Starlink Direct to Cell、アップリンクの秘密

Starlink衛星が徐々に大きくなり、アンテナが強力になるにつれて、一般のスマートフォンでも信号を受信できるようになるというニュースは、それほど抵抗なく受け入れられるだろう。衛星が強くなれば、携帯電話がそれを受信するのも当然のことではないか。

しかし、この図を逆にひっくり返してみると、話はまったく異なるものになる。手のひらサイズのアンテナを搭載した携帯電話が、550km上空の宇宙に向かって信号を打ち上げなければならない側はどうなるのだろうか。そして、さらに驚くべき事実が一つある。Starlinkは、この問題を解決するにあたり、携帯電話側は一切手を加えていないのだ。ハードウェアも、ファームウェアも、特別なアプリもない。既存のLTEスマートフォンが、一切の修正なしにそのまま衛星と通信する。

山の中、船の上、災害で基地局が倒壊した地域で、携帯電話画面の隅のアンテナ表示が消える瞬間を経験したことがある人なら、この問題が他人事ではないとわかるだろう。私たちが毎日持ち歩く一般的なスマートフォン自体が、すでにこのシステムの一部だからだ。新しい機器を買ったり、衛星電話を別途用意したりする必要なく、今ポケットの中のスマホがそのまま宇宙と会話できるということだからだ。

ささやきを聞く巨大な耳

携帯電話の送信出力はおおよそ0.2W前後だ。部屋の常夜灯一つを点ける程度の電力で、340〜550km離れた目標まで信号を送り上げなければならない。地上の基地局であれば、数十Wの出力で半径1〜2km以内の端末と通信すれば済むが、衛星はそれより数百倍遠い距離をカバーしなければならない。2GHz帯域でこの距離の経路損失は、およそ160dB前後と推定される。信号が衛星に到達する頃には、元の強さの数兆分の1も残らないということだ。

この問題は、信号をより強くするという方向では解決しない。携帯電話のバッテリーとアンテナのサイズには、物理的な限界が明確だからだ。そのため、Starlinkが選んだ方向は正反対だった。信号を増幅する代わりに、その微弱なささやきを聞き取れるほど敏感な耳を空に浮かべたのだ。

Direct to Cell衛星1台には、約25平方メートルの面積のフェーズドアレイアンテナが搭載されている。手のひらサイズの携帯電話アンテナとは比較にならない大きさだ。この巨大なアレイは、指向性マイクが騒がしいコンサート会場で特定の方向のささやきだけを選んで拾う原理と構造的に同じだ。マイクが音を増幅するのではなく、狭い方向に耳を集中させて信号対雑音比を引き上げるように、フェーズドアレイアンテナも受信感度を特定の位置に集中させて狭いビームを形成する。衛星1台は、このようなビームを複数同時に生成し、地上の複数の地点から上がってくるささやきをそれぞれ個別に聞き取る。

衛星ではなくソフトウェアの勝利

ここまでの話を聞くと、この話は結局「より大きなアンテナを宇宙に浮かべた」というアンテナ工学の話のように聞こえるかもしれない。しかし、本当に難しい部分は、そのアンテナではなく、そのアンテナを毎瞬間、再び狙いを定める計算だった。

Direct to Cell衛星は、高度340〜550kmの軌道で時速27,000kmを超える速度で移動する。90分で地球を一周するという意味だ。衛星が近づく時と遠ざかる時、携帯電話が送る信号の周波数はドップラー効果で最大±47kHzまで変動する。地上の基地局であれば、想像する必要すらもない問題だ。アンテナも、ユーザーも、静止しているからだ。しかし、衛星の下では、秒単位で角度、距離、周波数がすべて変わる。もしこの変動をリアルタイムで補正しなかったなら、通話は数秒ごとに切れるレベルではなく、そもそも接続自体が成立しなかっただろう。

衛星1台は、このような計算を毎秒数千個のビームに対して同時に実行し、地上には数十km幅の「動くセル」が描かれる。 このセルは、衛星が軌道を回る間、地表の上を流れるように移動する。携帯電話の立場からすれば、ただ遠くにある基地局が空に浮かんでいるように見えるだけだ。

これを可能にしたのは、カスタムシリコンチップとリアルタイムビームフォーミングアルゴリズム、そして衛星と携帯電話が同じ言語で会話できるようにした3GPP NTN標準だ。携帯電話は、すでに知っていたLTEプロトコルでそのまま話しかけ、その言葉を聞き取って狙いを合わせる役割はすべて衛星側のソフトウェアが引き受ける。

そして、この狙いの範囲は衛星1台では終わらない。現在軌道には650基を超えるDirect to Cell衛星が浮かんでおり、各国の通信事業者とローミングパートナーのように接続されている。信号は衛星から再び地上のゲートウェイを経由して、既存の通信網に渡される。結局、このプロジェクトの本質は、アンテナをどれだけ大きく作るかではなく、地球を包む一つのセルラーネットワークを軌道上に重ねて築くことだった。宇宙工学の問題であったのと同様に、あるいはそれ以上に、通信標準と国別の周波数規制を調整する産業的、制度的な問題だったと言える。

今手に持っている携帯電話は、一つも変わっていない。変わったのは、頭上の空全体だ。「電波が届かない」という言葉の意味が、もはや地上の基地局の有無ではなく、その瞬間どの衛星がこの空を通過しているのか、という問題に静かに移り変わっているのかもしれない。