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6Gの実現手法 Non-Terrestrial Network ~ 空飛ぶ基地局による通信環境の変化

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株式会社IDデータセンターマネジメント
上坂 明

こんにちは。IDデータセンターマネジメントの上坂です。

さて、本日扱うテーマは、次世代移動通信システム(5G/6G)に関連する技術の一つ、
非地上系ネットワーク(NTN(Non-Terrestrial Network))について取り上げたいと思います。

5Gは「地方創成や地域課題解決」を大きな目標としていますが、6Gは「空・海・宇宙を含むあらゆる場所へのガバレッジ拡張」を目標に掲げており、地上だけではなく、海、空、宇宙空間など、あらゆる場所でのネットワーク利用を目標としています。
NTNとは地上に限らず、「海、空、宇宙」全ての通信プラットフォームを繋げ、宇宙空間や成層圏から通信ネットワークを提供することを目的としたソリューションとなります。そのため、6Gの実現手法として期待されています。
【参考:Non-Terrestrial Networkイメージ図】
参考:Non-Terrestrial Networkイメージ図<出典:※外部サイト:NICT「Beyond 5G / 6G時代のNon Terrestrial Network」より抜粋>

移動通信システムの現状

いきなり宇宙空間と通信と言っても混乱すると思いますので、現状の通信機器の電波の流れについて整理したいと思います。以下図はAさんからBさんに電話をかける場合の流れです。
Aさんの携帯電話端末から発信された電波は、最寄りの無線基地局にて受信されます。受信された電波は信号に変換され、光ファイバーケーブル等のバックボーン回線(※1)を通り、交換局(データ通信設備 や音声交換設備を指します)へ渡されます。
交換局は目的地であるBさん最寄りの基地局に向けて信号を送信し、信号を受信した基地局は再び信号を電波に変換し、Bさんの携帯電話に届けます。これが携帯電話での電波の流です。
※1…図では有線ケーブルとありますが、無線・衛星回線を利用した接続形態もあります。
基地局は基本的には電波を発射する「アンテナ」と「送受信機」にて構成されていますが、用途によってサイズ・設置場所が異なります。基地局と聞くと大きな鉄塔型のものや、繁華街のビル屋上に設置されているアンテナ型の基地局を思い浮かべますが、屋内に設置する小型の基地局も存在します。
【参考:タイプ別基地局】
種類 サイズ カバー範囲 備考
鉄塔型 20~50m 大規模 主に郊外に設置される。カバー範囲は広い。
ビル設置型 2~3m
中規模 ビルやマンションの屋上に設置される。主に市街地エリアで利用される。
小型基地局 1m 小規模 電柱などに設置される。
小規模なエリアをカバーする。
屋内基地局 1m以下
(30cm程度)
小規模
(特定範囲)
地下鉄や地下街、大型の高層フロアなどに設置。限られたエリアをカバーする。
【参考:種別別基地局イメージ】
【参考:種別別基地局イメージ】
<出典:※外部サイト:総務省「携帯電話基地局とわたしたちの暮らし」より抜粋>
設置型の主なタイプは上記4種ですが、それ以外にも移動型基地局と呼ばれるドローンや船舶、車両を活用した基地局も存在し、主に災害発生時に孤立した地域への電波供給や、イベントなどにより多くの人が密集する際のトラフィック分散のために利用されています。
【参考:移動型ドローン基地局】
参考:移動型ドローン基地局
【参考:海底ケーブル敷設船を活用した船舶型基地局】
参考:海底ケーブル敷設船を活用した船舶型基地局
<出典:※外部サイト:KDDI「スマホをつなげる「基地局とは」より抜粋>

基地局の問題

さて、上記基地局ですが設置について「物理的に設置可能な場所が限られている」という問題を抱えています。利用可能エリアが少しずつ拡大中の5Gが要因となった問題ですが、5Gは準ミリ波帯(20Ghz ~30Ghz)の周波数を利用する波長の短い電波を利用した通信となります。周波数の高い電波は直進性が高く、到達距離が短くなるため、現状の何倍も基地局を設置する必要があります。
ある程度見晴らしの良い場所でも100m毎、樹木や構造物等の遮蔽物が多くある市街地の場合は、場所によっては20m~100m毎に設置する必要があると言われています。更に電波の届きにくいビルの影などの場所へは、電波を反射させる反射板などを設置して電波が届きやすくする工夫も必要です。
そのため、都市部ではビルの上にアンテナを設置したくとも、別ベンダーのアンテナがすでに設置済みで、新規設置が出来ず利用可能エリアが広がらないという事態が起きています。
さらに設置数が多い分、地主やビル管理者に設置許可を得るまでに時間が掛かっているという点も問題です。
また、郊外に設置する大型の鉄塔タイプ基地局は大型である分、近隣住民の方から景観の問題や健康への影響懸念があるとして、設置反対運動が発生し、設置出来ないケースも存在します。
現状、各社の5G基地局設置数は以下の通りとなっています。各社が2021年上半期に挙げた目標値ですが、昨今の半導体不足による影響により目標値達成は厳しいものになると考えられます。
【参考:各携帯キャリアの5G基地局設置数】
キャリア 基地局設置数 2021年度目標 備考
Docomo 1万局
※2021年6月末時点
2万局 4Gからの転向ではなくコアネットワークも5G仕様に変更した新規設置数。2021年度後半からは4G転向も本格化を想定。
KDDI
ソフトバンク
1万局
※2021年3月末時点
5万局 共同出資会社「5G JAPAN」を設立。互いの基地局のリソースをシェア、および4G基地局を5G基地局に転向することにより、設置数加速。
楽天モバイル 数局 - 4G人口カバー率の向上を2021年内に掲げて基地局設置中。

空飛ぶ基地局 HAPS

ここまでの説明で、地上に設置する基地局だけでは通信エリアをカバーすることが難しくなりつつある事が分かったかと思います。
このような問題の解決に、今回のテーマであるNTNソリューションが活躍すると考えられています。NTNを活用すれば、地上に基地局を設置する必要が無く、また高高度に存在しているため、1機あたりのカバー範囲が広く、設置数も抑えられるといったメリットがあります。
NTNの構成要素のうち、宇宙空間からネットワークを提供する通信衛星として、「静止衛星(GEO)・非静止低軌道衛星(LEO)」があります。それぞれ3,6000km、1,200kmという超高度に存在しています。
衛星と地上の通信は、地上局アンテナでやり取りが行われていますが、GEOは片道電波速度で約120ミリ秒の遅延が発生します。しかし数機で地球全体をカバー可能な超広範囲のエリア、かつ移動しないため常時通信可能であるという特徴があります。
LEOはGEOと比較し低軌道なため、片道電波速度は数ミリ秒程度と低遅延ですが、地球を周回しているため、通信するためには多数の衛星をリンクさせる必要があります。
また、LEOより更に地上に近い成層圏通信プラットフォーム(HAPS(High Altitude Platform Station))があります。HAPSとは携帯電話の基地局機能を搭載し、一定の範囲に常駐。高高度を飛び続ける無人飛行機となります。飛行する高度は約20km、地上半径約50km~200km程度のエリアをカバー可能であるという特徴があります。片道電波速度は約0.1ミリ秒とLEOより更に低遅延となります。
HAPSは日本では元々「ミレニアム・プロジェクト」として1999年より研究が進められていましたが、地上通信網が整備されたことにより、事業化には至りませんでした。
しかし、ソフトバンク社より2019年に航空機型の成層圏通信プラットフォームの事業化が発表され、2027年の商用化を目指し実証実験が進められています。
HAPSなどのNTNは、基地局が移動するという特徴があるため、通常、利用者が移動することにより最寄りの基地局(エリア)に切替るハンドオーバが、機体の旋回などにより発生するため、通信が不安定になりやすいという課題があります。
しかし、2021年9月にリリースされた情報ではこのような課題に対して、通信エリアを固定する「シリンダーアンテナ」の導入、およびアンテナの向きを固定する「回転コネクタの導入」といった「フットプリント固定」制御技術を導入し、通信の安定化に向けた取り組みが進められています。

最後に

今回取り上げたNTNソリューションは、6Gの基礎技術の一つになると考えられています。およそ10年単位で新しい移動通信方式が出てくるため、6Gの提供開始は2030年頃と言われていますが、HAPS・NTNソリューションの展開状況次第ではもう少し早く6Gの提供が始まるかもしれません。今後について注目したいと思います。
最後まで読んでいただきありがとうございました。

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上坂 明

株式会社IDデータセンターマネジメント テクニカルスペシャリスト

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