Beyond 5G 時代の宇宙統合ネットワーク実現に向けた研究開発の取り組み
東北大学 大学院情報科学研究科
川本 雄一

自己紹介
• 氏名：川本雄一• 所属：東北大学 大学院情報科学研究科• 役職：准教授• 専門：情報通信技術（主に無線通信）– 衛星通信– 無人航空機– Intelligent Reflecting Surface（IRS）– アドホックネットワーク– etc.

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC1

全空間ユビキタス社会の到来

近年、世界的にICTの利活用が拡大

 発展途上国におけるネットワーク市場獲得を目指す企業が台頭

全世界に地上通信網を設置するコストは莫大

安価に通信インフラの設置が可能な低軌道衛星コンステレーションに注目

低軌道に打ち上げた多数の小型衛星を連携させて運用する方式


数百～数万機の衛星により通信インフラを設置


地上通信網よりも安価に通信インフラの設置が期待 極域を含めた世界全域を対象に高信頼・高速大容量通信の提供が可能
空域：HAPSやUAVによるネットワーク構築
空飛ぶ車などの新たな通信対象も登場
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC2

近年の大規模衛星ネットワークインターネットにアクセスできない“Other three billions”のための環境構築  長期的な収入源となる見込み
 事業展開を目指す主な企業


GAFA等もビジネスチャンスとして低軌道衛星コンステに出資や衛星事業の立ち上げを進めている

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC3

GAFAによる出資、事業展開
Google




Apple




SpaceXへの出資、HAPS事業の立ち上げ
iPhoneの常時接続化に向けて通信衛星の技術を開発中

Facebook

子会社にて人工衛星「Athena」を開発
SpaceXのStarlinkよりも10倍高速なインターネット環境を提供

Amazon

Kuiper Systems


高度590キロメートルに784機、610キロメートルに1296機、630キロメー
トルに1156機と3段階の低軌道に3236機の衛星

AWS Ground Station
自然災害発生時に映像データ解析による救助活動 船舶、航空機等が利用できる正確な天気予報の提供
 物流パターンを利用したビジネストレンド査定
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC4

衛星通信と5Gの連携について（３GPP）
3GPP :移動通信システムの国際標準仕様を策定する標準化プロジェクト
 2017年3月に衛星と5Gの連携に向けた標準化検討を開始


衛星 (GEO, MEO, LEO) や成層圏プラットフォーム (HAPS) 等を統合させたネット
ワークを非地上系ネットワーク(NTN)とし, ユースケースやサービス要求, 接続アーキテクチャなどの様々な観点で標準化が進行中

今後，衛星通信と5G・B5Gの連携は加速する見通し“衛星-5G統合標準化”

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC5

SAGIN（Space-Air-Ground Integrated Networks）の紹介


宇宙・空中・地上の３層で構成されるネットワーク
GEO 衛星MEO 衛星宇宙セグメントLEO 衛星HAPS
・UAV

空中セグメント

地上セグメント
Jiajia Liu, Yongpeng Shi, Yongpeng Shi, Zubair Md. Fadlullah, and Nei Kato,"Space-Air-Ground Integrated Network: A Survey," IEEE Communications
Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 4, pp. 2714-2741, Oct. 2018.
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC6

歴史と思い出

階層型衛星ネットワークというコンセプト（1990年代に研究論文もすでにあった）
輻輳回避のためのルーティング研究など
 別途HAPSのワードも

Yuichi Kawamoto, Hiroki Nishiyama,
Naoko Yoshimura, and Nei Kato, "階層型衛星ネットワークの構成と通信遅延の関係に関する一考察," 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 111, no. 24, SAT2011-7, pp. 3338, 2011年5月.

2024/7/10

その後，無人航空機（UAV）ネットワークが注目され，衛星との融合，宇宙-空-地上への流れ
日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC7

SAGIN実現に必要な技術と課題


SAGINの特徴
多層構造広い
カバレッジ

SAGINの実現に必要な技術
モビリティ
管理

ルーティング制御

ネットワーク制御

ハンドオーバ制御

資源割当スケジューリ
ング

エネルギー
管理

周波数帯域管理

セキュリティ
保証実現のための課題2024/7/10

複数システムの連携

モビリティ：どうやって動的なリソースの追跡を行うかルーティング制御：どのアルゴリズム，手順を選択するか
資源割当スケジューリング：どのリソースをいつ利用するか
ハンドオーバ管理：どのリソースにハンドオーバを行うか
日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC

誰が？

8

本日ご紹介する研究事例
SAGINを構成する要素毎の研究
LEO衛星とHAPSのカバーエリア制御
 衛星間光通信における交差軌道間接続
 LEO衛星×IRS×周波数プリズムによるマルチビーム制御
 光衛星通信×分散型グリーンデータセンタシステム
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC9

LEO衛星とHAPSのカバーエリア制御手法に関する検討

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC

10

想定環境
• HAPSを用いた宇宙-空-地上統合ネットワーク– FSO通信とRF通信の併用– 地上UEへのダウンリンクシナリオを想定
LEO衛星
FSO

RFHAPSUE

HAPS: High-Altitude Platform Station
FSO: Free-Space Optical
RF: Radio Frequency
UE: User Equipment
LEO: Low-Earth Orbit研究課題• 複数UEへのダウンリンク経路選択– 既存研究では衛星から単一地上受信点までの経路に注目• エンドユーザである複数UEまでの経路決定手法は未構築– カバーエリアの偏りによる周波数利用効率の低下
Satellite
HAPS

Satellite-covered cell
HAPS-covered cell
Transmitted data
Transmission capacity
Unsatisfied traffic demand

提案手法• LEO衛星/HAPSのカバーエリア制御手法– 周波数利用効率を最大化する制御パラメータの導出– 分枝限定法に基づく効率的な最適解探査手法
最適化問題の定式化ℂopt = arg max 𝑆𝑆𝑆𝑆HAPS（H）

衛星（S）
H・・・

SH・・・

S・・・

#2#3・・・

𝑆𝑆𝑆𝑆：周波数利用効率ℂ：各セルへの送信ノードと割当帯域幅の組

実行可能解セル#1・・・ℂ

解探査アルゴリズム

実行不可能解枝切除・・・

・・・

評価概要
• 評価項目– カバーエリア制御による周波数利用効率への影響• 評価環境– UEの位置とトラヒック要求量は一様分布– LEO衛星の初期位置はHAPS直上– 1タイムスロット（50秒）ごとに制御を実施

𝑡𝑡 = 0 s

7.63 km/s• 主要パラメータ
パラメータ値

周波数

193THz(FSO), 2GHz(RF)帯域幅1GHz(FSO), 120MHz(RF)トラヒック要求量10-100Mbps/UE （一様分布）

550km
20 km
40 km

評価結果
• LEO衛星1基，HAPS1基，UE100台のケースで評価

周波数利用効率［bits/s/Hz］– 提案手法により最大の周波数利用効率を達成– 衛星-HAPS間距離の増大に伴うFSO/RFリンクの性能低下を確認
50454035302520
1510
50

提案
平均値

12

最大値
中央値

34

最小値

56
7
タイムスロット8910

衛星間光通信におけるポインティングエラー発生確率に基づいた交差軌道間接続選択に関する検討

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC16

想定環境• 多数のLEO衛星で構成したコンステレーションを想定– 衛星の高度は550km– 2種類の方向で構成されるメッシュネットワークを構築– 衛星間は波長1.5μmの自由空間光通信によって接続: 衛星: 進行パターン①: 進行パターン②

LEO： Low Earth Orbit
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC17想定する衛星間接続パターン• 同軌道間接続– 切断がなく，衛星間の距離・相対速度が一定• 隣接軌道間接続– 切断はないが，衛星間の距離・相対速度が変動• 交差軌道間接続（本研究で注目する接続方法）– 瞬時的にしか接続不可能– 衛星間の距離・相対速度の変動大同軌道間接続2024/7/10

隣接軌道間接続日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC

交差軌道間接続18

提案手法• 隣接軌道間接続が続く経路では交差軌道間接続を利用して同軌道間接続の経路に切り替えを実行– 経路切り替えによって安定した接続を行える可能性あり
従来研究の想定

本研究の想定隣接軌道間接続を繰り返し使用する必要（安定性低下）

交差軌道間接続を挟むことで同軌道間接続による伝送が可能

 検証によって経路切り替えの有効性を評価
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC19

検証評価概要• 検証目的– 経路切り替えが有効な範囲を確認する• 評価指標– BER(Bit Error Rate)期待値• 使用パラメータ
パラメータ

数値

コンステレーションの軌道数 24個
軌道内の衛星数66基

軌道傾斜53°角速度

𝜋𝜋rad/s
2700

X方向の平均値𝜇𝜇𝑋𝑋𝑋

2024/7/10

パラメータ

数値

Y方向の平均値𝜇𝜇𝑌𝑌𝑌

0.53946μrad

Y方向の分散𝜎𝜎𝑌𝑌0.53946μrad

X方向の分散𝜎𝜎𝑋𝑋

0.28927μrad

測定時間90min0.36258μrad 測定間隔𝑚𝑚
日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC1s20

検証評価結果• 2つの接続パターンのBER期待値を比較– 経路切り替え実行パターン（交差軌道間接続1回+同軌道間接続5回）– 従来通りの接続パターン（隣接軌道間接続6回）
交差軌道1回+同軌道5回

隣接軌道6回

7.00E-10

BER期待値

6.00E-10
5.00E-10
4.00E-10
3.00E-10
2.00E-10
1.00E-10
0.00E+00

0.00E+00

5.00E-08

1.00E-07

1.50E-07

2.00E-07

重み変数（隣接軌道の不安定性係数）

重み変数の数値次第で，経路切り替えが有効となるケースが存在することを確認
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC21

LEO衛星通信システムにおけるIntelligent Reflecting Surfaceを用いたアンテナ構成による周波数プリズムでのマルチビーム制御

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC22

想定システム• IRSと送信機を利用したアンテナ搭載LEO衛星通信– 複数送信機から電波を放射し、IRSでビームフォーミング
• 電波の反射方向や指向性の制御により高いパスロスを補償可能• 信号をデジタル処理するよりも低損失で高利得を実現可能
IRS搭載LEO衛星

IRS
送信機

ビームフットプリント（方向制御可能）

消費電力を抑えて高い利得を実現可能
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC23

想定システムでの課題• シングルビーム制御の限界– 頻繁なビーム制御更新で通信遅延が増大– リソースが過剰で周波数利用効率が悪化
制御間隔

通信容量

通信要求量
制御切り替え前に要求が完了
 リソースの無駄が発生
遅延を低下させ、周波数利用効率を向上させるために、周波数プリズムを利用
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC24周波数プリズムによるマルチビーム形成• 多重化サブキャリアのビーム方向を分散させる技術– 1送信機でマルチビームを形成可能
 消費電力を抑制し、周波数利用効率が向上
スペクトルの様子
通常のビームフォーミング

AccessPoint

周波数プリズム

強度 サブキャリア

サブキャリア（紫青緑黄赤）が多重化されたビーム

周波数• アンテナ素子ごとで時間をずらして電波を放射 素子間で周波数ごとに位相差が発生
IRSで周波数プリズムを実現するために遅延素子を導入
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC25

提案手法(1/2)• 遅延素子を導入したDA-IRSで周波数プリズムを実現– 各遅延素子は入射波が反射するまでの遅延時間を制御• 遅延時間量Δ𝜏𝜏によって各サブキャリアの分散幅が変化
DA-IRSの断面図
時間遅延素子0Δ𝜏𝜏

𝑀𝑀𝑇𝑇c2𝑀𝑀𝑇𝑇c𝑡𝑡 = 0反射波

入射波

𝑡𝑡 = 𝑀𝑀𝑇𝑇c𝑡𝑡 = 2𝑀𝑀𝑇𝑇c

Δ𝜏𝜏

各素子の遅延時間 𝜏𝜏

周波数利用効率が最大となるDA-IRSの各遅延素子の遅延時間の制御が必要※DA-IRS：Delay Adjustable-IRS
2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC26

提案手法(2/2)• 周波数利用効率最大となる周波数プリズム制御– 3つの制御を総当たりで決定• 中心サブキャリアの反射方向（緑のサブキャリア）• ビームの広げ幅（DA-IRSの素子間の遅延時間差）• 各サブキャリアの各エリアへの割り当て方

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC27

評価方法• 評価指標– 複数の通信要求と通信する際の周波数利用効率• 比較手法– 全サブキャリアのビーム方向を真下に集約 (IRS-BF)– カバレッジ全体を覆うような周波数プリズム (MAX-PRISM)

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC28

評価結果• 全ケースで提案手法の周波数利用効率が最大– ケース1：MAX-PRISMで効率が低下• 要求が真ん中に集中しているため– ケース2：IRS-BFで効率が低下• 要求が全体に分散しているため– ケース3：比較手法のどちらも効率が低下
周波数利用効率[bit/sec/Hz]• 2つの要求集中地域を同時にカバーできなかったため

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC29

光衛星通信を用いた分散型グリーンデータセンタシステム
におけるタスク割当手法

2024/7/10

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC30

想定システム• 構成要素: RF (Radio Frequency) link

– LEO衛星: FSO (Free Space Optical) link

• 地球低軌道を周回する衛星– 分散型グリーンデータセンタ
タスク• 衛星とのFSOリンクによる通信• 再生可能エネルギーによる発電• 蓄電池による蓄電– 地上ユーザ

LEO衛星

タスク割当

地上ユーザ

• データセンタへのタスク要求• 想定する通信– 衛星からデータセンタへのFSOリンクを用いたタスク割当

分散型グリーンデータセンタ
LEO : Low Earth Orbitタスク完了時間に影響を及ぼす要因• 蓄電量の変動– 天候による発電量と消費電力量によって蓄電量が変化
 蓄電量に処理性能が変化し処理時間に影響• 衛星-地上間のダウンリンク性能の変動– 天候 (雲・風) によってリンク性能が変化
 リンク性能によってタスクを送る際の伝送時間に影響
天候良

悪良

リンク性能

電力量と処理性能
処理性能向上悪想定システムにおける課題– 蓄電量のみを考慮した場合• 性能が低下したリンクへのタスク集中により伝送時間増大– リンク性能のみを考慮した場合• 蓄電量低下に伴い処理能力が低下したデータセンタへタスクが集中することにより処理時間増大
電力量のみ

リンク性能のみ伝送時間の増大
処理時間の増大

両方の要素を考慮したタスク割当手法が必要

提案手法の概要• 目的– タスク到来時に利用可能電力量・リンク性能を考慮して到来タスクの完了時間が最短になるようにタスク割当• 手法– 最適化問題を定式化
min max 𝑇𝑇1 , 𝑇𝑇2 , ⋯ , 𝑇𝑇𝑘𝑘

𝑇𝑇𝑖𝑖 , 𝑖𝑖 ∈ 1, 2, ⋯ 𝑘𝑘 : データセンタ𝑖𝑖におけるタスク完了時間– 最適化問題の解に基づき割当を決定

𝑇𝑇𝑖𝑖 = タスク数 ×タスク1つ当たりの完了時間

タスク一つ当たりの完了時間を求めることで最適化問題の解をもとに割当可能

性能評価概要• 評価指標– タスク到来ごとのタスク完了時間• 比較手法– 電力量のみを考慮する手法– リンク性能のみを考慮する手法
パラメータ値

パラメータ値

LEO衛星高度550km

太陽光による最大発電量

2000J/min

衛星の送信電力10W

データセンタの標高

1.2km

帯域幅1GHz

評価期間

1日間

屈折率構造パラメータ10−14 m−2⁄3波長1550nm

雑音電力密度
液体分水量3.128 × 10−21 A/Hz 天頂角
3.128 × 10−4 cm3乱流の影響を受ける高度90deg
20km

評価結果
• 到来タスク数がランダム (50 ～ 250) で変化する際の性能評価– 比較1 : 電力量のみ考慮– 比較2 : リンク性能のみ考慮
タスク完了時間 [ms]3025201510
50
提案

比較1

比較2

おわりに～今後への期待～

空中にある通信媒体が増加する
ニーズやコストを踏まえた通信の選択肢の多様化が進む（ユーザ目線では選択する必要が無いのが理想？）

濃淡付けつつシームレスな3次元ネットワーク ＝ NTN＋地上系の構築を目指す

日本はどこで勝負？
衛星コンステ構築に真っ向から，は厳しい？（メガベンチャーが主導） どこの技術に注力？ ３GPPには？


2024/7/10

マーケットを研究者がつくっていく意識

日本衛星ビジネス協会講演会＠NEC37