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 3. 携帯電話システム 4. 携帯電話のつながるしくみ 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 1
音波を使った会話 人間は音波で会話しています. 音波の周波数帯域 ( 振動数 ) は300Hz~3.4kHzであり, 全ての人で同じです. 地球上の68 億 (2009 年 ) もの人たちがいるのに, どうしてお互いに会話できるのでしょうか? 話す もしもし 音声波形 聞く 電力 周波数 音声スペクトル 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 2
お互いに近づくとうるさくて会話できない! 会話できない! 大きな声で会話中 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 3
会話できる! どうするか? 声を小さくしてもらう 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 4
どうするか? あるいは, 耳に手を当てて相手の声が聞こえるようにする 会話できる! 大きな声で会話中 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 5
電波を使った通信 携帯電話は電波を使って通信していますが電波を使, 音波を使った皆さんの会話と原理は同じです. これから, その原理をお話します. 基地局 同じ周波数を使っている基地局 通信できない 強い干渉 会話できない! 会話中 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 6
電波が足りません ( 会話では, たったの 3kHz 帯域幅しか使っていません ). 人の会話と同じように, 同じ周波数の電波をあちこちの基地局で使うことができれば, この問題を解決できます. でも, 近くの基地局で同じ周波数の電波を使うと 強い干渉を受けてしまい, 通信品質が悪くなってしまいます. 近くで大声を出すと会話のじゃまになるのと同じです. 電波波の強さ 通信できない 強い干渉 同じ周波数を使っている基地局 基地局 距離 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 7
同じ周波数を使う基地局を十分離せば, 干渉を弱くできます. 大声を出す人を近寄らせないことと同じです. これを, うまく利用したのが携帯電話システムです. 電波波の強さ 通信できる! 弱い干渉 同じ周波数を使っている基地局 基地局 距離 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 8
携帯電話システム 携帯電話システムでは, 同じ周波数を異なる基地局で繰り返して利用しています. いま,21 チャネルあるとします. 無線セル 0.75~5km 全無線帯域幅 周波数 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F5 F6 F1 F4 F1 F4 F2 F3 F7 F2 F3 F7 F5 F6 F1 F7 F5 F6 F1 F4 F2 F3 F1 F4 F2 F3 F7 F5 F3 F7 F5 F6 F1 F6 F1 F4 F2 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 9
3 チャネル 5 チャネル 7 チャネル 3 5 7 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 10
どのようにして干渉をさけているか? 口や耳に手を当てることと同じ工夫をしています 基地局アンテナのセクタ化 ビームチルティング 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 11
全ての基地局で同じ周波数を使う 携帯電話人間社会 会話会話 会話 21 チャネル F1 周波数 各基地局が21 チャネル全て使って通信できる 会話 会話会話 会話 皆が同じ周波数 帯域 (0.3~3.4kHz) 3.4kHz) 周波数 を使って会話している 音声スペクトル 電力 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 12
なぜ, 皆さんは沢山の人が会話している場所で相手と会会話できるのでしょう? それは, のどや口 の形が人それぞれ異なり, 音声波形には人それぞれに特徴があるからです. 例えば, ア と発音した人が誰なのかが分かるのは, そのためです. 時間 A さん 話す B さん 電力 周波数音声スペクトルがAさんとBさんとで違う 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 13
この原理を利用しているのが,CDMA を使った携帯電話です. CDMAではユーザ毎に異なる拡散符号 (0と1からなる周期系列) を割り当てています. 各ユーザの拡散符号は, お互いに似ていません ( つまり直交もしくは疑似直交している ). 拡散符号によって, 送信信号波形に特徴が与えられます. ユーザ A 話す 1 0 時間 ユーザ B 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 14
携帯電話のつながるしくみ 携帯電話機は最も近くの無線基地局と通信します. 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 インターネット ルータ 固定電話網 携帯電話機の位置を記憶 携帯電話機と直接通信します ローカル交換局 ゲートウェイ交換局 ローカル交換局 ホームメモリ局 無線基地局 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 15
携帯電話機のまわりには無線基地局が沢山あります. 携帯電話機は, 自分に最も近い無線基地局を探し, 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, 充電周期を長くできます. 電波 無線基地局 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 16
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? 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 17
全ての無線基地局は, 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. ここは地域 A です ここは地域 B です 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 18
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 2 地域 Bを表わす信号を受信 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 5 交換局ホームメモリ局無線基地局 6 地域 A 地域 Bに書き換え 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 19
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 どの無線基地局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? 地域 A しかし, どの無線基地局の近くにいるかまでは分らない 地域 B 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 20
携帯電話機へ着信するときは? 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 の無線基地局から,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. 11 桁の番号 090 xxxxxxxx 携帯であることを表わしています 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 21
1 電話網 2 ゲートウェイ交換局 3 所在地はどこですか? ホームメモリ局 地域 A ローカル 5 地域 B ローカル交換局交換局 6 呼出し信号 6 呼出し信号 6 呼出し 4 地域 B です 6 呼出し 6 呼出し信号 7 応答信号 6 呼出し XX さんの携帯電話 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 22
携帯電話機から発信するとき は? 7 電話網 6 5 ゲートウェイ交換局 4 確認 ホームメモリ局 地域 B ローカル交換局 3 正規のユーザか? 1 通信要求 2 応答信号 XX さんの携帯電話 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 23
ハンドオフ 携帯電話機は, 電波が弱くなると新しい無線基地局を探して, 次々と切り替えます ( これをハンドオフといいます ). 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. ローカル交換局 無線基地局 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 24
音声を送るしくみ 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? アナログ電気信号 もしもし マイク 時間 音声符号器 ディジタル音声信号 (1 秒間におよそ8000 個の 0 と 1 を伝送) 電波に乗せる デジタル信号 1011010001101 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 25
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. 発声 ( のどの声帯 ) もしもし 話す 有声音源無声音源 + 調音 ( のどと口 ) スペクトル情報 電力 音声波形 聞く 周波数 周波数 音源音声スペクトル 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 26
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 ) を表す雑音波形 #1 #2 #2 32 雑音符号帳 のどと口 を表す電気回路 声の分析 電気回路 音声波形 自乗誤差最小化 - ( のどと口 ) 電気回路パラメータ 聴覚的重み付け ( 音源 ) 符号帳番号 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 27
むすび 私たちの会話と携帯電話は同じ原理に基づいています. みんなが同じ周波数を使っていますが, 声色が違うので聞き取れます. 第 3 世代携帯電話では, 端末ごとに電波の波形が異なります. 私たちは, 口 ( 送信アンテナ ) と耳 ( 受信アンテナ ) をうまく使っています. 第 3 世代携帯電話では, 希望する方向だけへ電波を発射したり, 希望する方向からの電波だけを受信するアンテナを用いています. 人間は, 音波通信を使った最も優れた携帯電話システムといっても良いでしょう. 人間に学ぶことが大事です. 2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 28