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...
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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
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会話 きる
どうするか?
会話できる!
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
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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
ゲートウェイ交換局
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
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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
ゲートウェイ交換局
電話網④確認
⑤
⑥⑦ メモリ局交換局
③正規のユーザか?
ローカル交換局
地域B
①通信①通信要求 ②応答
信号信号
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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.
ローカル交換局
無線基地局無線基地局
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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
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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
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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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