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災害時に備えた、長距離“無線通信”の性能を実証

「小型無人飛行機」と「ソーラー可搬基地局」を組み合わせて商用電源を用いずに通信

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2013年7月17日

独立行政法人 情報通信研究機構(以下「NICT」、理事長:坂内 正夫)は、災害時などでの迅速な通信手段確保が必要な場合を想定し、この度、自律飛行する「小型無人飛行機」とソーラーパネル・蓄電池一体型の持ち運び可能な「無線基地局」(以下「ソーラー可搬基地局」)を組み合わせた長距離の無線中継通信実験に成功しました。本実験は大樹町多目的航空公園(北海道広尾郡)で実施し、5日間で(雨の日を含む)計30回の飛行実験を行いました。この結果、飛行機から最大約15㎞離れた地上局との間で通信が可能であること、さらに、ソーラー可搬基地局と組み合わせることで、災害による孤立地域内でも商用電源なしで一斉緊急通報や安否確認などの通信サービスが利用可能であることを確認しました。

なお、実験に使用した小型無人飛行機による無線中継システム及びソーラー可搬基地局は、総務省平成23年度補正予算「情報通信ネットワークの耐災害性強化のための研究開発」にて開発・整備したものです。

背景

東日本大震災において各地で通信が途絶した教訓を受け、NICTでは産学官の連携体制のもと、“無線通信”の強みを生かした災害に強いネットワークの研究開発を行っています。その一環として、災害時の通信規制の原因となる「通信の集中」が起きにくい構造を持ち、基地局の故障やネットワークの切断があっても通信機能を最大限維持する特徴を備えた「耐災害ワイヤレスメッシュネットワーク」の技術実証を行うテストベッド設備を、東北大学キャンパス内(仙台市)に整備しました。「小型無人飛行機」を用いた「無線中継システム」「ソーラー可搬基地局」は、このテストベッド設備の一部として開発・整備されたもので、2013年3月末には、これらに様々な基地局を組み合わせて公開デモンストレーションを行いました。

これまで、災害による地理的な孤立や停電が発生した際に、どの程度の通信サービスが提供可能であるかについて収集したデータは乏しく、また、その予測も困難でしたが、NICTでは世界でも例がない本無線中継システムを用いて、詳細な性能評価のための実験を続けてきました。

今回の成果

本実験は、2013年6月16日(日)~20日(木)の5日間にわたり、広い実験エリアの確保が容易な北海道・大樹町多目的航空公園で実施しました。雨の日を含む最高高度500mまでの小型無人飛行機による無線中継実験を計30回実施し、無線中継通信の安定性を確認するとともに、次の成果を得ることができました。

① 人が持ち運びできる手軽な設備を用いて、最大15㎞の距離(飛行機と地上局間)の無線通信を実現(無人飛行機に搭載した中継装置の改良による長距離化)。
② 小型無人飛行機と地上局(発動発電機や小型のバッテリー等で運用)で構成される無線中継システムとソーラー可搬基地局(蓄電池内蔵)との組み合わせにより、商用電源を一切使用することなく、ソーラー可搬基地局周辺に無線LANゾーンを提供。
③ ソーラー可搬基地局は「耐災害メッシュネットワーク」の機能を備えているため、災害時にインターネットへの接続が不可能な状況にあっても、孤立地域(無人飛行機経由)を含めた地域内での一斉緊急通報や相互の安否確認、メール交換、位置情報共有などのサービスの利用が可能。

特に上記①に関しては、2つの地上局間の距離を最大30km、さらに2機の無人飛行機を同時に飛行させて順番に経由させれば最大45㎞程度まで延ばせる可能性を示しています。

今後の展望

今回の実験は平坦な地形の地域で行いましたが、今後は、山間部や起伏のある地域での通信実験や商用電源に頼らない長時間運用実験など、より実際の災害時を想定した実証実験を積み重ねることで実用化につなげていく予定です。大規模災害時への備えとして、自治体や防災関係機関等での運用も期待されます。



補足資料

図1 「小型無人飛行機を用いた無線中継システム」と「ソーラー可搬基地局」とを組み合わせた実験システムの基本構成
図1 「小型無人飛行機を用いた無線中継システム」と「ソーラー可搬基地局」とを組み合わせた 実験システムの基本構成

無人飛行機による無線中継システムとソーラー可搬基地局の組合せでAさん(ネットワーク健全地域)とBさん(ネットワーク孤立地域)の間で安否確認、メール交換、電話等が可能。

さらに、Bさんは無人飛行機やメッシュネットワークを経由して、インターネットへのアクセスも可能。

これらのネットワークは商用電源に接続せずに構成。


図2 長距離通信実験における「無人飛行機」と「地上局」の位置関係
無人飛行機と地上局Bとの間の距離15㎞を達成

図3 使用した「小型無人飛行機」の外観
図3 使用した「小型無人飛行機」の外観

表1 「小型無人飛行機」の主な仕様
翼長・全長・機体重量 2.8 m, 1.4m, 5.9kg
ペイロード 0.5 kg
飛行時間・進出距離 2-4時間、15km
耐風速 25ノット (13m/s)
最高飛行高度 5000 m (実証実験では最高高度500mで飛行)
動力、運用方法 電動、手投げ発進、失速回収、GPSによる自律飛行、防水仕様
使用周波数 データリンク、制御リンク:2GHz帯 (いずれも実験局免許で運用)
その他 騒音は小 (50m離れれば、ほぼ無音)、雨中での飛行、海上への着水も可



図4 小型無人飛行機に搭載した「無線中継装置」と「地上局」の外観

表2 「無線中継装置」の主な仕様
周波数・帯域・チャネル数 2GHz帯・8MHz・1チャネル
送信電力 2W
通信速度 最大500kbps
サイズ タテ90㎜×ヨコ100㎜×高さ116㎜
重さ 500g以下(専用バッテリ込み)


図5 「ソーラー可搬基地局」の外観
隣接する3方向のメッシュネットワーク基地局に向けた3つのアンテナ(5GHz帯)及び無線LAN用の1つのアンテナ(2.4GHz帯)並びにそれらにつながる4つの無線機が2本のポール(最大3m程度まで伸縮可能)に取り付けられている。
基地局装置と蓄電池は太陽電池パネルの裏側内部に収納。
全重量は約80㎏。



図6 実験の様子
図6 実験の様子



用語 解説

耐災害ワイヤレスメッシュネットワーク

総務省平成23年度補正予算「情報通信ネットワークの耐災害性強化のための研究開発」により、NICTが開発した強い耐災害性を持つワイヤレスネットワーク。東北大学キャンパス内に計30局近い基地局設備を含め、実験用テストベッドとして設置されており、現在も稼働している。複数の固定型あるいは可搬型の簡易基地局を網の目状(メッシュ状)に無線で接続し、一部の基地局が災害等により損傷を受けても、他の生き残った基地局が相互に協力し、全体として通信機能を最大限維持することができる。また、各基地局はデータを一時蓄積するキャッシュ機能を持ち、さらに、それらのデータが基地局間で同期することにより、通常インターネットでアドレス割当てに必要なネームサーバが不要で、災害等でインターネットへの接続が失われることがあっても、メッシュネットワーク内でアドレス割当てを解決して通信の相手先を見つけ、通信を確立することができる。さらに、利用者が持つスマートフォンやタブレット端末が内蔵するアプリケーションソフトウェアと連携し、特定の集中管理型のアプリケーションサーバを介することなく、利用者端末間で、安否確認や情報共有、位置情報配信などが可能なため、ネットワークが災害で深刻なダメージを受けた場合でも、アプリケーションサービスが維持される。

無人飛行機とその無線中継システム

人が乗って操縦することなく自律的に飛行させることができる小型の無人飛行機に、NICTが開発したコンパクトな無線中継装置(補足資料:図4表2)を搭載し、2つの地点に置かれた地上局間で、1機あるいは複数機の無人飛行機を経由して通信を行うシステム。仮想的に高さ数100m無線中継用鉄塔を建てることに相当し、飛行機、地上局ともに人による持ち運びが可能なため、災害時等において、手軽にかつ迅速なシステム展開が可能。無線中継用周波数と無人飛行機の制御用周波数との間の干渉をフィルターにより軽減し、従来、4~5km程度であった通信距離を最大15kmに長距離化した。

実験に使用した小型無人飛行機(補足資料:図3表1)は、GPS(全世界測位システム)受信機能、加速度センサ、ジャイロセンサ等の位置・姿勢センサ及びそれらのデータをもとに、あらかじめ決められた経路をプログラム通りに飛行するための搭載コンピュータと姿勢制御装置等を備え、電動プロペラで推進し、飛行中の騒音はほとんどない。離陸は手投げ、着陸は失速回収(失速させて姿勢を保ったまま地面に落下させる)という手法を用い、特別な滑走路が不要かつ防水機能を持ち、空き地やグランド、さらには海上などで手軽に離発着できる。

ソーラー可搬基地局

太陽電池パネルと蓄電池に耐災害ワイヤレスメッシュネットワークの基地局、アンテナ、無線機、並びに無線LANの基地局(アクセスポイント)を一体化し、キャスターを付けて持ち運びできるようにした基地局装置(補足資料:図5)。上記に示した耐災害ワイヤレスメッシュネットワークのテストベッド設備の一部として開発・整備。商用電源が使用不能な場合でも、満充電の状態で、約一昼夜にわたり運用することが可能。互いに見通せる任意の場所に数100m程度の間隔で複数局展開すれば、その間でワイヤレスメッシュネットワークが手軽に構築でき、それとスマートフォンやパソコン等のユーザ端末が持つアプリケーションソフトウェアと組み合わせることで、それだけで互いの安否確認や音声電話(IP電話)、災害情報やメールの交換、位置情報の共有などが可能となる。さらに、基地局の1つをインターネット回線に接続できれば、メッシュネットワーク内の全てのユーザ端末から、外部のインターネットを通じてウェブ閲覧やメール交換ができるようになる。




<過去のプレスリリース>
2013年3月18日発表  http://www.nict.go.jp/press/2013/03/18-1.html
「大規模災害で孤立した地域を上空からつなぐ! 小型の無人飛行機を活用した“無線中継システム”を開発」



本件に関する 問い合わせ先

ワイヤレスネットワーク研究所
ディペンダブルワイヤレス研究室

三浦 龍
Tel: 046-847-5445 
Fax: 046-847-5431
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取材依頼及び広報 問い合わせ先

広報部 報道担当

廣田 幸子
Tel:042-327-6923
Fax:042-327-7587
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