衛星インターネットアクセス

2024年現在、米国で衛星経由で家庭用インターネットサービスを提供している企業には、 Exedeブランドを通じたViaSat 、子会社HughesNetを通じたEchoStar、Starlink、Amazon Leoなどがある。^{[ 22 ]}非静止衛星インターネットコンステレーションの運用者は、国際電気通信連合（ITU）が定めた等価電力束密度（EPFD）制限への準拠を実証する必要がある。

EUは2020年代にIRIS²プロジェクトを開始する予定である。 ^{[ 23 ]}

2023年現在、中国は、 Chinasatが運営する独自の国営衛星インターネットコンステレーションを開発している最中である。^{[ 24 ]}

2023年現在、インドにおけるこの分野の主なサービスはOnewebとJioSpaceFiberであり、同国はStarlinkとProject Kuiperのライセンス取得を検討している。^{[ 25 ] [ 26 ]}

新しいブロードバンド衛星ネットワークの中心として売り出されているのは、赤道上空35,786 キロメートル (22,236マイル)に位置し、K _aバンド (18.3 ～ 30 GHz) モードで動作する新世代の高出力 GEO 衛星です。^{[ 28 ]}これらの新しく専用に作られた衛星は、ブロードバンド アプリケーション向けに設計および最適化されており、以前の通信衛星で使用されていた広帯域ビームよりもはるかに狭い領域をターゲットとする多数の狭帯域スポット ビームを採用しています。 ^{[ 29 ]}このスポット ビーム技術により、衛星は割り当てられた帯域幅を複数回再利用できるため、従来の広帯域ビーム衛星よりもはるかに高い全体容量を実現できます。スポット ビームは、定義された集中領域により多くの電力と受信感度を高めることで、パフォーマンスとそれに伴う容量を向上させることもできます。スポット ビームは、加入者側端末との間で送受信を行う加入者スポット ビームと、サービス プロバイダの地上局との間で送受信を行うゲートウェイ スポット ビームの 2 種類に分類されます。スポット ビームの狭い範囲から外れると、パフォーマンスが著しく低下する可能性があることに注意してください。また、スポットビームは、「キャリア・イン・キャリア」変調などの他の重要な新技術の使用を不可能にする可能性がある。  

衛星のスポットビーム技術と連携して、従来、衛星が宇宙空間の橋として機能し、地上の 2 つの通信ポイントを接続するネットワークでは、ベントパイプアーキテクチャが採用されてきました。「ベントパイプ」という用語は、送信アンテナと受信アンテナ間のデータ パスの形状を表すために使用され、衛星は曲がり点に配置されます。簡単に言うと、このネットワーク構成における衛星の役割は、エンド ユーザの端末から ISP のゲートウェイに信号を中継し、衛星で信号を処理することなく再び戻すことです。衛星は、トランスポンダと呼ばれる信号パスを通して、特定の無線周波数の搬送波を受信、増幅、および転送します。^{[ 30 ]}

Starlinkや提案されているTelesatコンステレーションなど、LEOにある一部の衛星コンステレーションは、高スループットの光衛星間リンクにレーザー通信機器を使用する予定です。相互接続された衛星により、衛星間でユーザーデータを直接ルーティングすることが可能になり、シームレスなネットワーク管理とサービスの継続性を可能にする宇宙ベースの光メッシュネットワークが効果的に構築されます。^{[ 31 ]}

衛星には、地球からの通信信号を受信し、目標地点に信号を送信するための独自のアンテナセットがあります。これらのアンテナとトランスポンダは、地球上のさまざまな場所との間で信号を受信および送信するように設計された衛星の「ペイロード」の一部です。ペイロードのトランスポンダでこの送受信を可能にするのは、周波数を変更し、信号をフィルタリング、分離、増幅、グループ化してから地球上の宛先アドレスにルーティングするために使用されるリピーターサブシステム（RF（無線周波数）機器）です。衛星の高利得受信アンテナは、送信されたデータをトランスポンダに渡します。トランスポンダはデータをフィルタリング、変換、増幅し、搭載されている送信アンテナにリダイレクトします。信号は、キャリアと呼ばれるチャネルを介して特定の地上の場所にルーティングされます。ペイロードの他に、通信衛星のもう1つの主要なコンポーネントはバスと呼ばれ、衛星を所定の位置に移動させ、電力を供給し、機器の温度を制御し、健全性および追跡情報を提供し、その他多くの運用タスクを実行するために必要なすべての機器で構成されています。^{[ 30 ]}

過去 10 年間の衛星技術の劇的な進歩に伴い、地上機器も同様に進化し、統合レベルの向上と処理能力の向上により、容量と性能の限界が拡大しました。ゲートウェイ(またはゲートウェイ地球局) は、地上局、テレポート、またはハブとも呼ばれます。この用語は、アンテナ ディッシュ部分のみを指す場合もあれば、関連するすべてのコンポーネントを含む完全なシステムを指す場合もあります。簡単に言うと、ゲートウェイは、エンド ユーザー サイトからの要求を運ぶリターン ペイロードまたはアップストリーム ペイロードの最終区間で衛星から電波信号を受信し、ゲートウェイ ロケーションの衛星モデムは、屋外アンテナからの受信信号を IP パケットに復調し、パケットをローカル ネットワークに送信します。アクセス サーバー/ゲートウェイは、インターネットとの間で転送されるトラフィックを管理します。最初の要求がゲートウェイのサーバーによって処理され、インターネットに送信され、インターネットから返されると、要求された情報は、加入者端末に信号を送る衛星を介して、フォワード ペイロードまたはダウンストリーム ペイロードとしてエンド ユーザーに送り返されます。各ゲートウェイは、自身が担当するゲートウェイビームに対して、インターネットバックボーンへの接続を提供する。

衛星地上システムを構成するゲートウェイシステムは、衛星通信および対応する地上接続に必要なすべてのネットワークサービスを提供します。各ゲートウェイは、加入者端末がインターネットに接続するためのマルチサービスアクセスネットワークを提供します。

米国本土は赤道の北に位置するため、ゲートウェイアンテナと加入者用パラボラアンテナはすべて、南の空を遮るもののない状態で見渡せるように設置する必要があります。衛星は静止軌道を周回しているため、ゲートウェイアンテナは固定された位置に向けたままにすることができます。

顧客が用意した機器（PCやルーターなど）がブロードバンド衛星ネットワークにアクセスするには、顧客は追加の物理コンポーネントを設置する必要があります。

レイテンシ（一般的に「ピング時間」と呼ばれる）とは、データの要求から応答の受信までの遅延、あるいは一方向通信の場合は、信号が実際に送信された時点から宛先で受信されるまでの遅延のことです。

無線信号が静止衛星に到達するまでに約120ミリ秒、地上局に到達するまでにさらに120ミリ秒かかるため、全体で約4分の1秒です。通常、理想的な条件下でも、衛星通信に関わる物理現象によって、往復遅延時間は約550ミリ秒になります。

遅延時間が長いことが、標準的な地上ネットワークと静止衛星ネットワークの主な違いです。静止衛星通信ネットワークの往復遅延時間は、地上ネットワークの12倍以上になることがあります。^{[ 32 ] [ 33 ]}

衛星の遅延は、オンラインゲームなどの特に時間制約のあるアプリケーションにとって有害となる可能性があります（ただし、多くのMMOGは衛星インターネット上で問題なく動作できるのに対し、深刻な影響を受けるのはファーストパーソンシューターやレーシングシミュレーターなどに限られます^{[ 34 ]}）。しかし、IPTVは通常シンプレックス動作（一方向伝送）であり、遅延はビデオ伝送にとって重要な要素ではありません。

この遅延の影響は、データ圧縮、TCPアクセラレーション、HTTPプリフェッチングを使用することで軽減できる可能性がある。^{[ 35 ]}

衛星通信は、エンドユーザーまたは地上局と利用中の衛星との間の信号経路における水分やさまざまな形態の降水（雨や雪など）の影響を受けます。この信号への干渉は、降雨減衰として知られています。低周波数の「L」バンドと「C」バンドではその影響はそれほど顕著ではありませんが、高周波数の「Ku」バンドと「Ka」バンドではかなり深刻になる可能性があります。大雨の熱帯地域での衛星インターネットサービスでは、 円偏波衛星を使用したCバンド（4/6 GHz）の使用が一般的です。^{[ 51 ]} _Kaバンド（19/29 GHz）での衛星通信では、降雨マージンを大きくしたり、適応型アップリンク電力制御や降雨時のビットレートの低減 などの特別な技術を使用できます。

降雨マージンは、湿気や降雨による信号劣化を考慮するために必要な追加の通信リンク要件であり、10  GHz を超える周波数で動作するすべてのシステムにとって非常に重要です。^{[ 52 ]}

衛星通信アンテナのサイズを大きくすることで、ダウンリンクでより多くの衛星信号を受信し、アップリンクでより強力な信号を提供できるため、サービスが途切れる時間を短縮できます。言い換えれば、より大きな放物面反射鏡を使用してアンテナ利得を高めることは、チャネル全体の利得、ひいては信号対雑音比（S/N比）を高める一つの方法であり、これにより、降雨減衰による信号損失が大きくなっても、S/N比が通信成功に必要な最小閾値を下回ることなく対応できます。

現代の民生用パラボラアンテナは比較的小型であるため、降雨時の余裕が減ったり、衛星からのダウンリンクに必要な電力とコストが増加したりする傾向があります。しかし、民生用アンテナのサイズを大きくして衛星のコストを削減するよりも、高価な衛星と小型で安価な民生用アンテナを製造する方が、多くの場合経済的です。

 直径3.7mから13mの大型商用パラボラアンテナを 使用することで、降雨マージンを拡大し、より効率的な変調方式を用いることでビットあたりのコストを削減できます。あるいは、開口径の大きいアンテナを使用すれば、衛星からの電力消費を抑えつつ、許容可能な性能を実現できます。衛星は通常、太陽光発電を利用するため、エネルギー自体に費用はかかりませんが、より高性能な衛星には、より大型で高出力の太陽電池パネルと電子機器が必要となり、多くの場合、送信アンテナも大型化されます。衛星の構成要素が大型化すると、材料費が増加するだけでなく、衛星の重量も増加します。一般的に、衛星を軌道に投入するコストは、その重量に比例します。（さらに、衛星打ち上げロケットにはペイロードのサイズ制限があるため、衛星の一部を大型化するには、太陽電池パネルや高利得アンテナなどの衛星部品に、より複雑な折り畳み機構を採用するか、より大きなペイロードを扱える高価な打ち上げロケットにアップグレードする必要が生じる場合があります。）

変調された搬送波は、適応符号化変調（ACM）と呼ばれるプロセスを用いて、降雨問題やその他の通信障害に応じて動的に変更することができます。ACMにより、通常の晴天時にはビットレートを大幅に向上させることができ、1Hzあたりの送信ビット数を増やすことで、ビットあたりの総コストを削減できます。適応符号化には、衛星または地上など、利用可能なあらゆる手段による何らかの戻りチャネルまたはフィードバックチャネルが必要です。

2つの物体が視線内にあるとは、それらの物体間を山などの障害物なしに直線で結ぶことができる場合を指します。地平線の向こうにある物体は視線の下にあるため、通信が困難になる場合があります。

通常、システムが最適に動作するためには、アンテナと衛星の間に完全に遮るもののない見通し線が必要です。信号は水分による吸収や散乱の影響を受けやすいだけでなく、信号経路上の樹木やその他の植生によっても同様に影響を受けます。無線周波数が900MHz以下になると 、植生を透過する能力は向上しますが、ほとんどの衛星通信は2GHz以上で動作する ため、樹木の葉などのわずかな障害物にも敏感です。冬にアンテナを設置する場合は、春や夏に生える植物の葉の成長を考慮に入れる必要があります。

送信アンテナと受信アンテナの間に直接的な見通し線があっても、信号経路付近の物体からの反射によって位相が打ち消し合い、見かけ上の信号強度が低下することがあります。反射による信号損失の有無と損失量は、アンテナのフレネルゾーン内における物体の位置によって決まります。

家庭用または一般消費者向けの双方向衛星インターネットサービスでは、遠隔地の超小型衛星通信端末（VSAT）から衛星経由でハブ通信ポート（テレポート）にデータを送受信し、テレポートが地上インターネット経由でデータを中継します。各設置場所の衛星アンテナは、他の衛星との干渉を避けるため、正確に方向を向ける必要があります。各VSATサイトでは、サービスプロバイダーのハブの制御下で、アップリンク周波数、ビットレート、および電力を正確に設定する必要があります。

双方向衛星インターネットサービスには、時分割多重アクセス（TDMA）やシングルチャネル/キャリア（SCPC）など、いくつかの種類があります。双方向システムには、60～100cmのパラボラアンテナを備え、出力がわずか数ワットのシンプルなVSAT端末（一般消費者や小規模企業向け）から、より広い帯域幅を提供する大規模システムまであります。こうしたシステムは「衛星ブロードバンド」として販売されることが多く、 ADSL などの地上回線システムに比べて月額料金が2～3倍になる場合があります。このサービスに必要なモデムは多くの場合独自規格ですが、複数のプロバイダーと互換性のあるものもあります。また、価格も高く、600ドルから2000ドル程度です。

SES Broadband端末アンテナで使用されている双方向「iLNB」は、送信機と単偏波受信LNBを備えており、どちらもKu_バンドで動作します。SES Broadbandモデムの価格は299ユーロから350ユーロです。これらのタイプのシステムは一般的に移動車両での使用には適していませんが、アンテナによっては、アンテナを継続的に再調整するための自動パン・チルト機構が取り付けられている場合もあります。ただし、これらはより高価です。SES Broadbandの技術は、ベルギーのNewtec社によって提供されました。

ポータブル衛星インターネット

携帯型衛星モデム

これらは通常、衛星の方向に向けて設置する必要のある、自己完結型の平らな長方形の箱の形をしています。VSATとは異なり、位置合わせはそれほど正確である必要はなく、モデムには信号強度計が内蔵されているため、ユーザーはデバイスを適切に位置合わせできます。モデムには、 イーサネットやUSBなどの一般的なコネクタがあります。また、Bluetoothトランシーバーを内蔵し、衛星電話としても使えるものもあります。モデムには独自のバッテリーも搭載されているため、ノートパソコンのバッテリーを消耗させることなく接続できます。このようなシステムで最も一般的なのはINMARSATのBGANです。これらの端末はブリーフケースほどの大きさで、接続速度は350～500kbit/s程度とほぼ対称的です。Thurayaが提供するような小型のモデムも存在しますが、接続速度は444kbit /sで、カバー範囲も限られています。  

平均で1メガバイトあたり5ドルから7ドルかかるポータブル衛星インターネットは、通常、他のインターネットアクセス方法よりも高価で、モデムは通常1,000ドルから5,000ドルかかります。^{[ 57 ]}このため、船舶など、他のインターネットアクセス方法にアクセスできない車両で最もよく使用されます。

衛星電話経由のインターネット接続

衛星電話は長年にわたりインターネットに接続できるようになっています。帯域幅は、イリジウムネットワークの衛星とACeSベースの電話では約2400ビット/秒、Thuraya端末では上り15kビット/秒、下り60kビット/秒と様々です。Globalstarも9.6kビット/秒でインターネットアクセスを提供しています。イリジウムやACeSと同様にダイヤルアップ接続が必要で、分単位で課金されますが、Globalstarとイリジウムはどちらも、より高速な料金で常時接続データサービスを提供する新しい衛星の打ち上げを計画しています。Thuraya電話でも9.6kビット/秒のダイヤルアップ接続が可能で、60kビット/秒のサービスは常時接続で、転送されたデータ量に応じて課金されます（1メガバイトあたり約5ドル）。電話はUSBまたはRS-232インターフェースを使用してラップトップや他のコンピュータに接続できます。帯域幅が低いため、このような接続でウェブを閲覧するのは非常に遅いですが、電子メールの送信、 Secure Shellデータの送信、その他の低帯域幅プロトコルの使用には便利です。衛星電話は一般的に全方向性アンテナを備えているため、電話機と衛星の間に見通し線が確保されていれば、アンテナの調整は不要です。     

片方向地上帰還型衛星インターネットシステムは、従来のダイヤルアップインターネット接続で使用され、送信（アップストリーム）データは電話モデムを経由して伝送されますが、ダウンストリームデータはより高速な衛星経由で送信されます。米国では、アップリンク局のみFCCライセンスが必要で、利用者にはライセンスは不要です。

片方向衛星インターネットシステムのもう1つのタイプは、バックチャネルに汎用パケット無線サービス（GPRS）を使用します。 ^{[ 58 ]}標準GPRSまたは拡張データレートGSM進化（EDGE）を使用すると、アップロード量が非常に少ない場合は実効レートが高くなりコストが削減されます。また、このサービスは時間単位ではなく、アップロード量に応じて課金されます。GPRSを戻りとして使用することで、100～200kWのフィールドで送信する衛星によってサービスが提供される場合にモビリティが向上します 。33cm幅の衛星アンテナ、ノートパソコン、および通常のGPRS対応GSM電話を使用すると、ユーザーはモバイル衛星ブロードバンドを取得できます。 

片方向放送衛星インターネットシステムは、インターネットプロトコル（IP）放送ベースのデータ、音声、およびビデオ配信に使用されます。米国では、連邦通信委員会（FCC）のライセンスはアップリンク局のみに必要で、利用者には必要ありません。ほとんどのインターネットプロトコルは、リターンチャネルを必要とするため、片方向アクセスでは正しく動作しないことに注意してください。ただし、ウェブページなどのインターネットコンテンツは、エンドユーザーサイトのローカルストレージに「プッシュ」することで、片方向システムでも配信できますが、完全なインタラクティブ性は実現できません。これは、ユーザーインターフェースがほとんどないテレビやラジオのコンテンツとよく似ています。

放送メカニズムには、一方通行の放送が確実に受信されるようにするための圧縮機能や誤り訂正機能が含まれる場合がある。また、データは定期的に再放送される場合もあり、これにより、以前に受信に失敗した受信機は、再度ダウンロードを試みる機会を得ることができる。

データは暗号化されている場合もあり、誰でもデータを受信できますが、実際に復号化して使用できるのは特定の宛先のみです。認証されたユーザーは、短い復号鍵、または独自の高精度な独立タイミング機構を使用してデータを復号化する自動ローリングコード装置のいずれかを所持しているだけで済みます。

2013年2月に発表された報告書の中で、連邦通信委員会は衛星インターネットのパフォーマンスが大幅に向上したことを指摘した。FCCの「ブロードバンド・アメリカの測定」報告書では、主要なISPが広告速度にどれだけ近いかによってランク付けもされている。このカテゴリーでは、衛星インターネットがトップとなり、加入者の90%が広告速度の140%以上を体験した。^{[ 60 ]}

衛星インターネットの速度低下の主な原因は、リクエストごとに、リクエスト元が有用なデータを受信するまでに多数の往復通信を完了する必要があることです。^{[ a ]}特殊なIPスタックやプロキシは、往復通信の回数を減らしたり、プロトコルヘッダーを簡素化して長さを短縮したりすることで、遅延を低減することもできます。最適化技術には、 TCPアクセラレーション、HTTPプリフェッチ、DNSキャッシングなど、多くの種類があります。NASAが開発し、市場で商用および軍事機器・ソフトウェアプロバイダーに広く採用されている宇宙通信プロトコル仕様（SCPS）規格を参照してください。

WINDS衛星は2008年2月23日に打ち上げられました。WINDS衛星は、日本およびアジア太平洋地域の各地にブロードバンドインターネットサービスを提供するために使用されています。この衛星は、45cmの開口アンテナを使用して住宅に最大 155Mbit/sの下り速度と6Mbit /sの上り速度を提供し、 5メートルのアンテナを使用して企業に1.2Gbit/sの接続を提供します。^{[ 61 ]}設計寿命が尽きました。   

SkyTerra-1は2010年11月中旬に打ち上げられ、北米をターゲットとしており、Hylas-1は2010年11月に打ち上げられ、ヨーロッパをターゲットとしている。^{[ 62 ]}

2010年12月26日、ユーテルサットのKA-SATが打ち上げられた。この衛星は、ヨーロッパ大陸を80本のスポットビーム（ヨーロッパと地中海を横断する数百キロメートルの範囲をカバーする集中信号）でカバーする。スポットビームにより、周波数を複数の地域で干渉なく効果的に再利用できる。その結果、容量が増加する。各スポットビームの総容量は900  Mbit/sで、衛星全体の容量は70  Gbit/sとなる。^{[ 62 ]}

ViaSat-1は2011年10月19日にカザフスタンのバイコヌールから打ち上げられ、Exedeインターネット サービスを通じて合計140 Gbit/sのスループット容量を提供しています。JetBlue Airwaysの乗客は2015年からこのサービスを利用できます。^{[ 63 ]}このサービスは、 United Airlines、American Airlines、Scandinavian Airlines、Virgin America、Qantasにも拡大されています。^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]}

エコースターXVII衛星は2012年7月5日にアリアンスペースによって打ち上げられ、ヒューズネットのサービス提供のため、西経107.1度の恒久的な静止軌道スロットに投入された。このK _a バンド衛星は100 Gbit/sを超えるスループット容量を持つ。 ^{[ 67 ]}

2015年と2016年に、オーストラリア政府は、地方のオーストラリア人やノーフォーク島やクリスマス島などの海外領土の住民にインターネットを提供するために、スカイマスター静止衛星を2基打ち上げた。^{[ 68 ]}

^{2006年[ 69 ]}と2015年^{[ 70 ]}に、アルゼンチンの企業ARSATはそれぞれARSAT-1とARSAT-2衛星を打ち上げました。これにより、アルゼンチンの遠隔地にインターネットとテレビのアクセスが提供されるようになりました。

2013年以来、O3b衛星コンステレーション（高度8,063 kmの中軌道）は、データサービスのエンドツーエンドの往復遅延が140  msであると主張している。2024年以来、次世代のO3b mPOWERコンステレーション がMEOで並行して運用されており、サービスごとに数十Mbpsから数Gbpsの速度と約150 msの遅延を提供している^{[ 71 ]。}

2024年9月現在6,426 個のStarlink衛星が地球を周回しています。2024 年 9 月現在、Starlink の加入者は 400 万人を超えています。^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]} Oneweb は648 個の衛星を低地球軌道に保有しています。^{[ 75 ]}