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低軌道衛星のハンドオーバーを機械学習で最適化、サービス継続率が99.32%に向上

2026年11月14日arXiv: 2611.16878v1

低軌道衛星は高速移動するため、ユーザー機器の接続を維持するには頻繁にハンドオーバー(接続転送)が必要です。従来の手法は受信電力だけを基に閾値を設定し、変動する信号環境に対応できませんでした。

新しい枠組みでは、近接方策最適化(PPO)を用いて、受信信号電力(RSRP)、衛星と地上局(GS)の結びつき、残余可視時間、事前に設定した最低仰角を入力として、ハンドオーバーの開始時刻と対象衛星を決定します。

シミュレーションでは、最低仰角を40°に設定した場合、PPOベースのポリシーはサービス利用可能率を99.32%に達し、最適化された従来手法(O‑HT)より1.67ポイント、遅延最小(LD)選択より1.41ポイント高い性能を示しました。

図は PPO‑SHD が O‑HT と LD より高いサービス利用可能率(99.32%)と、RLF 時間を大幅に削減(85.7%・85.0%)したことを示している。
Fig. 3. PPO‑SHD のサービス利用可能率と RLF 時間の比較:曲線は 99.32 % の利用可能率を示し、O‑HT と LD と比べて 1.67 pp と 1.41 pp 高く、バーは RLF 時間を 85.7 % と 85.0 % 削減したことを表す。Han, Jui-Che, Khan, Nasir, Seeram, Siva Satya Sri Ganesh, Cavdar, Cicek · arXiv:2611.16878v1 · Fig. 3: · CC BY 4.0

さらに、同ポリシーは無線リンク障害(RLF)の累積時間をO‑HTと比較して85.7%、LDと比較して85.0%削減しました。この結果は、トポロジー情報を学習に組み込むことで、ハンドオーバー時間の増加を抑えつつ、接続の継続性を向上させることを示しています。

ハンドオーバー遅延に関しては、PPOポリシーの累積遅延は5.21 秒で、LDと比べ0.17 秒の差となり、O‑HTの7.14 秒と比べ27 %低減しました。これにより、不要なハンドオーバーを避けつつ、リンク障害を防ぐバランスが取れたことが確認されました。

図は PPO‑SHD が LD と同程度のハンドオーバー遅延(5.21 s)を持ち、O‑HT より 27 % 低いことを示している。
Fig. 4. PPO‑SHD の累積ハンドオーバー遅延:5.21 s(LD 5.04 s、O‑HT 7.14 s)を示し、O‑HT に対して 27 % 低減され、LD に比べて 0.17 s だけ遅いことを示す。Han, Jui-Che, Khan, Nasir, Seeram, Siva Satya Sri Ganesh, Cavdar, Cicek · arXiv:2611.16878v1 · Fig. 4: · CC BY 4.0

ただし、最小仰角を55°以上に増やすと、サービス利用可能率が急激に低下(70°で47.44%)し、衛星カバレッジ不足が主因となります。また、強い陰影フェーディング環境下では、RLFをほぼ排除できず、まだリンク障害が発生する可能性があります。

以上の比較から、トポロジーを考慮したPPOベースのハンドオーバー戦略は、低軌道衛星ネットワークにおいてサービス継続率とハンドオーバー負荷の両面を改善する有望な手法であると結論づけられます。

元論文

Topology-Aware Handover Management for Service Continuity in LEO Satellite Networks

cs.NI
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