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無線通信技術の基礎

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無線通信技術の基礎

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電波の実証(ヘルツ 1888年)

電流の磁気作用(エルステッド 1820年)

電磁波理論(マクスウェル 1864年)

電磁誘導(ファラデー 1831年)

測位・遠隔測定

通 信・放 送

移動 固定

放送

航空通信

遠隔測定

測位

GPS電子レンジ・IH

電波利用分野

無線電信の実用化(マルコーニ 1895年)

テレビ・衛星テレビ

船舶・漁業通信

海上

陸上

衛星通信

衛星衛星

テレビラジオ

電磁界効果

電界効果

磁界効果能動

双曲線航法

能動

受動

衛星航法

各種レーダ

エネルギ|利用ビーコン

衛星テレビ

航空 地

携帯電話PHS

ETC

無線LAN

RFID

電波時計

ラジオ

マイクロ固定

電波の3つの利用分野電波はその特性に応じて、主に以下の3つの分野で利用されている。

(1)通信・放送への利用 (例:携帯電話、テレビ放送)(2)測位・遠隔測定への利用 (例:GPS(全地球測位システム))(3) エネルギー利用 (例:電子レンジ、調理用IH)

「電波の木」樹齢100年以上

2

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光 波(光)赤外線・可視光線・紫外線など。

可視光線は、唯一目に見える電磁波。

電離放射線X線・ガンマ線など。

電 磁 波

周波数が3THz~

10,000THz

周波数が10,000

THz以上

※ THz:テラヘルツ( 1兆Hz)

(波長)(周波数)

1km300kHz

10m30MHz

10cm3GHz

1cm30GHz

0.1mm3THz

100nm以下10000THz

100km3kHz

10,000km30Hz0Hz

電磁波(電波)とは

電 波電波法第2条により規定

電界

磁界

進行方向

電磁波とは、電界と磁界がお互いに影響しながら空間を光速で伝わっていく波のこと。

周波数が3THz*以下

周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴

超長波VLF

長 波LF

中 波MF

短 波HF

超短波VHF

極超短波UHF

マイクロ波SHF

ミリ波EHF

サブミリ波

100km3kHz

10km30kHz

1km300kHz

波 長周波数

100m3MHz

10m30MHz

1m300MHz

10cm3GHz

1cm30GHz

1mm300GHz

0.1mm3THz

直進性が弱い情報伝送容量が小さい

直進性が強い情報伝送容量が大きい

船舶・航空機用ビーコン標準電波 電子タグ

船舶通信 中波放送アマチュア無線 ビーコン

船舶・航空機用無線 短波放送アマチュア無線 電子タグ

FM放送 TV放送 公共業務無線 簡易無線航空管制通信 アマチュア無線

電波天文 衛星通信簡易無線 レーダー

マイクロ波中継 放送番組中継衛星通信 衛星放送 レーダー無線LAN 無線アクセス 狭域通信システム 電波天文

携帯電話 PHS MCA タクシー無線TV放送 公共業務無線 無線LANアマチュア無線 電子タグ ISM機器コードレス電話

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変調方式

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■変調(へんちょう、modulation)とは情報を伝えるために,原信号(signal)によって搬送波(carrier)の周波数や振幅,位相などを変化させること。逆を復調(demodulation)という。搬送波の周波数を変化させる場合を,FM(frequency modulation),振幅を変化させる場合をAM(amplitude modulation),位相を変化させる場合をPM(phase modulation)という。

一般に電波(電磁波)を搬送波とする無線の場合に使われる。しかし,磁気テープや磁気ディスク,光ディスクなどに記録する場合にも,信号(ディジタルの原情報)を磁気ディスクなどに適した記録信号に変換することを,「変調」という。

■アナログ変調振幅変調(AM:Amplitude modulation)周波数変調(FM:Frequency modulation)

■デジタル変調

変調方式 特徴

FSK (Frequency shift keying) 高速通信には向かないが、無線機が低コストでできる。

PSK (Phase shift keying) QPSK(4値位相変調)等、移動体通信、衛星放送などで利用。

QAM (Quadrature amplitude modulation) <直交振幅変調>

位相が直交する2つの波を合成して搬送波とし、それぞれを振幅変調する方式。移動体通信、固定通信、無線LAN、地デジ等で利用。16QAMは一度に4bit分の情報を伝送できる。(64QAMは6bit、256QAMは8bit)

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 直交周波数分割多重 (1)

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OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 直交周波数分割多重 (2)

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• スペクトルが矩形に近く、周波数の有効利用• ガードインターバルの併用で耐マルチパス• キャリアが多重であり、データの階層化容易• SFN(Single Frequency Network)が実現できる

特徴

サブキャリア数 変調方式 占有周波数帯幅 ガードインターバル 伝送速度

地デジ(ISDB-T) 5617 64QAM 6MHz シ ン ボ ル 長 の1/32(31.5μ s)

23.234Mbps

xDSLG992.1(G.dmt)

223 64QAM/256QAM

30kHz~1104kHz(1.1MHz)

8Mbps

無線LANIEEE802.11a,g

52 16QAM 20MHz 800ns 54Mbps

高速無線LANIEEE802.11n

114 16QAM 40MHz 400ns 150Mbps

WiMAX 1024 64QAM 10MHz シ ン ボ ル 長 の1/8(11.43μ s)

20.74Mbps

LTE 300~1200 QPSK,16QAM,64QAM,

5MHz~20MHz 4.7μ s~16.7μ s ~81.6Mbps

PLC (HD-PLC)約50、

(HPA)917

PAM、BPSK~

1024QAM

2MHz~30MHz HD-PLCはなし、HPAはあり

200Mbps

各種システム

TDMA(Time Division Multiple Access) 時分割多元接続

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• 時間ダイバシティが使用できるためフェージング耐性がある。

• 回線交換接続が可能で遅延時間や通信速度が保証できる。

• 無線局間の同期が必要不可欠である。

• 周波数利用効率・回路規模は、周波数分割多元接続と符号分割多元接続の中間程度である。

• 時間軸圧縮を行っているため、音声の場合遅延時間がある。

特徴

用途

• 第二世代携帯電話 : PDC・GSM• PHS• 衛星通信

Wikipediaから

CDMA(Code Division Multiple Access) 符号分割多元接続

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• スペクトラム拡散技術に基づく方式で、変調後の信号の帯域幅を大きく拡散させることによってノイズや干渉の影響を受けにくい。

• 広帯域であるためフェージング耐性あり。

• スペクトラム拡散変調信号は第三者に対しての秘匿性が優れている。

• スペクトラム拡散変調信号でつくられた信号を用いると信号到着時刻の相対値

を正確に算出することができ、この特徴を生かして移動体の現在位置を正確に測定することができる。

特徴

用途

• 第三世代携帯電話

NTTドコモのホームページから

電波の型式の表示

主搬送波の変調の形式 記号

無変調 N

振幅変調

両側波帯 A

全搬送波による単側波帯 H

低減搬送波による単側波帯 R

抑圧搬送波による単側波帯 J

独立側波帯 B

残留側波帯 C

角度変調周波数変調 F

位相変調 G

同時に、又は一定の順序で振幅変調及び角度変調を行うもの D

パルス変調

無変調パルス列 P

変調パルス列

振幅変調 K

幅変調又は時間変調 L

位置変調又は位相変調 M

パルスの期間中に搬送波を角度変調するもの

Q

上記の各変調の組合せ又は他の方法によって変調するもの

V

上記に該当しないものであつて、同時に、又は一定の順序で振幅変調、角度変調又はパルス変調のうちの二以上を組み合わせて行うもの

W

その他 X

主搬送波を変調する信号の性質 記号

変調信号なし 0

副搬送波を使用しないデジタル信号の単一チャンネル

1

副搬送波を使用するデジタル信号の単一チャンネル

2

アナログ信号の単一チャンネル 3

デジタル信号の二以上のチャンネル

7

アナログ信号の二以上のチャンネル

8

1以上のアナログ信号チャンネルと、一以上のデジタル信号チャンネルの複合方式

9

その他 X

伝送情報の型式 記号

無情報 N

電信(聴覚受信) A

電信(自動受信)・印刷電信(RTTY)

B

ファクシミリ C

データ伝送、遠隔測定、遠隔指令

D

電話(音響の放送を含む。)

E

テレビジョン(映像) F

上記の組合せ W

その他 X

一字目 二字目 三字目

(例)AM、短波ラジオ放送(モノラル)→A3EAMラジオ放送(ステレオ)→D8EFMラジオ放送(ステレオ)→F8Eデジタルテレビ放送→X7Wアマチュア無線等CW→A1A AM→A3E FM→F3E SSB→J3E

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電波法施行規則 第四条の二から

デジタル同報無線の基本構成は、現行のアナログシステムと同様であり、役場内に設置される親局設備や中継局設備、避難場所ほかに設置される屋外拡声子局及び戸別受信機により構成。

役場と避難場所との情報連絡において、電話のように送信と受信を同時に行うことが可能

役場から住民への情報伝達中に、職員等の招集

連絡または災害現場からの緊急通信が可能

画像による情報収集ができるとともに、文字情報による伝達が可能 各種情報データの伝送・蓄積・加工が容易

役場固定系親局

屋外拡声子局戸別受信機

役場固定系親局

文字表示

監視カメラ

複信通信

テレメータ監視

戸別受信機

双方向通信 複数チャネル化

データ通信 他システムとの親和性

現行のシステム

音声主体音声

+データ伝送

デジタル同報

市町村デジタル同報通信システム (1)

11沖縄総合通信事務所のホームページから

市町村デジタル同報通信システム (2)

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伝送方式

変調方式 16QAM

通信方式 TDMA-TDD方式

キャリア周波数帯 60MHz帯

チャネル間隔 15kHz

伝送速度 45kbps(フレーム)7.5kbps(スロット)

TDMA多重数 6多重

音声符号化速度 25.6kbps(一括通報)4.0~6.4kbps(連絡通話)

東芝資料から

ARIB規格親局

戸別受信機

屋外拡声子局

市町村デジタル同報通信システム (3)

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基本構成

ARIB資料から

市町村デジタル同報通信システム (4)

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J-ALERT(全国瞬時警報システム)との接続

ARIB資料から

市町村デジタル移動通信システム

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1. 携帯電話のような通信が可能。(従来のプレストーク方式から複信方式)

2. マルチメディア通信が可能。

(従来の音声通信中心から、データ及び静止画等のマルチメディア通信)

3. 隣接市町村との相互応援のための通信システム構築が容易なシステム。

(隣接市町村への基地局とのローミング、全国共通の移動局間通信周波数)

4. 基地局エリア外で移動局間の複信通信が可能。(移動局間の専用の周波数の手当)

5. デジタル方式であるため、干渉に強く、秘話性がある。(デジタル通信方式の一般的特長)

6. 周波数の伝搬特性から通信エリアが拡大。(800MHzから260MHzへ)

7. 周波数の有効利用が促進。

(デジタル・ナロー通信方式とMCA方式を採用)

特徴

沖縄総合通信事務所のホームページから

18GHz帯無線アクセスシステム

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●特徴1.無線によるブロードバンド環境の実現2.コストの大幅な削減が可能(従来のような鉄塔設備が不要)3.新設・移設が容易なシステムの実現(小型軽量の無線設備により柔軟な運用が可能)

●伝送容量最大156Mbpsの通信が可能

●伝送距離P-P(対向)方式で最大10km程度P-MP(1対多方向)方式で最大2km程度

●設置方法・簡易な設置が可能・従来のマイクロ回線のような鉄塔が不要・空中線位置の変更、臨時回線の設置等柔軟な運用が可能

●活用方法・地域イントラネットの伝送路・ 近接離島への通信回線・ 非常災害時やイベント等の臨時回線・防災行政用無線局(同報固定局、市町村防災移動系)のエントランス回線として活用

沖縄総合通信事務所のホームページから

海上における遭難・安全通信システム(GMDSS)

17海上保安庁ホームページから1999年2月1日から完全実施

航空保安無線施設

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NDB (Non Dirctional Radio Beacon:無指向性無線標識)

長中波即ち200~415KHzの周波数を利用した無指向性の電波を発射している無線航行援助施設。パイロットは機上の自動方向探知機(ADF)によりNDBの方向を知ることができる。

VOR:VHF Omnidirectional Radio RangeTACAN :Tactical Air Navigation SystemDME :Distance Measuring Equipment

方位及び距離の情報を同時に提供するため、もっぱら民間航空機が使用する航空路等には、ICAO標準のVOR/DMEを整

備し、民間機及び軍用機の双方が使用する航空路等には、双方が共用できるようにVORTAC(VORとTACAN)を整備している。

ILS (Instrument Landing System:計器着陸装置)

着陸のため進入中の航空機に対し、指向性のある電波を発射し滑走路への進入コースを指示する無線着陸援助装置。

ARSR (Air Route Surveillance Radar:航空路監視レーダー)ORSR (Oceanic Route Surveillance Radar:洋上航空路監視レーダー)

エンルート上の航空機の位置を探知し、航空機の誘導及び航空機相互間の間隔設定等レーダーを使用した航空路管制業務に使用している。ARSRは半径200マイル、 ORSRは半径250マイルの空域をカバーしている。ARSRのうち、SSRモードS等の一部のレーダーサイトについては、250マイルレンジとなっている。

ASR (Airport Surveillance Radar:空港監視レーダー)

空港から約110km以内の空域にある航空機の位置を探知し、

出発・進入機の誘導及び航空機相互間の間隔設定等ターミナルレーダー管制業務に使用している。

ASDE (Airport Surface Detection Equipment:空港面探知レーダー)

空港地表面の航空機や車両等の動きを監視しそれらの交通の安全を図るための高分解能レーダーで、飛行場管制業務に使用している。

PAR (Precision Approach Radar:精測進入レーダー)

管制官がレーダーを見ながら、航空機を3次元的に滑走路の接地点へ誘導する着陸援助施設。

国土交通省ホームページから

近距離無線通信技術

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近距離無線通信技術のマッピング:距離と伝送能力

距離

伝送能力

UWB

無線LAN

ZigBee

RFID

Bluetooth

高い低い

数十cm

100m

電子タグの動作原理

20

周波数帯 135kHz 13.56MHz 433MHz 950MHz 2.45GHz

最大通信距離

~30cm ~60cm ~数100m~10m

~数100m~1m

制度化 昭和25年 平成10年 平成18年 平成17年 昭和61年

価格 △ ◎ ○ ○ ○

主な用途

スキーゲート、食堂清算等

交通系、行政カードシステム等

国際物流関係

物流管理、物品管理

物流管理、物品管理

電子タグの種類と特徴

21

NFC(Near Field Communication)

22

NFCの規格は、2003年12月にISO/IEC 18092(NFC IP-1)として国際標準規格に制定され、2005年1月には、拡張規格であるNFC IP-2がISO/IEC 21481として国際標準規格に制定されている。

NFC IP-2により、NFCは13.56MHz帯を使用する全てのICカード規格に対応している。

NFCは、13.56MHzの周波数を利用する通信距離10cm程度の近距離無線通信技術。非接触ICカードの通信および機器間相互通信が可能で、機器を近づけることで通信を行うため、「かざす」動作をきっかけにした、わかりやすい通信手段として注目を集めている。

トッパンフォームズのホームページから

規格 採用例

MIFARE(ISO/IEC 14443 Type A)

taspoカードのほか、欧州では交通系カード等で広く普及

ISO/IEC 14443 Type B 住民基本台帳カード、免許証など

FeliCaSuica、Edy、WAON、nanaco、おサイフケータイなど、国内では交通系カードや電子マネーとして広く普及

ISO/IEC 15693 物流、小売などのICタグ・ICラベル

UWB (Ultra Wide Band)

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超広帯域無線システムの無線局(主としてデータ伝送を行う必要周波数帯幅が450MHz以上の無線局のうち、屋内において3.4GHz以上4.8GHz未満又は7.25GHz以上10.25GHz未満の周波数の電波を使用する空中線電力が0.001ワット以下のものをいう。以下同じ。)・・・ (施則第4条の4第2項)

パソコン周辺機器間の高速ファイル転送TVディスプレイ・スピーカ間の映像等のストリーミング伝送

伝送距離は短いものの、数百Mbps程度の高速伝送が可能なことから、既存の無線システムでは実現できなかった、PC周辺機器間の大容量データ伝送が短時間で可能となる。

広帯域にわたり低消費電力で数百Mbps規模のデータを伝送できるUWB無線システムの特徴を活かすことにより、壁掛けTVディスプレイに画像を伝送しながら、ワイヤレススピーカーに音声を伝送することも実現可能となる。

定義

用途

特徴 • 超広帯域の周波数(おおむね500MHz幅以上)を占有して通信を行い、占有する帯域あたりの送信電力を非常に低く抑える(携帯電話の1億分の1程度の送信電力)ことにより、他の無線システムとの共用を図る。

• データ転送速度は、数百Mbps(ワイヤレスUSBの場合480Mbps)。

2G

無線アクセス

2000年 2010年

無線LAN

11Mbps 54Mbps 100Mbps 1Gbps

超高速無線LAN

3G

W-CDMA

CDMA2000

3.9G

LTE

高速化

高速移動時 100Mbps

低速移動時 1Gbps

4G(IMT-Advanced)

音声 インターネット接続

3.5G

HSPA

EV-DO

~数kbps ~384kbps ~14Mbps 100Mbps超

(ADSL同等)音楽、ゲーム等サービスの高度化

携帯電話

広域化モバイル化

(光ファイバと同等)

高速化

[ITU規格化]LTE-AdvancedWiMAX2

3.5Gの高度化HSPA+等

移動通信システムの高速化・多様化の方向性

広帯域移動無線アクセスシステムWiMAX、XGP

(20~40Mbps)

AXGP(110Mbps)

24

3GPPの動向

25NTTドコモ資料

NTTドコモの各周波数帯のLTE移行計画

日経BP社のホームページから

2012年10月現在

26

WiMAXの動向

27UQコミュニケーションズ資料

WiMAX、LTE等の規格

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WiMAX LTE WiMAX2 LTE-Advanced

多重化方式 OFDMA,TDD (下り)OFDM,TDM(上り)SC-FDMA

FFD,TDD FFD,TDD

空間多重 2x2MIMO 4x4MIMO ~4x4MIMO ~8x8MIMO

変調方式 BPSK,QPSK,16QAM,64QAM

BPSK,QPSK,16QAM,64QAM

占有周波数帯幅 4.9MHz,9,9MHz 5MHz,10MHz,15MHz,20MHz

5, 10, 20, 40MHz 1.4~20MHz×5最大100MHz

基地局の最大空中線電力

20W 規定なし

標準化団体 IEEE802.16WG 3GPP IEEE802.16WG 3GPP

最大伝送速度 (下り)40Mbps(上り)15.4Mbps

(下り)300Mbps(上り)75Mbps

(下り)330Mbps(上り)110Mbps

(下り)3Gbps(上り)1.5Gbps

モビリティ ~250km/h ~350km/h ~500km/h ~350km/h

備考 IMTBWA

IMT3.9世代携帯

IMT-Advanced IMT-Advanced

無線LANの種類

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無線LAN(Wi-Fi) 高出力無線LAN

IEEE規格 802.11a 802.11g 802.11n 802.11ac 801.11ad 802.11j

周波数帯

5.15~5.35GHz

(屋内利用)5.47~5.725GHz

(屋外利用可)

2.4~2.4835GHz

802.11a,g,jと同じ(5.03~5.091GHz

除く)

5.15~5.35GHz

(屋内利用)5.47~5.725GHz

(屋外利用可)

57~66GHz4.9~5.0GHz

5.03~5.091GHz

主な変調方式

OFDM OFDM OFDM OFDMシングルキャリア/OFDM

OFDM

空中線電力10mW/MHz 10mW/MHz

20MHz幅:10mW/MHz40MHz幅:5mW/MHz

20MHz幅:10mW/MHz ~160MHz幅:1.25mW/MHz

50mW/MHz

250mWが上限

最大伝送速度

54Mbps

(20MHz幅)54Mbps

(20MHz幅)

150~600Mbps

(40MHz幅、MIMO(4x4))

290Mbps~6.9Gbps

(80,160MHz幅、MIMO(8x8))

4.6Gbps~6.8Gbps

54Mbps

(20MHz幅)

到達距離 100m程度 100m程度 100m程度 100m程度 10m程度 数km

免許制度 免許不要 免許不要11a,gは免許不要、11jは登録

免許不要 免許不要 登録

備考 規格策定中 規格策定中5.03~5.091GHzは、H29.11.30までの利用

IEEE=Institute of Electrical and Electronic Engineers(電気電子学会)Wi-Fi=Wi-Fi Alliance によって無線LAN機器間の相互接続性を認証されたことを示す名称

高速無線LAN(IEEE802.11n)

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・国際的規格「IEEE802.11n」に準拠・既存の無線LANが使用している、5GHz帯及び2.4GHz帯を使用・帯域幅を20MHzから40MHzに拡大、MIMOによる空間多重伝送採用、符号化方式改善により、伝送速度を100Mbps以上に高速化

次世代高速無線LAN(IEEE802.11ac)

31H24.11.28情報通信審議会答申

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

32(株)バッファローのホームページから

• 送信データをあらかじめ複数の信号(ストリーム)に分割し、それらを複数のアンテナから同じ周波数帯域で同時転送することによりデータ伝送の高速化を図る技術。

• 同じ送信アンテナAから送られた電波でも、受信アンテナaとbで受け取る電波の波形は異なる。送信アンテナB

から送信された電波も同様だ。この物理的な特性を利用し、送受信のアンテナの組み合わせごとに電波のひずみ方を推定しておけば、受信電波から元の信号を分離して復元できる。

• 同時に送れる最大ストリーム数は、送信アンテナ、受信アンテナの数のうち、少ない方と等しい。例えば、送信アンテナが4本、受信アンテナが2本の場合は、最大で二つのストリームを同時に送ることができる。

• 例えばMIMOを利用しない場合の通信速度が150Mビット/秒(11nで40MHz幅の場合)とすると、データ・ストリームが二つならば通信速度は300Mビット/秒、データ・ストリームが三つならば450Mビット/秒となり、データ・ストリームの数の分だけ、通信速度が倍増される。

• 高速無線LAN(11n)、LTE、WiMAX等で採用。

原理と特徴