成層圏を飛行し続ける無人飛行機が基地局となり、モバイル端末に対する電波を届ける、そんな未来が近づいています。2019年4月、ソフトバンク株式会社は、子会社であるHAPSモバイル株式会社を通して「HAPS（High Altitude Platform Station）」事業を展開し、エアロバイメント社 （米・AeroVironment, Inc.）の協力のもと、地上約20キロメートルの成層圏で飛行させる成層圏通信プラットフォーム向け無人航空機「HAWK30（ホーク30）」を開発したことを発表しました。
さらに今月8月には、ハワイ州ラナイ島の成層圏での無人航空機「HAWK30」の飛行許可取得を発表するなど、実用化に向けて着実に進歩し続ける注目のテクノロジー「HAPS」について解説します。
より広範囲をカバーできる基地局「HAPS」
建物の屋上や鉄塔など、さまざまな場所にアンテナが設置されているのは、多くの人が見たことがあると思います。携帯電話サービス用に設置される多くの基地局アンテナは、電波を広い範囲に届けるため、このような高い位置に設置されています。また、基地局アンテナとモバイル端末との間に建物などの遮蔽物（障害物）があると電波が届きにくくなる場合があることも理由の一つと言え、多くの鉄塔タイプの地上基地局は、地上高40〜50mぐらいにアンテナが設置されています。
鉄塔を高くすればするほど、1つの基地局でカバーできる範囲が広がり、障害物の影響を受けにくくなります。しかし、鉄塔を高くするには当然限界があります。建物の高さも同様です。そこで登場するのが、基地局を載せた飛行機による上空から通信を提供する技術「HAPS」なのです。
現在の技術では、一般的な基地局が通信可能な範囲は、直線距離にして約100km程度と言われていますので、地上から約20kmの高さにある成層圏に基地局を1つ用意すると、半径約100km、直径200kmの範囲が通信可能なエリアとなります。そのため、地上基地局で日本列島全体をカバーするには何千、何万の基地局が必要なのに対し、「HAWK30」であれば、約40機で日本列島全体をカバーできるようになります。
他にも利点があります。カバー範囲が非常に広いので、圏外エリアを大幅に減らすことができます。山岳部や離島など、地上基地局では対策が困難な場所でも通信が可能になりますし、海外の発展途上国などの通信ネットワークが整備されていない場所や地域で、安定したインターネット接続環境を構築することが可能になります。地震などの災害が発生して、地上基地局が被害を受け稼働できないような状況になった場合の対策方法としても期待できるでしょう。
さらに、成層圏の基地局は、地上基地局よりもっと高い位置にあるドローンなどの飛行物との相性も良いでしょう。
なぜ成層圏なのか？
突然ですが、「電波の伝わる速さを知っていますか？」
こう質問されると答えに迷う方もいるかもしれませんが、光の速さなら答えられる方は多いと思います（秒速 約3億メートル毎秒＝3.0×108 m/s）。なぜこの話をしたかというと、光も電波も同じ電磁波の一種であり、その速さは有限です。実はこれが、非常に重要なポイントなのです。
「（地上から見て）上空からの電波」という視点で考えると、宇宙空間にある衛星との通信も同じようなものと考えられます。異なるのは、その距離です。
たとえば対地静止軌道衛星（geostationary earth orbit／GEO satellite）は地上から約3万6000km、低軌道周回衛星（low earth orbit satellite／LEO satellite）でも地上から約1200km離れた上空にあります。地上から約3万6000km離れている対地静止軌道衛星に対しては、片方向の通信だけで200msec（ミリ秒）の時間が必要になります。返信を受け取るのに同じ時間がかかるため、RTTは最低でも倍の400msec以上の時間がかかることになります。低軌道周回衛星も片方向だけで約9msecと、これでは携帯電話での通話に影響が出てしまいます。しかし、地上から約20kmの成層圏を利用するHAPSであれば、片方向で0.3msecしかかかりません。
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- ※RTT … ラウンドトリップタイム（Round Trip Time）。通信相手に信号やデータを発信してから、応答が帰ってくるまでにかかる時間。通信相手との物理的な距離や、その経路における中継・転送装置などの数や処理時間に影響される。
また、電力密度の面でも成層圏の利用は優位といえます。電波は自由空間（物質のない理想の空間）では電力密度が衰えることなく伝わりますが、実際には距離が遠くなるほど弱まっていきます（距離の2乗に比例して減衰）。
電力密度が弱くなると、通信品質も劣化していきます（スマホのアンテナバーを想像すると分かりやすいかもしれません）。地上からの距離が近いHAPSの電力密度は、対地静止軌道衛星の約100万倍、低軌道周回衛星の約1万倍あり、既存のモバイル機器に対しても高品質な通信サービスを提供できます。
そして成層圏の環境も大きな要素です。雲よりも高度が高いためソーラーパネルで太陽光を常時受けることができるほか、年間を通じて比較的風が穏やかなため数カ月単位の長い期間を安定して飛行することができ、無人飛行機による基地局を運用するにはとても魅力的な環境なのです。
なぜいま成層圏に注目が集まっているのか？
成層圏プラットフォームの研究開発への取り組みは、元々は日本の国家プロジェクトの一つで、1999年には、ミレニアムプロジェクトとして情報通信研究機構（NICT）とエアロバイメント社が共同で、太陽電池と燃料電池システムを動力源とする無人航空機「PathFinder Plus」を開発しました。しかし、地上の通信ネットワークが整備されるにつれ、成層圏プラットフォームへの取り組みが縮小した経緯があります。
実はこの頃と比べても、成層圏に基地局を設置するために求められる条件は大きく変わっていません。では、なぜ再びいま成層圏に注目が集まってきているのでしょう？
それは、太陽光発電や蓄電の技術が発展してきたことが挙げられます。基地局を搭載した無人飛行機を上空に飛ばし続けるには、そのエネルギーを太陽光から確保する必要があります。また、太陽が沈んでいる間にも飛行を維持し、基地局から電波を発信し続けられるだけの蓄電も必要です。
サービスを実現するために必要な電力確保、消費電力の低減、軽量化、といったテクノロジーの組み合わせによって、ようやくビジネスとして無人飛行基地局の実現可能性が高まってきているのです。
成層圏通信プラットフォーム向け無人航空機「HAWK30」
HAPSモバイルが開発した成層圏通信プラットフォーム向け無人航空機「HAWK30」。ソーラーパネルを搭載した全長約78メートルの翼には10個のプロペラが付いていて、平均時速約110キロメートルで飛行します。無線機を持ち上げて飛行できること、飛行しながら無線機から高出力の電波を出力し続けられる電力を発電するのに十分な量のソーラーパネルが装着できること、などといった条件を満たすためには、これだけ大きなサイズが必要になりました。
ちなみに「HAWK30」の30という数字には意味があります。それは、1年間365日通して運用可能な緯度が、赤道からプラスマイナス30度までということです。日照時間が短い冬を除けば「HAWK30」でも日本（北緯24〜46度）のようなより高い緯度の地域を飛ぶことも可能ですが、季節を問わず1年を通じて安定したサービスを提供できるよう、現在は緯度が50度までの範囲で運用可能な「HAWK50」の開発にも取り組んでいます。
また、「HAWK30」が地上に提供する通信ネットワークは、専用周波数を用いた電波干渉が起きにくい仕組みや、地上基地局が提供する通信ネットワークとの間でスムーズなハンドオーバーが可能であることなど、通信が途切れるなどの不便がなく利用できるように検討が進められています。ユーザー間の通信の他にも、無線で固定回線を提供するFixed Wireless装置や、搭載カメラによる監視サービスなど、様々なペイロードの搭載が可能になる予定です。
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- ※ペイロード… 航空機における機体装備品を除く積載物のこと。HAPSでは、HAWK30に搭載する基地局向けの無線機や監視サービス用のカメラがペイロードに該当する。
成層圏ビジネスへの挑戦
世界には、電力供給の問題、治安の問題など様々な事情により光ファイバーの敷設が難しく、インターネット環境の整備が遅れている国や地域が多くあります。そのような地域では衛星通信によるインターネットサービスが利用されることがありますが、衛星通信は通信品質や速度、帯域、価格の面で課題があるのが事実です。しかし成層圏を活用することによって、このような国や地域でも、より高品質で、より速く、より広帯域で、より安く、インターネットサービスを利用できるようになるでしょう。
この成層圏におけるビジネスに取り組んでいるのがHAPSモバイル株式会社です。
「HAWK30」をはじめとした機体の運用、地上中継局や地上中継局をつなぐバックボーンネットワークの運用、インターネットプロバイダーとしてのインターネット接続の提供などの各種運用により、モバイル通信、固定通信、監視カメラなど多様なサービスを構築していく予定です。
さらに、HAPSを活用した上空からの通信ネットワークをグローバルに提供することを見据えて、各国の関係当局との調整、事業に関わる各種法令・規制などに配慮しながら、研究開発やフライトテストを実施し、2023年ごろに「HAWK30」の量産化およびサービスの提供を目指しています。
またHAPSモバイルは、成層圏ビジネスで競合する他社との戦略的な提携も行なっています。4月にはグーグル社（米・Google Inc.）の持株会社でもあるアルファベット社（米・Alphabet Inc.）の傘下になるルーン社（米・Loon LLC）との提携を発表しました。
ルーン社は、バルーンを使ったインターネット接続サービスを提供しています。気球なので、成層圏の気流に乗って移動します。気流予測AIによる飛行ルート予測により、バルーン同士のメッシュネットワークのようなものを構築し、地上局との通信を行います。上空でメッシュネットワークを作ることで、インターネットが届かない地域にもインターネットを提供しやすくするという考えです。
気流任せともいえるバルーンは、ベストエフォート型のインターネット的な発想である一方で、「HAWK30」は狙ったエリアをカバーする通信キャリア的な発想です。その異なった思想を持つ両社は、基地局の5G化や多セクタ化の設計に向けての議論を共同で行うほか、成層圏で機体が受けるダメージデータなどの情報共有、機体管理システム開発、地上中継局の統合、それによる周波数利用効率の向上など、様々な分野で検討が行われ、成層圏ビジネスの発展における大きなシナジーを生み出すことが期待されています。
さらに、成層圏を活用したソリューションを検討していたフェイスブック社（米・Facebook Inc.）と、ギガビット級のインターネットアクセスをユーザに提供するために、同社が開発した60GHzの「Fixed Wireless」固定サービスのペイロードを「HAWK30」に搭載するといった技術面で連携するほか、成層圏ビジネスを実現するうえで必須となる周波数の標準化に向けて連携。人類が誰も事業化していなかった成層圏を使いインターネットを世界中に広げていくことを目指しています。
日本上空での商用サービス実現には、日本の航空法など様々なプロセスの解決がまだ残されていますが、2023年ごろのサービス開始を目標に準備が進められています。
Beyond Carrier, Beyond Japan
インターネットとともに成長し世界中に通信基盤を持つソフトバンクが、インターネットの覇者であるアルファベット社の子会社やフェイスブック社とともに挑戦する「HAPS」は、日本だけでなく世界中のモバイルネットワークに革命を起こす、未来に向けた事業です。
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（掲載日：2019年8月26日）
文：ソフトバンク株式会社 先端技術開発本部
編集：ソフトバンクニュース編集部
監修：HAPSモバイル株式会社
