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超高速インターネット衛星「きずな」(WINDS)

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超高速インターネット衛星「きずな」(WINDS)

超高速インターネット衛星「きずな」(WINDS)は、政府IT戦略本部の「e‐Japan重点計画」 における高度情報通信ネットワークの形成にかかわる研究開発の一環として、高速衛星通信 システムの構築に関する技術実証を行うための衛星で、情報通信研究機構(NICT)と宇宙航空研究開発機構(JAXA)により共同で開発が行われ、2008年2月23日にH‐IIAロケットにより打ち上げられました。

Ka帯マルチビームアンテナ/アレーアンテナ、超広帯域/高出力中継器、搭載交換機などの技術により、 アンテナ直径45cmの超小型地球局向けに6Mbps(上り回線)/155Mbps(下り回線)を提供します。また、アンテナ直径5m級の 大型地球局では、非再生交換中継による3.2Gbpsのブロードバンドデータ回線が利用できます。

また、硫黄島からの皆既日食映像伝送実験、東日本大震災時及び熊本地震時の臨時通信回線の提供をするなど多くの成果を残し、 2019年2月27日に運用を終了しました。

(図1)超高速インターネット衛星「きずな」(WINDS)外観図
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技術解説

衛星搭載高速スイッチングルータの開発

「きずな」にはNICTが開発した高速スイッチング・ルータである再生交換中継器(ABS)が搭載されていました。

  ABSは、ATMセルをベースバンドで交換する高速交換器で、複数の局から来る信号のセルヘッダによって高速に振り分け、 同一ビームに送る情報を多重化して送信する機能を持つため、複数の信号を効率的に交換することができます。

ABSはデジタル復調器(Digital Demodulator:D-DEM)3台、ATMスイッチ(ATMS)2台(うち1台は冗長系)、変調器(Modulator:MOD)3台で構成されます。

受信信号は、小型の規模の局でも送信可能な1.5、6、24、51Mbps及び51Mbps×3波としています。

送信信号は、情報をビームごとにまとめて送るため、155Mbpsと高速な信号です。

また、「きずな」を使用して高速移動体衛星通信実験を行うため、小型車載局(図2)・大型車載局(図3)や船舶搭載地球局(図4)を開発しました。

*ABS:ATM-based Baseband Switching Subsystem
*ATM:Asynchronous Transfer Mode(非同期転送モード)

(図2)小型車載局
(図3)大型車載局
(図4)船舶搭載地球局

衛星搭載高速スイッチングルータの構成

地球局から送信された信号は衛星で受信され、IF周波数に変換されます。受信IFスイッチ網により3つのビームが選択され、 衛星搭載高速スイッチングルータに入力されます。

衛星搭載高速スイッチングルータでは、各ビームに対応する3台の復調器で受信します。1台の復調器には3つの復調ユニットがあり、 それぞれ1.5Mbpsから51Mbpsの信号を復調できます。1.5Mbpsの信号については、14波の信号を周波数分波器で分離した後、1つの復調ユニットで一括して復調します。

3台の復調器からのベースバンドに復調された情報は受信ラインバッファに蓄積されます。合成器で3系統の情報は合成され 入力バッファに送られます。地球局からは情報をATMセルのかたまりとして送信されます。

スイッチコアではATMセル単位で情報に付けられているATMヘッダに従ってATMセルを振分け、同じあて先の情報をまとめて出力バッファに溜めます。ATMコアは最大2.5Gbpsの交換能力を持っています。

ATMヘッダ情報とあて先の対応は、情報の伝送に先立って基準局(JAXA筑波宇宙センター)より与えられます。情報は分配器によりビームごと分けられ送信ラインバッファに送られます。

変調器はスイッチ制御サブシステムの指示するタイミングに合わせて情報を各ビーム向けTDMAバースト信号として変調し、出力します。

TDMAバースト信号は、スイッチ制御サブシステムによってバースト単位で制御される送信IFスイッチ網により、あて先のビームに送信されます。

(図5)搭載高速スイッチングルータ構成図

再生交換中継時の周波数配列

超高速インターネット衛星「きずな」(WINDS)は、Ka帯周波数を使用します。地球局から衛星への上り回線は、27.5 GHzから28.6 GHzの周波数を 使用します。衛星から地球局への下り回線は、17.7GHzから18.8GHzの周波数を使用します。

再生交換中継では、上り回線で1.5Mbpsから51Mbpsまでの伝送速度を提供します。6.1、24、51 Mbpsの伝送速度では、WINDSが使用する下側半分 の帯域を9つの帯域に分けて使用します。帯域は、3周波ずつ3組にまとめられ、それぞれの組がビームに割当てられます。1.5Mbpsでは、6.1から51Mbpsで使用する1つの帯域を、さらに14に分けて使用します。

下り回線では、WINDSの下側の帯域を3つに分けて使用され、それぞれがビームに対応します。下り回線の伝送速度は155 Mbpsです。 非再生交換中継(Bent-pip)では、WINDSの帯域は622Mbps(QPSK使用時):上下周波数帯2回線または1244Mbps(QPSK使用時):全帯域1回線で使用されます。

大型の地球局だけで回線を構成するなど、地球局や衛星の送信に電力的に余裕のある場合は、再生交換中継と非再生交換中継が可能です。再生交換中継は下側帯域を使用し、非再生交換中継は主に上側を使用します。

TDMA方式なのでスロットごとに分けることによって帯域全体を使用することも可能です。

(図6)再生交換中継時の周波数配列
(Fu10, Fd4は非再生交換中継用)
(図7)非再生交換中継時の周波数配列
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成果

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