特集

宇宙統合コンピューティング・ネットワーク

超カバレッジ拡張宇宙 RAN

HAPS

宇宙 RAN における HAPS 実用化に向けた取り組み
宇宙 RAN 事業は5G Evolution ＆6G の時代におけるコミュニケーション基盤とされ，空 ・ 海 ・ 宇宙を含むあらゆる場所でのユースケースを想定した「超カバレッジ拡張」が検討されています．超カバレッジ拡張の早期実現に向けて，HAPS（High Altitude Platform
Station）を用いた低遅延の通信サービスに着目しています．本稿では，HAPS による無線システム技術のユースケースと技術課題について示し，HAPS と地上ネットワークの周波数共用に向けた3D セル制御技術を解説します．

ほかぞのゆうき

あさいたかひろ外園 悠貴

きしやまよしひさ

岸山 祥久

浅井 孝浩
NTT ドコモ

島やへき地への通信サービス提供等が災害発生時の柔軟な回線制御の実現可能となります．携帯通信事業者にや，開発・運用コストなどの面から現

宇宙 RAN 事業は，5G（第 5 世代移とっては，地上基地局整備によるカバ

実的な HAPS を活用する通信システ

動 通 信 シ ス テ ム ） の 高 度 化（5G

レッジ拡張と並行して，HAPS を組ムの実現を目的とした検討を行っていEvolution）および6G（第 6 世代移動み合わせることでモバイルネットワー

ます．

通信システム）の時代におけるコミュ

ク全体としてのコスト・エネルギー効■ HAPS のユースケース

ニケーション基盤とされ，静止軌道衛率を改善できます．

はじめに

図 1 に示すとおり，5G Evolution星（GEO：Geostationary Orbit

本 稿 で は， 宇 宙 RAN に お け る＆ 6G の時代に向けては，HAPS を用satellite），低軌道衛星（LEO：Low

HAPS 実用化に向けた取り組みについて電波の中継あるいは基地局としてEarth Orbit satellite），および高高いて解説します．具体的には，HAPS電波を発射することで，さまざまなユー度プラットフォーム（HAPS：Highによる無線システム技術のユースケースケースを実現することが期待されま

Altitude Platform Station） を用スと技術課題について示し，HAPS

す． ユ ー ス ケ ー ス は， バ ッ ク ホ ー

い た 非 地 上 ネ ッ ト ワ ー ク（NTN：と地上ネットワークの周波数共用に向ル ＊ 4 用途としてサービスを提供する＊2を用い
Non-Terrestrial Network）

けた3D セル制御技術を解説します．

＊1て，これまでの移動通信ネットワーク
では十分にカバーできなかった空・海・宇宙を含むあらゆる場所への「超カバレッジ拡張＊3」の実現をめざしています ．
（1）

HAPS のユースケースとネットワーク構成および制御技術＊1＊2

NTT ド コ モ は，5G 網 を 含 む 地 上
ネットワークと HAPS による成層圏超カバレッジ拡張の早期実現に向けネットワークが柔軟に連携できる通信て，HAPS を用いた低遅延の通信サー方式やネットワークアーキテクチャのビスに着目しています（2）．HAPS に研究開発に取り組んでいます（3）．本研

よりカバレッジを容易に拡張できるこ究開発では，今後の5G Evolution ＆とから，災害時の高信頼通信や，船舶6G で想定される幅広いユースケースや航空機等への大容量通信の提供，離を柔軟にサポートすることに加えて，＊3＊4

高 高度プラットフォーム：ソーラープレーン型の航空機や飛行船などを利用して，成層圏環境での運用が想定される空中プラッ
トフォーム．
非 地上ネットワーク：衛星や HAPSなどの非陸上系媒体を利用して，通信エリアが地上に限定されず，空 ・ 海 ・ 宇宙などのあらゆる場所に通信エリアが拡張されたネットワーク．
超 カバレッジ拡張：基地局が移動局端末との通信を行うことができるエリアを，現在の移動通信システムがカバーしていない空 ・海 ・ 宇宙などを含むあらゆる場所へ拡張すること．
バ ックホール：移動通信ネットワークにおける，多数の無線基地局とコアネットワー
クとの間の高速大容量な情報伝送をサポートする固定回線を表します．

2022.1017

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宇宙統合コンピューティング・ネットワーク

固定系（地上ネットワークなどへのバックホールとしてサービス提供）

航空機への大容量通信

HAPS

移動系

船舶・鉄道への大容量通信（端末へ直接，もしくはRepeaterやRelayを中継してサービス提供）

僻地へのカバレッジ提供
災害対策

海上や空中へのカバレッジ提供（一時的な）産業向けネットワーク

基地局へのバックホール

広域IoT
リピータ
リレー

可搬基地局

地震・台風

海上・空中

離島など

イベント

山・森林・農地
建設現場
図1

1₈

HAPS図1で期待されるさまざまなユースケース
HAPSで期待されるさまざまなユースケース

固定系と，端末へ直接，もしくはリピー■ HAPS と地上ネットワークの側でさまざまな制御が可能になタやリレーを中継してサービスを提供

連携ネットワーク構成および制り，かつフィーダリンクの情報量する移動系の両方が考えられます．

御技術を削減できます．一方，搭載機能

HAPS システムの要求条件はユース（1） HAPS 搭載局の分類が増えるほど搭載局のサイズ・重ケースごとにさまざまで，それぞれにHAPS を5G 基地局へのバックホー量・消費電力が大きくなります．

求められる通信速度や帯域幅は異なりルに用いる場合のネットワーク構成と一般的には，開発コストや運用面をます．固定系と移動系のあらゆるユー制御技術において，HAPS 搭載局の考慮すると，より多くの基地局機能をスケースに対応できる柔軟な通信方式分類に着目して検討を行っています．

地上ネットワーク側に配置するのが望とシステムが望ましいです．

HAPS 搭載局を大別すると，①中継ましいですが，HAPS に搭載するこまた，平常のビジネス用途から災害局として地上から受信した通信信号とで災害の影響を受けにくいメリット発生時のパブリックセーフティ用途へを，必要な周波数変換などを行ったうもあります．また，性能面を考慮するの柔軟な回線制御も必要です．現状のえで地上へ折り返し送信する「中継と，HAPS 搭載局側にもある程度の災害対策は，音声通話や SMS など最型」と，②5G 網の基地局装置もしく機能，少なくともミリ波を用いる場合低限の通信品質を想定したものですはその一部を HAPS へ搭載する「基はビーム制御の機能を持たせる必要がが，将来的には災害現場における遠隔地局型」に分けられます ．

あるものと考えられます．さらに，（4）制御や映像伝送，ドローンとの通信な• 中継型の場合は，搭載装置が比較

HAPS 搭載局におけるサイズ・重量・ど，ある程度高速通信が必要なユース的少なく，HAPS 搭載局のサイ消費電力，搭載局の開発・運用コスケースも考えられます．さらに，災害

ズ・重量・消費電力の制限が厳し

ト，固定通信と移動通信での HAPS対策に向けては，一部の装置が使えない場合に有効です .

プラットフォーム共通化，GEO/LEO

くなっても動作することを想定した• 基地局型の場合は，アンテナ装置との連携など，5G 網に HAPS システ

ネットワーク構成と制御技術を検討すの搭載に加え，多くの基地局機能ムを組み込む際に考慮すべき幅広い要ることが必要です．

を HAPS へ搭載するほど HAPS件を総合的に検討する必要があります．

2022.10

特集（2） 5G 網と連携したネットワーク構成例が可能となります．また，この構成での信号を束ねて通信します．フィーダ

は中継局を介さずに HAPS から5G 端

リンク ＊ ₈ には Q 帯などの広帯域周波5G 網と連携したネットワーク構成末へ直接通信を提供することも可能で数を使用し，HAPS 中継システムがにおける「基地局型」の一例として，す．さらなる拡張としては，地上側で周波数変換と電力制御を行います．次O-RAN（Open RAN）アライアンス

複数の CU を用いることによって悪天に HAPS は，複数のビームを同時に仕様 を参考にした5G 基地局の DU候や災害発生時の影響を軽減するサイ使用してサービスリンク通信を確立し（Distributed Unit）と RU（Radioトダイバーシチの実現や，端末がます．サービスリンク ＊ 9 の周波数とUnit）を HAPS に搭載する構成を図

通信のエリアを移動した際に通信先のし て は，WRC-19（6）の 仕 様 お よ び

₂ に 示 し ま す． こ の 構 成 で は，CUHAPS を切り替えることでモビリティ

WRC-23（₇） の 議 題 に 従 っ て，サポート＊ 6 も実現できます．

International Mobile Telecom-（5）（Centralized Unit）を地上の災害に＊5

強い地点に設置することで可用性を確

別の有望な構成として，5G 無線中munication（IMT）用にすでに特定保 し， フ ィ ー ダ リ ン ク に お い て継器を HAPS に搭載する「中継型」されている2.₇ GHz 未満の周波数帯域

HAPS が CU から受け取った情報を，の構成例を図 ₃ に示します．この構成を使用する必要があります．

サービスリンクにおいて地上の小型基では，TN（Terrestrial Network）地局装置（中継局）へ5G 無線を介しはコアネットワークからフロントホーて伝送することで，有線のバックホール＊ ₇ まで利用され，RU 機能を備えた

ルを使用せずに可搬5G 基地局の利用

HAPS 地上システムは複数のビーム

図2 HAPSをバックホールに用いる場合の連携構成例

基地局装置をHAPSに搭載

コアネットワークEPC䝸䝢䞊䝍or IAB

CU

4G/5G無線

小型基地局装置（中継局）

基幹ビルなどEPC: Evolved packet coreCU

サイトダイバーシチ（悪天候，災害対策用）

災害に強く，基地局が設置可能な場所※

この構成は端末の直接サポートも可能※被災により停止するケースは稀

図2

O-RU

4G/5G無線

基地局装置
バックホールO-DU

HAPS

O-RAN I/F
(High-layer split)

HAPS をバックホールに用いる場合の連携構成例

図 2 と図 3 の構成以外にも，スタン＊5サ イトダイバーシチ：雨や障害物により電波の減衰が大きいときに，複数の地上局を切り替えることで，通信品質を向上させる
技術．
＊6 モ
 ビリティサポート：端末が通信のエリアを移動した際に，通信が途切れる前に接続先の基地局を切り替えることで，通信を継続可能とする技術．
＊7 フ
 ロントホール：基地局装置のベースバン
ド処理部と無線装置間の回線であり，光ファイバなどが用いられます．
＊8 フ ィーダリンク：NTN通信システムの中で，衛星またはHAPSと地上基地局（ゲートウェイ）間の通信経路を指します．
＊9 サ ービスリンク：NTN通信システムの中で，衛星またはHAPSと端末間の通信経路を指します．
＊₁₀ ス
 タ ン ド ア ロ ー ン： 既 存 の LTE/LTEAdvancedとNRをLTE-NR DCを用いて連携して運用するノンスタンドアローンに対し，NR 単独で運用する形態．

HAPS

周波数変換と電力増幅

HAPS中継システム

N個のビームで同時送受信

フィーダリンク（ex. Q-band, 帯域幅20 MHz x N）

CN

HAPS地上システム

基地局（CU/DU）
バックホール

サービスリンク＝4G/5G無線（ex. S-band, 帯域幅20 MHz）

フロントホール

N個のビーム分の信号を束ねて送受信

地上ネットワークを利活用

図3

HAPS をダイレクトアクセスに用いる場合の連携構成例
図3 HAPSをダイレクトアクセスに用いる場合の連携構成例
2022.101₉

特集

宇宙統合コンピューティング・ネットワーク

おける提案技術の効果を確認します．

システム内干渉
システム間干渉+HAPS
ビーム帯の干渉回避評価

UEは無線品質がより良いシステムへ接続

HAPS（1） 3D セル制御技術
地上ネットワークと HAPS システ

地上gNB
ドローン

UE

■₃D セ ル 制 御 技 術 に よ る₂GHz

地上-HAPSシステム
間のハンドオーバ:

gNB
ビーム

ムが周波数を共有する場合におけるシ干渉回避とロードバランシングに向けた3D
セル制御技術ステム間干渉を抑制するための3D セル制御技術を図 4 に示します．本技術

地上gNBの周囲㼄㻌㼇㼗㼙㼉䛻
HAPSのビームを向けない技術

地上セルエリア

図4で は，HAPS が 地 上 gNB 周 辺 の X

X㻌[km]［km］の領域（gNB 接続しきい値）

3 D セル制御技術にビームを向けないことで，システム

図4 3Dセル制御技術間干渉の抑制とロードバランシングの効果が期待できます．
（2） シミュレーション諸元
HAPS の サ ー ビ ス リ ン ク と 地 上
gNB リンクが 2 GHz 帯を共有するシナリオを想定し，図 ₅ に示します．
HAPS シミュレータを用いて3D セル制御技術による干渉回避効果を評価します．表 1 と表 ₂ にシステム関連パラメータとデバイス関連パラメータをそれぞれ示します．初期評価として，関東地方から中部地方にわたる約60 km
× 114 km を評価エリアとし，各都市©NTTインフラネット株式会社，DigitalGlobe, Inc., a Maxar company, All Rights Reserved.

図5の 人 口 密 度 に 基 づ い て500台 の 地 上
UE をランダムに配置します．HAPS

HAPS シミュレータ

は評価エリアの西側と東側に 1 機ずつな5G 基地局を HAPS に系用途に向けて，現行の無線通信規則配置し，gNB は評価エリア東側の都使用する構成も有力な候補として検討

では HAPS-UE 間のサービスリンク

市部に 2 局配置します．

しています．各構成において，モビリに2.₇ GHz 以下の IMT 特定された周波（3） 評価結果

ティサポート，サイトダイバーシチ技数帯を使用する必要があります ．

3D セル制御技術における gNB 接続などと合HAPS が地上ネットワークと同一のしきい値 X [km] を変化させたときにわせて，GEO/LEO との連携や装置周波数を利用してカバレッジを拡張す

おける HAPS 接続 UE の下りリンク

重量・消費電力など HAPS への搭載る際には，地上エリアとの干渉影響をスループット評価結果を表 ₃ に示しま要件を考慮した総合的な検討が今後必いかに回避できるかが鍵となります．

す．累積分布関数（CDF：Cumula-要です．

ここでは，HAPS と地上ネットワー

tive Distribution Function）の値がドアローン＊10

術および周波数共用技術＊11

HAPSと地上ネットワークの周波数共用に向けた₃D セル制御技術

2₀（₈）

クが周波数を共用するときのロードバランシングおよび干渉回避技術として，3D セル制御技術を提案します．

一般の User Equipment（UE）がHAPS シミュレータを用いたシステ

HAPS 基地局と直接通信を行う移動ムレベルの評価により，2 GHz 帯に2022.10＊₁₁ 周 波数共用技術：2 つのシステムが同じ場所で同一周波数を利用するときに発生する干渉の影響を抑え，周波数共用を可能とする技術．本稿では，主にHAPSシステムと地上移動通信システム間の周波数共用を想定しています．

特集

表1

システム関連パラメータ

パラメータ

フィーダリンク

周波数38 GHz

サービスリンク
2 GHz

gNBリンク

帯域幅

500 MHz

20 MHz

大気吸収損失1 dBパスロスモデル

自由空間伝搬ロス

UMaパスロスモデル（TR 38.901（9））※NLOS : LOS＝ 9 : 1 の比率でランダムに適用

最大ランク2※円偏波の利用を想定

8

表2デバイスUEHAPS

gNB

地球局

5 ％，50％，95％の場合におけるス

デバイス関連パラメータ

ループットをそれぞれ比較すると，Xパラメータ値

UE数500ピークゲイン

Tx: −3dBi, Rx: 0 dBi

き，平均スループットが増加すること

アンテナ構成オムニアンテナを確認できます．最大 HAPS ビームの拡大に伴いロードバランシングが働

Noise figure

3 dB

数で比較すると，ビーム数500のとき

HAPSへの送信電力

常時23 dBmにそれぞれの HAPS 接続 UE 方向にgNBへの送信電力

最大22 dBm※gNBとの距離に依存（10）HAPS ビームが向けられピークゲイ

HAPS数

2

高度20 km

ピークゲイン

サービスリンク：24 dBi
フィーダリンク：30 dBi

アンテナ構成パラボラアンテナ
サービスリンクの半値角：7.7°
フィーダリンクの半値角：2.5°

ゲインパターン

TR 38.811のベッセル関数によるパターン（11）Noise figure

3 dB

最大ビーム文50 or 500

送信電力

サービスリンク：43 dBm/HAPS
フィーダリンク：34 dBm/HAPS

gNB数

2

ム数500のときに50のときと比べビーピークゲイン

17 dBi

ム当りの送信電力が小さくなるため，

アンテナ構成セクタアンテナ

ゲインパターン

ITU-R M.2101に準拠（12）ビーム数50のときよりも I/N が小さい

ダウンチルト15°

アンテナ高25 m

送信電力

43 dBm/セクタ

Noise figure

3 dB

地球局数2ンが得られるため，ビーム数50のときよりもスループットが高いです．
一方で gNB 接続 UE の下りリンク
Interference-to-Noise ratio（I/N）
評価結果を表 4 に示します．CDF の値が 5 ％，50％，95％の場合におけるI/N をそれぞれ比較すると，X の拡大に伴い干渉回避効果が表れ，I/N が減
少 す る こ と を 確 認 で き ま す． 最 大
HAPS ビーム数で比較すると，ビーです．
なお，上りリンクにおいても同様の評価を行い，下りリンクと同様にロードバランシングと干渉回避効果が得られることを確認しました．一方で，X位置それぞれのHAPS直下の拡大に伴い HAPS のカバーエリア

送信電力

34 dBmが減少することを考慮に入れて，エリ

ピークゲイン

50 dBi

ゲインパターン

TR 38.811のベッセル関数によるパターン

ア化の需要に応じた適切な X の値を選（11）定する必要があります．

2022.1021

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宇宙統合コンピューティング・ネットワーク

表3
最大HAPSビーム数

HAPS 接続 UE のスループット（下りリンク）

gNB接続しきい値：X［km］
050

500500本 稿 で は， 宇 宙 RAN に お け る
HAPS 実用化に向けた取り組みとして，HAPS のユースケースとネットワーク構成および制御技術について解説し，HAPS と地上ネットワークの周波数共用に向けた3D セル制御技術のシミュレーション評価結果を示しました．今後も NTT ドコモでは，超カバレッジ拡張の実現に向けた NTN 技術開発，HAPS ネットワーク実現に向けた技術開発，HAPS の実用化システムに近い形式でのシミュレーション評価，実証実験および標準化活動の推進に取り組んでいく予定です．
本研究開発の一部は，総務省「電波資 源 拡 大 の た め の 研 究 開 発（JPJ000254）」によって実施しています．

222022.10

4.4

18.4

171.3

4.2

19.1

171.7

9.5

39.5

222.00

9.0

44.6

203.5

3

9.4

44.8

203.6

919.0

70.0

249.9

gNB 接続 UE の I/N（下りリンク）
gNB接続UEのI/N（dB）
CDF 5%

CDF 50%

CDF 95%

016.9

19.4

22.9

3

14.1

18.7

21.3

96.813.2

17.80

12.9

18.2

19.8

3

11.8

17.7

19.8

9

6.8

13.0

18.0

■参考文献

お わりに

CDF 95%3gNB接続しきい値：X［km］

50

CDF 50%9

表4
最大HAPSビーム数

HAPS接続UEのスループット（Mbit/s）
CDF 5%（1） https://www.nttdocomo.co.jp/corporate/technology/whitepaper_6g/index.html（2） https://group.ntt/jp/newsrelease/2022/04/26/220426a.html（3） Y. Hokazono, H. Kohara, Y. Kishiyama, andT. Asai: “Extreme coverage extension in 6G:
Cooperative non-terrestrial network archi­
tec­ture integrating terrestrial networks,”
Proc. of WCNC2022, pp. 138-143, April
2022.
（4） Y. Xing, F. Hsieh, A. Ghosh, and T. S.
Rappaport: “High altitude platform stations（HAPS）: architecture and system perform­
ance,” Proc. of VTC 2021, pp. 1 -6, April
2021.
（5） https://hapsalliance.org/（6） World Radiocommunication Conference 2019
（WRC-19）Final Acts, ITU Publications,pp. 41-43, 2020.
（7） World Radiocommunication Conference 2023
（WRC-23）ITU-SG CL Contribution 55,
ITU Publications, p.7, 2020.
（8） L. C. Alexandre, A. Linhares, G. Neto, and A.
C. Sodre: “High-altitude platform stations
as IMT base stations: Connectivity from thestratosphere,” IEEE Communications Maga­zine, Vol. 59, No. 12, pp. 30–35, Dec. 2021.
（9） 3GPP, TR 38.901 V17.0.0: “Study on chan­nel model for frequencies from 0.5 to 100GHz,” March 2022.
（10） Nokia Corporation, ITU-R TG5.1 Contribu­
tion 284: “Adjacent band compati­bil­ity study
between IMT-2020 in 24.25-27.5 GHz andEESS in 23.6-24 GHz,” Jan. 2018.
（11） 3GPP, TR 38.811 V15.4.0: “Study on New
Radio（NR）to support non-terrestrial net­
works,” Oct. 2020.
（12） ITU-R M.2101: “Modelling and simulation of
IMT networks and systems for use in sharing
and compatibility studies,” Feb. 2017.

（左から）外園 悠貴 / 岸山 祥久 /浅井 孝浩
これまでの移動通信ネットワークではカバーできなかった空 ・ 海 ・ 宇宙を含むあらゆる場所への「超カバレッジ拡張」
早期実現に向けて，HAPS 技術の研究開発および実用化に取り組んでいます．

◆問い合わせ先
NTT ドコモR&D 戦略部
E-maildtj

nttdocomo.com