宇宙は常に通信技術の最後のフロンティアでした。SpaceXなどの企業による野心的な民間部門の取り組みを含む、軌道上のあらゆる活動により、5Gインフラを地球外で展開することへの圧力が高まっていくでしょう。ただし、このテクノロジーは堅牢で、完全に宇宙での使用に耐えるものである必要があります。
衛星は明らかに5Gテクノロジーの目的地であり、地上の消費者は現行の4Gネットワークよりもはるかに低い遅延で恩恵を受けることになるでしょう。最近まで、衛星通信は、より広範なモバイル ネットワーキング エコシステムから独立していました。しかし、5Gアーキテクチャの導入により、最新かつ最高の衛星が、特に遠隔地や農村地域における自動運転、海洋船団、航空機、数十億の小型IoTデバイスをサポートする幅広い接続性を提供するネットワークの重要なタッチポイントになりつつあります。
民間企業が軌道上に打ち上げている多数の衛星に比べると数ははるかに少ないものの、ここ数年、軌道上に打ち上げられる宇宙船の数も増加している。国際宇宙ステーションへの物資補給や人員輸送だけではなく、宇宙ホテルの話まで出ています。そして、ゲストが無重力の部屋で信頼性の高いWi-Fiを望むことは間違いありません。
すべての先進技術は最終的には一般消費者に浸透していくため、宇宙向けに開発された5Gのイノベーションが地球にもたらされるのは必然です。いずれにせよ、5Gネットワーク コンポーネントは、手動メンテナンスなしで長期間にわたって地球外環境の厳しい現実に耐える必要があります。こうした要求は設計にプレッシャーを与え、より高度な半導体機能を推進することになります。
地球外5Gネットワークは地上に多くの利点をもたらす
次世代衛星は、データ集約型アプリケーションに追加の帯域幅を提供することで、世界中の5Gインフラをサポートする上で重要な役割を果たすとみられています。一方、モバイル ネットワーク プロバイダーは、宇宙から送信される5G信号を受信し、ワイヤレス ユーザーに優れたユーザー エクスペリエンスを提供する機能など、将来を見据えたインフラストラクチャを実現するために地上の機器をアップグレードしています。
これらの顧客は多岐にわたります。モバイル ゲーマーや、携帯電話ネットワークで4Kビデオをストリーミングするスマートフォン ユーザーも対象ですが、これらの5G衛星は、家電製品やセキュリティ システムなどのスマート ホームIoTデバイスもサポートできます。企業は地球外5Gサポートの恩恵を受け、輸送コンテナを追跡できるようになり、医師は遠隔手術を行えるようになり、公益事業会社やエネルギー会社は発電機、ガス管、石油パイプラインのリアルタイムの状態を監視できるようになります。世界中の自動運転車やIoTデバイスは、衛星通信における5Gアーキテクチャから大きな恩恵を受けることになります。
地上に5G機器が配備されつつある一方で、オムニスペースやロッキード・マーティンなどの企業は、宇宙ベースの5Gネットワークが地上インフラを補完できるかどうかを検討している。一方、NASAとノースロップ・グラマンは、グラマンのシグナス宇宙船で2週間テストされた統合通信ユニットを含む、宇宙での5Gの概念実証に協力している。
地上に設置されるこれらすべてのデバイスが5Gネットワーク コンポーネントを組み込む際に特定の設計上の考慮事項があるのと同様に、宇宙に設置されるデバイスにも同様の考慮事項があり、今後数年間に予想される数十億人のモバイル デバイス ユーザーにそれらのデバイスが追加され、帯域幅の需要が劇的に増加することになります。
5G信号には宇宙で強化されたインフラが必要
宇宙に5Gアーキテクチャを構築する場合 (衛星であれ、他の宇宙船であれ)、設計上の重要な考慮事項がいくつかあります。
5G信号を共有するデバイスが非常に多く高密度になると、有限のリソースであるスペクトル帯域幅に大きな負担がかかります。これは無線周波数干渉を引き起こし、衛星、飛行機、その他の航空宇宙技術の効率的な運用能力に影響を及ぼす可能性があります。これらすべての衛星が宇宙に打ち上げられると、気象衛星の運営者など既存の運営者からは、新しい5G信号が自社の周波数を侵害するのではないかとの懸念が出ている。また、ほとんどの商用4Gネットワークは利用可能なすべての周波数分割複信 (FDD) 帯域を使い果たしているため、ほとんどの5Gネットワークは時分割複信 (TDD) 帯域を使用することになります。TDD帯域には独自の要件があり、ネットワークの遅延やパフォーマンスに影響を及ぼす可能性のあるさまざまな種類の干渉の影響を受けやすくなります。
TDDアーキテクチャでは、送信と受信に単一の周波数帯域を使用するため、FDDよりも利点があります。しかし、地上の基地局に5Gが導入されるにつれて、設計者はすでにクロスリンク干渉に対処する必要が出てきています。この干渉は、1つの局が送信し、別の局が同じ周波数帯域で同時に受信しているときに発生します。これは、すべての基地局が同時に送信または同時に受信するようにすることで回避できます。
これらの屋外基地局の高出力も要因の1つです。相互リンク干渉は、それらの間の伝播条件を改善するため、アップリンクの基地局が別の基地局からのダウンリンクによって干渉を受ける場合に顕著になる可能性があります。たとえ宇宙であっても、5Gステーションをさらに追加すると、クロスリンク干渉の管理がより複雑になります。
航空宇宙分野では「宇宙」に重点が置かれるようになるため、5Gソリューションが軌道上で直面する過酷な条件に対処する必要が出てきます。基地局の機器は耐久性が求められますが、宇宙には、極度の暑さや寒さ、極度の振動や高圧など、独自の環境要件があり、これらはすべて、機器が輸送中か地球上空で動作中かによって異なります。民間航空機やその他の軍事用途はこの分野でいくつかの革新を起こしてきましたが、宇宙向けの5Gアーキテクチャの構築にはさらなる進歩の必要性が求められます。
5Gシステム自体が空間的に異なるというわけではなく、異なる方法で収容および接続する必要があるという点です。まず、宇宙に打ち上げられたときに発生する熱に耐え、大気圏で燃え尽きないようにする必要があります。つまり、5Gアーキテクチャには、操作を妨げることなく保護する熱シールドが必要です。溶けたり融合したりしないようにするには、効果的でありながらコンパクトな冷却システムと、大気圏への出入りや、軌道上での長期間の運用を想定した熱管理が必要です。
空間設計の際に考慮すべきこと
地球外での使用のためにどのような電子システムを構築する場合でも、5Gネットワーク コンポーネントを含め、それらを接続するすべてのコネクタとケーブルを考慮する必要があります。コネクタとケーブルのハウジング、および接点用の金属は、5Gネットワーク コンポーネントを含むあらゆる電子機器を宇宙環境で強化する上で重要であり、軌道上では高電流、高リップル強度、極低温に耐えられると同時に、速度、遅延、パフォーマンスの要件を満たすことができます。宇宙時代のコネクタとそのハウジングは、軍用グレードを超える必要があります。
これらすべての5Gネットワーク コンポーネントの健全性を監視することは、地上よりもさらに重要になります。統合電子設計は、パイロットが故障を把握して対応できるように、より高度な航空機状態監視システムに向けてすでに移行しつつあります。宇宙でこれを行うことは、同様に重要であり、さらに複雑です。多数のセンサーが連携して動作する必要があるだけでなく、それらのセンサーが宇宙でも機能できなければならないため、コストが多少高くなります。さらに課題となるのは、たとえ問題が診断できたとしても、軌道上にあると修復が難しいため、5Gシステムに冗長性を追加する必要性が生じることです。
結論
現実には、地上でも宇宙でも、5Gネットワークはまだ初期段階にあります。6Gがどのようなものになるかについて合意にはまだ程遠いが、中国は、地球観測と、5Gより数倍速い速度でデータを送信できる高周波テラヘルツ通信ペイロードのテストを目的とした初の6G衛星を宇宙に打ち上げたと主張している。
宇宙は常に技術進歩の最先端にあり、その理由の1つは必要が発明の母であることです。軌道上での5Gアーキテクチャの必要性があるため、5Gネットワークが宇宙で機能し、持続するためには何が必要かを把握することが急務となっています。最後のフロンティアにおけるあらゆるイノベーションは、最終的には地球に戻ってきて、地上の5Gインフラを補完し、強化することになります。
