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先導する研究 Society5.0に向けたシームレスで自律的な宇宙通信システムの研究電波通信技術の研究

Society 5.0実現に向け、空や海といったより広範な活動領域におけるブロードバンド環境へのニーズ、大規模災害時における情報伝達やフレキシブルで可能性の高い通信手段として、高速通信衛星、地球観測衛星/データ中継衛星通信回線の高度化の重要性は増してきています。そこで、JAXA研究開発部門では通信システムの高速化、フレキシブル化をコンセプトに主に要素技術の研究、開発に取り組んでいます。コグニティブ無線技術、ソフトウェア無線/ソフトウェア定義ネットワーク技術等に関する研究についても検討を実施しています。

高速伝送システムの研究

研究の意義価値

地球観測衛星の高性能化に伴い発生する大容量の観測データを地上に送るためには、高速伝送システムが必要とされています。特に、発災時における緊急観測によって得られる観測データは重要度が高く、 観測を行ってから短い時間で大容量のデータを地上に送ることができる高速伝送システムが必要です。

本研究では、衛星-地上局間の伝送システムの高速化の研究開発を実施しています。

大容量の観測データ伝送の要求に応えるために、地球観測衛星から地上局へのデータ伝送の大容量化を行います。従来のX帯周波数を利用した伝送システムから、Ka帯周波数を利用した伝送システムに拡張をめざした研究開発を行います。2020年代前半に要求される最大3.6 Gbpsの伝送速度を実現するためにDPD技術を研究開発。2020年代後半に要求される平均8~12 Gbpsを実現させるために偏波多重化、可変符号化変調(VCM)、LDPCを利用したコンパクトな伝送システムで実現させます。
また更なる高速化技術として、MIMOを利用した高速化にも取り組んでいます。

研究の目標

1. 伝送速度向上技術

1-1. 多値変調方式(Higher-order Modulation)

だいち2号(ALOS-2)以降に使用されてきた16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)方式で実現した周波数利用効率4 [bits/s/Hz]を1.5倍の6 [bits/s/Hz] 以上に高めることで、さらなる高速化を実現します。衛星搭載機器の低リソース化のため、QAM方式よりも信号歪みに強い、APSK(Amplitude Phase Shift Keying)方式を採用します。

変調方式の多値化による周波数利用効率の向上

1-2. 伝送路多重化

最も効率よく伝送容量を向上させるために、Ka帯*を利用した帯域幅の拡大(X線利用時の4倍)を行うだけでなく、偏波多重化を組み合わせた広帯域化を図り、1受信局あたり最大3GHz(1.5 GHz×2偏波)を利用した伝送を行います。
*周波数帯:ITU-R勧告/電波法により、地球探査衛星業務(EESS)にはX帯(8.025〜8.4 GHz)、Ka帯(25.5 GHz〜27 GHz)の周波数帯が割り当てられている。

多重伝送路の構成案

2. 受信SNRの改善

衛星が送信する電波の強度(等価等方輻射電力:EIRP)は電波法で定められる電力束密度(PFD)により制限されるため、受信性能を高めることが重要です。特に、広帯域化やKa帯電波の降雨減衰を補償するために、通信品質に必要なSNR(信号対雑音電力比)の低減を図ります。

2-1. 衛星増幅器の低歪み化(Linearization)

電力増幅器の入出力特性の非線形性を事前に補償するディジタル・プリディストーション(DPD)技術を適用することで、電力増幅器を最大出力電力付近で動作させたときに増幅器出力に現れる信号歪み成分を抑圧します。 これにより、高出力と高品質を両立させるだけでなく、消費電力の低減を実現できます。本技術は先進光学衛星(だいち3号)および先進レーダ衛星(だいち4号)で実用化されました。

ディジタル・プリディストーション(DPD)により低減された信号歪み

2-2. 高利得誤り訂正符号の採用

誤り訂正符号を従来使用してきたReed-Solomon符号から、LDPC(Low Density Parity Check)符号とBCH符号の連接符号に変更することで、通信経路上で生じるビット誤りをより多く訂正可能とし、 要求される通信品質の実現に必要となる受信信号電力を低減します。

2-3. 両偏波アンテナの高交差偏波識別度化

偏波面の違いを利用した偏波多重伝送により同じ周波数帯を利用して通信路容量を2倍にすることが可能です。偏波多重伝送では、主偏波信号成分と交差偏波信号成分を識別できる度合い(交差偏波識別度:XPD)を高く維持可能な広帯域アンテナを実現させることで通信性能を維持した大容量通信が可能となります。民間企業と共同研究により、積層造形技術を用いることで低コスト・短納期な製造性に優れたアンテナの実現を目指します。

軸比と漏洩電力の関係
交差偏波識別度の低下による受信信号SNRの低下

3. 伝送方式の最適化による通信路容量の最大化

従来の固定符号化率変調(CCM)方式から、事前に決められた仰角等で通信速度の切替えを行う可変符号化変調(VCM)方式の導入により、与えられた通信システムで実現される通信路容量を最大化します。これによりLEO地球観測衛星のように地上局が見られる可視時間が10分程度に限られる環境においても、データ伝送量を大きく増加させることができます。

地球観測衛星におけるVCM方式の運用イメージ(変調方式、伝送速度は一例)

3-1.  RAISE-2によるVCM方式運用の技術実証

JAXAでは小型実証衛星2号機によりVCM技術の軌道上実証を行いました。地上局の可視中に変調方式をQPSK、8PSK、16APSK、32APSK、64APSKと動的に切り替えてデータ伝送速度の変更を行いましたが、全17 回の運用で一度もデータが欠けることなく通信可能できました。VCMの採用により、従来の固定符号化変調(CCM)と比べて、最大1.8倍までデータ伝送量を増加させることに成功しています。

4. MIMOによるさらなる通信路容量の大容量化

電波の周波数は有限であり、今後飛躍的に増加する衛星の数に対応し更なる周波数利用効率の向上が必要となります。送受信に複数のアンテナを用いることで、同一時刻/同一領域において同一周波数を用いた通信を可能にするMIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術の衛星への適用を目指します。

これまで見通し内通信である衛星通信路においてMIMO通信は実現できないとされてきました。JAXAでは衛星MIMO通信路の詳細なモデル化により、MIMO通信可能な条件とその時の通信路容量を推定する研究開発を進めており、民間企業とともに衛星MIMO通信の原理実証を進める計画です。

扇子型展開式高精度大型反射鏡の研究

Beyond 5G/6Gに向けて静止軌道から大容量かつサービスエリアをフレキシブルに変更可能な通信を実現するためには、通信の小セル化/多セル化が必要であり、軽量かつ高精度な大型反射鏡が不可欠です。本研究では、軌道上で展開可能な反射鏡アンテナに関する研究開発を行っています。展開反射鏡アンテナは、その口径に比べて軽量で収納容積が小さいことから、高いゲインを要求する地球観測衛星にも活用できる技術です。

研究の意義価値

本研究では、大容量通信を実現するKa帯に対応した大型展開反射鏡(5m径)の実現を目指しています。設計に新方式(扇子型)を採用することで製造コストの大幅な低減を可能とし、海外製品以上の競争力を有する技術の獲得を目指します。

研究の目標

扇子型展開式高精度大型反射鏡の研究

本研究では、従来にない新しい方式の展開式反射鏡(扇子型)を採用しています。これにより、Ka帯に対応した厳しい鏡面精度要求の達成と従来の高コスト要因であった製造後の鏡面調整を必要としない製造技術について検討を進めています。実際に扇子型展開反射鏡を試作し、展開/収納による鏡面精度劣化対策や打上げ振動耐性の評価などを行っています。

反射鏡イメージ図

金属メッシュの研究

展開反射鏡の表面に使用される金属メッシュは、従来は海外製を使用していましたが金メッキの使用により高コストなであったため、国産による新しい金属メッシュの研究を進めています。コスト競争力を獲得するために安価な素線材料を採用し、メッシュの編み方を工夫することでKa帯での反射特性の実現を目指し研究を進めています。

金属メッシュ©TWC

発表論文等

  • K. Inaoka, M. Shirakura, Y. Tashima, T. Araki, and M. Shimada, "Study on an ultra high speed transmission system for Earth observation satellites," The 18th Ka and Broadband Communications Conference, Canada, 2012.
  • 田島成将, 稲岡和也, 荒木智宏, 島田政明, 谷島正信, "地球観測衛星用Ka帯高速伝送システムの検討:LDPC符号、VCM/ACMの検討," 電子情報通信学会技術研究報告, SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス Vol.113 No.88, p.11-16, 2013.
  • M. Yajima, M. Nakadai, Y. Tashima, N. Ando, S. Tani, and A. Fujimura, "Performance evaluation of Ka-band satellite communication subsystems using Digital Pre-Distorter," The 7th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TTC 2016), Netherlands, 2016.
  • M. Yajima, M. Nakadai, and Y. Tashima, "Experimental evaluation of non-linear distortion compensation using the WINDS satellite," The 31st International Symposium on Space Technology and Science (31st ISTS), Ehime, 2017.
  • 中台光洋, 谷島正信, "衛星通信路の非線形歪み補償実験," 情報通信研究機構研究報告, Vol. 63, No. 2, 3-9, 2017.
  • 中台光洋, 加藤智隼, 谷島正信, "WINDS通信路を介した地球観測衛星直接伝送系向け多値変調通信実験," 第63回宇宙科学技術連合講演会, 3N06, 2019.
  • C. Kato, M. Nakadai, and M. Yajima, "Performance evaluation of Ka-band telecommunication subsystems for Earth observation satellites," The 23rd Ka and Broadband Communications, Italy, 2017.
  • 加藤智隼, 中台光洋, 谷島正信, "仰角毎に変調方式のみを可変とするVCMシステムの検討," 電子情報通信学会技術研究報告, SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス Vol.118 No.105, p.33-37, 2018.
  • C. Kato, M. Nakadai, and M. Yajima, "Investigation of the framing structure on High-speed Ka-band VCM system for Earth observation satellites," The 24th Ka and Broadband Communications, Canada, 2018.
  • M. Nakadai, C. Kato, and M. Yajima, "A multi-carrier amplification method on VCM transmission system," The 32nd International Symposium on Space Technology and Science (32nd ISTS) & 9th Nano-Satellite Symposium(NSAT), Fukui, 2019.
  • M. Nakadai, C. Kato, M. Yajima, T. Sasaki, J. Miyazawa, and M. Hayama, "Next generation high data rate downlink subsystems based on a Variable coding and modulation for Earth observation satellites," The 26th Ka and Broadband Communications Conference and the 38th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC), USA, 2019.
  • C. Kato, M. Nakadai, M. Yajima, J. Miyazawa, M. Hayama, T. Sasaki, and F. Ejima, "On-orbit performance demonstration of VCM technology based on DVB-S2X by the RApid Innovative payload demonstration SatellitE-2," The 33rd International Symposium on Space Technology and Science (33rd ISTS), Oita, 2022.
  • C. Kato, M. Nakadai, M. Yajima, J. Miyazawa, M. Hayama, T. Sasaki, and F. Ejima, "On-orbit performance demonstration of VCM technology based on DVB-S2X," 9th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TT&C 2022), Netherlands, 2022.
  • M. Nakadai, C. Kato, and M. Yajima, "A study of RF feeder link system for data relay satellites supporting multiple data rates," 9th ESA International Workshop on Tracking, Telemetry and Command Systems for Space Applications(TT&C 2022), Netherlands, 2022.
  • C. Kato, M. Nakadai, D. Goto, H. Shibayama, and F. Yamashita, “Channel Capacity Analysis of Satellite MIMO System Depending on the Orbital Altitude,” Proc. of the 37th AIAA International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC 2019), 2019.
  • F. Yamashita, Y. Kojima, M. Matsui, K. Itokawa, K. Yoshizawa, K. Sakamoto, Y. Fujino, C. Kato, and M. Nakadai, “920-MHz IoT platform via LEO satellite employing feeder-link MIMO technology,” ICETC 2020, A1-2, 2020.
  • D. Goto, K. Itokawa, F. Yamashita, C. Kato, and M. Nakadai, “Clock Timing Synchronization among Distributed Multiple Antennas for LEO-MIMO Communications System,” ICETC 2020, B1-4, 2020.
  • 糸川喜代彦, 五藤大介, 小島康義, 山下史洋, 吉澤健人, 坂元一光, 藤野洋輔, 加藤智隼, 中台光洋, "低軌道衛星MIMO技術を活用した920MHz帯衛星IoTプラットフォームの提案," IEICEソサイティ大会, B-3-12, 2020.
  • 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, "LEO-MIMOシステムにおけるドップラーシフト追従精度の検証," IEICEソサイティ大会, B-3-13, 2020.
  • 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, "LEO-MIMOにおける遠隔受信局間クロック同期精度に関する検討," IEICE総合大会, B-3-8, 2020.
  • 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, "LEO-MIMO受信機における複数地点非同期サンプリング等化特性の改善," IEICE総合大会, B-3-11, 2021.
  • D. Goto, K. Itokawa, F. Yamashita, C. Kato, and M. Nakadai, "Equalization performance under clock frequency errors among Rx antennas for LEO-MIMO communications," 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), pp. 144-148, Austin, TX, USA, 2022.
  • 五藤大介, 糸川喜代彦, 山下史洋, 加藤智隼, 中台光洋, "低軌道衛星MIMOの衛星搭載送信機と地上局復調装置との接続試験評価," IEICE総合大会, B-3-1, 2022.
  • 糸川 喜代彦, 五藤 大介, 小島 康義, 須崎 皓平, 坂元 一光, 藤野 洋輔, 山下 史洋, 加藤 智隼, 中台 光洋, 谷島 正信, "低軌道衛星MIMO技術を活用した920MHz帯衛星IoTプラットフォームにおける軌道上実証高度化提案,", 第67回宇宙科学技術連合講演会, 2B06, 2023.