16 1 4 n408 携帯電話のしくみ電子情報通信学会の小・中学生の科学教室...

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）

携帯電話のしくみ携帯電話のしくみ東北大学大学院工学研究科東北大学大学院工学研究科

安達文幸http://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jphttp://www.mobile.ecei.tohoku.ac.jp

1 音波を使た会話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 1Tohoku Univ/FA/

音波を使った会話音波を使た会話

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．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？てお互いに会話できるのでしょうか？

話す

音声波形

聞く

話す

もしもし

力

聞くもしもし

周波数

電力

2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 2

音声スペクトル

周波数

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


会話きる

どうするか？

会話できる！

声を小さくしてもらう


どうするか？

あるいは，耳に手を当てて

会話できる！

耳に手を当てて相手の声が聞こえるようにするえるようにする

大きな声で会話中


電波を使った通信電波を使た通信

携帯電話は電波を使って通信していますが，音波を使っ携帯電話電波を使通信す，音波を使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．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

通信き

強い干渉

局

できない

会話できない！

会話中会話中


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近くで大声を出すと会話のじゃまになるのと同じです．

同じ周波数を使さ数を使っている基地局

波の

強さ

通信できない強い干渉

電波通信できない強い干渉


基地局距離

同じ周波数を使う基地局を十分離せば，干渉を弱くでき同周波数を使う局を十分離，干渉を弱ます．

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．

さ

同じ周波数を使

波の

強さ

通信できる！弱い干渉

数を使っている基地局

電波通信できる！弱い干渉


基地局距離

携帯電話システム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携帯電話シテ，同周波数を異なる局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．いま，21チャネルあるとします．

F3F1F1F2

F7

F5

無線セルF3

F3F1

F4F4

F7F6F6

F5F5

0.75~5km

無線セル

F3F1

F1F1

F4

F2F2

F7F6

F5F5

全無線帯域幅F3

F3F1

F1

F4F4

F4

F2F2F7

F7

F6F6

F5全無線帯域幅

F3F1

F1F2F7F5

F1 F2 F3 F4 F6 F7周波数

F5

Tohoku Univ/FA/ 92010/03/20

F1 F2 F3 F4 F6 F7F5

3チャネル → 5チャネル → 7チャネル

3 5 73 5 7

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


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

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

ビームチルティング基地局アンテナのセクタ化


全ての基地局で同じ周波数を使う

21チャネル

各基地局が21チャネル全て使って通信できるて通信できる

携帯電話 F1 周波数

皆が同じ周波数

人間社会会話会話会話会話会話皆が同じ周波数

帯域(0.3~3.4kHz)電

力

会話会話会話会話会話

(0.3 3.4kHz)を使って会話し

ている音声スペクトル

周波数

電


音声スペクトル

なぜ，皆さんは沢山の人が会話している場所で相手と会な，皆さ沢会話る場所相手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さん話す力

Bさん周波数

電力


音声スペクトルがAさんとBさんとで違う

周波数

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）拡散符号によて送信信号波形に特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．

“1” “０”

ユーザ話す

時間

“1” “０”

A

ユザ


ユーザB

携帯電話のつながるしくみ携帯電話のつながるしくみ

携帯電話機はも近くの無線基地局と通信します．携帯電話機近無線局通信す

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）．

インタネット携帯電話機

位置

交換局は，信号の行き先を制御します．

インターネット固定電話網

ルータ

の位置を記憶

信号の行き先を制御

携帯電話機ホーム

局

ゲートウェイ交換局

を制御

携帯電話機と直接

通信します

メモリ局

ローカル交換局

ローカル交換局交換局交換局

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．携帯電話機わり無線局沢ありす

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．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

携帯電話機は移動します．自分が今どの地域にいるか携帯電話機移動す自分今域る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？どうして自分のいど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無線局，そ所属る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．いわゆる，電波の灯台と言えるでしょう．

ここは地域Bです地域Bです

ここは地域Aです地域Aです


新しい地域に移動したことが検出されたら，携帯電話機新域移動検出さ，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とをホームメモリ局に報告

④ ⑤ホーム交換局

⑥地域A→地域無線基地局

メモリ局交換局


⑥地域A→地域Bに書き換え

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う，リ局携帯電話機所在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？

しかし，どの無線基地局の近くにいるか

2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 20地域A 地域Bまでは分らない

携帯電話機へ着信するときは？携帯電話機着信するときは

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11桁の番号090 ｘｘｘｘｘｘｘｘ


携帯であることを表わしています

ゲト

③所在地はどこですか？① ②

ホームメモリ局


電話網す① ②

④地域Bです

ロカルローカル交換局

地域B

⑥呼出し

⑤ローカル交換局

地域Ａ

⑥呼出し信号⑥呼出し

⑥呼出し

信号⑥呼出し信号

⑦応答

⑥呼出し信号

⑦応答信号


信号⑥呼出し信号

⑥呼出し信号

ＸＸさんの携帯電話

携帯電話機から発信するときは？は？

⑥⑦

ホームメモリ局


電話網④確認

⑤

⑥⑦ メモリ局交換局

③正規のユーザか？


地域B

①通信①通信要求 ②応答

信号信号


ＸＸさんの携帯電話

ハンドオフンドオ

携帯電話機は，電波が弱くなると新しい無線基地局を探携帯電話機，電波弱なる新無線局を探して，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このようにして，携帯電話ユ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．


無線基地局無線基地局


音声を送るしくみ音声を送るしくみ

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？では，どのように変換しているのでしょうか

もしもし

ディジタル音声信号

もしもし

マイク

（1秒間におよそ8000個の「0」と「1」を伝送）

音声符号器

電波に乗せる

アナログ電気信号

符号器デジタル信号 1011010001101


時間

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

話すもしもし

気回路で表します．

発声(のどの声帯)

話すもしもし

スペクトル有声音源

調音(のどと口) 音声波形

聞くスペクトル情報

音源

無声音源

＋聞く

波数

電力音源

波数

2010/03/20 Tohoku Univ/FA/ 26音源音声スペクトル

周波数周波数

会話相手に送るのは音源を表す符号帳番号と「のどと口会話相手送る音源を表す符号帳番号」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！聞合成音す

音声波形

声の

（のどと口）電気回路パラメータ

音声波形のどの声帯の震え（音源）を表す雑音波形

「のどと口」を表す電気

回路分析

#1#2 （音源）

表す雑音波形回路

電気回路

- 聴覚的重み付け

#2 （音源）符号帳番号

自乗誤差小化

#232

雑音符号帳


むすびむすび

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，音波通信を使ったも優れた携帯電話システムといっても良いでしょう．良う

人間に学ぶことが大事です．


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