2.1　コンセプト

　上述したように，宇宙センシングはIoT通信と地球観測に大別される．まず，地球規模のIoT通信について説明する．図2に当社で研究開発を進めているIoT端末を用いた地球規模のIoTプラットホームを示す．具体的には，地球上のあらゆる場所でつながる920MHz帯の安価なIoT端末で海洋など超広域かつ低頻度のセンシングデータ収集による新たな市場の開拓を目指す⁽⁴⁾．ハードウェアは一般的な地上用LPWA（Low Power Wide Area）端末を活用することで調達コストを抑制する．衛星はシンプルな構造で，受信した920MHzの信号波形をディジタルサンプリングして衛星搭載メモリに一旦ストアし，基地局上空を飛来するタイミングでメモリに蓄積されたデータを地球局にダウンリンクする．この際，LEO衛星が移動することでダウンリンクできる時間は限られ，更に利用できる周波数帯域も限られることから，異なる信号を同一周波数の複数アンテナで送受信するMIMO技術を活用することでダウンリンクの大容量化を図る．

　一方，リモートセンシング衛星からの地球観測は，高精細カメラ（光学センサ）画像と合成開口レーダ（SAR）衛星を用いたマイクロ波レーダの活用が有名であるが，当社ではJAXAと連携し，テラヘルツのリモートセンシングにより雲降水システムにおける様々な凝結粒子を総合的に捉えるミッションを検討している．具体的にはInP-HEMT/HBTのMMIC技術を用いて試作された300GHz帯のテラヘルツ帯無線デバイスを用いて，衛星搭載用InP-HEMT/HBT技術を用いた325GHz帯の低雑音増幅器（観測用）の研究開発に取り組んでいる⁽⁵⁾．

2.2　主要技術

 （１）衛星ブラインドビーム制御技術

　近年920MHz帯を用いた地上IoT端末の台数はスマートメータの利用等により都市部で急速に伸びており，衛星に920MHz帯の受信アンテナを搭載すると都市部からの干渉波も同時に受信する課題が予想される．そこで衛星に複数のアンテナを搭載し，大きな干渉源に対して衛星アンテナ指向性のヌル方向を向けて，他端末からの干渉を低減しつつ所望信号の受信利得を最大化するようにビーム指向性を制御する⁽⁶⁾．ただし，衛星が時々刻々移動することで衛星センサ端末と干渉源の相対関係も変化するため，リアルタイムでのビーム制御は困難である．そこで，衛星に搭載された複数アンテナで衛星センサ端末からの信号を一旦受信し，衛星を介して地上にダウンリンクした後，信号処理で端末単位に他端末からの干渉を低減しつつ所望信号の受信利得を最大化する方法を検討している．この地上での信号処理により，受信SINR（Signal Interference Noise Ratio）向上を図る．

 （２）衛星MIMO技術

　携帯電話や無線LANで使われているMIMO技術は，アンテナを複数用いて限られた周波数で伝送容量を改善する技術であり，マルチパス環境でMIMOチャネルの相互相関が低いときに伝送容量が改善される．そのため，これまで衛星通信のような見通し環境ではパス間の相関が高く，MIMO技術の適用が難しいとされてきた．この課題に対して当社ではJAXAとともに，衛星に複数アンテナを搭載し，地上にも複数アンテナを設置するが，その地上のアンテナ間の距離を物理的に離すことでチャネル相関を下げる方法を提案している⁽⁷⁾．物理的に地上アンテナを離せばチャネル相関を下げることができるが，トレードオフとして受信チャネルの関係が相対的に非同期となる課題が生じる．この非同期受信環境においてMIMO干渉補償できる技術を考案した．原理的にはアンテナ数を増やせばスケーラブルに容量が増えるのもMIMO伝送の大きな魅力の一つである．

 （３）テラヘルツ帯無線デバイス技術

　一般的なシリコンを用いたICでは，CMOSのような大規模な集積化により高機能化が可能だが，高速化や高出力化に限界がある．一方，InP化合物を用いたICでは，高集積化は不得手だが，シリコンよりも高速化や高出力化が可能である．衛星からの雲降水システムにおける様々な凝結粒子を総合的に捉えるため，現在InP-HEMT/HBT技術を活用した300GHz帯無線デバイスの衛星搭載性評価（耐放射線評価等）を実施している⁽⁸⁾．

3.1　コンセプト

　観測衛星から地球局に直接データ伝送をする既存サービスでは地球局と通信できるタイミングや利用できる電波の周波数帯域による通信容量に制約があるのに対し，静止軌道衛星経由での光データ伝送を用いることで，大容量・準リアルタイムのデータ伝送が可能となる．当社とスカパーJSATは共同でSpace Compass社を設立し，軌道上での高速光データリレー及び宇宙エッジコンピューティングを駆使して，地球観測衛星等のボトルネックである通信容量不足の解決やリアルタイム性の向上に貢献するプラットホームの提供を目指している（図3）⁽⁹⁾．まずは，観測衛星等により宇宙で収集される膨大な各種データをGEO経由で地上へ高速伝送する光データリレーサービスを検討している．

3.2　主要技術

 （１）光無線技術

　一般に光無線はRF無線に比べて，伝送容量が大きく電波免許も不要のため，見通し環境である宇宙空間での利用に適している．衛星と地上間の光無線通信については，雲の影響や大気の揺らぎに応じて通信品質が劣化するため，品質を担保する技術が必要であるが，大気の影響がない衛星と衛星間の通信では早期利用が期待されている⁽¹⁰⁾．当社においてもJAXAと連携し，一般に用いられる低雑音光増幅器よりも原理的に3dB雑音指数が低く，より低雑音増幅が可能な位相感応増幅器とその宇宙光通信適用の研究を進めている⁽¹¹⁾．

 （２）光電融合技術

　今後GEO/LEO/HAPSでの複雑なコンピューティング処理が実現し，搭載機器が高機能化するにつれて，消費電力が課題となる．特に小形衛星は排熱スペースが限られており，機器の低消費電力化が必要となる．当社ではIOWN構想のオールフォトニクスネットワークの研究開発の中で，光変調や光トランジスタを基軸とした光電融合チップの研究開発を進めており，将来的にはこれらのチップを搭載機器に適用することで，衛星搭載装置の軽量化，低消費電力化を目指す⁽¹²⁾．

 （３）コンピューティング技術

　衛星で撮像する画像データは高精細になるほど容量が大きくなり，地上に伝送するのに時間を要する．一方，衛星で取得される画像データは全てが有用とも限らず，衛星上で必要なデータだけを選別して地上に転送することが期待されている．当社では限られた衛星上のコンピューティングリソースでできるだけ正確にイベントを判定する技術の研究開発を進めている⁽¹³⁾．

4.1　コンセプト

　現在，B5G/6G時代に向けた研究や検討が各国で開始されているが，地上モバイルサービスエリアの超カバレージ化もその研究の柱の一つと位置付けられ，衛星通信やHAPSの活用が議論されている⁽¹⁴⁾．超カバレージの概念には地上のルーラルエリアだけでなく，空，海，宇宙も含まれ，NTN（Non-terrestrial Network）と呼ばれている．NTNでは通常のスマートフォンを用いた携帯電話サービスに加え，船舶・自動車・監視制御等の自動化／無人化で衛星通信が利用されると予想される．その際，地上ネットワークを利用できるエリアについては地上ネットワークを活用し，地上ネットワークのエリア外では衛星やHAPSを活用するなど，地上と上空のハイブリッドなネットワーク構成となる．これまで衛星通信とモバイル通信は通信プロトコルが独立でI/F仕様も分かれており，それぞれで回線終端していた．今後はB5G/6G時代の超カバレージサービスを見据え，5Gの通信仕様を一部衛星用にカスタマイズされた汎用チップを端末や基地局に実装することで，衛星と地上のシームレス通信接続が期待される．GEO/LEO/HAPSに対するアクセスサービスを統合した宇宙RANにより超広域カバレージサービスを実現することで，災害対策だけでなく，離島やへき地のエリア化，飛行機や船などの通信環境の飛躍的な改善など，利便性の向上や新たな付加価値の提供が可能となる．

　なお，上空方向のネットワークとして，GEO/LEO/HAPSは，カバレージ・コスト・遅延・技術成熟度の観点で一長一短があり，いずれか一つに特定されない．例えば，GEOは1機の衛星でカバレージが最大であるが，衛星伝搬遅延が250msとトレードオフがある．一方でLEOは伝搬遅延が数msであるが，上空を移動するためリアルタイム性を維持するには多数の衛星が必要となる．HAPSは伝搬距離が短く，スマートフォンからのダイレクトアクセスやスポットエリアでブロードバンドサービスを提供できる可能性が高いが，日本上空で安定した飛行／通信技術を確立し，低価格な通信機器が普及するまでに時間がかかる．その結果，各国の地域特性や通信事情も勘案し，地上とGEO/LEO/HAPSをベストミックスで柔軟に接続する世界になると考える．

4.2　主要技術

　地上とGEO/LEO/HAPSを柔軟に接続するNTNの実現に向けて，以下の技術の研究開発を進めている．

 （１）NTNアーキテクチャ

　GEO/LEO/HAPS及び地上セルラ網を組み合わせてトラヒックを収容する場合，ネットワークのアーキテクチャ設計が重要となる．本技術を確立するため，現在NICTのBeyond 5G研究開発促進事業委託研究を活用し，非地上系ネットワークによるカバレージ拡張通信システムの研究開発を進めている（図4）⁽¹⁵⁾．例えばGEO/LEO/HAPSにgNBの搭載有無によりネットワークアーキテクチャやトラヒックのルーチング方法が異なる．多層ネットワークをエンドツーエンドでシームレスに接続する転送アーキテクチャの確立が重要となる．一方で，GEO/LEO/HAPSの上空ネットワークは地上5Gや光ファイバ網に比べて伝送容量が限られるため，ふくそう時・降雨時・災害時などの周辺環境の変化に柔軟に対応するオペレーションが求められる．それぞれのインフラの特徴を加味しながら柔軟にトラヒックを収容する技術を確立するため，現在NTNシミュレータを開発している⁽¹⁶⁾．またHAPSと地上5Gで同じ周波数を利用する場合は干渉が生じるので，シミュレータによる干渉評価や干渉回避技術の研究開発も進めている^(17),(18)．

 （２）HAPS搭載技術

　現在HAPSに搭載できる通信機器の重量／消費電力は限られており，現時点ではHAPS上で地上の携帯基地局相当の信号処理の実施は難しい．更なるHAPS機体の進化が期待される．また，海上等のサービスでは，HAPSと地上基地局が大きく離れて運用するケースも想定され，HAPSと基地局を接続するために，隣接するHAPS同士や，HAPSと衛星を接続するマルチホップ接続が必要となる．現在，マルチホップ接続実現の鍵となるHAPS同士の光無線接続に関する実証実験に向けて研究開発を進めている⁽¹⁹⁾．

 （３）ミリ波伝送技術

　NTNサービスにおいて，モバイルユーザを想定したサービスリンクの高速化に伴い，それを束ねる衛星／HAPSと基地局間のフィーダリンクにはより高速な伝送容量が求められる．このため，フィーダリンクの周波数としてWRC-19で新規に割り当てされたQバンド（30～40GHz帯）を活用することを想定している．しかしながらQバンドは降雨減衰が大きく，日本のような多雨地域では降雨減衰補償技術が必要となる．従来からのダイバーシチ技術に加え，降雨予測に基づいてプロアクティブに基地局を切り換える技術や，前述した衛星／HAPSの光無線接続による降雨迂回制御技術についても研究開発を進めている⁽²⁰⁾．