大雨後のドローンと衛星ネットワーク

7月21日、鄭州市の西40キロにある米河鎮は停電、インターネット、道路が遮断され、完全な情報孤島となった。

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モバイル通信が完全に遮断されていない鄭州でも、ネットワークが「機能していない」ことが確認されている。QRコード決済や自転車レンタルは機能せず、地図ナビゲーションも利用できない。鄭州の最前線にいる記者は記者団に対し、2Gネットワ​​ークのみが安定しており、通話やテキストメッセージの送信には影響がないと語った。 2G信号が安定しているのはなぜですか?

北京郵電大学ネットワーク技術研究所の李欣准教授は、これは2G基地局のカバー範囲が4Gや5Gよりもはるかに広いためだと説明した。 2G 基地局のカバー半径は 5 ～ 10 キロメートル、4G 基地局は 1 ～ 3 キロメートル、5G 基地局はわずか 100 ～ 300 メートルです。

多くの基地局が直接的な被害や停電に見舞われ、4Gおよび5Gの通信範囲に多くの死角が生じています。 2G のカバー範囲は十分に広いため、ほとんどの基地局が機能していない場合でも、残りの基地局の 2G 信号がカバーするエリアでは、多数のユーザーに基本的な通話およびテキスト メッセージ サービスを提供できます。

このような極度の災害に直面したとき、私たちはどのように通信を回復するのでしょうか。その答えは「空中浮遊」にあります。

21日午後11時、翼龍2Hドローンは貴州省安順空港を離陸してから9時間後に、米河鎮に4G信号をもたらした。テキストメッセージには、「ウィング・ロン・ドローンの時間制限により、公共ネットワークは5時間以内にのみ復旧します」と書かれていた。

ドイツのラインラント＝プファルツ州は、SpaceXのStarlink衛星ネットワークを利用して、信号を回復するためのアンテナを構築した。

航空基地

ドローンを臨時の空中基地局として活用することは、災害救助の緊急通信の解決策の 1 つです。今回、Wing Loong UAV搭載基地局は、限られた時間と限られた範囲内で限定的な通信サービスを提供します。

地上での修復と空中救助が同時に行われています。イーロンが米河鎮の通信障害地域へ飛行中、地上では基地局の修理も行われていた。同社は２１日午後８時ごろ、伝送路を開通させ、７つの基地局間の通信を復旧した。しかし、その後大雨で流されてしまい、部隊は全員活動不能となった。

このような場合、地上基地局は強力な通信サービス機能を提供できるものの、復旧のための条件が整っていません。ドローンは通信衛星チャネルを使用して、空中の移動通信基地局を自然災害の影響を受けないモバイルコアネットワークに接続し、可能な限り最短時間で通信サービスを復旧することができます。

ドローンは米河鎮上空を飛行し、50平方キロメートルの地域に4Gネットワ​​ークサービスを提供している。 30分後、地上通信施設は徐々に復旧し、23時30分には中国聯通が基地局を開設し、2時間余り後には中国移動の衛星通信車両も現場に到着し、ネットワークサービスを開始した。

李欣氏は、ドローン搭載基地局は既存の技術を革新的に組み合わせたものだと紹介した。地上基地局が直面する多くの制約を打破できるが、ドローンの積載量、飛行時間、電源容量、衛星通信が提供できる帯域幅によっても制限される。そのため、サービス時間や提供できるネットワークリソース、接続品質、サービス利用者数など、いずれの面でも地上基地局と比べると差があります。

50平方キロメートルのカバーエリアも、さまざまな要素と緊急通信の対象要件を総合的に考慮して選ばれたバランスポイントです。例えば、今回の緊急通信ミッションでは、時間的制約により、被災地の携帯電話端末の通信サービスを速やかに復旧させる必要があるため、ドローンの飛行高度は携帯電話の信号伝送の有効距離を超えることはできません。

同時に、固定翼航空機は空中に留まるために最低限の巡航速度を維持する必要がありますが、空中基地局と地上の携帯電話端末間の相対速度は、ユーザーに継続的なサービスを提供できるレベルに維持する必要があります。したがって、信号強度を高めるためにドローンを低速で飛行させることは不可能です。

これらの制約により、ドローンはモビリティ、ネットワーク品質、カバレッジエリア、ユーザー密度の間で適切なバランスをとる必要があり、特定の目標を最適化するためにこのバランスを崩す可能性は低くなります。

中国移動の統計によると、空中基地局が運用を開始してから20分後の21日夜23時20分時点で、中国移動の基地局は合計3,572人のユーザーを接続し、2,089.89Mのトラフィックを生成し、一度に接続したユーザーの最大数は648人だった。つまり、この20分間に、各ユーザーは0.59Mのトラフィックを使用し、これは約30分間のWeChat音声メッセージを送信するのに十分な量です。

緊急時の通信手段として、地上の通信インフラが大規模に麻痺していない場合でも、ドローンに搭載された基地局は、狭いエリア内の少数のユーザー向けに最低限の通信を迅速に回復することができます。例えば、米河鎮の災害救助のシナリオでは、ドローン 1 台で対応できます。しかし、鄭州の中心部50平方キロメートルの範囲内にいる数百万人の人々に通信サービスを提供することは、1台のドローンの能力をはるかに超えています。

基本的なコミュニケーションの「代替」

今回の鄭州の通信施設の麻痺は、基地局の水害だけでなく、停電の影響も大きく受けた。地震が起きれば光ケーブルが直接引っ張られて断線し、広範囲のインフラが麻痺する。断線した光ケーブルを掘り出して再接続する必要があるため、復旧はさらに困難になる。

これは、2008 年の汶川地震の際に直面した状況でした。当時の応急復旧計画は、被災地に通じる道路があれば緊急通信車を使い、車で通行できない場所ではコマンド部隊を編成して緊急通信機材を携行し徒歩で向かい、地上へのアクセスがない場合は陸軍のヘリコプターを使って人員や機材を空中投下するというものでした。

李鑫氏は「緊急通信手段は通信インフラに取って代わることはできない。緊急通信手段がどの程度の役割を果たすことができるかは、ネットワークインフラ自体の規模、資源の備蓄、技術レベル、組織構造、破壊に対する生存能力に依存する」と強調した。

2001年9月11日の同時多発テロ事件後、ニューヨークの通信は麻痺し、米国の通信事業者が採用した解決策は車載基地局でした。これは地上基地局の完全バックアップに相当します。艦隊が現場に到着すると、まずネットワークを復旧し、同​​時に光ケーブルの修復も行います。これは、Wing Loong UAV を緊急通信に使用するというアイデアに似ています。まず代替ソリューションを使用して通信を回復し、次に地上設備を修復します。

ウィング・ルンはもともと軍隊で使用されていた偵察・攻撃用ドローンでした。翼龍2Hは多目的無人機。中国移動はこれまでにも翼龍無人機の緊急通信訓練を実施してきたが、災害救助に正式に使用されるのは今回が初めて。

このドローンによる救助・災害救援活動は、思いつきで技術を披露したり、突発的に独創的なアイデアを思いついたりしたものではなく、中国移動が何年も前に実施した研究開発、テスト、検証における一連の堅実な取り組み、そして成熟した計画、よく訓練されたチーム、標準化された戦闘準備措置によるものでした。

熱気球と衛星

近くの地上基幹ネットワークも被害を受けたらどうなるだろうか。2017年、米国プエルトリコ島がハリケーンに見舞われ、地上の通信施設が大きな被害を受けた。災害から2週間経っても通信は復旧できなかった。このとき役立ったのが、Googleの熱気球プロジェクト「Project Loon」だ。

島の通信設備は完全に麻痺していたため、地上の利用者への通信サービスは気球に搭載した複数の基地局によるネットワークに頼るしかなかった。気球に搭載された基地局は通信衛星回線を通じてハリケーンの影響を受けなかった地上のネットワークとの接続を維持した。

複数の熱気球が対流圏を通過して成層圏に留まり、空中にネットワークを形成します。成層圏は鉛直流がほとんどない滑らかな大気圏であり、風と太陽のエネルギーを最大限に活用することで熱気球が長時間滞空することが可能です。

しかし同時に、他の 2 つの問題も生じます。まず、成層圏は地上から 10 km の高さにあり、携帯電話を WiFi に直接接続することはできないため、地上に配線を設置する必要があります。 2 つ目は、アルゴリズムを使用して、熱気球のグループが常に特定の空に浮かんでいるようにすることです。

このプロジェクトの主任エンジニアである Salvatore Candido 氏は、IEEE Spectrum とのインタビューで次のように述べています。「これは主にコンピューター サイエンスのプロジェクトです。」大気の状態に応じて、次々に発射される情熱的なボールのルートを、順番に一つずつ計算する必要があります。

Googleバルーンの仕組み

Project Loon の当初の目的は、遠隔地やインフラが不足している地域にインターネット サービスを提供することでした。しかし、今年の初めに、この9年間続いたプロジェクトは終了すると発表されました。コストを削減し、効果的なビジネスモデルを形成する方法がないからです。

熱気球ではできないことが、マスク氏のスターリンクならできるかもしれない。ドイツ政府は6月、インフラが未整備な農村地域にアンテナ設備を設置し、住民が無線ネットワークサービスを利用できるよう支援するため、各世帯に500ユーロを補助すると発表した。衛星ブロードバンドにアクセスする方が、長距離光ケーブルを敷設するよりも明らかに安価です。

ドイツが洪水に見舞われたとき、スターリンクのブロードバンドネットワークシステムの利点が発揮されました。ラインラント＝プファルツ州規制・サービス庁は7月20日、住民のインターネット利用を支援するために12基の衛星放送用アンテナを設置したと発表した。衛星放送受信アンテナの数は35基まで増加し続ける予定。

マスク氏のスターリンク自体には、世界中のユーザーにネットワークサービスを提供する機能があります。災害のシナリオでは、スターリンクは効果的な緊急通信ソリューションでもあります。

しかし、Google BalloonsやStarlinkソリューションの飛行高度は携帯電話端末の信号伝送距離の限界を超えており、ユーザーがネットワークサービスを受けるためには、基地局と同様の機能を果たす専用の地上設備に頼らざるを得ない。

災害時においては、一般住民にとって地上設備を一時的に空中投下し、その設置や使用方法を指導することは時間効率の悪い解決策であり、また、地上設備は被災地の電力供給によって制限されることになります。

ドローン、スターリンク衛星、熱気球はそれぞれ独自の特徴を持っています。ドローンは効率的でタイムリーですが、サービスの範囲は限られています。Starlink と Passion Ball はより広い範囲をカバーでき、より安定していますが、地上機器との協力が必要です。自然災害に直面した場合、十分な技術的備蓄があることに加え、既存の技術をどのように活用するかも重要です。

中国移動が緊急時の通信を確保するためドローンを使って衛星に接続したのに加え、中国電信は天通の衛星電話を使用した。河南公司は、鄭州大学第一付属病院河南キャンパスで天通衛星サービスを緊急に開始し、病院の搬送と派遣のためのスムーズな衛星通信を確保し、11,350人の患者の適時かつ安全な搬送に重要な役割を果たしました。