ネットワークとネットワークとコミュニケーション技法コミュニケーション技法

第第 1111 回回－ － モバイル通信 モバイル通信 －－

2

１．モバイル通信基礎技術

２．携帯電話システム

３．携帯電話サービスと将来展望

講義内容講義内容

3

電磁波と電波電磁波と電波

高い

低い

周波数

γ 線

Ｘ線

紫外線

可視光線

赤外線 ●リモコン ●赤外線こたつ

●太陽

●ＣＴスキャン●レントゲン

●衛星放送●電子レンジ

●テレビ ( ＶＨＦ ) 放送

●ＦＭラジオ放送

●ＡＭラジオ放送

電波

3.000GHz

300GHz

3 GHz

300MHz

30MHz

3 MHz

384THz

789THz1.000THz

10 万 THz1 万 THz

1.000 万 THz1 億 THz

● 移動通信 ( 第 2 世代： 800MHz ～1.5GHz)

移動通信 ( 第 3 世代 : 2GHz)●PHS(1.9GHz)

●衛星移動通信 (2.6GHz)

●マイクロ波中継 (4/5/6,11/15.22GHz)

●ポケットベル (280MHz)

●

3 kHz

無線通信

●無線 LAN(2.4GHz, 5.2GHz)

周波数 波長

0.1mm

1mm

10cm

1m

10m

100m

100km

直進性大きい

直進性小さい

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直接波（真っ直ぐ進む電波）

反射波（はね返る電波）

回折波（回り込む電波）

透過波（通り抜ける電波）

送信

受信

基地局 移動局（携帯電話機）

移動通信の電波伝搬のモデル移動通信の電波伝搬のモデル　　

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電波は、反射したり、回り込んだり、通り抜けたりする。

電波の強さ

電波が非常に弱い（電波の谷）

○ 室内や建物の影にいても、電波を受信できる。

→ 同じ電波がいろんな方向からやってくる。

× 所々、電波の弱いところができる。

マルチパス伝搬マルチパス伝搬

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場所によって、電波の強さが大きく変わる。

電波の谷では、正常に受信できない。

移動すると、電波の強さが激しく変動する。

携帯電話では、 2 つのアンテナで受信（どれかのアンテナで受信できる。）

数十 cm

（電波の強さ）

フェージンフェージンググ

外部アンテナ 1

内蔵アンテナ 2

7

電波の通り道が全然違うと、違った問題が起きる。

(a)(b)

先にやってきた電波（ a ）に、あとからやってきた電波（ b ）がかぶってしまい、干渉する。

遠回りしてくる電遠回りしてくる電波波

8

移動通信の電波伝搬特性移動通信の電波伝搬特性

短区間中央値瞬時値変動 瞬

時値

長区間中央値

短区間中央値

（シャドウイング）中央値変動

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無線ゾーン無線ゾーン

ゾーンＡ

ゾーンＦ

ゾーンＣゾーンＢ

ゾーンＥゾーンＤ

ゾーンＧ

一つの基地局の電波の届く範囲を無線ゾーン（またはセル）と呼ぶ。

10

セルの大きさセルの大きさ

（半径数 km ）（半径数 100m ）携帯電話基地局 PHS 基地局

PHS

携帯電話

マクロセル マイクロセル4W

約 1W

0.5W

約 10mW

セルＡ

セルＦ

セルＣセルＢ

セルＥセルＤ

セルＧ

基地局

基地局

セルを六角形でモデル化

基地局 基地局

基地局 基地局

基地局 基地局

f1f2 f3

f4f5

f6f7

携帯電話

f1 ～ f7 はセル A ～セルG での使用周波数を示す。

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セル構成例セル構成例

(a) 正三角形セル (b) 正四角形セル (c) 正六角形セル

正六角形が最もオーバラップ部分の面積が少ない。

R R

R

オーバラップ面積1.2R2 0.73R2

0.35R2

基地局 基地局

基地局

セル設計（基地局配置設計）では、正六角セルでエリアを覆う。

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電波が限られている （＝足りない） 一人当たりの周波数の帯域幅を小さくす

る。 離れたところで同じ周波数を使う。

同じ周波数を使う距離を短くする。 使える人が多くなる。

離れた所から、同じ周波数の電波がやってくることがある。

対策

周波数の再利用周波数の再利用

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周波数繰返し周波数繰返し

３リユース（ 3 つの周波数を使用）

４リユース（ 4 つの周波数を使用）

７リユース（ 7 つの周波数を使用）

f1

f2f3

f1

f2f3

f4f1

f2f3

f4

f5f6

f7

異なる周波数の複数セルを一群としてこのグループでサービスエリアを面的に覆う。

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時間

周波数

FDMA

1234

1 2 3 4 1 2

TDMA周波数

時間

ユーザ 12 3

4

コード周波数

無線アクセス方式無線アクセス方式

周波数でユーザを区別

時間でユーザを区別

コードでユーザを区別

CDMA

・・・

・・・

・・・

時間

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ディジタル変復調方式ディジタル変復調方式

送信データ

再生データ

信号変換 帯域制限 ディジタル変調

周波数変換（中間周波数帯→ 無線周波数帯）

信号変換 データ再生 雑音除去ディジタル

復調

周波数変換（無線周波数帯→ 中間周波数帯）

無線区間

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携帯電話システムの機能携帯電話システムの機能

位置登録エリア

ハンドオーバ

位置登録

着信

発信

待受け

位置登録エリア

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報知情報報知情報

新宿エリア

ここは渋谷ですここは新宿です

●報知情報　　・そのエリアにいる携帯電話に対し、ネットワークからそのエリア毎の　　サービス情報を常に通知。　携帯電話はその情報を常時監視。

　　・情報の一つとして、エリア情報がある。

　　・携帯電話はその情報を見て、自分がどのエリアにいるのか判断可能。

渋谷区ネットワーク

新宿区ネットワーク

渋谷エリア

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一斉呼出一斉呼出

無線ゾーン α

無線ゾーン β

応答

位置登録エリア B

一斉呼出

一斉呼出

一斉呼出

B

ホームメモリ

位置登録エリアＢ

ルーチング番号

移動通信交換局（在圏局）

着信

移動通信交換局（関門局）

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位置登録方式位置登録方式

090-3123-4567

移動網へ

関門局

ルーチング番号

3123

4567

4567

090-3123-4567

位置登録エリア β

固定網 移動網

位置登録エリア α

移動通信交換局

ホームメモリ

無線基地局

位置登録エリア α

在圏局

一斉呼出

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位置登録 その位置登録 その11

新宿エリア

●位置登録　　・携帯電話は最初に電源を ON した時に、そこのエリアの報知情報を　　見て、自分のいる位置を確認。

　　・ネットワークに対し、自分のいる位置を通知。

　　・ネットワークでは通知された位置を記憶、　　　携帯電話でも自分の位置を　　　記憶しておく。

渋谷区ネットワーク

新宿区ネットワーク

渋谷エリア

ホームメモリ

最初の電源 ON 時携帯電話はネットワークに対し、位置を通知

携帯電話は自分が登録した位置を記憶

090-123-45678 の携帯電話の位置を渋谷エリア　と記憶

090-123-45678

①

②

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位置登録 その位置登録 その22

新宿エリア

●位置更新　　・携帯電話は報知情報と、自分が記憶している登録エリアを比べ、　　違う場所に来たことを判断したとき、ネットワークに対し、再び　　位置を通知する。

　　・ネットワークでは通知された位置を以前のものから更新、　　　携帯電話でも自分の位置を　　　更新し、記憶しておく。

渋谷区ネットワーク

新宿区ネットワーク

渋谷エリア

携帯電話は報知情報により違う位置に来たことを判断し、携帯電話はネットワークに対し、位置を通知

携帯電話は自分が登録した位置を更新

090-123-45678 の携帯電話の位置を新宿エリアに更新

090-123-45678

①

②

③ホームメモリ

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携帯電話ネットワー携帯電話ネットワークク

移動局 1

加入者交換局

中継交換局 ホームメモリ局

基地局

ディジタル移動ネットワーク

固定電話

関門交換局

移動局2

基地局

位置登録エリア A

位置登録エリア B

移行

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ＰＨＳネットワークＰＨＳネットワーク

端末

ＰＨＳ接続装置

市内交換機 制御装置

基地局

ＩＳＤＮ

公衆電話網

INS64 、２回線

３端末

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最大送信電力

無線周波数帯

PDC項目

940-958893-895925-940

1,429-1,453

MHz

810-828838-840870-885

1,477-1,501

MHz

移動機送信

基地局送信

基地局

移動機 0.8W

4W

配置法ﾁｬﾈﾙ 固定 配置ﾁｬﾈﾙ

セル半径 0.5 ～ 3 ｋｍ以上

1893.5 ～ 1919.6MHz

PHS500 ｍ W

10 ｍ W

配置ﾀﾞｲﾅﾐｯｸﾁｬﾈﾙ（自律分散制御）

100 ｍ～ 500 ｍ程度（マイクロセル）

携帯電話と携帯電話と PHSPHS の比の比較較

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アナログ方式デジタル方式 IMT-2000

音声中心音声

低速データ

高速データ ( ～２ Mbps)

映像、音声

第１世代 第２世代 第３世代 第４世代

W-CDMAcdma2000 等

Systems beyond IMT-2000PDC, GSM, IS-

136, IS-95, PHS等

あらゆる情報、高精細映像

アナログ伝送/FDMA

デジタル伝送/TDMA

マルチレートデジタル伝送/CDMA

？

モバイル通信の変遷モバイル通信の変遷

音声音声 高速データ高速データ低速データ低速データ～ 64kbit/s ～ 384kbit/s(2Mbit/s)

1980 年代 1990 年代 2000 年代アナログ信号 ディジタル信号

広帯域・超高速データ広帯域・超高速データ20Mbit/s以上

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IMT-2000IMT-2000 無線インタ無線インタフェースフェース

CDMA 系

TDMA 系

CDMA Direct Spread (3.84Mcps)

(W-CDMA), (UMTS)

CDMA Multi-Carrier (3.6864Mcps)

(cdma2000)

CDMA TDD

IMT-2000 地上系無線インタフェース

Single Carrier

FDMA/TDMA

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CDMACDMA の原理との原理と RAKERAKE受信受信

データ拡散 多重伝送 データ逆拡散

1011 1011

b

fB

f f

周波数 (f)

b

変調

11010110010

ユーザ毎に固有

拡散 逆拡散

拡散コード

復調

B

パワ

ー

時間

同相合成 受信出力大（品質向上）

RAKE 受信

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関門中継階梯交換機

ATM ネットワーク

回線交換　　機能

交換ﾊﾟｹｯﾄ　　機能

加入者階梯交換機

回線交換　　機能

交換ﾊﾟｹｯﾄ機能

回線交換　　機能

交換ﾊﾟｹｯﾄ　　機能

位置登録

移動サービス制御局高度サービス

制御局

有線ネットワーク／無線ネットワークなど

基地局 基地局

基地局制御装置

基地局制御装置

各種サーバ

共通線信号網

メッセージ処理装置

ゲートウェイ

加入者階梯交換機

各種サーバ

インターネット イントラネット

ゲートウェイ

IMT-2000IMT-2000 のネットワーク構成例のネットワーク構成例

ヨーロッパ GSMネットワークと互換

他事業者ネットワーク

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国際ローミング国際ローミング

FOMAカード (ICカード）の差し替えで端末を変更しても利用可能

30

国際ローミング国際ローミング

：： 2G, 3G2G, 3G ローミング提供エリローミング提供エリアア：： 2G2G ローミング提供エリローミング提供エリアア：ローミング未提供エリア：ローミング未提供エリア 2003.3 2004.3

ローミングサービス提供の国と地域数

100

50

94114

2006.5

134

渡航先カバー率：９９％以上　渡航先カバー率：９９％以上　

ヨーロッパ　ヨーロッパ　

アフリカ　アフリカ　中東　中東　

アジア　アジア　

オセアニア　オセアニア　

北米北米

中南米　中南米　

ローミングアウト：　 134 の国 /地域（ 2006 年5 月現在） ローミングイン：　 130 の国 /地域（ 2006 年5 月現在）音声、 TV 電話、パケット（ i-mode ）、 SMS

ローミングアウト：　 134 の国 /地域（ 2006 年5 月現在） ローミングイン：　 130 の国 /地域（ 2006 年5 月現在）音声、 TV 電話、パケット（ i-mode ）、 SMS

SIMPUREシリーズ

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情報配信

位置検索 歩行者 ナビゲーションカー ナビゲーション

音楽、 、映画予告、ｹﾞｰﾑ広告

遠隔監視・制御 自動販売機 POS 、環境監視、情報家電

決済 モバイル ｅコマース

インターネット 、 、ｉﾒｰﾙ ﾌﾞﾗｳｼﾞﾝｸﾞ ﾓｰﾄﾞ /EZweb/J-Sky Web

モバイルマルチメディアサーモバイルマルチメディアサービスビス

RF-ID タグ応用 物流、在庫管理

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i-modei-mode のビジネスモデルのビジネスモデル

I P

DoCoMo i モードユーザー

情報情報

情報料情報料

料金回収代行手数料料金回収代行手数料情報料情報料

代行徴収分の請求代行徴収分の請求

IP:Information Provider　　 ( 情報提供事業者 )

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モバイルインターネット（モバイルインターネット（ ii モード）モード）の構成例の構成例

ディジタル携帯・自動車網 (PDC)

網 ﾊﾟｹｯﾄ(PDC-P)

情報提供者情報提供者

インターネット

他電話会社通信網

パケット通信TCP/IP HTTP

音声・モデムﾃﾞｰﾀ

ＩＳＰＩＳＰ

音声・モデム通信

情報提供者情報提供者

情報提供者情報提供者

i モード サーバ

料金DB

ユーザDB

FOMA 網

プロトコル変換

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多種、多様な端末の充実多種、多様な端末の充実

904i シリーズ

703i シリーズ

35

HSDPA(High Speed Downlink Packet HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)Access)

約 14Mbps

ユーザB （時間 T2 ）ユーザ A （時間 T1 ）

ユーザ A の無線状態ユーザB の無線状態通信速度

時間

無線状態

良

悪

無線状態＝悪

無線状態＝良

基地局

ユーザB （時間 T2 ）

ユーザ A （時間 T1 ）

① 共有チャネル HSDPA 用の HS-DSCH(High Speed – Downlink Shared Channel) の

動的な複数 への割当てﾕｰｻﾞ② 適応変復調・符号化

移動機の無線環境に応じて変調方式、符号化率、 数を決定ｺｰﾄﾞ③ Hybrid-ARQ

再送された と過去に受信された の合成による再送回数の低減ﾃﾞｰﾀ ﾃﾞｰﾀ④ 基地局適応スケジューリング

無線環境の良い への優先的な割当て による の向上ﾕｰｻﾞ ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑ ｽﾙｰﾌﾟｯﾄ

HSDPA を実現する技術

送信電力一定

36

検索サービスの強化検索サービスの強化

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車内利用

情報家電ノート PC 改札機

店舗端末

デジカメ

テレビ

おさいふ

音楽プレーヤー 自動販売機

機能の取り込み

タクシーなど

（配車管理）

自動販売機（在庫管理）

メーター（検針）

外部機器への組込み　・モジュール化

通信先の拡大　・有線： USB　・無線：非接触IC 、 IrDA 、 Bluetooth

リモコン

端末の高機能化端末の高機能化

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安全安心を実現するセキュリティ機能安全安心を実現するセキュリティ機能

ロッ

ク設定・解除

ロッ

ク設定・解除

暗証番号を入力

暗証番号を入力

① 遠隔ロック 他の電話から遠隔操作で他人が使用できないようにロック

② IC カードロック 端末暗証番号 により IC カードの利用を制限

③ 指紋センサー 事前登録の指紋によるロックの設定、 解除

④ 顔認証 （フェイスリーダー） 事前登録の顔認証画像 によるロックの設定、 解除

⑤ セキュリティスキャン 自動検出、 の自動更新ｳｨﾙｽ ｾｷｭﾘﾃｨﾊﾟﾀｰﾝ

⑥ 電子認証 サービス First Pass から取得した 証 明書による認証ﾄﾞｺﾓ ﾕｰｻﾞ

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「おサイフケータイ」の利便性向上「おサイフケータイ」の利便性向上 「おサイフケータイ」対応端末契約数の拡大が加速

　 　　　　⇒ ケータイの生活インフラ化が着実に進展　　 ドコモのクレジットサービス「DCMX」の提供（ 4 月 28日開始予定）

KEY/ID

MEMBER’SCARD

FINANCE

TICKETTRANS-PORTATION

SHOPPING

ONLINESHOPPING

モバイルモバイル SuicaSuica20062006 年年 11 月月 2828日開日開

始始

モバイルモバイル SuicaSuica20062006 年年 11 月月 2828日開日開

始始

◆ サービス提供予定の企業も含まれています。 ◆ 「 Edy （エディ）」はビットワレット株式会社が管理する　 プリペイド型電子マネーサービスのブランドです。◆ 「 Suica」は東日本旅客鉄道株式会社の登録商標です。

40

ワンセグ受信とネット連携ワンセグ受信とネット連携

・地上波デジタルＴＶ番組の視聴・データ放送から興味あるインターネットサイトにアクセス

インターネット放送局

携帯向けはワンセグメン

ト

据え置きTV 向け

据え置きTV 向け

13

セグメント

（1

チャンネル分の帯域

）

携帯電話の基地局

番組を見たユーザが、商品購入サイト等へアクセス（ネットショッピング等）

41

通信と放送の連携通信と放送の連携

通信キャリアサー

ビ

ス　　

（

ドコモが提

供

）

　

放送サー

ビ

ス

（

放送局が提供

）

サー

ビ

ス 通信 放送 通信G ガイド番組表リモコン ワンセグ 　　 i モード　

■リアルタイムな情報　も表示可能　　・天気　　・交通情報　　・ニュース

■既存 i モードサイト　・関連詳細情報　・物販　・マイメニュー登録

G ガイド番組表リモコン起動

番組を選択しTV を起動

データ放送サイトへ

データ放送全画面表示も可能

i モードサイトへ

iモ|

ドサイトへ

G ガイド番組表：テレビ番組表と AV リモコン機能が一つになった i アプリ

携帯電話ならではのコミュニケーションと連携した番組視聴を目指して

42

4G4G に向けてに向けて

ITU-R フレームワーク勧告での（「４ G 」の呼称は「 IMT-Advanced」）最高速度の仕様は、高速移動で 100Mbps 、低速移動（構内系含む）で 1Gbps 。

高速

低速

移動速度

通信速度 (Mbps)

IMT-2000

1 10 100 1000

New Nomadic / LocalArea Wireless Access

EnhancedIMT-2000

Enhancement.

IMT-Advanced

100Mbps

New Mobile Access

1Gbps

Systems beyond IMT-2000は旧来のシステムの能力を包含する

System Beyond IMT-2000の新しい能力

破線は System Beyond IMT-2000のデータ・レートがまだ決定していないことを示している

43引用： http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/index.htm

電波の利用状況（平成電波の利用状況（平成 2121 年年 44 月現在）月現在）

WiMAX

44引用： http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/index.htm

電波の利用状況（平成電波の利用状況（平成 2121 年年 44 月現在）月現在）

45引用：日経 NETWORK 7 月号　話題の端末 iPad で学ぼう！　無線通信技術の基本

46

引用：日経 NETWORK 7 月号　話題の端末 iPad で学ぼう！　無線通信技術の基本

47

引用：日経 NETWORK 7 月号　話題の端末 iPad で学ぼう！　無線通信技術の基本

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課題課題

１．モバイル通信において周波数の有効利用を　　図る理由は何か？また、周波数有効利用の方　法を列挙せよ。２．第３世代携帯電話方式の特徴を技術及び　サービス面から各々説明せよ。