ケンブリッジコンサルタンツは、 成層圏から 世界の 隅々まで 超高速5Gを 届けるという 壮大な プロジェクトにおいて、 画期的な ブレークスルーを 実現しました。 Stratospheric Platforms Limited社(SPL社)と 協業し、 地上ネットワークよりも 安価で 広範囲に 高性能な 5Gカバレージを 実現する 航空衛星通信アンテナを 開発したのです。

成層圏での ブレークスルー

アンテナは 3㎡の大きさで、 20,000mの 上空から、 広範囲に、 もしくは 非常に 小さな エリアに 高性能な 5G電波を 届けます。 中型ワゴン車 一台分と 同じ重さで、 ゼロエミッション航空機に 搭載可能です。 SPL社の 革新的な 成層圏プラットフォーム (high-altitude platform / HAP)と 通信システムの 中核を担う、 重要な コンポーネントと なりました。

画像:開発当時の実物大アンテナ

5Gで 人々を接ぐ

SPL社の ビジョンは、 成層圏を 利用して モバイル通信の 経済性を 再構築し、 今まで 大都市でしか 実現できなかった 5Gを 可能な限り 高速で、 すべての 人々に 提供することです。 筆頭株主、 技術パートナー、 また ローンチカスタマーでもある ドイツテレコム社と 提携し、 SPL社は 無人 ゼロミッション 飛行隊を 組成すると共に、 既存の 携帯電話網 および 直接デバイスに 5Gを 提供する 計画を 立てています。 航空機は 独自の 水素動力システムを 採用することで、 耐久性を 向上しつつも、 環境への 影響や 騒音問題に 配慮しています。

かつてない 挑戦


世界初の 航空衛星通信

SPL社の ビジョンにおける 最大の難所は、 ボーイング747型機より 150倍軽い 航空機に 搭載可能な上、 成層圏における 過酷な 環境の中で 9日間継続して 飛行できる、 前例の無い 通信システムの 開発でした。 途方もない距離を 超えて 広域に 高性能5Gサービスを 提供するという 重要なミッションを 果たし、 かつてない 航空衛星通信を 可能にするには、 大型で 高性能な アンテナが 必須だったのです。

世界最大の アンテナ

画期的な 試作では、 今まで 想像すら できなかったことを 実証しました。 開発時の アンテナは 3㎡で、 100万個以上の パーツで 構成され、 480個の 信号を 個別に 送ることで、 直径140kmの 地域に 均等に 高性能5Gを 提供します。 「成層圏を飛ぶ 巨大基地局」は、 トータルで 100Gbpsを 超える 帯域を 提供し、数百の 地上基地局に 匹敵する 範囲を カバーすることができます。

実証された 性能

技術の 粋を 集めて 作成した 8分の1スケールで すべての 機能が 動作する 試作では、 技術上の 難題を 克服できることを 飛行シミュレーションで 確認し、独自の モジュール設計により シームレスな 拡張性を 実証しました。 試作機に 装備された 4個の タイルを 高度に 較正することで、 非常に 高い精度で ビームを発信し、 飛行中においても レーザーのような 高い精度を 維持できることが 実証できました。 現在開発中の 商用機には 32個の タイルを 搭載予定ですが、 実現に向けて 道を切り開いたのです。

黄金比率

上空に セルを 配置することで、 サービスプロバイダーは エンドユーザーの 需要に合わせて 位置と 出力を ダイナミックに 変更することが できます。 配置の 柔軟性を 検証した結果、 フィボナッチスパイラル (数学界や自然界によく見られる模様)により 従来の 六角形の セルプランニングと比べて、 既存の Massive MIMOより 効率的に スペクトルを 再利用でき、 総トラフィックパフォーマンスを 15% 改善できることが 判明しました。

デジタル ビーム フォーミング

ビーム フォーミングの 大規模な 完全デジタル化は 斬新な概念です。 アンテナが 受信範囲を 細く 分割できるようになり、 村、 道路、 鉄道など 特定の 受信対象に 合わせた 精確な 発信が 可能となります。 サービスプロバイダーは 個々の 電車や 自動車など ターゲットを 絞って、 ユーザーを 追跡しながら 携帯電話サービスを 提供することが できるのです。 左の 映像では、 国境に 合わせて 受信範囲を 成形したデモを ご覧いただけます。

成層圏で 耐えうる設計

低抗力航空機から 人間の 呼吸ほどの 穏やかな 気流で 放熱することは、 容易では ありませんでした。 革新的な 冷却システムを 発明し、 アレイに 均等に 空気を 流すと同時に、 高表面に 気流を 最小限に 抑えるよう 設置された 低質量 ヒートシンクを 直接 空気冷却しました。

軽量化の 成功

アンテナの 性能を 落とさずに 軽量化 および 超薄型化することは、 重量 わずか 3.5トンの 機体が 一週間以上 飛行を 継続する為に 非常に 重要でした。 120キロという 軽量の 高性能アンテナにより、 濃度が 海面の 10%しかない 非常に 薄い 成層圏の 空気の中で、 SPL社の 航空機が 簡単に 揚力を 得ることが できるのです。

画像:アンテナの 完成予想図

アンテナの開発と検証プロジェクトの成果は、設計基準を上回る素晴らしいものとなりました。ケンブリッジコンサルタンツの優秀なチームとのコラボレーションは、本プログラムのハイライトのひとつと言えます。
リチャード ディーキン 氏, CEO
Stratospheric Platforms Limited  社

アンテナが もたらす 効果


5億人の 新規顧客

世界の ほとんどの 地域では、 高速モバイル通信に 断続的にのみ 接続可能か、 もしくは 全く接続できていない 状況となっており、 SPL社との 協業により 解決を 目指す 世界的な 課題となっています。 SPL社の 推計では、 成層圏 プラットフォーム システムは 5億人以上に 高速 モバイル通信を 提供でき、 カバレージ格差埋め、 更には eヘルスや 機械の 遠隔操作など、 新たな 産業用5Gの 活用事例を 開拓することが 期待されています。 本格的な サービスの 展開は、 2024年に ドイツから スタートする 予定です。

カバレージ コストを 低減

今回開発した アンテナにより、 需要に応じて 即座に サービスを 展開したり、 ビーム形状や 位置を 柔軟に 変更することが 可能です。 その上、 地上で 基地局を 整備するより 安価で、 環境への 影響も 最小限に 抑えることが できます。 概算では、 イギリス全土に 5G通信サービスを 展開するためには 数万台もの 地上基地局が 必要とされるのに対し、 成層圏 プラットフォームを 活用すれば 航空機を 約60機 飛行させることで 同じ エリアを カバーすることが できるとされています。

画像:グーグルランドサット  / Copernicus Data SIO、 アメリカ海洋大気庁、 アメリカ海軍、 アメリカ国家地理空間情報局、  GEBCO(大洋水深総図)  IBCAO

地図上で 受信範囲を 「塗る」

成層圏 プラットフォームシステムは、 自動運転の 可能性を 引き出すために 必要不可欠な 高速、 安全、 そして 信頼性の 高い モバイル通信を 提供できます。 コントロール可能な ビームフォーミングにより、 例えば 個別の 車両に合わせて 運送ルート上で 「塗る」ことで 受信範囲を 設定したり 運行中に 変更するなど、 並外れた 柔軟性を 可能としています。 左図は、 英国の 全長117マイルの M25環状高速道路を、 ひとつの 5Gアンテナで カバーする モデルを 示しています。

画像:グーグル UK マップデータ © 2020

大規模な サービス 提供


弊社は メーカー以外では 世界最大規模の ワイヤレス開発チームを 有しており、 本アンテナ開発プロジェクトは、 そのチームによる 輝かしい 業績の ひとつです。 4年に渡る プロジェクトの 過程で、 電波天文学、 レーダー、 通信技術における 弊社独自の 高い専門知識や 技術を 組み合わせることにより、 この画期的な ブレークスルーを 達成することが できました。
「SPL社は、 地上の ユーザー に真に 価値ある サービスを 提供するためには、 搭載可能重量と 出力の 大きさが 重要であると 認識していました。 今回実現した ペイロード当たりの 出力と 重量は 前例が無い程に 小さくなっており、 成果を 際立たせています。」

プロジェクト・リーダー
ティム  ファウラー  
「我々はフェーズドアレイ型アンテナの設計に何年間も取り組んできました。当初はそれほど難しくはないだろうと踏んでいたのですが、住宅用衛星受信アンテナより30倍口径が大きく、4,096の無線、何百本ものビーム、そして20kWの出力からの熱を限られた気流で放出することは、ワールドクラスのエンジニア達でも最大限の努力量が必要でした。」

技術部門担当 
フレイザー  エドワーズ  
「これは 私が 今まで 取り組んだ 3Dデザインの中で、 最も 複雑な ものでした。 なぜなら、 三次元空間、 エネルギー、 素材、 そして 組み立て 手順に まつわる 様々な 難題を、 同時に 解決しなければ ならなかったからです。」 

メカニカル・リーダー 
ニック  ドラウト  
「最初に 「物理的に 可能かどうか分からない。」 と説明を 受けた時点で、 このプロジェクトは 間違いなく 楽しいと 確信しました! 巨大無線システムの シミュレーションは 大きな賭けで、 私が 今まで 取り組んだ中で、 最も壮大で 挑戦的な プロジェクトの ひとつです。」


シグナル・モデリング・リーダー 
ルーシー  アーチャー 
 
「SPL社の ビジョンを リスクを 低減しつつ 実現するためには、 多岐に渡る 専門分野の メンバーで 構成された チームが 不可欠でした。 結果、 90人以上が プロジェクトに 携わることになります。 コンセプト創造から 試作機開発に 至るまで、 非常に やりがいのある プロジェクトでした。」 

プロジェクト・マネージャー
リチャードウ  ィリアムズ