低軌道衛星ネットワークは、地上の通信インフラが整備されていない地域や、災害時に地上ネットワークが利用できない状況でも通信を提供できる技術として注目されています。また、将来の5G/6Gや非地上系ネットワークでは、地上ネットワーク、低軌道衛星、端末間通信、エッジサーバなどを組み合わせた新しい通信基盤が重要になると考えられています。
一方で、低軌道衛星は地球の周囲を高速に移動するため、地上端末から見える衛星が時間とともに変化します。そのため、通信可能な時間が限られる、ハンドオーバが頻繁に発生する、通信経路や遅延が時間的に変動する、衛星上のキャッシュやバッファをどのように利用するかが難しい、という課題があります。
先進ネットワーク研究室では、低軌道衛星ネットワークを、地上ネットワークと連携する次世代ネットワークインフラの一部として捉え、安定した通信、効率的なデータ配信、災害時・遠隔地での通信支援を実現するための制御技術について研究しています。
主な研究テーマ
地上・衛星統合ネットワークの経路制御
低軌道衛星ネットワークでは、地上ネットワークと衛星ネットワークを状況に応じて使い分けることが重要です。例えば、地上ネットワークが混雑している場合、災害により一部の通信設備が利用できない場合、遠隔地で地上回線が利用できない場合には、衛星経由の通信が有効になります。
本研究室では、地上ネットワークと衛星ネットワークの遅延、帯域、混雑状況、通信可能時間などを考慮し、どの経路を使って通信するべきかを決定する制御技術について研究しています。
研究例：
- 地上回線と衛星回線が混在する環境での通信品質制御
- 地上ネットワークとLEO衛星ネットワークを組み合わせたマルチパス配送方式
- 災害時を想定した地上・衛星・端末間通信の制御
- 遅延、スループット、信頼性を考慮した経路選択
LEO衛星ハンドオーバ・接続制御
低軌道衛星は高速に移動するため、地上端末が通信できる衛星は時間とともに変化します。そのため、通信中に接続先の衛星を切り替えるハンドオーバが頻繁に発生します。適切にハンドオーバを行わないと、通信断、遅延増加、スループット低下が発生する可能性があります。
本研究室では、衛星の移動、地上端末の位置、通信品質、ネットワーク負荷を考慮して、安定した通信を維持するための衛星選択・ハンドオーバ制御について研究しています。
研究例：
- 衛星の可視時間を考慮した通信スケジューリング
- LEO衛星ネットワークにおける衛星選択法
- 通信品質を考慮したハンドオーバ制御
- 移動端末・IoT端末を対象とした接続制御
LEO衛星キャッシュ・コンテンツ配信
動画、Webコンテンツ、災害情報、地図データ、AI関連データなどを衛星経由で配信する場合、すべてのデータを地上サーバから毎回転送すると、地上・衛星間リンクがボトルネックになる可能性があります。そこで、衛星や地上局、エッジサーバにコンテンツをキャッシュし、利用者に近い場所から配信することが重要になります。
しかし、LEO衛星は高速に移動するため、従来のCDNのように「固定された場所の近くで人気のあるコンテンツを置く」だけでは十分ではありません。衛星の移動、地上エリアごとの需要、通信可能時間、キャッシュ容量を考慮した制御が必要です。
本研究室では、LEO衛星上のキャッシュや地上エッジキャッシュを活用し、限られた通信資源で効率よくコンテンツを配信する技術について研究しています。
研究例：
- 災害時・遠隔地向けの情報配信方式
- 地域需要に基づくLEO衛星キャッシュ制御
- 衛星の移動を考慮したキャッシュ置換法
- LEO衛星と地上エッジキャッシュを組み合わせた配信制御
DTN・Direct-to-Device/IoT通信
すべての地域で常に衛星と通信できるとは限りません。特に、衛星数が少ない環境や、IoT端末が低消費電力で動作する環境では、通信可能な時間が短く、データを一時的に蓄積してから転送する仕組みが必要になります。このような環境では、Delay/Disruption Tolerant Networking（DTN）の考え方が重要になります。
また、スマートフォンやIoT端末が衛星と直接通信するDirect-to-Device通信やDirect-to-Satellite IoTでは、端末の電力制約、通信可能時間、データの鮮度、通信優先度を考慮した制御が必要です。
本研究室では、断続的にしか通信できない衛星ネットワーク環境において、限られた通信機会を有効に使うためのデータ転送制御について研究しています。
研究例：
- 通信可能時間を考慮したデータ送信スケジューリング
- 疎なLEO衛星ネットワークにおけるDTNバッファ制御
- Direct-to-Satellite IoTにおける省電力・鮮度適応型送信制御
- Direct-to-Device通信における優先制御
LEO衛星ネットワークの事業者連携・資源配分
LEO衛星ネットワークを構築するには、多数の衛星、地上局、周波数資源、ネットワーク設備が必要です。そのため、単一の事業者だけでなく、複数の事業者や地上ネットワーク事業者が連携してサービスを提供することも考えられます。
本研究室では、複数の衛星ネットワーク事業者が連携する場合の収益配分や資源配分について、協力ゲーム理論などを用いた研究を行っています。
研究例：
- 地上ネットワーク事業者と衛星ネットワーク事業者の協調モデル
- 複数LEO衛星ネットワーク事業者間の収益配分法
- 事業者連携時の公平な資源配分
研究で用いる技術
本分野では、衛星の移動や通信可能時間を考慮したネットワークモデルを構築し、経路制御、キャッシュ制御、スケジューリング、資源配分の手法を設計します。
主に用いる技術は以下の通りです。
- LEO衛星ネットワークモデル
- 経路制御、マルチパス配送、ハンドオーバ制御
- CDN、エッジキャッシュ、衛星キャッシュ
- DTN、バッファ制御、データ鮮度制御
- 数理最適化、ゲーム理論、シミュレーション
- 地上・衛星統合ネットワークの性能評価
低軌道衛星ネットワークの研究は、ネットワークを地上から宇宙へ広げ、災害時や遠隔地でも情報にアクセスできる社会を実現するための研究です。