「きずな」（
WINDS
）によるブロードバンド衛星通信実験
門脇
直人
†a)鈴木龍太郎
†高橋
卓
†吉村
直子
†中尾
正博
††若菜
弘充
†Broadband Satellite Communications Experients Using “Kizuna” (WINDS)
Naoto KADOWAKI
†a), Ryutaro SUZUKI
†, Takashi TAKAHASHI
†,
Naoko YOSHIMURA
†, Masahiro NAKAO
††, and Hiromitsu WAKANA
†あらまし 超高速インターネット衛星「きずな」（WINDS）は超高速衛星ネットワーク技術の確立のために開 発した実験衛星であり，2008 年 2 月 23 日に打ち上げられた．その後約 3 か月にわたり初期軌道上試験が行わ れ，衛星の健全性が確認された後，各種実験が実施されている．実験は開発機関であるNICT と JAXA が主 体的に実施する基本実験と，第三者機関が主体的に実施する利用実験に分類されている．基本実験においては， WINDS の基本性能評価及びアプリケーション評価実験が実施されている．利用実験は公募により 53 件が採択 され，各種アプリケーション実験と新規技術開発実証実験等が行われている．これらの各種実験を通じて，衛星 によるブロードバンドネットワークの実現性と有用性が実証されることが期待されている． キーワード 高速衛星通信，衛星ネットワーク，ブロードバンド，アプリケーション
1.
ま え が き
超高速インターネット衛星「きずな」（Wideband InterNetworking engineering test and Demonstra-tion Satellite：WINDS）は，超高速衛星ネットワー ク技術開発を目的として．独立行政法人情報通信研究 機構（NICT）と独立行政法人宇宙航空研究開発機構 （JAXA）が共同開発した実験衛星であり，2008年2 月23日に打ち上げられた[1], [2]．打上げ後約3か月 間の初期軌道上試験により衛星の健全性が確認された 後，各種実験が実施されている．実験は衛星開発機関 であるNICTとJAXAが主体的に実施する基本実験 と，それ以外の第三者機関が主体的に実施する利用実 験に分類されている．基本実験ではWINDSや地球局 の機能性能評価実験や先端的なアプリケーションへの 適用性実証実験などが行われている．利用実験は衛星 アプリケーション実験推進会議によって公募され，国 †独立行政法人情報通信研究機構，小金井市National Institute of Information and Communications Technology, 4–2–1 Nukui-Kita, Koganei-shi, 184–8795 Japan
††独立行政法人宇宙航空研究開発機構，調布市
Japan Aerospace Explorations Agency, 7–44–1 Jindaiji Higashi-machi, Chofu-shi, 182–8522 Japan
a) E-mail: [email protected] 内外から応募された提案53件が採択され実施されて いる． 本論文では，基本実験の目的，これまでの成果と今 後の計画，利用実験の参加機関，実験提案の概要，こ れまでの成果例と今後の計画について述べ，最後に期 待される成果について記述する．
2.
高速衛星通信の動向概要
ブロードバンド衛星通信技術の研究開発は1993年に 打ち上げられた米国NASAの先端通信技術衛星ACTS により大きく進展した．ACTSはベントパイプ中継で 最大622 Mbit/s，再生中継で最大110 Mbit/sの情報 伝送速度を実現すると同時に，スーパコンピュータネッ トワークの実証など多様なネットワーク実証実験に成 功した．この成功をもとに多くの高速衛星通信システ ムが計画されたが，その多くは経済的理由などによ り実現されていない．実用衛星としては，ベントパイ プ中継でINTELSAT-VIIやN-STARが155 Mbit/s伝送を，再生中継では欧州のHotBird-6やスペイン のAMAZONASが最大54 Mbit/s（DVB-Sフォワー ドリンク），米国のSpaceway-3が搭載交換機により
30 Mbit/s（ダウンリンク）の伝送速度を達成してい る．WINDSはベントパイプ中継で最大1.2 Gbit/s，
再生中継でダウンリンク155 Mbit/s× 3チャネルの 伝送速度を達成しており，衛星通信における伝送速度 では世界最高速を実現した．また，ベントパイプ中 継時はIFスイッチ，再生中継時はATMセル交換に よる搭載交換機能を有し，固定マルチビームアンテ ナ（MBA）とアクティブフェイズドアレーアンテナ （APAA）により，アジア太平洋地域を広範にカバー するとともに柔軟なネットワーク接続が可能となって いる[1], [2]．
3.
実験計画の概要
実験実施体制は，図1に示すように総務省宇宙通 信政策課が事務局を務める衛星アプリケーション実験 推進会議が全体とりまとめを行っている．実験実施機 関は実施期間，実施場所，衛星の搭載機器構成など利 用形態等の計画を提出し，運用連絡会におけるスケ ジュール等の運用調整を経て実施されている． 基本実験はWINDSの開発機関であるNICTと JAXAが主体的に実施する実験の総称である．基本実 験では，主に衛星搭載機器の機能及び性能評価実験， 開発した地球局の機能及び性能評価実験を行うほか， 先端的なアプリケーションに対するWINDSシステ ムの適用性実証などのアプリケーション実験も実施さ れる． 利用実験はNICT，JAXA以外の機関が主体的に実 施する実験である．実験は衛星アプリケーション実験 推進会議によって平成2007年2月から2007年3月 の間公募された．その間に国内外の機関から53件の 実験提案があり，すべて採択されている．提案は地上 システム技術開発実証からアプリケーション実証まで 幅広く，多様な技術実証が計画されている．早期実施 可能な実験から順次実験が開始されている． 実験システム構成を図2に示す．実験によって使用 する搭載機器構成が異なるが，搭載機器の設定と状 態監視は茨城県つくば市にあるJAXAのネットワー ク制御局で行う．実験実施機関は割り当てられた期間 に，割り当てられたスポットビーム，周波数チャネル， TDMAスロットを用いて実験を実施する． 基本的な実験実施スケジュールを図3に示す．2008 年度から実験が開始されたが，開始当初は基本実験に 多くの時間を割り当てている．これはNICTやJAXA では初期軌道上試験に引き続き搭載機器や地球局の特 性把握を継続的に実施する必要があるほか，地上実験 施設の整備が先行的に行われている一方で，第三者機 図 1 実験実施体制 Fig. 1 Organization of experiments.図 2 実験システム構成
Fig. 2 Configuration of experimental system.
図 3 実験スケジュール Fig. 3 Schedule of experiments.
関の実験施設整備がやや遅れて進むものが多いことに よる．そのため時間の経過とともに利用実験に割り当 てる時間が増加するよう計画されている．
4.
基本実験の概要
基本実験として，衛星搭載機器の機能及び性能を詳 細に評価するための継続的な実験や開発した地球局シ ステムの性能評価実験など，開発機関として把握すべ き基本特性取得を目的とした実験のほか，搭載機器や表 1 地球局種別 Table 1 Types of earth stations.
表 2 NICTが実施する基本実験 Table 2 Basic experiments conducted by NICT.
地球局の機能，性能を最大限利用する先端的なアプリ ケーション実験などが実施されている． 実験に使用する地球局は目的に応じて柔軟な対応が 可能となるよう複数種類の地球局をNICTとJAXA が開発している．地球局種別と仕様概要を表1に示す． 以下にNICTとJAXAの実験計画，これまでの成果 と今後の計画について述べる． 4. 1 NICTが実施する基本実験概要 NICTでは，表2に示すように大きく4項目に分類 される基本実験を計画・実施している．WINDS搭載機 器性能評価実験では，各種実験での評価の基礎となる 実験を実施する．WINDS通信網実験システム基本性 能確認実験では，高速衛星通信実験を実施するにあた り，衛星通信システムとしての諸特性を把握するため に行う実験である．将来衛星ネットワーク研究実験と して，WINDS以降の衛星通信技術の研究開発に必要 な技術に関する実験を実施する．アプリケーション実 験として，光地上網のテストベッドであるJGN2Plus への接続実験などを実施する．これらのうちから実験 実施例を紹介する． 図 4 622 Mbit/s伝送時の BER 特性
Fig. 4 BER characteristics of 622 Mbit/s transmission.
4. 1. 1 ベントパイプ中継伝送特性実験 WINDSは1.1 GHz の 広 帯 域 中 継 器 を 有 し て お り，そ の 伝 送 能 力 を 検 証 す る た め に ，NICTで は 622 Mbit/s高速バーストモデムを開発してきた（[3] 1-2）．本実験では大型地球局（アンテナ径4.8 m）及 び超高速小型地球局（アンテナ径2.4 m）を使用して， 622 Mbit/s伝送特性としてビット誤り率特性（BER 特性）を取得した．その結果を図4に示す．Ground testとは，衛星打上げ前に衛星フライト品（アンテナ， マルチポートアンプなし）と地球局（アンテナなし） をケーブルで接続して実施した試験である．目標性能 であるEb/N0> 10 dBでBER< 10−10を達成でき たことを確認した．BER特性が測定ケースにより1∼ 2 dBの幅が見られるが，これは受信電力変動，周波数 特性などに起因するものと推定している． 4. 1. 2 プロトコル評価実験 WINDSは最大1.2 Gbit/sの静止通信衛星回線であ ることから，従来の衛星通信回線以上に遅延・帯域積 が大きく，そのため広く使用されているTCP/IPを 用いると通信効率が従来以上に低下することとなる． また，衛星回線は無線通信回線であるため，誤りの影 響も無視できない．そこでこれまでに開発されている 各種プロトコルを調査し，性能評価のため，Linuxに 搭載されている10種類のTCPでその伝送特性を測 定している（[3] 1-3）．その結果，hyblaプロトコルが WINDS再生回線との相性がよいとの結果を得られた．
図 5 スーパハイビジョン（SHV）伝送実験 Fig. 5 Super highvision (SHV) transmission experiment.
今後，hybraプロトコルのWINDS回線への最適化に 関する検討を行う予定である． 4. 1. 3 スーパハイビジョン（SHV）伝送実験 WINDSの広帯域伝送能力を生かしたアプリケー ションの一つとしてNHK放送技術研究所と共同で スーパハイビジョン（SHV）伝送実験を実施した[3]． SHVはNHK放送技術研究所が開発している超高精 細映像システムであり，現行のハイビジョンと比較し て縦横ともに4倍の解像度もつ映像と22.2チャネル サラウンド音響で構成されており，生データの容量は 約24 Gbit/sである． 図5に示すように札幌テレビ塔に設置されたSHV カメラで撮影された映像を約100 Mbit/sまで圧縮符 号化し，地上光ファイバ網（JGN2plus）を使用して NICT鹿島宇宙技術センターへ伝送した．鹿島宇宙技 術センターでは，あらかじめ収録された2番組と多重 化し，同センターの大型地球局（アンテナ径4.8 m） から合計約300 Mbit/sのSHV信号をWINDS経由 でNHK放送技術センターに設置された2.4 m受信局 へ伝送した．この実験は2009年月のNHK技術研究 所公開に合わせて実施し，伝送された映像は来場者に 公開された． 4. 1. 4 立体ハイビジョン映像伝送実験 超 臨 場 感 コ ミュニ ケ ー ション 産 学 官 フォー ラ ム （URCF）と共同で超臨場感映像の一つである立体 ハイビジョン伝送実験を実施した．2010年1月に神 戸国際展示場で開催されたCCT2010Surgicalに合わ せて，公開実験として実施した． 図6に実験システム構成を示す．大和市の大和成和 病院で実施された心臓外科手術の様子を2台の立体ハ イビジョンカメラで撮影し，スイッチャで選択された 片方の映像をWINDS経由で上映会場である神戸国 際展示場に伝送，会場で立体ハイビジョン映像として 再生に成功した．本実験の成功で，医療分野における 超臨場感3Dハイビジョン活用の可能性を提示すると ともに，アジア太平洋地域の外科医への技術伝承や， 医療における新たな国際協力の可能性を示すことがで きた． 4. 2 JAXAが実施する基本実験概要 JAXAでは，表3に示すように大きく5項目に分 類される基本実験を計画・実施している．開発機器の 機能性能確認実験を基本実験（その1），WINDS通信 網システムの有効性を実証する実験を基本実験（その 2）としている[4]． WINDS打上げ後の初期機能確認試験により搭載機 器が正常であることを確認した後，基本実験（その1） として，各種実験実施の前提条件となるスロット割当 に関する実験，降雨減衰補償実験，ABSマルチキャス ト実験，複数ユーザ局によるネットワーク構成実験， 災害等特別な運用に向けての実験，APAA性能評価， MPA性能評価，MBA性能評価などを実施した[5]． 基本実験（その2）では，WINDSの特長を活用可
図 6 立体ハイビジョンによる心臓外科手術映像伝送実験 Fig. 6 Surgery image transmission utilizing 3D high definition video.
表 3 JAXAが実施する基本実験 Table 3 Basic experiments cinducted by JAXA.
能な，1 マルチキャスト，2 アクセスパッチ，3 ディ ジタルデバイド解消，4 バックボーンパッチ（NICT 実施）の4種の実験に区分している．以下にJAXA が実施した基本実験結果の概要を記す． 4. 2. 1 マルチキャスト WINDSが有する搭載交換器のマルチキャスト機能 の健全性確認として，メッシュ型・双方向で通信が可 能であることを確認するとともに，実際の会議等で支 障なく使用できることを確認した．メッシュ型双方向 通信が可能であることから，すべての通信が基地局を 介する従来のスター型構成に比べて衛星回線区間の遅 延が半減し，会話もスムーズに行えることを確認した． マルチキャスト機能を応用したアプリケーション実験 として，JAXA筑波宇宙センター，韓国の国際宇宙会 議（IAC）会場，シンガポールのナンヤン工科大学の 3地点間ハイビジョン映像による公開講演を行った． 実験システム構成を図7に示す．本実験により，国外 ビームの健全性の確認及び国際3地点間でのマルチ キャスト映像伝送による多地点間での講演，質問，議 論が効果的に実施できることが確認された．今後は本 成果活用して，更に多くの地点を接続するような国際 間会議・遠隔教育等に発展させる予定である． 4. 2. 2 アクセスパッチ アクセスパッチでは高速回線がない地域に臨時に WINDSの地球局を設置し，高速ネットワークへのア クセス手段を提供するものであり，以下のような実験 を実施した． (1) 皆既日食中継実験 国立天文台，NHK，NICT，小笠原村，多摩六都科
図 7 マルチキャストによる公開講演実験
Fig. 7 Multi-point presentation demonstration utilizing multicast capability.
図 8 皆既日食映像伝送実験
Fig. 8 Total solar eclipse high definition image transmission experiment.
学館，宇宙少年団，子供・宇宙・未来の会（KU-MA） と共同で，今世紀最大といわれている皆既日食の様子 を世界中に中継した．皆既日食が見られる場所は日本 の南海上を西から東に移動するため，映像の取得地点 を硫黄島とし，防衛省の協力を得てNICTの車載局 を硫黄島に設置した．硫黄島はAPAAを用いること でWINDSへのアクセスが可能である．天候にも恵 まれ，皆既日食の開始から終了まで，太陽と周辺のハ イビジョン映像をNICT小金井にWINDSで中継し， 更に地上網JGN2Plusを通じて報道機関や科学館等 に配信した．実験システム構成を図8に示す．本実験 により，APAAによる広帯域中継の実証，及び地上網 との相互接続によるハイビジョン映像のリアルタイム 配信を実証することができた． (2) センチネルアジア センチネルアジアはアジア太平洋地域における地 震，洪水，津波などの災害情報管理を実施する国際協 力プロジェクトで，地球観測衛星『だいち（ALOS）』
などの災害観測データを各国の防災関係機関へ配信す るものである．WINDSは低速な通信環境を有するア ジア太平洋地域の通信回線を補完する役割を担ってい る．台風8号によりフィリピン各地で土砂崩れ等によ り多数の死亡者が発生した際，またマヨン山噴火の際 にフィリピン地震火山研究所（PHIVOLCS）からの 要請により「だいち」撮影画像及び比較用画像をフィ リピンの先端科学研究所（ASTI）を介して伝送した． 今後は，対象防災機関を増やし，防災分野での有効性 を実証していく予定である． 4. 2. 3 ディジタルデバイド解消 インターネットの普及は著しいが，いまだにその恩 恵を受けられない地域がある．特にアジア各国では十 分に普及しているとはいえない．本実験区分では光ファ イバが敷設されていない離島及び地上回線でサービス することが不可能な洋上船舶からの高速通信を想定し た実験を行う．実験は東京都小笠原村で使用されてい る既存の商用衛星（上り2 Mbit/s，下り10 Mbit/s） をWINDS（上下155 Mbit/s）に切り換えて本土のイ ンターネットサービスプロバイダ（ISP）に接続し，村 民にインターネット接続環境を提供し利用環境等の検 証を行った．その結果，回線速度は最大で86 Mbit/s となり，既存回線の実測値（約1.7 Mbit/s）との比較 では，50倍以上もの回線速度を達成するとともに安定 的なインターネット環境を提供できることが実証でき た．今後はインターネットや携帯電話の事業者との共 同実験を視野に入れ，更なる実験検討を進めている．
5.
利用実験の概要
利用実験は大学や企業など開発機関以外の機関が主 体となって実施する実験の総称である．総務省が広く 実験公募を行い，53件が採択された[5]．表4に国別 の利用実験項目数と主な参加機関を示す．提案の約半 数が日本からのものであるが，タイ，インドネシアを はじめ東南アジアからも提案されており，このうち30 件が国際共同実験となっている． 実験分野としては，教育に関するものが最も多く， 次いで伝搬，防災，医療となっている．実験実施にお いてはNICTやJAXAの技術的支援を受けて実施す るものを含めて複数の機関が共同で実施するものが多 い．タイやインドネシアではWINDS利用実験を計画 している機関がコンソーシアムを立ち上げ，効率的に WINDS利用実験を実施する例もある． いくつかの利用実験は既に実施しており，その内容 表 4 国別利用実験件数と参加機関 Table 4 Number of application experiments andparticipating organizations. に関しては参考文献[6]∼[9]を参照されたい．
6.
む す び
WINDSでは多種多様な基本実験，利用実験を通じ て，超高速衛星ネットワークの技術開発及びアプリ ケーション実証が行われている．搭載機器の健全性確 認はもとより，APAAと搭載高速交換機を組み合わせ た皆既日食時のハイビジョン映像高速伝送や，ベント パイプ中継による622 Mbit/s伝送やSHV伝送など， アプリケーション実験も含めて超高速衛星ネットワー クの技術実証，アプリケーション実証が着実に進めら れている．今後は更に多様な利用実験が行われて，超 高速衛星ネットワークの有益性が示されることが期待 されている． 文 献 [1] 高橋 卓，“超高速インターネット衛星で用いられる再生 交換中継システム，”信学誌，vol.91, no.9, pp.771–776, Sept. 2008. [2] 島田政明，“超高速インターネット衛星（WINDS）の通信 実験システム，”信学通誌，no.3, pp.79–86, March 2007. [3] 筋誡 久，鈴木陽一，小島政明，清水丈晴，橋本明記，田中 祥次，木村武史，豊田崇弘，松尾康孝，中島奈緒，井口和久， 奥村玲子，中山靖茂，増田裕康，尾澤 勉，高橋 卓，大川 貢，正源和義，“超高速インターネット衛星「きずな」に よるスーパーハイビジョンの多チャンネル・生中継伝送実 験，”放送技術，vol.62, no.9, pp.91–102, 2009. [4] 中尾正博，“超高速インターネット衛星「きずな」（WINDS）の JAXA 基本実験，” Space Japan Review, June 2010. [5] http://www.soumu.go.jp/menu news/s-news/2007/ 070604 4.html [6] 間瀬憲一，“衛星と無線メッシュネットワークを利用する 非難諸通信システム，” 2009信学ソ大（通信），TK-1-4, Sept. 2009. [7] 小畑博靖，石田賢治，高野知佐，舟阪淳一，爲廣和也，“超 高速インターネット衛星 WINDS を利用した TCP-STAR のスループット性能評価，” 2010信学総大，B-7-21, March 2010. [8] 早乙女理恵，渡慶次憲人，東るみ子，宮里智樹，奥居民生， 鈴木良昭，高橋 卓，玉城史朗，“WINDS 衛星における降
雨減衰補償に関する研究，”信学技報，SAT2010-6, 2010. [9] H. Fukuchi, N. Abe, T. Takahashi, and T. Asai, “Ka-band satellite communication experiments and rain attenuation measurements using WINDS,” Int. Conf. on Inf. Comm. and Signal (ICICS2009), Macau, Dec. 2009. （平成 22 年 7 月 1 日受付，10 月 12 日再受付） 門脇 直人 （正員） 1984東北大学大学院工学研究科修士課程 了．同年三菱電機（株）入社．1986 郵政省 電波研究所（現情報通信研究機構：NICT） 入所．以来，移動体衛星通信システム，高速 衛星通信ネットワークの研究，開発に従事． 1990∼1991 オーストラリア AUSSAT 社 客員研究員．2004 年 7 月∼2006 年 12 月，ATR 適応コミュ ニケーション研究所．現在，NICT 新世代ワイヤレス研究セン ター長．米国航空宇宙学会（AIAA），IEEE 各会員．博士（情 報科学）． 鈴木龍太郎 （正員） 1979電気通信大学大学院修士課程了． 2005同大学院博士課程了．工博．1979 郵 政省電波研究所（現情報通信研究機構： NICT）入所．以来，移動体衛星通信，周 回衛星システム，高速衛星通信ネットワー クの研究に従事．1992∼1995 マルチメディ ア教育センター（NIME）助教授．1997∼2002 次世代 LEO システム研究センターサブリーダー．現在，同機構宇宙通信 ネットワークグループリーダー．IEEE，AIAA 各会員． 高橋 卓 （正員） 1991電気通信大学大学院修士課程了．同 年郵政省通信総合研究所（現情報通信研究 機構：NICT）入所．以来，移動体衛星通 信，衛星間通信，衛星放送，高速衛星通信 ネットワークの研究に従事．2002∼2005 JAXA出向．現在，同機構宇宙通信ネット ワークグループ研究マネージャー． 吉村 直子 （正員） 1993日本大学大学院修士課程了．同年 郵政省通信総合研究所（現情報通信研究機 構：NICT）入所．以来，移動体衛星通信， 衛星間通信，衛星放送，高速衛星通信ネッ トワークの研究に従事．現在，同機構宇宙 通信ネットワークグループ主任研究員． 中尾 正博 （正員） 1982九州大学大学院工学研究科電子工 学専攻了．同年宇宙開発事業団（現宇宙航 空研究開発機構）入社．以来，宇宙用部品 開発，通信放送技術衛星「かけはし」の開 発，超高速インターネット衛星「きずな」 の運用・実証実験実施に従事．現在，筑波 宇宙センター勤務． 若菜 弘充 （正員） 1976早大・理工・応用物理卒．1984 同大 大学院博士号取得．1982 電波研究所（現情 報通信研究機構）入所．同所鹿島宇宙通信セ ンターにて ETS-V，ETS-VI，COMETS 等を用いた衛星通信の研究開発に従事． 2002∼2005 横須賀無線通信研究センター 長，2008∼2009 知識創成コミュニケーション研究センター長． 現在情報通信研究機構高級研究員．
