1. はじめにセルラー理論とセルラーシステム2.2セルラーコンセプト...

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http://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp

「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 コミュニケーション工学B 3

目次1. はじめに2. セルラー理論

2.1 電波伝搬2.2 セルラーコンセプト2.3 クラスタサイズと繰り返しパターン2.4 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4.2 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6.2 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 4

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．


２．セルラー理論２．１電波伝搬

２．２セルラーコンセプト

２．３クラスタサイズと繰り返しパターン

２．４クラスタサイズの決定

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


距離 r基地局

伝搬損失

マルチパスフェージング

約1 m

約100 m

シャドウイング

4~2; rPr

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．


距離 d

電波

/2

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．


携帯機

無線基地局


x (cm)

電波

の強

さ(d

B)

y (cm)•搬送波周波数 2GHz•素波数 16波

50cm×50cmの範囲における電波（2GHz）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．

10msec

大ドップラー周波数fD=120Hz (搬送波周波数2GHz, 移動速度64.8km/h)

10msec

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


受信信号波形送信信号波形


電波

の強

さ(d

B)

時間 (sec)

時速4km ・搬送波周波数=2GHz

・平面波数N=16波


電波

の強

さ(d

B)

時間 (sec)

時速40km ・搬送波周波数=2GHz



電波

の強

さ(d

B)

時間 (sec)

時速400km

・搬送波周波数=2GHz


２.２セルラーコンセプト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2~4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

電波

の強

さ

距離

4~2; rPr

基地局

基地局がカバーするエリア（セル）

半径0.75-5km


同一周波数の繰り返し利用電波伝搬の特徴

電波の強さはおよそ距離の2~4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

近くの基地局で同一周波数を使うと，強い干渉を受ける

基地局

電波

の強

さ

距離

干渉

同一周波数を使う基地局

強い干渉

RD


充分離れた基地局で同一周波数を使えば干渉が弱い

どのくらい基地局を離せば良いかは，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

電波

の強

さ

距離

干渉

同一周波数を使っている基地局

弱い干渉

RD

セルラーコンセプト1960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，各セルに基地局を配置する．

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基地局で繰返し利用する．

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基地局数（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-telephonesystem”, NTT Rev. Elec. Comm. Lab., 1967.

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, 1967. K. Araki, “Fundamental problems of nationwide mobile radio-telephone

system”, NTT Rev. Elec. Comm. Lab., 16, May/June, pp.357-373, 1968. 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, 1969. R. H. Frenkiel, “A high–capacity mobile radiotelephone system,” IEEE

Trans. Veh. Tech., 1970. Bell Laboratories, “High-capacity mobile telephone system technical

report,” submitted to FCC, Dec. 1971.


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基地局が変わる移動局と無線通信する基地局を新しい無線基地局に切り替えて通信を継続させることが必要になる．


２.３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．

F1F1

F1

F1

F1

F1

0.75-5km

F6F1

F2

F3F5F4

F7 F6

F2

F3

F5

F4

F6

F5F4

F7

F2

F3

F7

セル

F4F6

F5F3

F4

F2

F3F7

F2F6

F7

F5

R

D

,4,7,93,1 RD

31

22

2

ijji

F

F=7の例

F1 F2 F3 F4 F6 F7周波数

全帯域幅 B

F5


全チャネル数N，クラスタサイズFのとき，1セル（基地局）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基地局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基地局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


同一周波数のチャネルを使用する基地局間の小距離D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120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．D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．

)1(31

2/333/)2/33(

)2/33(

32)2/33(

2

2

2

2

000

20

　　　

より

RD

RDF

DS

SSSSRFS

面積=S

S0

D

クラスタ面積S0 コミュニケーション工学B 23

クラスタサイズNのとり得る値は離散値である．

2

22

222

222

)/)(3/1(.. 16, 13, 9,12, 7, 4, 3, 1,

)2()1(

)2( )(3 )3/2cos())((2)()(

2/33

RDFijjiF

RijjiQjQiQjQiD

RQ

　　

よりと式

　　

i0

j

0

Q D

i j F

1 0 1

1 1 3

2 0 4

2 1 7

2 2 12

3 0 9

3 1 13

3 2 19

3 3 27

4 0 16

4 1 21


クラスタサイズと繰返しパターンの例

DRD

jiF3

)1(3

D

RD

jiF

32

)0,2(4

RD

jiF

21

)1,2(7

RD

jiF

33

)0,3(9

D D

F1 F2 F3 F4 F6 F7F5 F1 F2 F3 F4 F1 F2 F3

n=3 n=5 n=7F=7 → F=4 → F=3

基地局当たりのチャネル数を増加させるには？



２.４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．

文献: 奥村，進士「移動通信の基礎」，第9章，信学会

と等しいものとする．は所要そこで，以下では

．以上でないといけないが所要　上式で与えられる

になる．間ならである．なお，自由空

測によるとは伝搬損失指数で，実ここで，

らセルから干渉があるか周辺

との関係は，および力比とにおける信号対干渉電

と，セル端配的であるものとするの１つからの干渉が支

個の干渉セルのうち，かつ周辺シャドウイングを無視

SIRSIR

RDRDRIS

DR

24~3

6/]1)/[()(6/

6

6


D

受信

電力

(dB)

干渉セルR

距離

悪点

干渉局

所要SIRとクラスタサイズN


R

D

しか取りえないただし，

　

より

　　　

らセルから干渉があるか周辺

.. 16, 12,13, 9, 7, 4, 3, 1,

1)6(31

)/(31

6/]1)/[()(6/

6

22

2/1

2

ijjiF

F

RDF

RDRDRIS


全チャネル数N，クラスタサイズFのとき，1セル（基地局）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基地局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)

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#2 時間

電波

の強

さ

30コミュニケーション工学B

受信機受信データ

アンテナ#1

アンテナ#2

r1(t)

r2(t)

r(t)

アンテナ#1アンテナ#2


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Pb()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Pb() は次式で与えられる．

(MRC) combining ratio Maximalfor 163

)/11(/)2/3(11

21

(SC) combiningSelection for 83

/211

/1121

21

)(

2)(

41

/1111

21)()(

erfc21)(

22/3

2

)2(

1

　

　

　

受信アンテナダイバーシチ　　　

　：　ダイバーシチなし　　

ング環境●　レイリーフェージ

境：●　非フェージング環

b

b

b

P

b

Pa

p


2アンテナSCとMRC受信時の平均ビット誤り率

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

0 5 10 15 20 25

Average BER performances w ith SC and MRC in Rayleigh chan nel. 2PS

2PSK_BE R,AW GN2PSK_BER,Rayle igh2PSK_BE R,appr.BER_SC,Rayle ighBER_SC,appr.BER_MRC,Rayele ighBER_MRC,appr.

Average Eb/N0 (dB)

no diversity

SC

MRCAW GN

(dB)

Average BER performance with SC and MRC in Rayleigh fading. 2PSK

No fading

1for 1163

)/11(/)2/3(11

21)(

1for 183

/211

/1121

21)(

1for 41

/1111

21)(

21)(

2

2/3)2(

,

2

)2(,

　　

　　

　　

MRCb

SCb

b

b

P

P

P

erfcp


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)，

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．


解答クラスタサイズFと所要との関係

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=24.0dBより，F=12．

SCダイバーシチのとき：所要=12.6dBより，F=4．

MRCダイバーシチのとき：所要=11.1dBより，F=4．

F 3 4 7 9 12 13 (dB) 10.4 13.5 19.1 21.4 24.04 24.8

=3.44


３．大ゾーン方式とセルラ方式1基地局（セル）あたりのチャネル数

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．

クラスタ数Fのセルラ方式

1セル当たりのチャネル数n=N/Fチャネル

n

i

i

n

ia

naB

0

!/

/呼損率

（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．

Nチャネル

大ゾーン方式


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)=20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130.6088アーラン(チャネル使用率93.29%)．セルラー方式で運べる呼量aは，1セルあたり13.9974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

13.9974×19=265.9506=2.0×大ゾーン方式

となり，セルラー方式のほうが2倍だけ多くの呼量を運べる．

B=0.001 0.01 0.03

n=1 0.0010 0.0101 0.0309

5 0.7621 1.3608 1.8752 10 3.0920 4.4612 5.5294 15 6.0772 8.1080 9.6500 20 9.4115 12. 0306 13.9974 25 12.9689 16.1246 18.4828 30 16.6839 20.3373 23.0623 35 20.517 24.638 27.71 40 24.4442 29.0074 32.4118 50 32.5119 37.9014 41.9327 60 40.7950 46.9497 51.5698 70 49.2349 56.1120 61.2913 80 57.8104 65.3628 71.0775 90 66.4837 74.6843 80.9149 100 75.2420 84.0642 90.7939 110 84.0723 93.4930 100.7076 120 92.9645 102.9636 110.6506 130 101.9104 112.4705 120.6188 140 110.9044 122.0090 130.6088

Bとnが与えられたときのセルあたりの呼量（アーラン）


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/(24×60)=0.02083アーラン

収容可能なユーザ数の比較大ゾーン方式：130.6088/ 0.0208=6279人

セルラー方式： 13.9974/0.0208×19=672人×19＝12768人

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/km2

ディジタル方式：bps/Hz/km2

４．２情報理論的考察

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

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 (km2)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．

とすると

幅チャネル当たりの帯域

セル当たりの面積　　　

ここで

ユーザ　　

(Hz)1)(km1

)km/Hz(

2

2

WS

ABF

クラスタサイズF=7の例

F4F5

F6F1

F2F7

F3

f

B

　・セルサイズの縮小

低減　・クラスタサイズの

　・狭帯域化

率を高めるためにはつまり，周波数利用効

ユーザ　　

次式のようになる．

は用効率であるから，周波数利，

)km/Hz( 111 2

SFW

SFAWFB

クラスタサイズFの低減(F=7→4→3→1），すなわち所要SIRの低減・アンテナダイバーシチ受信・基地局のセクタ化・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）

40コミュニケーション工学B

選択合成ダイバーシチ


アンテナ#1

アンテナ#2 時間

電波

の強

さ

受信機受信データ

アンテナ#1

アンテナ#2

r1(t)

r2(t)

r(t)

アンテナ#1アンテナ#2

干渉自体を低減しクラスタサイズFを小さく (F=7→4→3→1）する技術の採用

基地局のセクタ化

ビームチルティング


セクタ化なし 3セクタ

干渉

基地局

電波

の強

さ

干渉

同一周波数を使う基地局コミュニケーション工学B 44

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）

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．

10m100m半径1km

x100倍 x100倍

都市部（高トラフィック）


（２）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Ctotal (bps)，そしてクラスタ当たりの面積をA (km2)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Ctotal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．

とすると

ビットレートチャネル当たりの情報

幅チャネル当たりの帯域

セル当たりの面積

　　　

ここで

　　

(bps)1(Hz)1

)(km1

)km(bps/Hz

2

2

CWS

ABCtotal

クラスタサイズF=7の例

F4F5

F6F1

F2F7

F3

f

B


)km/(bps/Hz 11

, ,

2

SFWC

FCCFWBFSA total

　　　　　　　

になる．であるから次式のよう

は，周波数利用効率

クラスタサイズFの低減(F=7→4→3→1），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


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

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，2PSK(M=2)の代わりに4PSK(M=4)を用いる．

)km(bps/Hz 11log

log/

Hz1/

22

2

SFM

MWC

MWC

　

は周波数利用効率

を表す．は広い意味で符号化率ここで，

　

と誤り制御を用いると

レベルの多値変調ートであり，あたりの情報ビットレは

多値変調M=2→4→16 →256

高効率誤り制御・ターボ誤り訂正符号，HARQ

47コミュニケーション工学B コミュニケーション工学B 48FA/Tohoku University

4.2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）

変形

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Eb/I0の極限．

bps/Hz 1log

)/()//()/(/

02

0

WC

IE

WC

CWWICPIE

b

b であるから

dB6.12ln

2ln12

12

0

2ln

/

0

IE

xe

WC

IE

b

xx

WCb

　を用いるとであるが，ここで

　

電力比信号対（干渉＋雑音）　　 IPWC /bps/Hz, 1log/ 2

FA/Tohoku University


所要Eb/I0と伝送効率C/Wの関係

0.01

0.1

1

10

100

-5 0 5 10 15 20 25 30

E b /N 0 [dB]

C/W

[bp

s/Hz]

Eb/I0 [dB]


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？

)km(bps/Hz 1)6(1

)1(log3

)6(1)3/1(

(bps/Hz) )1(log/

)km(bps/Hz 11

22/1

2

2/1

2

2

S

F

WC

SFWC

　

を代入すると

　　

に

　

周波数利用効率

　


容量を大にする許容SIRが存在する


クラスタサイズF=4~7がスぺクトル利用効率を大化

0

0.1

0.2

0 5 10 15 20 25 30 35 40

(dB)

S1

)6(1

)1(log3

5.3

21

2

4 7F=3

×S/3


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．

固定チャネル割当ダイナミックチ

ャネル割当

分散制御

集中制御

適応チャネル割当

棲み分け学習型チャネル割当

フレキシブルチャネル割当

チャネル割当


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基地局には全チャネルを割り当てておく．各基地局では，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.1531-1537, June 1991

[2] I. Katzela and M. Naghshineh, “Channel assignment schemes for cellular mobile telecommunication systems: a comprehensive survey”, IEEE Personal Communications, pp.10-31, June 1996


6. セルラー方式6.1 携帯電話システムの構成6.2 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, 1992年.

6.1 携帯電話システムの構成携帯電話機は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．

ホームメモリ局

固定電話網

ローカル交換局

信号の行き先を制御


ゲートウェイ交換局

中継交換局

中継交換局

中継交換局

中継交換局携帯端末と

直接通信

携話機の位置を記憶

ルータインターネット

基地局

基地局

基地局基地局

基地局

基地局


携帯電話はも近くの無線基地局と通信する

携帯電話システムの構成


電話機と直接通信



ルータ

ローカル交換局電話機の

位置を記憶


信号の行き先を制

御

固定電話網

インターネット





ルータ

ローカル交換局電話機の

位置を記憶


固定電話網




御

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）





ルータ

ローカル交換局携話機の

位置を記憶


固定電話網




御

交換局は信号の行き先を制御

6.2 位置登録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，充電頻度を少なくできます．


電波

無線基地局

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？



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Bです

ここは地域Aです

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

⑥地域A→地域Bに書き換え

④ ⑤

無線基地局


交換局

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？

コミュニケーション工学B 66地域A 地域B

しかし，どの無線基地局の近くにいるかまでは分らない

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





地域B

電話網

④地域Bです

③所在地はどこですか？

⑥呼出し信号⑥呼出し

信号

⑥呼出し信号

⑥呼出し信号

⑥呼出し信号

⑥呼出し

① ②

⑤

⑦応答信号

ＸＸさんの携帯電話


地域Ａ

6.4 発信接続


①通信要求

③正規のユーザか？

⑤

⑥⑦




電話網

②応答信号

④確認

ＸＸさんの携帯電話

地域B

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．



無線基地局

6.6 音声符号化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？


マイク

アナログ電気信号

音声符号器

…1011010001101…

電波に乗せる

時間

もしもし音声符号系列（ 1 秒間におよそ8000個の0と1からなる系列を伝送）

ディジタル被変調信号

固定電話波形符号化(64kbpsPCMや32kbps ADPCM）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．


20001970 80 85 90 95年

2

4

8

16

32

64

GSMRPE-LTP

PDCVSELP

IS-54

移動通信網

固定電話網PCM(G.711)

ADPCM(G.721)

（誤り訂正を含まない）

符号

化レ

ート(k

bps)

LD-CELP

PSI-CELP(3.75kbps)

CS-CELP

8 16 32 64主観

評価

値（平

均オ

ピニ

オン

スコ

ア）

悪い

1

普通

2

よい

3

非常によい

4

非常に悪い

０ 0ビットレート(kbps)

単純な波形符号化

複雑な波形符号化

ハイブリッド

分析－合成

移動通信

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．


スペクトル情報

有声音源

音源の電力スペクトル

発声(のどの声帯)

調音(のどと口) 音声波形

音声の音源の電力スペクトル

周波数

電力

無声音源

＋聞く

話す

周波数

もしもし

携帯電話には，符号帳駆動線形予測(CELP）と呼ばれる，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！


ピッチ再生

LPCフィルタ

-

LPC分析

聴覚的重み付け

自乗誤差小化

#1

#232

#2

雑音符号帳

（音源）符号帳番号

（のどと口）LPCパラメータ

232回の符号帳サーチ

音声波形のどの声帯の震え（音源）を表す雑音

“のどと口”を表す電気回路


6.7 認証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．

③暗号化演算

認証用の秘密鍵乱数

③暗号化演算

認証用の秘密鍵

ホームメモリ局（HLR)

①認証鍵の読み出し②認証要求（乱数の転送）

⑤照合

交換局移動局

④認証応答（演算値の転送）

7. 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．


1. はじめに セルラー理論と セルラーシステム2.2セルラーコンセプト...

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1. はじめにセルラー理論とセルラーシステム2.2セルラーコンセプト...