電話はなぜつながるのか

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1 本資料について 本資料は下記著書を基にして作成されたものです. 文書の内容の正確さは保障できないため, 正確な知識を求める方は原文を参照してください. 著書名 : 電話はなぜつながるのか著者 : 米田正明出版社 : 日経 BP 社発行年月日 :2006 年 9 月 19 日 1

2 Logo 電話はなぜつながるのか 渡邊研究室 山中裕司

3 電話とは 声を使って相手と会話 手紙 電子メール お互いが同時に話せる トランシーバー 無線 不特定多数の人と話せる 糸電話 NTT 電話 IP 電話 携帯電話 3

4 NTT 電話 電話ネットワーク - 電話交換機のネットワークにつながっていれば 経路を決めるだけで どんな人にもたどり着ける 電話交換機 4

5 音の伝え方 電話機と電話交換機が電気回路になっている 音の伝わり方 空気中 空気の振動銅線 電子の振動 空気の揺れ方を電子の揺れ方にコピーすればよい 5

6 音の伝え方 2 原理 - 電磁誘導を利用 - コイルと磁石で電子の動きを作り出す 振動板を使えば音をコピーできる 実際 - 電話線上を流れる直流電流の強弱を変えることで音を表す 6

7 電話局までの道のり 電話局は全国に約 7000 ヶ所 ( 内約 1600 ヶ所に電話交換機 ) 減衰による音質の低下を避けるために効率的に配置 屋内配線き線 電話局 架空ケーブル 引き落としケーブル 保安器 地中ケーブル 7

8 ダイヤル ダイヤルすると ピ ポ パ か ツ ツ ツ と音を出す - 二つの音の混合 1209Hz 1336Hz 1477Hz Hz Hz Hz * 0 941Hz 8

9 電話交換機が手をつなぐ ダイヤル後 電話交換機同士がつながる どうやってつながるのか? 9

10 共通線信号 共通線 電話交換機同士でメッセージをやり取りする専用のケーブル 共通線で送るデータは変調を使って 0 1 に変える 音声回線 共通線 10

11 11 共通線信号フレームのフォーマット B I B BIN F FSN F I B LI P R I SIO SIF CK F フラグ検査番号サービス情報オクテット信号情報表示部優先度信号長再送ビット送信側が付けるシリアル番号再送信要求ビット受信側が付ける受信了のシリアル番号フラグ内容確認書データの中身再送関連の制御情報

12 共通信号線のメッセージ 電話交換機がお互いに会話するメッセージ ISUP メッセージの種類 コード 内容 含まれる主な情報 発信側 着信側 IAM 指定の相手まで回線の接続を要求する 発信者電話番号 着信者電話番号 ACM IAM に対する返答と着信ユーザーの状態の通知 話し中 などの着ユーザーに関する情報 着信側 発信側 CPG 呼び出し中などの途中経過を知らせる 呼び出し中 などの情報 ANM 相手先が電話に出たことを知らせる - 発信側 着信側 REL RLC 通話回線の開放を要求 当該回線が開放したことを REL 送信側に通知 切断の理由など - 12

13 次の電話交換機を見つける 次の電話交換機と対応付けた トランスレータ を調べる - トランスレータの中から次の電話交換機を探す 中継ケーブル No 中継ケーブル No 相手の電話番号 以外 中継ケーブルの番号 No.1 No.1 No.2 対向電話交換機の信号局コード

14 回線の予約 空いている回線を予約する 空いている回線と発信者の加入者線を電話交換機の内部線で連結する CIC 番号は多重した多くの回線のうち どの回線かを識別する番号 実際に電話代を課金し始めるのは相手が電話に応答したときだから それまでは直結しない CIC 番号

15 メッセージを送る IAM メッセージを STP に送る STP( 信号中継交換機 ) - 共通線信号網を構成する装置 STP IAM メッセージ 15

16 電話がつながるまで 1ACM メッセージ 1ACM メッセージ 中継交換機 16

17 電話がつながるまで 2CPG メッセージ 2CPG メッセージ 2 ルルルル 中継交換機 2 リーンリーン 17

18 電話がつながるまで 3ANM メッセージ 3ANM メッセージ 中継交換機 3 ガチャ! 18

19 音をデジタルデータに変換する 音を波形グラフで表して 刻々と高さの目盛りを読み取ってデジタル情報に置き換える PCM という仕組みで音を変換する 一秒間に 8000 回のサンプリング PCMμ-Law という方式で 小さい音はなるべく細かく 大きい音は大雑把に数値化 19

20 音声の送り方 データと音の違い データ : 間違いなく確実に音 : 早く遅れずに 時分割多重 - 複数の回線を一つの高速な伝送路に時間的に区切って束ねる方法 - あたかも自分たちだけが回線を占有しているように使える A B C 64kbps C B A C 192kbps B A C B A 64kbps a b c タイムスロット 20

21 電話交換機のスイッチ 電話交換機のスイッチは時間と空間の組み合わせ 時間スイッチ - データを載せる時間を入れ替える 空間スイッチ - 接点という物理的な空間を開け閉めする 時間スイッチと空間スイッチを組み合わせることで 全体のスイッチ容量を飛躍的に大きくする 21

22 22 時間スイッチと空間スイッチ 時間スイッチと空間スイッチを組み合わせてデジタル音声を効率的に振り分ける I A H H A I D F E D E F D E F E G B B G E B A C A B C A B C C F D D F C H G I G H I G H I 時間スイッチ時間スイッチ時間スイッチ空間スイッチ時間スイッチ時間スイッチ時間スイッチ

23 信頼性を高める仕組み 伝送装置 - 多重化装置 クロスコネクト からできている 伝送装置の存在は電話交換機からは見えない 伝送装置 多重化装置 多重化装置 クロスコネクト 仮想的な光ファイバ = パス 23

24 パス 多重化装置 - 多くの電話回線を混雑させずに同時処理する装置 クロスコネクト - 複数のパスを内部スイッチで振り分ける装置 クロスコネクト 24

25 電話を切るまで 1 受話器を置く 中継交換機 25

26 電話を切るまで 2REL メッセージ 2REL メッセージ 中継交換機 26

27 電話を切るまで 3RLC メッセージ 3RLC メッセージ 中継交換機 27

28 IP 電話 IP 電話とは - IP という技術を使った電話 -IP 異なるネットワーク間で互いにやり取りできるようにするための通信ルール -IP 電話アダプタを使う NTT 電話と IP 電話の違い -NTT 電話は信号と音声を送るネットワークが別だが IP 電話は 2 つとも同じ IP ネットワークを使う 信号 IP 電話アダプタ IP ネットワーク 音声 28

29 IP ネットワークの通り道 NTT 電話のときの CIC 番号と違い ポート番号を使用する 最初にポート番号を通知し合って音声の通り道を作る 私のポート番号は 5001 番です 私のポート番号は 6001 番です IP ネットワーク 音声の通り道 ポート番号 :5001 番 ポート番号 :6001 番 29

30 データの送り方 SIP -2 つ以上のクライアント間でセッションを確立するための通信プロトコル SIP サーバー -IP アドレスと電話番号をまとめて保持している仲介人 電話番号 IP アドレス SIP サーバー INVITE X Y INVITE IP ネットワーク IP アドレス :X IP アドレス :Y

31 SIP メッセージ IP パケットに SIP メッセージを入れて送る INVITE SIP メッセージ UDP ヘッダー IP ヘッダー データ部 あて先 (SIP サーバーの中の SIP プログラム ) と送信元 ( 自分 ) のポート番号など あて先 (SIP サーバー ) と送信先 ( 自分 ) の IP アドレスなど SIP サーバーへ パケットのヘッダー IP パケット 31

32 SIP メッセージの種類 リクエストの種類 INVITE BYE CANSEL ACK REGISTER 返答の種類 200 OK 100 Trying 180 Ringing 183 Session Progress 302 Moved 400 Bad Request 486 Busy 意味セッションへの招待セッションを終了セッションを強制終了手続き終了の確認自分の情報を登録要求意味成功しました処理中です呼び出し中です処理中ですこの人に聞いてください不正リクエストです話し中 32

33 声を IP パケットに入れる NTT 電話の音声回線を流れるのは音声だけだが IP 電話は IP ネットワークを使っているので音声以外のパケットも流れる RTP というプロトコルのヘッダーを付ける 音声 RTP UDP I P 送信元識別子 タイムススタンプ シーケンス番号 符号化方式やバージョン情報など 33

34 シーケンス番号とタイムスタンプ シーケンス番号 -IPパケットに順番に割り振った番号タイムスタンプ - 元の音声波形のどの部分かを相対的な位置で示す値 IP ネットワーク このタイミングで再生 34

35 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー SIP サーバー INVITE INVITE IP ネットワーク Z 35

36 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー 180 Ringing SIP サーバー IP ネットワーク 180 Ringing Z ルルルル リーンリーン 36

37 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー BYE Ringing OK SIP サーバー IP ネットワーク BYE Ringing OK Z 37

38 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー ACK BYE Ringing OK SIP サーバー IP ネットワーク ACK BYE Ringing OK Z 38

39 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー BYE Ringing OK SIP サーバー IP ネットワーク BYE Ringing OK Z ガチャ! 39

40 IP 電話がつながるまで 電話番号 上記以外 IP アドレス X Y リダイレクトサーバー リダイレクト サーバー ACK BYE Ringing OK SIP サーバー IP ネットワーク ACK BYE Ringing OK Z 40

41 携帯電話 携帯電話ならではの基本機能 1. 無線で通信する機能 2. どこでも使えるための仕組み 3. メールなどのデータ通信の仕組み ネットワーク構成 セル 無線基地局 RNC 41

42 ネットワーク構成 無線基地局 - 携帯電話機から届いた電波を受けたり 携帯電話機に向けて電波を 出したりする装置 -NTT ドコモの FOMA で全国に約 4 万ヶ所 RNC( 無線ネットワーク制御装置 ) - 無線基地局とRNCを結ぶ光ファイバ部分の音声の通り道を管理 - 通話中にユーザーが移動して別の無線基地局のエリアに移ると 別の無線基地局と切りかえる ハンドオーバー と呼ぶ仕組みを備えている 42

43 音声の送り方 ATM 方式 - デジタル化した音声を ATM セルという 53 バイトの入れ物に入れ VCI という音声の通り道を表す番号を付けて送る方法 時分割多重方式 C B A C B A タイムスロット ATM 多重方式 C V C 3 A V C 1 A V C 1 B V C 2 B V C 2 C V C 3 ATM セル 43

44 音をデジタルデータに変換する FOMA では AMR という方法を使っている AMR -1 秒間の音声を4.75k~12.2kビットまで8 段階で変えられる -こちらが話しているときはビットの量を増やし 黙っているときには減らすという調節をする 44

45 どうやって多くの人の音声を同時に送るか CDMA - 複数の発信者の音声信号にそれぞれ異なる符号を乗算し すべての音声信号を合成 して 1 つの周波数を使って送る 受け手は自分と会話している相手の符号を合成信号 に乗算することにより 相手の音声信号のみを取り出すことができる 誰が好き? お腹空いた 先生に叱られた トランペット音 変換装置 風鈴音 変換装置 FAX 音 変換装置 パラッパラ ~ チリンチリン ピーヒョロロ 音が混ざる パチラピーッパヒョロリロラン トランペット音 変換装置 風鈴音 変換装置 FAX 音 変換装置 誰が好き? お腹空いた 先生に叱られた 45

46 どこでも使える仕組み 携帯電話の電源を入れたり 場所を移動したりすると 携帯電話がその都度 ネットワークに新しい現在地を知らせる 携帯電話ネットワークは位置情報をネットワークセンターの位置情報データベースである ホームメモリー に書き込む 全国を数十に分けた ページング エリア でユーザーの位置情報を表す 46

47 携帯電話のダイヤルからつながるまで ローミング番号 - 暫定的に割り当てられる場所を特定できる電話番号 携帯電話会社の共通線信号網 3 ローミング番号を使って 回線の接続を要求 4 エリア全体に呼び出し 1 相手の電話番号をダイヤル 2 ホームメモリーに問い合わせて ローミング番号を取得 ホームメモリー 47

48 電話はなぜつながるのか 終わり 48