ソフトバンクモバイル、係留気球による無線中継を実証実験

　ソフトバンクモバイルは、災害などで通信障害が発生している携帯電話サービスエリアを迅速に復旧させる目的で、係留気球を利用する無線中継システムの開発を行っている。11月6日に、実証実験が行われている宮城県の南三陸町でこれらのシステムが報道関係者に公開された。

　災害などに対応できる臨時の無線中継回線に関する取り組みは、東日本大震災を教訓にスタートした。ソフトバンクモバイルは、その取り組みの1つとして「気球基地局」の検討を続けている。2013年4月には全国の10拠点にW-CDMA（3G）のシステムを配置した。今回の実証実験はLTE世代を対象に行われる。電波免許期間は2014年10月17日～2015年10月30日までの約1年間にわたり、宮城県南三陸町近辺で実証実験が行われる。

　実験目的は、LTE対応係留気球無線中継システムの性能評価、ソーラーパネルによる電源供給システムの性能評価、遠隔制御および監視システムの評価、船上設置構成の評価、車載係留システムの評価となる。宮城県気仙沼地方振興事務所の協力を得て、志津川港とその海上に実験施設が設置されている。陸上部分には陸上係留地と車載係留地、海上には船上係留地があり、それぞれから係留気球を浮揚させることができる。

　利用されている気球はスクープ付きの扁平気球で30m³サイズ。現在配置されているW-CDMA向けの42m³より小型化した。遠隔制御および監視システムを使って、強風時などの自動着陸も行うとしている。ペイロードは約7kgだが、実験を行っている無線中継システムは約3.5kgまで軽量化されている。気球の上昇・下降は専用のウインチを使って行い、通常時は最大100mを10分で上昇・下降する。なお緊急降下は気球内のヘリウムを放出することで対応する。

実証実験で使われている扁平気球。30m³サイズ。横風に対しても揚力を得るスクープ付きの気球を採用している

陸上係留のためのプール部分。固定用の足と、着陸時の気球を収容するプール部分から構成される。気球を上下させるウインチもこの直下に配置されている

専用のウインチ。ウインチ自体の重量は約50kg。係留索巻き取り長は150m。通常時は気球の昇降を100m/10分の速度で行う。最大張力は約300kg

　東日本大震災では基地局自体の損壊をともない、復旧には長期間を要した苦い経験がある。そのため、たとえ臨時の無線基地局でも「長期係留」も可能とする実験を行っている。具体的にはソーラーパネルと蓄電池を使った自律的な電源の供給と、人手を最小限にする自動昇降制御、遠隔監視システムの確立などが挙げられた。同社によると1カ月以上の連続使用(最長1年)を基準としている。

到着時に上空に係留されていた気球を収容するデモンストレーション。プール部分の近くにくるとセンサーが感知して自動的に巻き取り速度を落とし安全に収容する

遠隔制御および監視システムで、無人でも上昇・下降が行える。この日はWindowsタブレットで気球内の子機に搭載している制御用無線LANで下降を指示

地上施設に収容された状態。荒天などの理由で気球を上げることができない場合は、こうした状態で地上に待機することになる

収容後に再浮上。気球底面には無線中継器の子機が搭載してある。子機の重量は約3.5kg。垂直にぶら下がっているのがアンテナで無指向性のもの。適切なテンションのかかるバネで本体と連結することで、運用限界の45度まで気球が傾いた場合でも下端が垂直方向に向くという

自律的な電源供給を可能にするソーラーパネル。250Wのものが2枚設置されている。4400Whの蓄電池を併設することで、曇天が3日間継続した場合でも無線機へと電力を継続供給できるとしている。より以上の冗長性にはパネルの増設や蓄電池の増設などで対応可能とのこと

2t車を使った車載係留気球中継システム。2014年8月のコミックマーケットでは無線LANのアクセスポイントを積んで実験運用されたが、今回の実証実験ではLTE対応の無線中継器の子機を積んでいる

　また、迅速性という視点から、車両に係留気球を搭載したシステムも性能評価を行っている。こちらは20m³とさらに小さい気球を利用する。ウインチなどを地上設置する必要がないため、到着後30分～1時間という短時間で展開が可能だ。時間短縮のために2t車に格納可能なレベルまで気球にヘリウムを入れて輸送して、到着後に満充填して係留する。格納箱自体が充填中の風除けにもなる仕組みだ。

　陸上係留と比べると、高度がとれないため接続可能エリアは限定されるものの、長期係留が必要なエリアと使い分けていく工夫がなされる。ちなみに陸上係留型の場合は設営に約4時間程度、設営に必要な人員として5人程度が想定されているが、車載型の場合はそれぞれ1時間、3人程度と迅速かつコンパクトな運用が期待されている。

格納部分は展開時の風除けとして機能する構造。迅速な設営に向けて、ヘリウムを格納可能なレベルまで充填して輸送し、到着後に満充填する仕組みもとられる

やや小ぶりな車載用の係留気球。さらに上空に位置しているのが、前述した陸上係留型の気球だ

スライドで説明があった車載型係留気球の展開の仕組み。ウインチは車載で運用するため設置時間が不要。設営に必要な人員は3人で、到着後30分～1時間での運用開始を目指す

実証実験は研究開発部門が行っているが、運用は現場で行われる。コミックマーケットや夏フェスなどの大規模イベントは電波対策がもちろん重要な要素だが、いざ非常時に運用を行うための、格好の訓練機会と捉えることもできる

　2014年8月に東京ビッグサイトで開催されたコミックマーケットでも、こうした車載の無線中継気球が活用された。この際は5.6GHz帯空間分割マルチチャネルWi-Fiシステムを使った無線LANのアクセスポイントとして利用されている。今回の実証実験で使われているものは、いわゆるWi-Fi型だったこの係留システムをモバイル通信の無線中継器として改造したものだ。係留される気球の高度は約20～30m程度。陸上係留型よりは狭いカバーエリアとなる。

　また港内では、台船上に陸上係留型のシステムをそのまま設置した実験も行われている。こうした船上運用を行う理由として、ソフトバンクでは沿岸部への対策を挙げるほか、海上には遮蔽物がないぶん大きなカバーエリアを確保する狙いがある。

港湾内の台船では、陸上係留型のシステムをそのまま設置した実験も行われている

この日、報道関係者向けに公開された実証実験のエリア

桟橋をはさんだ先には南三陸の海が広がっている

　ソフトバンクモバイルでは、気球型のメリットとしてカバーエリアの面積を広く取れる点を挙げている。ビルなどの遮蔽物が少ない郊外地では係留気球を100mの高度まで上げることで、セルの半径を3km～5kmぐらいまでとることができる。常設型の鉄塔（40m）を基準値とした場合の約1.8倍をカバーするとしている。いわゆる一般的な移動基地局である車載型の基地局の場合は、アンテナを直上に10m伸ばした状態で基準値の約半分のカバーエリアが確保される。もちろん、都市型の災害地では係留気球を展開することは難しいため、状況に応じた対策が必要なことは間違いない。

地上係留気球の底部に取り付けられている無線中継器の子機ユニット。軽量化のため、ヒートシンクとなるフィンや外装はかなり薄い素材が使われている。防塵対策は行っているが、上部を気球自体が覆う形になるので防水対策は最小限。中央背面から伸びているケーブルがアンテナ

　一方で、気球型の明らかなデメリットはやはり天候に左右される点だ。スクープ付きの気球を採用することで向上させてはいるものの、運用可能な風速は約10m程度。いうまでもなく雷には弱い。雷センサーを気球に搭載することで、早期に収容の判断を行う対策もとられている。多少の雨は大丈夫だが、豪雨や雪では十分な浮力が得られない。太平洋側とはいえ、宮城県南三陸町近辺では雪も珍しくないので、これらをすべて含めての実証実験というわけだ。気球に搭載される無線中継器の子機は防塵対策を施してあるが、完全防水というわけではない。これらは子機の重量にも直結するので、気球のペイロードとのトレードオフの関係にある。

　また、船上ではいわゆる獣鳥害の影響も出たとのこと。夜間に海鳥とおぼしき鳥の爪痕が複数残って、充填したヘリウムが抜けてしまう事故もあったという。

　これらの気球は無線中継器の子機として機能する。陸上部分には親機があり、親機は既存の基地局あるいは車載される移動基地局のネットワークをバックボーンとして無線通信を行う。親機と気球に搭載される子機の最大通信可能距離は約5km。既存のW-CDMAシステムでは、5MHz幅×2レーンで最大2つの周波数帯域を選択していたが、今回の実証実験されているLTEとW-CDMAの両対応機では、LTEで20MHz幅すべてを使ったり、LTEで15MHz幅とW-CDMAで5MHz幅、LTEで10MHz幅とW-CDMAで5MHz幅×2といった組み合わせも可能で、3GからLTEへの移行にともなう柔軟な運用が可能になるとしている。

接続の概要。運用できる固定基地局がある場合は、そのネットワークをバックボーンとして親機と気球に搭載した子機間で無線通信を行ってカバーエリアを確保する。親機と子機間の設置距離は最大で5kmとのこと

固定基地局などが利用できない場合に、バックボーンとして衛星を使った構成。今回公開された実験ではこの構成が利用されている

実証実験のエリアに設置されている移動基地局。こちらに気球に搭載する子機と接続する親機、蓄電池、充填用のヘリウムボンベなどが準備されている

従来型のW-CDMAのみの子機からLTE/W-CDMA両対応とすることで、帯域と回線の効率的な利用とアナログフィルタからデジタルフィルタへの移行で、機器自体の小型化、軽量化を図る

親機側の諸元

子機側の諸元

アンテナ部分の姿勢制御。気球自体は回転してしまうため、水平方向の指向性は問わないが垂直方向に対しては鉛直を維持するような構造が使われる

現在配置されているW-CDMA型に比べて、遠隔制御および監視システムを導入することで、人的な負担を減らしつつ長期運用を行うことも目的の1つ

スライドで紹介された今回の実証実験のシステム構成。LTEの10MHz幅と、LTE/W-CDMAをそれぞれ5MHz幅とった実験周波数帯を使って、それぞれ実験を行う

実験免許のため、運用されるデバイスは商用機でなく個々に認証を取ったカスタム機を使って行われている。この日は、AQUOS Crystalベースのもの、iPadベースのものなどが用意された

ここで掴んでいる4Gは係留気球の子機から提供されている2.1GHz帯のLTE

デモ機のため、災害対策用のアプリケーションやショートカットを中心にインストールされている