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みがねありたけ
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1 コミュニケーション工学 B セルラー理論とセルラーシステム東北大学工学部安達文幸目次 1. はじめに. セルラー理論.1 電波伝搬. セルラーコンセプト.3 クラスタサイズと繰り返しパターン.4 クラスタサイズの決定 3. 大ゾーン方式とセルラ方式 4. 周波数利用効率 4.1 周波数利用効率の定義 4. 情報理論的考察 5. チャネル割当 6. セルラー方式 6.1 携帯電話システムの構成 6. 位置登録 6.3 着信接続 6.4 発信接続 6.5 ハンドオフ 6.6 音声符号化 6.7 認証 7. むすびコミュニケーション工学 B 1 コミュニケーション工学 B 3 1. はじめに限られた無線帯域幅で日本全国にサービスを提供するにはどうしたら良いか? 1 億人ものユーザに異なる無線搬送波周波数を割り当てることはできない. もし, 同じ無線搬送波周波数を他のユーザに割り当ててしまうとどうなるか? 銅線や光ファイバーケーブルと違って, 無線信号は広がりながら伝搬するので, 同一周波数を利用している他のユーザへ干渉を与える. この問題を解決するために開発されたのが,1960 年代後半, 日本, 米国で誕生したセルラーコンセプトである. セルラー方式では, 電波が減衰しながら伝搬するのをうまく利用している.. セルラー理論.1 電波伝搬. セルラーコンセプト.3 クラスタサイズと繰り返しパターン.4 クラスタサイズの決定コミュニケーション工学 B 4 コミュニケーション工学 B 5

.1 電波伝搬送信点からの距離に依存した伝搬損失数十から数百メートルの周期で不規則に伝搬損失が変動するシャドウイング搬送波波長の半分程度の周期で不規則に受信電力が変動するマルチパスフェージング定在波の発生電波が前方と後方から到来しているときには定在波が生成される. アンテナが移動すると受信信号の強さが変動する. 実際の環境では, 定在波パターンは複雑であるので統計的取り扱いが用いられる.

2 .1 電波伝搬送信点からの距離に依存した伝搬損失数十から数百メートルの周期で不規則に伝搬損失が変動するシャドウイング搬送波波長の半分程度の周期で不規則に受信電力が変動するマルチパスフェージング定在波の発生電波が前方と後方から到来しているときには定在波が生成される. アンテナが移動すると受信信号の強さが変動する. 実際の環境では, 定在波パターンは複雑であるので統計的取り扱いが用いられる. マルチパスフェージングシャドウイング伝搬損失約 1 m 約 100 m P r r ; ~ 4 電波 / 距離 d 距離 r コミュニケーション工学 B 6 コミュニケーション工学 B 7 フェージングの発生携帯電話機の周辺の建造物などによって電波が反射され, 様々な方向から端末アンテナに到来する. 複雑な電波強度の分布が作り出される. 50cm 50cmの範囲における電波 (GHz) の強さの変動の様子. アンテナをわずか数センチ移動させるだけで電波の強さが大きく変動する. 携帯機電波の強さ (db) 無線コミュニケーション工学 B 8 x (cm) y (cm) 搬送波周波数 GHz 素波数 16 波コミュニケーション工学 B 9

(db) 時速 4km 搬送波周波数 =GHz 平面波数 N=16 波 10msec

3 受信信号振幅の時間変動アンテナの移動につれて電波の強さが大きく変動する. この現象はマルチパスフェージングと呼ばれる送信信号波形受信信号波形電波の強さ (db) 時速 4km 搬送波周波数 =GHz 平面波数 N=16 波 10msec 10msec 最大ドップラー周波数 f =10Hz ( 搬送波周波数 GHz, 移動速度 64.8km/h) コミュニケーション工学 B 10 時間 (sec) コミュニケーション工学 B 11 時速 40km 搬送波周波数 =GHz 平面波数 N=16 波時速 400km 搬送波周波数 =GHz 平面波数 N=16 波電波の強さ (db) 電波の強さ (db) 時間 (sec) コミュニケーション工学 B 1 時間 (sec) コミュニケーション工学 B 13

4 . セルラーコンセプト電波の強さ電波の強さ限られた無線帯域幅 ( 限られた数の無線チャネル ) で日本全国に携帯通信サービスを提供するにはどうしたら良いか? これを解決するのが干渉を許容した同一周波数の再利用電波の強さはおよそ距離の ~4 乗に反比例して減衰するので, 同一周波数のチャネルを十分離れた場所で繰り返して使える. これをうまく利用したのがセルラー方式である. 無線局 P r r ; ~ 距離 4 がカバーするエリア ( セル ) 半径 km コミュニケーション工学 B 14 充分離れたで同一周波数を使えば干渉が弱いどのくらいを離せば良いかは, 通信品質を確保するために必要な信号電力対干渉電力比 (SIR) に依存する無線局弱い干渉 R 干渉同一周波数を使っている距離コミュニケーション工学 B 16 同一周波数の繰り返し利用電波の強さ電波伝搬の特徴電波の強さはおよそ距離の ~4 乗に反比例して減衰離れたところから発射された電波は干渉しない同じ周波数を繰り返して使える近くので同一周波数を使うと, 強い干渉を受ける強い干渉 R 干渉セルラーコンセプト同一周波数を使う距離コミュニケーション工学 B 年代後半, 日本, 米国で誕生広いサービスエリアを小さな無線細胞 ( セル ) に分割し, 各セルにを配置する. 総チャネルを F 個 (1,3,4,7,9,..) のチャネル群に分割し, 各チャネル群を離れたで繰返し利用する. いくつのチャネル群にできるかは, 電波伝搬環境や無線技術に依存する. 繰り返しの単位となるエリアに含まれる数 ( すなわちチャネル群の数 F) をクラスタサイズという. K. Araki, Fundamental problems of nationwide mobile radio-telephone system, NTT Rev. Elec. Comm. Lab., 荒木 : 全地域移動通信方式の基本的諸問題, 通研実報,16,No.5, p. 843, K. Araki, Fundamental problems of nationwide mobile radio-telephone system, NTT Rev. Elec. Comm. Lab., 16, May/June, pp , 森永ほか : 新公衆移動通信方式, 信学会通信方式研究会資料,CS-69-68, R. H. Frenkiel, A high capacity mobile radiotelephone system, IEEE Trans. Veh. Tech., Bell Laboratories, High-capacity mobile telephone system technical report, submitted to FCC, ec コミュニケーション工学 B 17

5 セルラー方式の利点同一周波数の繰り返し利用するので, 限られた周波数資源を有効に利用できる少ない送信電力で通信できる ( 通信可能時間や待受け可能時間の長期化 ) 無線セル半径を小さくすることでより多くのユーザを収容できる屋内ではピコセル ( 半径数 10m) トラフィックの大きい都市部ではマイクロセル ( 数 100m) 少ない郊外ではマクロセル ( 数 km) 複雑な制御技術位置登録全てのユーザの位置情報や通信状態を位置登録局 ( データベース ) に記憶し, 各ユーザの位置情報や通信状態を随時更新する. 発着信のつどデータベースへアクセスしユーザ情報を検索する. ハンドオーバー移動局の移動によりそれに近いが変わる移動局と無線通信するを新しい無線に切り替えて通信を継続させることが必要になる. コミュニケーション工学 B 18 コミュニケーション工学 B 19.3 クラスタサイズと繰り返しパターンあるセルにある周波数を割り当てたとき, その周波数を干渉条件を満足する一定の間隔を置いて再利用することができる. 繰り返しの単位となるエリアに入るセル数をクラスタサイズ Fという. R 全帯域幅 B F1 F F3 F4 F5 F6 F7 F=7 の例 1 F 3 R i j 周波数 ij 1,3,4,7,9 セル F5 F7 F1 F4 F1 F4 F F3 F6 F F3 F6 F5 F7 F1 F6 F5 F7 F1 F4 F F3 F1 F4 F F3 F6 F5 F3 F6 F5 F7 F1 F7 F1 F4 F km コミュニケーション工学 B 0 全チャネル数 N, クラスタサイズ F のとき,1 セル ( ) あたりのチャネル数 n は n=n/f 従って, クラスタサイズ F を小さくできれば,1 あたりのチャネル数が多くなるつまり, 全チャネル数 N が与えられているとき,1 と通信できるユーザ数が多くなる全国サービスを提供できるコミュニケーション工学 B 1

6 同一周波数のチャネルを使用する間の最小距離とクラスタサイズFの関係を求める. 周辺の6 個のセルは, それぞれ中心のセルと同じように他の6つのクラスタの一部である. しかもそれらの10 度の範囲 ( クラスタ面積の1/3 相当 ) が面積 Sのエリアに入っている. 従って, 面積 Sは合計でクラスタ面積の3 倍になる. が大きいとFが大きくなるから, 必要な周波数の数が多くなる. S F (3 3 / ) R 0 S S S (3 より 0 (3 F 3 S 3 / ) 3 / 0 3 / 3S 0 ) / 3 1 R 3 R 面積 =S (1) S 0 クラスタ面積 S 0 i 0 0 コミュニケーション工学 B 3 コミュニケーション工学 B クラスタサイズと繰返しパターンの例クラスタサイズNのとり得る値は離散値である. Q 3 3 / R ( Qi) ( Qj) ( Qi)( Qj)cos( / 3) 3( i j ij) R () 式 (1) と() より F i j ij 1, 3, 4, 7, 9,1,13,16,.. F (1/ 3)( / R) Q j i j F 当たりのチャネル数を増加させるには? F 3( i j 1) 3R F 4( i, j 0) 3R F 7( i, j 1) 1R F 9( i 3, j 0) 3 3R F=7 F=4 F=3 n=3 n=5 n=7 F1 F F3 F4 F5 F6 F7 F1 F F3 F4 F1 F F3 コミュニケーション工学 B 4 コミュニケーション工学 B 5

7 .4 クラスタサイズの決定クラスタサイズ F は, 所要品質を確保するために必要な信号対干渉電力比 (SIR) で決定される. シャドウイングを無視, かつ周辺 6個の干渉セルのうちの 1 つからの干渉が支配的であるものとすると, セル端における信号対干渉電力比とRおよびとの関係は, 周辺 6セルから干渉があるから S / I R 6( R) ここで, は伝搬損失指数で, 実測によると 3 ~ 4 である. なお, 自由空間ならになる. 上式で与えられるが所要 SIR以上でないといけない. そこで, 以下ではは所要 SIRと等しいものとする. [( / R) 1] / 6 受信電力 (db) R 最悪点干渉局距離干渉セル文献 : 奥村, 進士移動通信の基礎, 第 9 章, 信学会コミュニケーション工学 B 6 コミュニケーション工学 B 7 所要 SIR とクラスタサイズ N 周辺 6セルから干渉があるから S / I R 1 F ( / R) 3 より 1 F (6) 3 ただし, F i 1/ 1 j 6( R) [( / R) 1] ij 1, 3, 4, 7, 9,1,13,16,.. しか取りえない / 6 全チャネル数 N, クラスタサイズFのとき,1セル( ) あたりのチャネル数 nはn=n/f 従って, クラスタサイズFを小さくできれば,1 あたりのチャネル数が多くなる所要 SIRを小さくできればクラスタサイズFを小さくできる所要 SIRを低減する効果的な技術アンテナダイバーシチは, 受信信号レベルの落ち込みを軽減でき, その結果, 所要 SIR を小さくできるので, クラスタサイズを小さくできる. 大変効果的な無線技術誤り訂正符号化, 自動再送 (ARQ) R コミュニケーション工学 B 8 コミュニケーション工学 B 9

8 アンテナダイバーシチ技術選択合成ダイバーシチアンテナ #1 アンテナ # 電波の強さアンテナ #1 アンテナ # アンテナ #1 アンテナ # r 1 (t) r (t) r(t) 受信機受信データ時間コミュニケーション工学 B 30 ダイバーシチ受信時の所要 SIR アンテナダイバーシチ受信を用いるときの BPSK の平均ビット誤り率 P b () より所要 SIR を求める. 同一周波干渉を零平均のガウス過程として近似すると P b () は次式で与えられる. 1 非フェージング環境 : pb ( ) erfc レイリーフェージング環境 ( a) 1 ダイバーシチなし : Pb ( ) 1 ( b) アンテナダイバーシチ受信 / 3 for Selection combining (SC) 1 8 () P b ( ) 1 / 1 1 (3/ ) / 3 1 for Maximal ratio combining (MRC) 3/ (1 1/ ) / 4 コミュニケーション工学 B 31 アンテナ SC と MRC 受信時の平均ビット誤り率 1 pb ( ) erfc 1 1 Pb ( ) 1 11/ 1 for () 1 1 1/ ( ) P b, SC 1 1 / 3 1 for 1 8 () 1 1 (3/ ) / Pb, MRC ( ) 1 3 / (1 1/ ) 3 1 for No fading AW GN MRC PSK_BER,AWGN PSK_BER,Rayleigh PSK_BER,appr. BER_SC,Rayleigh BER_SC,appr. BER_MRC,Rayeleigh BER_MRC,appr. no diversity Average (db) Eb/N0 (db) Average BER BER performances with SC and MRC in Rayleigh channel. fading. PSK コミュニケーション工学 B 3 SC 練習問題 BPSK 伝送を用いるセルラー方式について, レイリーフェージング環境下でのダイバーシチ受信なしとありのときのクラスタサイズ F を求めよ. ダイバーシチとして選択合成 (SC), 最大比合成 (MRC) の両方を考えよ. ただし, 伝搬指数 =3.44, 所要 BER=10-3 とする. コミュニケーション工学 B 33

9 解答クラスタサイズ F と所要との関係 F (db) =3.44 所要 BER=0.001 のときのクラスタサイズ F ダイバーシチなし : 所要 =4.0dB より,F=1. SC ダイバーシチのとき : 所要 =1.6dB より,F=4. MRC ダイバーシチのとき : 所要 =11.1dB より,F=4. 3. 大ゾーン方式とセルラ方式 1 ( セル ) あたりのチャネル数 N チャネル 1 セル当たりのチャネル数 n=n/f チャネル大ゾーン方式クラスタ数 Fのセルラ方式運べる呼量ユーザ全体で見た呼の生起はポアソン分布, 回線保留時間は指数分布セルあたりチャネル数をn ( 大ゾーンのときn=N), 呼量をaアーランとしたとき, 呼損率 BはアーランB 式より求めることができる. コミュニケーション工学 B 34 呼損率 B a n i0 n / n i a / i! ( 注 ) 呼損率 : 運ばれなかった呼の割合 1 アーラン :1 回線を 1 時間占有した場合の呼量. コミュニケーション工学 B 35 計算例チャネル総数 N=140, クラスタサイズ F=7 とすると,1 セル当たりのチャネル数は n(=n/f)=0 となる. 表より, 呼損率 B=3% のとき, 大ゾーン方式で運べる呼量 a はアーラン ( チャネル使用率 93.9%). セルラー方式で運べる呼量 a は, 1 セルあたりアーラン (69.99%). 1 チャネルあたりの呼量 =0.75 大ゾーン方式エリア内のセル数は 19 個であるから, セルラー方式の総呼量は = =.0 大ゾーン方式となり, セルラー方式のほうが倍だけ多くの呼量を運べる. Bとnが与えられたときのセルあたりの呼量 ( アーラン ) B= n= コミュニケーション工学 B 36 1 人あたり,1 回平均 3 分の通話を 1 日に 10 回行うものとする. このときの 1 人あたりの呼量は 3 10/(4 60)= アーラン収容可能なユーザ数の比較大ゾーン方式 : / 0.008=679 人セルラー方式 : / =67 人 19=1768 人コミュニケーション工学 B 37

10 4. 周波数利用効率 4.1 セルラー方式の周波数利用効率の定義アナログ方式 : 人 /Hz/km ディジタル方式 :bps/hz/km 4. 情報理論的考察 4.1 セルラー方式の周波数利用効率の定義 (1) アナログ方式 1チャネルあたりの帯域幅をW (Hz), クラスタサイズをF, クラスタ内での総帯域幅をB (Hz), そしてクラスタの面積をA (km ) とする. Bの帯域幅を使って面積 Aのエリア内のF 人 (1チャネルで1 人なので合計でF 人 ) に通信サービスを提供することであるから, セルラー方式の周波数利用効率は次のように定義できる. F B A ここで ( ユーザ/Hz km S 1セル当たりの面積 (km ) W 1チャネル当たりの帯域幅 (Hz) とするとクラスタサイズF=7の例コミュニケーション工学 B 38 コミュニケーション工学 B 39 ) F6 F5 B F7 F1 F4 F F3 f B F W, A F Sであるから, 周波数利用効率は次式のようになる ( ユーザ/Hz km ) W F S つまり, 周波数利用効率を高めるためには狭帯域化クラスタサイズの低減セルサイズの縮小クラスタサイズ F の低減 (F= ), すなわち所要 SIR の低減アンテナダイバーシチ受信のセクタ化ビームチルティングセルサイズ ( 半径 ) の低減マクロセル ( 半径数 km) マイクロセル ( 半径数 100m) ピコセル ( 半径数 10m) コミュニケーション工学 B 40 選択合成ダイバーシチ電波の強さアンテナ #1 アンテナ # アンテナ #1 アンテナ # アンテナ #1 アンテナ # r 1 (t) r (t) r(t) 受信機受信データ時間コミュニケーション工学 B 4

11 干渉自体を低減しクラスタサイズ F を小さく (F= ) する技術の採用のセクタ化セルサイズ ( 半径 ) を小さくするマクロセル ( 半径数 km) マイクロセル ( 半径数 100m) ピコセル ( 半径数 10m) 半径 1km 100m 10m ビームチルティング干渉セクタ化なし 3 セクタ x100 倍 x100 倍都市部ではユーザ数が多いため, 周波数利用効率を高くすることが必要である. このため, 都市部ではセル半径を郊外地より小さくしている. 電波の強さ干渉同一周波数を使う ( 高トラフィック ) コミュニケーション工学 B 43 コミュニケーション工学 B 44 都市部 () ディジタル方式総帯域幅を B (Hz), クラスタサイズを F, クラスタ内でのクラスタ内での総情報レートを C total (bps), そしてクラスタ当たりの面積を A (km ) とする. 総帯域幅 Bを使って面積 Aのエリアに総情報レートC total のデータサービスを提供することであるから, セルラー方式の周波数利用効率は次のようになる. B 周波数利用効率は, A S F, であるから次式のようになる. C W 1 1 F S B W F, (bps/hz / km C ) total C F ここで C total B A (bps/hz km ) S 1セル当たりの面積 (km ) W 1チャネル当たりの帯域幅 (Hz) C 1チャネル当たりの情報ビットレート(bps) とすると f F7 F6 F F1 F5 F3 F4 クラスタサイズF=7の例コミュニケーション工学 B 45 1Hz 当たりの伝送効率の向上多値変調符号化率の高い誤り制御クラスタサイズ F の低減 (F= ), すなわち所要 SIR の低減誤り訂正符号, ダイバーシチ受信セルのセクタ化, ビームチルティングセルサイズ ( 半径 ) の低減マクロセル ( 半径数 km) マイクロセル ( 半径数 100m) ピコセル ( 半径数 10m) コミュニケーション工学 B 46

12 変調技術からのアプローチ 1 チャネル当たりの伝送レートを高くする. このためには, 多値数 M の高い変調を用いる. 例えば,PSK(M=) の代わりに 4PSK(M=4) を用いる. C / Wは1Hzあたりの情報ビットレートであり, Mレベルの多値変調と誤り制御を用いると C / W log 周波数利用効率は log M ここで, は広い意味で符号化率を表す. 1 1 M F S 高効率誤り制御ターボ誤り訂正符号, HARQ (bps/hz km 多値変調 M= ) 4. 情報理論的考察チャネル容量 ( 干渉をガウス雑音近似する ) / W log 1 bps/hz, P I 信号対 ( 干渉 + 雑音 ) 電力比変形 C / E / I b C W 0 ( P / C) /( I / W ) ( W / C) であるから E log 1 b I0 bps/hz ビットレートを一定のままで帯域幅 W を無限大にしたとき (C/W 0) の E b /I 0 の極限. E I b 0 E I b C / W ln 1.6dB 1 であるが, ここで C W x 0 コミュニケーション工学 B 47 FA/Tohoku University コミュニケーション工学 B 48 C W e x ln 1 x ln を用いると所要 E b /I 0 と伝送効率 C/W の関係 100 どんな変調誤り制御技術を使うかの議論から離れて, 純粋に理論的チャネル容量だけを考える周波数利用効率を最大化する SIR( あるいはクラスタサイズ F) が存在するだろうか? C/W [bps/hz] E b /I /N 0 0 [db] コミュニケーション工学 B 49 周波数利用効率 C 1 1 (bps/hz km ) W F S に C / W log(1 ) (bps/hz) 1/ F (1/ 3) 1 (6) を代入すると log(1 ) 1 3 (bps/hz km ) 1/ 1 (6) S 容量を最大にする許容 SIR が存在するセルサイズ ( 半径 ) の低減マクロセル ( 半径数 km) マイクロセル ( 半径数 100m) ピコセル ( 半径数 10m) コミュニケーション工学 B 53

13 クラスタサイズ F=4~7 がスぺクトル利用効率を最大化 S/ log (1 ) (6) S 5. チャネル割当セルラー方式では各セルで異なった周波数を利用する. これまで, 周波数を決まった繰り返しパターンで割り当てる場合 ( 固定チャネル割当という ) について述べてきた現在のセルラー方式では固定チャネル割当が使用されている. 固定チャネル割当では, 各セルで使用できるチャネル数と各チャネルの周波数を予め決定して配置しておく. しかし, トラフィック量は時間変動するから一時的にトラフィックが増大したセルでは呼損が発生する. 固定チャネル割当の他には下図のようなチャネル割当がある. 0 F= (db) コミュニケーション工学 B 54 チャネル割当固定チャネル割当適応チャネル割当集中制御分散制御ダイナミックチャネル割当フレキシブルチャネル割当棲み分け学習型チャネル割当コミュニケーション工学 B 55 ダイナミックチャネル割当あるセルで呼が発生するたびに, エリア全体のチャネル使用状況をみて干渉を生じないチャネルを選択して割り当てる. 制御が複雑になるので, 現在はまだ実用化されていない. フレキシブルチャネル割当トラフィックがピークとなる時間帯にズレがあることを利用する. 予め複数のセルに共通に使用できるチャネルを配置しておいて, ピークとなるセルで順次, 共通のチャネルを使用する. 棲み分け学習型チャネル割当各には全チャネルを割り当てておく. 各では, 過去に割当てに成功した確率の高いチャネルから順に検索を行い, 許容干渉レベルを満たすチャネルを使用する. ( 文献 ) [1] Y. Furuya and Y. Akaiwa, Channel segregation, a distributed adaptive channel allocation scheme for mobile communication systems, IEICE Trans., vol.e74, no.6, pp , June 1991 [] I. Katzela and M. Naghshineh, Channel assignment schemes for cellular mobile telecommunication systems: a comprehensive survey, IEEE Personal Communications, pp.10-31, June 1996 コミュニケーション工学 B セルラー方式 6.1 携帯電話システムの構成 6. 位置登録 6.3 着信接続 6.4 発信接続 6.5 ハンドオフ 6.6 音声符号化 6.7 認証桑原監修 : ディジタル移動通信, 科学新聞社, 第 3 章の 1 節 -3 節, 199 年. コミュニケーション工学 B 57

14 6.1 携帯電話システムの構成携帯電話機は最も近くの無線と通信します. ホームメモリ局は, 携帯電話機がどこにいるかという情報を記憶します ( 位置登録 ). 交換局は, 信号の行き先を制御します. 信号の行き先を制御携帯端末と直接通信インターネットルータゲートウェイ交換局中継交換局中継交換局中継交換局中継交換局固定電話網携話機の位置を記憶ホームメモリ局携帯電話システムの構成電話機と直接通信携帯電話は最も近くの無線と通信する信号の行き先を制御インターネットルータゲートウェイ交換局固定電話網ホームメモリ局電話機の位置を記憶携帯電話システムの構成電話機と直接通信ルータコミュニケーション工学 B 58 ホームメモリ局は電話機がどこにいるかという情報を記憶 ( 位置登録 ) 信号の行き先を制御インターネットゲートウェイ交換局固定電話網ホームメモリ局電話機の位置を記憶携帯電話システムの構成電話機と直接通信交換局は信号の行き先を制御信号の行き先を制御インターネットルータゲートウェイ交換局固定電話網コミュニケーション工学 B 59 ホームメモリ局携話機の位置を記憶コミュニケーション工学 B 60 コミュニケーション工学 B 61

15 6. 位置登録携帯電話機のまわりには無線が沢山あります. 携帯電話機は, 自分に最も近い無線を探し, それと通信するようになっています. 弱い電波で通信できるので, バッテリーの減りが少なく, 充電頻度を少なくできます. 携帯電話機は移動します. 自分が今どの地域にいるか常に自動的に調べています. どうして自分のいどころが分かるのでしょうか? 電波無線コミュニケーション工学 B 6 コミュニケーション工学 B 63 全ての無線は, それが所属している地域を表わす信号をいつも送信しています. いわゆる, 電波の灯台と言えるでしょう. 新しい地域に移動したことが検出されたら, 携帯電話機はホームメモリ局に報告します. 1 今まで地域 A に所在地域 B を表わす信号を受信ここは地域 A ですここは地域 B ですコミュニケーション工学 B 64 3 新しい地域に移動したことをホームメモリ局に報告 4 無線交換局 5 ホームメモリ局 6 地域 A 地域 Bに書き換えコミュニケーション工学 B 65

16 このようにして, ホームメモリ局は携帯電話機の所在地域を記憶しています. しかしどの無線の近くにいるかまでは分かりません. では, どうしてその携帯電話ユーザと通話できるのでしょうか? 6.3 着信接続地域 B に移動した XX さんと携帯電話で会話することにしましょう. 固定電話で,XX さんの携帯電話番号をダイヤルします. 地域 B の無線から,xx さんの携帯電話機を一斉に呼出すのですが, どのように一斉呼び出しするか見てみましょう. 地域 A しかし, どの無線の近くにいるかまでは分らない地域 B コミュニケーション工学 B 桁の番号 090 xxxxxxxx 携帯であることを表わしていますコミュニケーション工学 B 発信接続地域 A 1 電話網 5 6 呼出し信号地域 B 6 呼出し信号 6 呼出し信号ゲートウェイ交換局 3 所在地はどこですか? 4 地域 B ですホームメモリ局 6 呼出し 6 呼出し信号 6 呼出し信号 7 応答信号 XXさんの携帯電話コミュニケーション工学 B 68 7 電話網 1 通信要求 XX さんの携帯電話地域 B 6 5 応答信号ゲートウェイ交換局 4 確認ホームメモリ局 3 正規のユーザか? コミュニケーション工学 B 69

17 6.5 ハンドオフ携帯電話機は, 電波が弱くなると新しい無線を探して, 次々と切り替えます ( これをハンドオフという ). このようにして, 携帯電話ユーザが移動していても通話をし続けることができるのです. 無線コミュニケーション工学 B 音声符号化アナログ電気信号音声はアナログ信号です. これをデジタル信号 (0 と 1 の符号系列 ) に変換して伝送しています. では, どのように変換しているのでしょうか? もしもしマイク時間音声符号系列 ( 1 秒間におよそ 8000 個の 0 と 1 からなる系列を伝送 ) 音声符号器電波に乗せるディジタル被変調信号コミュニケーション工学 B 71 固定電話波形符号化 (64kbpsPCM や 3kbps APCM) が用いられている. 移動通信低ビットレートで高品質のハイブリッド符号化である.6.7kbps VSELP( フルレート ) や 3.75 kbps PSI-CELP( ハーフレート ) が開発されている. 声帯とのどと口のモデル化のどの声帯は音源. これをパルス系列と雑音波形で表します. 人の声に特徴を与えているのがのどと口の形です. これを電気回路で表します. 符号化レート (kbps) PCM 固定電話網 (G.711) APCM (G.71) GSM RPE-LTP IS-54 PC 移動通信網 VSELP L-CELP ( 誤り訂正を含まない ) 年 CS-CELP PSI-CELP (3.75kbps) 000 主観評価値 ( 平均オピニオンスコア ) 非常によい 4 よい 3 普通悪い 1 非常に悪い 0 0 ハイブリッド分析 - 合成移動通信複雑な波形符号化単純な波形符号化ビットレートコミュニケーション工学 (kbps) B 7 発声 ( のどの声帯 ) 有声音源無声音源 + 周波数音源の電力スペクトルもしもし調音 ( のどと口 ) スペクトル情報電力話す音声波形周波数聞く音声の音源の電力スペクトルコミュニケーション工学 B 73

18 6.7 認証携帯電話には, 符号帳駆動線形予測 (CELP) と呼ばれる, 最新の音声符号化技術の一種が使われています. 音源を表わす雑音波形を雑音符号帳に記憶しています. 相手側も同じ雑音符号帳を持っています. 会話相手に送るのは音源を表す符号帳番号とのどと口を表す電気回路のパラメータです. 聞こえてくるのは合成音です! のどの声帯の震え ( 音源 ) を表す雑音 #1 # # 3 雑音符号帳のどと口を表す電気回路ピッチ再生 LPC 分析 LPC フィルタ音声波形自乗誤差最小化 3 回の符号帳サーチ - ( のどと口 ) LPC パラメータ聴覚的重み付け ( 音源 ) 符号帳番号コミュニケーション工学 B 74 移動機番号を盗み不正に使用する ( なりすまし ) のを防止するため, 通信開始時に各移動局が保有している秘密鍵とネットワーク側に登録されている鍵と照合し, 正しい移動局であることを確認する. 認証用の秘密鍵 3 暗号化演算移動局認証要求 ( 乱数の転送 ) 4 認証応答 ( 演算値の転送 ) ホームメモリ局 (HLR) 乱数 3 暗号化演算 5 照合 1 認証鍵の読み出し認証用の秘密鍵交換局コミュニケーション工学 B むすびセルラー技術は, 限られた周波数帯域幅を利用して, 多数のユーザに通信機会を与えることができるすぐれた周波数利用技術である. しかし, 電波伝搬は複雑で地域ごとにその統計的性質が異なるので, 設計通りの周波数利用効率が得られるとは限らない. また, セルラー方式は統計論に基づいているため, 通信品質が設計値以下になってしまう場所も存在し得る. コミュニケーション工学 B 85

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<4D F736F F F696E74202D C092425F D8A7789EF89C88A778BB38EBA816A8C6791D CC82B582AD82DD2E > 電子情報通信学会の小中学生の科学教室親子で学ぼう! 携帯電話の全て仕組みから安全対策までー 2010 年 3 月 20 日 ( 土 )13 時 30 分 ~16 時, 東北大学電気通信研究所 1 号館 4 階講堂 (N408) 携帯電話のしくみ東北大学大学院工学研究科安達文幸 http://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp 1. 音波を使った会話 2. 電波を使った通信