは、そのサテライトの範囲内に短時間 (最大 20 分) しか滞在できません。 したがって、平均的なユーザーは、通常の操作中に複数の衛星に接続します。 したがって、システムのユーザーは、移動中の車内で携帯電話を使用し、セルラー ネットワーク内の XNUMX つの基地局が別の基地局にハンドオフするのと同様の方法で、範囲内に入ってきた他の衛星にハンドオフする必要があります。 これは、最も適切な衛星への最良のリンクを維持するためにビームを操縦する方法に厳しい要件を課します。

もう 1 つの興味深い進化は、衛星システムが地上局の範囲外にある場合に動作を維持する方法です。 図 XNUMX では、地上局へのリンク速度に影響を与える可能性のある悪天候を示しています。 従来、人工衛星は曲がったパイプを使用していました。つまり、人工衛星は、地球または他の手段 (航空機) へのリンク パスを常に見つけて、宇宙の別の人工衛星に戻るホップとして機能し、地上局の範囲内にある可能性があります。 新しい技術は、宇宙で光または V および E バンド接続を使用して衛星をリンクする衛星間リンクによるものです。

ユーザー端末のアップ/ダウンコンバーターの進歩

ユーザー端末は、かなりのレベルの IC 統合を促進しており、アナログ・デバイセズは、シリコン・プロセス技術の性能と統合機能を活用することで、この需要に応えています。 これらのソリューションでは、最小のフォーム ファクタの無線端末を実現するために、最高レベルの IC 統合が必要となりますが、消費電力を最小限に抑え、無線あたりの最適なコストを厳密に遵守する必要があります。

アップ/ダウンコンバーター (UDC) は、ユーザー端末の基盤となる製品であり、モデム IF またはベースバンド情報を Ku バンドまたは Ka バンドに直接インターフェイスします。

RFIC UDC の周波数カバレッジの目標は次のとおりです。

• Ku バンド: ~10.7 GHz ～ ~14.5 GHz
  • ダウンリンク (衛星から地上): 10.7 GHz ～ 12.7 GHz
  • アップリンク (地上から衛星): 14 GHz ～ 14.5 GHz
• Ka バンド: ~18 GHz ～ ~31 GHz
  • ダウンリンク (衛星から地上): 17.7 GHz ～ 21 GHz
  • アップリンク (地上から衛星): 27 GHz ～ 31 GHz

ダウンリンクとアップリンクは周波数が分離されているため、衛星からユーザー端末への通信には XNUMX つの別々の周波数帯域が使用されます。 したがって、RFIC メーカーは、各ユーザー端末のアップ コンバーターとダウン コンバーターを別々の帯域用に設計する必要があります。

アップリンクとダウンリンクに応じて、ユーザー端末リンクは通常、125 MHz ～ 250 MHz のチャネル帯域幅 (BW) をカバーし、ゲートウェイは 250 MHz ～ 500 MHz をカバーします。 ただし、展開によっては、ユーザー リンクとゲートウェイ リンクの間で帯域幅を共有できるため、動作する周波数でチャネル帯域幅を再構成できます。

LEO 衛星は、図 1 に示すように絶えず移動しています。したがって、端末内のアップ/ダウンコンバーター周波数シンセサイザーは、中断のない接続のために高速ロック時間を達成する必要があります。 シンセサイザーは、周波数のアップコンバージョンとダウンコンバージョンを支援するために使用されます。 これらは、端末が運用中にさまざまな衛星に接続および再接続できるようにする上で重要な役割を果たします。これは、空中の周波数が運用帯域 (つまり、Ka および Ku 帯域) 内で衛星間で絶えず変化するためです。

アナログ・デバイセズは、サイズ、重量、面積、電力、およびコスト (SWaP-C) の問題に対処するために、ユーザー端末を対象とした Ku および Ka バンド UDC のファミリーを開発しました。 これらの UDC には、フィルタ、アンプ、アッテネータ、PLLVCO、電力検出などの広範な RF および IF 信号調整が含まれています。 すべての IC は、ユーザー端末のシグナル チェーンのパフォーマンスを考慮して意図的に設計されています。 ADMV4630/ADMV4640 は、サテライト モデムへの IF インターフェイスをサポートする Ku バンド UDC であり、図 2 および 3 に示され、表に示されている IC のパフォーマンスのハイライトを示しています。

アナログ・デバイセズは、より高い周波数の Ka バンド向けに、I/Q ベースバンド・インターフェースを必要とする衛星通信モデムをサポートする ADMV4530/ADMV4540 UDC (図 4 および図 5) を開発しました。 ADMV4530 アップコンバータは、IF インターフェイスもサポートできるデュアルモード デバイスであることに注意してください。 シリコンで設計されたこれらのソリューションは、これらの大量の端末アプリケーションに見られる統合のプレッシャーを管理するために最高レベルの統合を提供します。

高性能ターミナル UDC

端末市場内の一部のアプリケーションはパフォーマンス主導型であり、サイズと最低コストの設計目標に対する制限が少なくなっています。 ディスクリート RFIC ソリューションを自由に使用できます。 コンポーネントを個別のパッケージに保持することで、MESFET、pHEMT、BiCMOS、CMOS IC などのプロセス技術を組み合わせて設計要件を最適化できます。 ディスクリート設計により、さまざまなタイプの性能とサイズのトレードオフが可能になり、設計プロセスで最大限の柔軟性が得られます。 設計者は、より高い出力電力を提供し、より広い帯域幅をサポートする高性能無線を作成できます。 さらに、ダイナミックレンジを改善するためのより高いレシーバ感度と改善されたスプリアス性能を達成することができます。 地上局/ゲートウェイもこのソリューションのカテゴリに分類されることに注意してください。 ゲートウェイはサイズが大きく、ターミナル レベルでの同じ統合要求によって動かされるわけではありません。 ゲートウェイは、さまざまなプロセス技術を活用して、最もパフォーマンスが最適化されたソリューションを市場にもたらします。 アナログ・デバイセズでは、ユースケースに対応するために、ディスクリート・ソリューションのポートフォリオを拡大し続けています。 図 6 は、ディスクリートの高性能ソリューションを示しています。

電子制御アンテナを使用したユーザー端末のコスト削減

企業は、機器を取り付けて衛星位置を特定するプロの請負業者に従来関連付けられていた高価な設置コストを取り除くことにより、ユーザー端末の展開コストを削減することに重点を置いています。 これは、単一の屋外ユニット (ODU) で通信リンクを処理するために必要なすべての電子機器 (位相シフト要素、RFIC UDC など) とアンテナを組み合わせることによって実現されます。 ODU は、家の外にあり、空に向けられたアンテナ アレイです。 屋内ユニット (IDU) は ODU に接続され、ユーザー (PC や電話など) にインターネット接続を提供する従来のルーター (有線または無線) として機能します。

前述のように、LEO コンステレーションには、地上端末の視野に出入りする多くの衛星があるため、送信ビームと受信ビームを電子的にステアリングすることで高い指向性を実現できる電子操縦可能アンテナ (ESA) を使用する方がはるかに効率的です。衛星の方向のエネルギーの。 これにより、衛星がユーザ端末の視界に入ったり見えなくなったりするとき、衛星間のほぼ瞬時の切り替えにより、ある衛星から別の衛星への最良のリンクが維持される。 実際、軌道周期と通常の運用中に接続する必要がある衛星の数を考えると、ESA はほぼ必須です。

この課題に対処するために、アナログ・デバイセズは、Ku バンドのビーム形成集積回路 (BFIC) 技術を開発しました。 ADMV4680 は、ユーザー端末用に設計されたシリコン ソリューションで、半二重チャネルが信号のゲインと位相を個別に制御できるようにします。 注目すべきは、このICのサイズがわずか8.2mmであることです。² 図7に示すように。

全体的な無線コストを最小限に抑えるための BFIC テクノロジの開発の核となるのは、システムとアレイの専門知識です。 積層や層数を含む機械的アセンブリと PCB 設計は、無線コストの要因の一部です。 機械設計と PCB 設計を念頭に置いて BFIC を開発すると、全体的な無線コストが最小限に抑えられます。 アナログ・デバイセズでは、お客様と緊密に協力し、社内に PCB の専門家を配置してこれを支援しています。 実際、IC の設計と最終的な構成は、システムのトレードオフ調査の一部です。

LEO 衛星の追跡とリンク速度の最適化の両方に ESA を採用することで、低コストのセットアップが可能になり、通常、これらはプラグアンドプレイです。 ESA とより統合された ODU への移行により、導入が大幅に簡素化され、システムのコストが削減されます。 ESA は、よりフラットなパネルと美しいデザインも可能にします。

最高性能の端末アプリケーションの場合、デュアル パラボラ ステアリング アンテナが使用されることに注意してください。 このような場合、コストと美学は主な要因ではなく、全体的なパフォーマンスが焦点となります。 消費者およびコスト意識の高い小規模企業向けソリューションに関して言えば、ESA は、システム設計の目標を満たしながら無線コストを最小限に抑える最良の方法です。

まとめ

LEO インターネット接続は新しくエキサイティングな分野であり、今日のほとんどの政府やインターネット プロバイダーは宇宙をめぐる競争に頭を悩ませています。 世界がますますつながっていく中で、LEO は、宇宙から地方までの 5GPP 標準の接続性をさらに強化することで、3G で重要な役割を果たします。 ユーザー端末での RFIC 統合要件はますます困難になってきており、アナログ・デバイセズはこの分野でのソリューションとロードマップ IC の開発を続けています。

提供：アナログ・デバイセズ

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• 情報源： https://www.eletimes.com/the-internet-from-space-rfic-advances-in-high-capacity-low-latency-leo-satellite-user-and-ground-terminals