電子航法研究所研究発表会（第５回

平成 17 年 6 月）

22.航空衛星デ－タ通信の性能と容量のシミュレ－ション
衛星技術部

２． 航空衛星通信の概要[2]２.１ 構成図 1 に 航 空 衛 星 回 線 の 構 成 を 示 す 。 GES泰人

石出明

Pチ
Rチ
ャTチ ャ ネ ネル
ャネ ルル

静止衛星ルネャPチネル
ャルRチ ャネTチ

１． はじめに
航空衛星通信では、多数の航空機がほぼ同時間帯に同一の通信回線を介してデ－タ通信を行うと、通信の輻輳により、伝送遅延の増加等通信性能の劣化が起こる可能性がある。このような通信性能の劣化は、航空管制に大きな影響を与えるおそれがあるために、許容できない通信性能の劣化が起こる通信条件や、1 回線当たりの取扱い機数等をあらかじめ定量的に把握する必要がある。
航空衛星通信ネットワ－クにおける通信性能は、簡単なモデルであれば待ち行列理論 [1]を用いて理論的に解析できる。しかし、実際のネッ
トワ－クは複雑であるため、通信プロトコルモデルを利用した計算機シミュレ－ションを用いるのが一般的な解析手法である。通信プロトコ
ルを正確にモデル化してシミュレ－ションを行うことにより、実際に起こりうる様々な通信トラフィック条件に対する通信性能を予測できる。
当所では、これまで ICAO 航空衛星通信技術標準（AMSS SARPs：航空移動衛星業務の標準
及 び 勧 告 方 式 ， AMSS ： Aeronautical Mobile
Satellite Services ， SARPs ： Standards andRecommended Practices）に基づく航空衛星デ－タ
通信 [2]において、多数の航空機が同一時間帯に通信を行う場合の通信性能を検証するために、計算機シミュレ－ションを行ってきた [3]。本報
告では、この通信プロトコル（通信を行う上で送信側と受信側で決めた約束のことで、別名、通信手順ともいう）で ADS（Automatic DependentSurveillance：自動位置情報伝送・監視機能）レ
ポ－トを伝送する場合の計算機シミュレ－ションにより得られた航空機数と通信性能の関係、及び 1 回線当たりの取扱い機数を報告する。次に、その結果から所要チャネル数が得られる方法を述べる。

※住谷

航空機地球局
（AES）

航空地球局
（GES）

図1

航空衛星回線の構成（Ground Earth Station：航空地球局）と AES（Aircraft Earth Station：航空機地球局，以下「航空機」ともいう）の間では、静止衛星を介して双方向のデ－タ通信が可能である。GES からAES の回線では、各航空機宛のデ－タを早いものから順番に送信する時分割多重（TDM：TimeDivision Multiplex）方式の P チャネルが用いられる。また、AES から GES の回線では、各航空機からデ－タをいつでも送信できる R チャネ
ルと、GES から送信スロットの割り当てを受けてデ－タを送信する予約時分割多元接続方式（TDMA：Time Division Multiple Access）の Tチャネルの２通りの方式がデ－タ通信に用いられる。デ－タ伝送速度は、両方向とも、0.6、1.2、2.4、4.8 及び 10.5 kbps が SARPs に規定されている。本シミュレ－ションでは、上記のすべての伝送速度が可能であるが、ほとんどの現用
GES では 0.6 及び 10.5 kbps（一部では 1.2 kbpsも可能。）に対応している。
２.２ ADS レポ－トの伝送手順
図 2 に ADS レポ－トを伝送する場合の手順を示す。航空機では ADS レポ－トを作成すると、R チャネルを用いて、GES に T チャネル送信ス
ロット割り当て要求を送信する。GES では、この要求に基づき、ADS レポ－トの伝送のための電子航法研究所研究発表会（第５回

航空機
（AES）
ADS
レポ－ト

航空地球局
（GES）

Tチャネル 送割り当て要求 信スロット（R チャネル）
トッロス
信Ｔチャネル送チャネル）
割り当て（PA DSレポ－ト（Tチャネル）

ADS
レポ－ト
ACK （Pチャ図2ネル ）平成 17 年 6 月）

いて高速で実施され、伝送遅延時間、伝送効率等の通信性能が出力される。通信トラフィッ
ク・モデルとしては、例えば「100 の AES が 10octet（octet は 8 ビットに相当する）のデ－タを指数分布に従うランダムな伝送間隔（平均伝送間隔 20 秒）で伝送する。」という内容になる。
計算機シミュレ－ションは、プロトコルシミ
ュレ－タ OPNET（米国 MIL3 社製）上で、航空衛星通信評価用プロトコルモデル ASET（米国Mayflower 社製）を改造したものを使用して行った。ASET は、ICAO の AMSS SARPs に適合したデ－タ通信プロトコルに対応している。図4 に、航空機が 10 機の場合のネットワ－ク構成例を示す。ASET でのネットワ－クは、AES、GES 及び衛星（Satellite）からなる。設定可能な

ADS レポ－トの伝送手順

送信スロットを割り当て、P チャネルによりその割り当て情報を航空機に知らせる。航空機では、割り当てられた T チャネル送信スロットで、ADS レポ－トを送信する。ADS レポ－トが正しく受信されたかどうかは、P チャネルにより、ACK と呼ばれる確認信号を GES から航空機に通知する。この手順は、地上側から指定された時間間隔で、周期的に繰り返される。
３． 通信性能予測シミュレ－ションの方法
図 3 に通信性能予測シミュレ－ションの概念を示す。通信トラフィック・モデルでは、伝送デ－タ長、伝送間隔、伝送形態（周期的またはランダム）等の通信トラフィック条件を設定する。計算機シミュレ－ションは、その設定に従って、通信シミュレ－ションソフトウェアを用

図 4 ネットワ－ク構成の例
AES 数は最大 400 である。

パラメ－タ設定
通信トラフィックモデル
デ－タ長、伝送間隔、伝送形態等

作動
通信シミュレ－ション
ソフトウェアプロトコルシミュレ－タ＋通信プロトコルモデル

図 3 通信性能予測シミュレ－ションの概念

通信性能
伝送遅延時間、スル－プット等

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本報告では、多数の航空機が洋上空域での管制用衛星デ－タ通信において主となる ADS レポ－トを伝送した際の伝送遅延時間や伝送効率の変化を求めた。ADS レポ－トは、基本 ADS
グル－プ（緯度、経度、高度、時刻等） [2]を航空 通 信 ネ ッ ト ワ － ク （ ATN ： AeronauticalTelecommunication Network）[4]で伝送されるものと仮定する。したがって、衛星回線を伝送する
デ－タの長さは基本 ADS グル－プ 11 octet に各種通信制御用のヘッダが付加されて最終的に200 octet を越える。そこで、ADS レポ－トを伝送するデ－タの長さを 223 octet と仮定する[4]。
この長さのデ－タを伝送するには、前述の T チ
ャネルが用いられる。なお、現在洋上空域で行われている衛星経由の ADS のデ－タ長は、前述の ATN の場合と近い値になる。伝送形態は、ADS レポ－トの伝送を想定して周期的とした。
伝送間隔としては、最大 10 分から最小 1 分までとした。なお、ADS レポ－トの伝送間隔は 8 s（秒）単位と規定されているため、以下のシミ
ュレ－ションでは伝送間隔を 8 s で割り切れる数字にした。
４． シミュレ－ション結果
４.１ 最小伝送遅延時間
図 5 に航空機数を 1、伝送間隔を 600 s として、デ－タ長を変えたときの伝送遅延時間を示す。この条件では、回線の混雑はないので、各デ－タ長における伝送遅延時間は、最小の値となる。最小伝送遅延時間は伝送速度が低いほど、

平成 17 年 6 月）

またデ－タ長が大きいほど大きくなる。しかし、デ－タ長が大きくなると、複数のバ－スト信号に分割して伝送するため、バ－スト信号数が増える毎に、階段状に伝送遅延時間は増加する。
デ－タ長が 223 octet の場合の最小伝送遅延時間
は、伝送速度 0.6 kbps で約 25.1 s、伝送速度 10.5kbps で約 5.5 s である。
４.２ 航空機数と通信性能
次に、前述した 0.6～10.5 kbps の伝送速度について、ADS レポ－トを 600 s（10 分）、304 s（約 5 分）、240 s（4 分）、184 s（約 3 分）、120s（2 分）及び 64 s（約 1 分）の時間間隔で、定期的に伝送したときの伝送効率と伝送遅延時間を、航空機数に対して評価した。各伝送速度及び伝送間隔に対して、5 回ずつシミュレ－ションを行った。
図 6 に、伝送速度が 10.5 kbps の場合について、伝送間隔を 600 s、304 s、184 s 及び 64 s とした
ときの T チャネル 1 チャネル当たりの伝送効率の変化を示す。なお、P チャネル及び R チャネ
ルは各 1 チャネルとする。また、5 回のシミュ
レ－ションで伝送効率の値は差がほとんどなかったので、図には 1 回の結果のみを示した。伝送効率は回線をどのくらい効率的に使っているかを百分率で表しており、理論的な伝送効率 Gは以下の式であらわされ、図 6 の実線（最大値は 100 %）のようになる。

10090403020（%）

800.6 kbps
1.2 kbps
2.4 kbps
4.8 kbps
10.5 kbps

70

伝送効率

最小伝送遅延時間 (s)5050

6040302010600 s
240 s
120 s

1000

100200300

デ－タ長 (octet)

図 5 最小伝送遅延時間

4005000050

図6304 s
184 s
64 s

100 150 200 250 300 350 400
AES数

伝送効率（10.5 kbps）

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L× N
G=× 100
T（%）

ただし、 L （s）は ADS レポ－トの長さ、 N は航空機数、 T （s）は ADS レポ－トの伝送間隔である。伝送効率は、各伝送間隔で航空機数に比例して増加する。その増加率は理論値とほぼ一致するが、伝送間隔によって伝送効率の最大値は異なり、航空機数をさらに増加すると伝送効率は減少する。
図 7～10 に、伝送速度が 10.5 kbps の場合について、伝送間隔を 600 s、304 s、184 s 及び 64 sとしたときの伝送遅延時間の変化を示す。これらの結果は、前述の伝送効率の結果と対応している。各図には 5 回のシミュレ－ションで得られた各航空機数の平均値（黒丸）と 95%値（白80平均値95%値平均値の平均95%値 の 平 均60丸）各々5 個ずつ、また各々5 個を平均した値（2本の濃淡の違う実線）を示す。
伝送間隔が 600 s の場合（図 7）、航空機数が増加するに従って少しずつ増加する。伝送効率の結果と対照すると、航空機数が 400 でも伝送効率は 40%である。伝送遅延時間の 95%値は航空機数 400 で 20 s 程度である。
伝送間隔が 304 s の場合（図 8）、各航空機数に対する伝送効率は伝送間隔が 600 s の場合の2 倍になるので、伝送遅延時間は航空機数に対して増加率が大きい。この場合、伝送遅延時間の 95%値は航空機数 400 で 30 s 程度になる。
伝送間隔 184 s の場合（図 9）、航空機数 270程度で伝送効率は最大となり、航空機数がそれ以上になると伝送効率は低下し、伝送遅延時間は急激に増加する。

伝送遅延時間 (s)

伝送遅延時間 (s)8040200平均値
95%値
平均値の平均95%値 の 平 均

6040200050100

150 200

250 300

350 400

050100

航空機数

図7150 200 250
航空機数300

350400

伝送遅延時間（伝送間隔：600 s，10.5 kbps） 図 9 伝送遅延時間（伝送間隔：184 s，10.5 kbps）

8080
平均値
95%値
平均値の平均95%値 の 平 均

60

伝送遅延時間 (s)

伝送遅延時間 (s)平成 17 年 6 月）

40200平均値
95%値平均値の平均95%値 の 平 均

6040200050100 150200250 300

航空機数350 400050100150200250300350400

航空機数

図 8 伝送遅延時間（伝送間隔：304 s，10.5 kbps） 図 10 伝送遅延時間（伝送間隔：64 s，10.5 kbps）

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10.5 kbps
4.8 kbps
2.4 kbps
1.2 kbps
0.6 kbps

最大処理可能AES数

350300250200150
1005000120240360
伝送間隔 (s)480600

図 11 最大処理可能機数（s）

５． 通信処理容量
前節では、伝送速度 10.5 kbps の場合に、ADSレポ－トを伝送間隔及び航空機数を変えたときの伝送効率及び伝送遅延時間を述べた。その結果、航空機数を増加したときに伝送遅延時間が増加する割合は、伝送間隔により異なることがわかった。同様のシミュレ－ションを 0.6、1.2、2.4 及び 4.8 kbps についても行った。図 11 に、航空機数を増加したときに、伝送遅延時間が急激に増加し始める航空機数を 1 チャネル当たりの最大処理可能機数とし、各伝送速度及び伝送間隔について求めた結果を示す。また、図 12にそのときの伝送遅延時間の 95%値を示す。
図 12 より、伝送速度 10.5 kbps の場合、ADSレポ－トの伝送間隔が 300 s 以上であれば、1チャネル当たりの最大処理可能機数は 400 以上、ADS レポ－トの伝送間隔が 64 s であれば、90程度になる。またそのときの伝送遅延時間の95%値は、図 11 より 20～30 s の範囲になる。一方、伝送速度 0.6 kbps の場合には、ADS レポ－トの伝送間隔が 300 s でも、1 チャネル当たりの最大処理可能機数は 35 程度、ADS レポ－トの伝送間隔が 64 s では、4 程度である。またそのときの伝送遅延時間の 95%値は 40～70 s の範囲であることがわかった。
実際には、最大処理可能機数で運用した場合、取扱い機数や通信量の微増で伝送遅延時間が急激に増加する場合もあるので、取扱い機数は、十分な余裕をもって管理する必要がある。図 6からわかるように、伝送間隔によって機数が増えたときの伝送効率の増加量は異なる。機数の増加に対する余裕に基準はないが、例えば 50機の余裕があると仮定すると、図 11 より最大取り扱い機数は、伝送速度 10.5 kbps の場合、伝送間隔 64 s で 40 機であることになるので、図６より 50 %と求められる。また、伝送間隔 304 s
では、同様にして、約 350 機であるため、70%となる。

400

伝送遅延時間95%値

伝送間隔 64 s の場合（図 10）、この傾向はさらに顕著になる。航空機数 90 程度で伝送効率は最大となり、航空機数がそれ以上になると伝送効率は低下し、伝送遅延時間は急激に増加する。

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100

10.5 kbps
4.8 kbps
2.4 kbps
1.2 kbps
0.6 kbps

8060402000120240
伝送間隔

360480600(s)

図 12 処理可能機数最大時の伝送遅延時間
95%値
６． 所要回線数の試算
図 13 に、北太平洋航空路を１つのスポットビ－ムでカバ－した場合のビ－ム覆域を示す。これはほぼひまわり 6 号(MTSAT)のスポットビ－ム覆域に相当する。北太平洋航空路は 5 本のル－トで構成されている。各ル－トでの距離はそれぞれ少し異なるが、大圏コ－スを仮定して4,400～4,700 km と考えられる。航空機の速度を1,000km/h とすると、各ル－トを飛行する航空機の数は、各ル－トを 10 分間隔で運航する場合最大 29 機となる。したがって、5 本のル－トを運航する航空機の総数は 145 機である。同様に、縦間隔を 50 NM 及び 30 NM とすると、各ル－トを飛行する航空機の数は、各々51 機及び 85機となる。したがって、5 本のル－トを運航する航空機の総数は各々255 及び 425 機である。

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表1

図 13 北太平洋航空路のスポットビ－ム
覆域
このような航空機数を取り扱うために必要なT チャネル数は、前節で述べた 1 チャネル当たりの最大取り扱い機数から算出できる。表 1 に、
伝送速度 10.5 kbps の場合における結果を示す。
このように、ADS レポ－トの伝送間隔が長い場
合はチャネルが少なくてよいが、伝送間隔が短くなると、多くのチャネルが必要になる。
７． おわりに
本報告では、まず現在の ICAO AMSS SARPsに基づく航空衛星通信で ADS レポ－トの伝送を行った場合を例として、計算機シミュレ－ションによる多数機の環境での通信性能予測結果について述べた。つぎに、各伝送間隔に対して、伝送効率が低下し、かつ伝送遅延時間は急激に増加する航空機数を求められることを示した。
また、その結果から、北太平洋航空路の 5 本のル－トを一定間隔で運航し、各航空機は ADSレポ－トのみを伝送するという単純なモデルで所要のチャネル数を試算できることを示した。
本報告では、各航空機が ADS レポ－トのみを同一の間隔で伝送する、非常に単純な通信トラフィックを仮定したが、実際には ADS だけでなく管制官－パイロット間デ－タ通信（CPDLC）、
航 空 会 社 の 運 航 管 理 通 信 （ AOC）、 公 衆 通 信（APC）等も同様に運用される。また、空域によって、航空機の運航状況も異なる。したがって、実際の環境に合わせたより正確な条件での

平成 17 年 6 月）

所要チャネル数の試算結果

縦間隔

航空機数

10 分

所要チャネル数
伝送間隔
5分

伝送間隔
1分

145

1 チャネル

4 チャネル

50 NM

255

1 チャネル

7 チャネル

30 NM

425

2 チャネル

11 チャネル

通信性能及び容量を予測するためには、より広範な航空トラフィックや通信トラフィックのモデルを用いてシミュレ－ションを行う必要がある 。 特 に 、 今 後 イ ン マ ル サ ッ ト のSwift-Broadband[5]やボ－イングの CBB[6]等、乗客にインタ－ネットの利用サ－ビスを提供する
次世代の航空衛星通信システムが管制通信に利用されることが考えられているが、そこでは管制通信に比べて、インタ－ネット利用が圧倒的に多くなることが想定される。そのような通信環境で、管制通信が所要の性能を確保できるかどうかについて、今後様々な条件でシミュレ－ションにより十分な検証を行う必要があると考える。
参考文献[1]北岡正敏：“情報処理試験のための確率・統計と待ち行列理論”，産業図書，1994[2]石出他：“自動従属監視（ADS）実験システ
ムの開発と実験”, 信学論（B-Ⅱ）, Vol.J78-BⅡ, No.5, pp.366-373, 1995.
[3]北折他：“航空衛星デ－タ通信のシミュレ－ション解析”，第 32 回電子航法研究所研究発
表会講演概要，51－56，2000.
[4]板野他：“航空通信網（ATN）の研究”，電子航法研究所報告，No.100，2003.
[5] http://countdown.inmarsat.com/home.aspx[6] http://www.boeing.com/connexion/flash.html