技術講座

１．無線アクセス

１．無線アクセスに利用される周波数帯

　表１に無線アクセスに利用される周波数帯と用途を示します。

　　　　表１ 無線アクセスに利用される周波数帯と用途

上記の他に周波数５００THz（1T=1000G）帯の近赤外線光を用いる赤外線光無線ＬＡＮ、レーザー光無線ＬＡＮがあります。

■表１の「特定小電力無線（データ伝送）」、「高速データ伝送システム」、「無線LAN（2.4GHz）」は、特定小電力無線局として定められた規格に対応しています。これらは二つの条件、「最大空中線電力１０mW」及び「技術基準適合証明の取得」を満たした機器を用いて、ユーザーが免許取得なしに特定小電力無線局を運営できるものです。

■携帯電話は周知のものですが、データ伝送方式としてＦＤＭＡ（Frequency Division Multiple Access、周波数分割多元接続）、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access、時限分割多元接続）、ＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access、符号分割多元接続）があります。

■ＰＨＳに併記しているＷＬＬは、無線ローカルループ（Wireless Local Loop）の略で、加入者宅から通信事業者の収容局までの回線部分に、従来の銅線や光ファイバーの代わりに無線回線を利用するシステムです。

■ ＩＭＴ２０００は、次世代の移動体通信の総合規格で、国際電気通信連合（ＩＴＵ）によって標準化されました。ＩＭＴはInternational Mobile Telecommunicationsの略で、２０００は２０００年に標準化を行う２０００MHz帯の規格を意味します。

■ 無線ＬＡＮの国際規格としては、IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers、米国電気電子技術者協会）が１９９７年に策定したIEEE802.11があります。IEEE802.11aは５GHz帯、IEEE802.11bは２．４GHz帯の電波を使用します。
■ 高速無線ＬＡＮ用の帯域として割り当てられている１９GHz帯の無線ＬＡＮ運用には無線局免許が必要です。

■ ＦＷＡ（Fixed Wireless Access、固定無線アクセス）は、電気通信事業者が提供する通信サービスとの接続を無線ＬＡＮ技術で実現するものです。インターネット接続においては、ユーザーからＩＳＰ（インターネットサービスプロバイダー）までのアクセスラインとして、無線を利用する方法です。欧米では５GHz帯を使用した固定無線アクセスの実現を目指しています。

２．各種無線アクセス方式の通信速度と通信距離

　表２に各種無線アクセス方式の通信速度と通信距離を示します。

　　　　　　表２　各種無線アクセス方式の通信速度と通信距離

　通信速度で見ると、ブロードバンドの無線アクセスとして使える可能性があるのは、次世代（第３世代）及び次々世代（第４世代）の携帯電話、ＩＭＴ−２０００、無線ＬＡＮ、ＦＷＡ、近赤外線光です。しかし、いずれも通信距離は１０km未満で、ユーザー宅とインターネットへのアクセスポイント間の距離に制約があります。通信距離については、アンテナや無線中継装置を設置することで、ある程度制約を回避できる可能性はあります。

　通信事業者がサービスを提供する携帯電話やＦＷＡは良いのですが、ユーザーが機器を購入してシステムを設定する無線ＬＡＮや赤外線光では、無線アクセスに対応するＩＳＰの存否がネックになります。最近では「スピードネット」のような無線ＬＡＮ接続サービス（２．４GHz帯使用）を行うＩＳＰが出てきており、今後発展する可能性はあります。

　電波（３００万MHz以下の周波数の電磁波）を利用した無線通信は、電波法による規制を受け、運用には基本的に無線局免許が必要で、使用できる周波数も割り当てられています。無線ＬＡＮに使用される２．４GHz帯は、米国ではＩＳＭバンド（Industrial Scientific and Medical band）と呼ばれ、産業、科学、医療用に開放されています。日本でこれに対応するのは特定小電力無線局の制度で、前述の一定条件を満たす機器であればユーザーは免許取得の必要がありません。ただし、無線ＬＡＮを使って通信事業を行う場合には、第一種電気通信事業者の資格取得が必要です。

　５GHz帯には５．２GHz帯（5.15〜5.25GHz）、５．３GHz帯（5.25〜5.35GHz）、５．８GHz帯（5.725〜5.825GHz）があり、欧米では５GHzのＩＳＭバンドとして設定されていますが、日本では５．２GHz帯しか使用できません。それは５．３GHz帯は気象レーダーや地球探査衛星のレーダーに、５．８GHz帯は高度道路交通システム（ＩＴＳ）の柱ともなる自動料金収受システム（ＥＴＣ）に使用されているためです。なお、アメリカでは５．８GHz帯で無線システムを実用化しています。

　ＦＷＡ（２２、２６、３８GHz）は利用料金が高額過ぎて個人ユーザーでは利用できそうもなく、現状では企業向きシステムの域を出ないと思われます。３〜１５GHz帯で低料金のＦＷＡシステムの開発と、周波数の割り当てが必要と思われます。
　赤外線やレーザー光線を利用した無線通信は、電波法の規制対象外で、設置や運用に免許や認可が必要ないという利点があります。しかし、波長が極めて短いため直進性が高く、送受信点間での完全な見通しが必要になります。また、赤外線光通信に対応するＩＳＰが存在しないこともネックになります。

　以上のことから、現時点では妥当な料金で利用できそうな高速無線アクセスとしては、次世代携帯電話及び２．４GHz無線ＬＡＮということになります。
　少し長くなりましたので無線アクセスの概要はこのあたりで留め、次回は無線通信技術についてまとめたいと思います。

[出典]
１． 武藤佳恭：無線アクセスのすべて ，翔泳社（2000．8)
２． ASCII５月号　特集「（快）ワイヤレス」（2001．5）
３． Yahoo! Internet Guide 2000年4月号、１２月号
４． http://www.idg.co.jp/ 他多数の無線関連ホームページ

【技術講座4（無線ー２）】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2001/06/23発行）

　前回の「無線アクセス」に引き続き、無線通信技術についてまとめました。

２．電波通信方式

２．１ アナログ変調

（２）周波数変調（FM：frequency modulation）方式

　搬送波u(t)=Ａc cos(2πｆc t +φc)の位相φcを一定とし、周波数を搬送周波数ｆcを中心として信号波（例えばmf2πｆpcos2πｆpt）によって変化させる方法です。ここで、mfはＦＭ変調指数（modulation index）で、変調の深さを表します。変調によるＦＭ波vFM(t)は式（１）で表されます。

　　　　vFM(t)=Ac cos(2πｆc t + mf sin2πｆpt)　　　　　　　　　　　　　　　（１）

（３）位相変調（PM：phase modulation）方式

　搬送波u(t)=Ａc cos(2πｆc t +φc)の周波数f cを一定とし、位相角を搬送波位相角φcを中心として信号波（例えばmpcos2πｆpt）によって変化させる方法です。ここで、mpはPＭ変調指数です。変調によるＰＭ波vPM(t)は式（２）で表されます。

　　　　vPM(t)=Ac cos(2πｆc t + mp sin2πｆpt)　　　　　　　　　　　　　　　（２）

　式（１）、（２）からmf=mpであれば（即ち、変調指数が等しければ）ＦＭ波とＰＭ波は全く同一であることがわかります。ＦＭとＰＭを総称してアナログ角度変調と呼びます。

２．２ ディジタル変調

（２） ディジタル振幅変調（ASK：Amplitude Shift Keying）方式

　ASK波は、変調波s(t)=Ap cosωptと搬送波u(t)=Ａc cos(ωc t +φc)との乗積を作ることによって得られ、式（３）で与えられます。（ω=2πf：角周波数）

　　　vASK(t)= s(t)Ａc cos(ωc t +φc)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）

　この被変調波のスペクトルH(ω)は、フーリエ変換により式（４）で与えられます。

　　　H(ω)= (1/2)Ａc H(ω−ωc) + (1/2)Ａc H(ω+ωc) 　　　　　　　　　　　　（４）

　式（４）からASK波のスペクトルは、ベースバンド信号波のスペクトルを±ωcへ周波数変換したものといえます。

　ASK波形は図２(b)に示すように、０と１の２値信号に対応して搬送波をオン・オフしたものに相当します。
　この方式は、被変調波の電力の１／２が情報を含まない無変調搬送波成分で占められるため、おもちゃのラジコンなどの特殊な場合を除き、一般には使用されません。



　図２　ディジタル変調波の波形

（３） ディジタル位相変調（PSK：Phase Shift Keying）方式

　　PSK波は、変調波s(t)によって搬送波の位相を変化させることで得られます。即ち

　　　vPSK(t)=Ａc cos(ωc t + c s(t) +φc)　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）

　ここでcは定数で、位相情報の不確定性を除くため｜c s(t)｜≦πの条件をつけると、式（５）は式（６）で表されます。

　　　vPSK(t)=Ａc cos(c s(t)) cos(ωc t +φc)−Ａc sin(c s(t)) sin(ωc t +φc)　　　　 （６）

　　従って、vPSKは互いに９０゜位相の異なる搬送波を位相偏移c s(t)の正弦及び余弦で振幅変調し、それらを合成したものと解釈できます。

　　s(t)が２値で、c s(t)=0 ,πの場合を２PSKあるいはBPSK(binary PSK)といい、図３(a)に示すようにベースバンド信号と搬送波を平衡変調器（リング変調器）と呼ばれる乗算器で掛けて出力を得ます。この時のPSK波形は図２(c)に示すように、０と１の２値信号に対応した２組の位相編移波が合成されたものになります。



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図３　ディジタル変調方式の構成例

　s(t)値が４値で、c s(t)=±π/4 , ±3π/4の場合を4PSKあるいはQPSK(quadrature PSK)といい、図３(b)に示すように２系列のBPSK波を加え合わせることによって得られます。即ちQPSK波は式（７）で与えられます。

　　　vPSK(t)=Ａcs1(t) cos(ωc t +φc)−Ａcs2(t) sin(ωc t +φc)　　　　 　　　　　　
　　　　　　=Ａccos［ωc t +φc+tan-1(s2(t)/ s1(t)］　　　　　　　　　　　　　（７）

　　　ここで、s1(t) =(s2(t)=±Ap

　QPSKは、搬送波の位相の直交性を利用することによって、同じタイムスロットにBPSKの２倍の情報、即ち４値、２ビットの情報を送ることができます。また、同じ情報量であれば、パルス幅を２倍にすることによりビットレートを１／２（即ちスペクトルの広がりを１／２）に低くすることができます。
　なお、位相変化量を±π/4、±3π/4の中から選択するQPSKＱをπ/4シフトQPSKといいます。信号パスが原点を通過しないために、帯域制限したときの包絡線変動がQPSKより小さくなります。

（４） ディジタル周波数変調（FSK：Frequency Shift Keying）方式

　FSKは、入力情報の０，１に対応して搬送波の周波数をf1，f2で送出する方法です。FSK波形は図２(d)に示すように、０と１の２値信号に対応した２組の周波数の波が合成されたものになります。特に周波数の切り替え時点での位相が連続である場合をCPFSK(continuous phase FSK)といいます。位相連続である方が一般に占有周波数帯域幅が狭くなります。

（５） 多値変調

　多値変調とは、同じタイムスロット内に多数の情報を送出することによって、無線周波数を有効に活用する方法です。搬送波の直交性を利用すると同時に、位相、振幅またはそれらの組み合わせを利用して多値化します。M=2nの位相値でｎビットの情報を伝送するPSKをM相PSKと呼びます。また、Ｍ値の直交振幅変調をM値QAM(quadrature AM)またはM値APSK(amplituge phase shift keying)と呼びます。

　図４に各種変調方式について、多値数を増加した場合の所用受信機入力Ｃ／Ｎ（無変調時の搬送波電力／受信帯域幅内の雑音電力）と周波数利用効率を示します。周波数利用効率は、２値の場合に比例してlog2M倍にすることができます。一方、伝送容量は、６４(=26)QAM、２５６(=28)QAMと多値化を進めると、１６(=24)QAMに比べそれぞれ１．５(=6/4)倍、２(=8/4)倍になります。



　　　　　　　　　図４　各種変調方式と周波数利用効率

　図５に種々のディジタル変調方式の搬送波の位相―振幅空間におけるベクトル表示の例を示します。これを信号空間ダイヤグラムまたは信号点配置図ということがあります。　多値化を進めると隣接する信号の間隔が狭くなり、雑音余裕度が少なくなるとともに、変復調器の構成が複雑になります。これを解決するには、波形ひずみ補償技術（マルチキャリア、自動等化など）、干渉補償技術、ダイバーシチ技術などが不可欠になります。



　　　　　　　　　　　　　　　　　　図５　主なディジタル変調の信号空間ダイヤグラム

（６） ディジタル変調波の復調

　ディジタル変調波の復調法には、大別して同期検波（coherent detection）と非同期検波（in coherent detection）があります。同期検波では、受信搬送波と周波数及び位相が完全に同期した基準搬送波を再生し、これと受信波との乗積を作ってその低周波数成分をろ波することにより、ベースバンド復調出力を得ます。非同期検波は、搬送波同期再生を行わない方法で、ASK、FSKなどに用いられる包絡線検波、PSKに用いられる遅延検波などがあります。

２．３ スペクトル拡散

（２） 直接拡散方式（DS：direct sequence）

　　図６にDSの原理を示します。DSでは変調を２段階に分けて行い、最初の変調を一次変調、次を二次変調または拡散変調と呼びます。一次変調では通常の狭帯域伝送で用いるFSK、PSKなどを作ります。一次変調された信号はPN（pseudorandom noise）系列と呼ばれる疑似ランダムな拡散信号を乗積されて送信されます。


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　図６　直接拡散（ＤＳ）の伝送系

　PN系列は、＋1または−1がほぼランダムな順序で出る乱数発生器と見なせます。それぞれの＋1または−1のパルス幅は、一次変調におけるパルス幅に比べて十分短く（数分の１から数千分の１）設定します。

　受信側では、到着した信号に送信側で用いたものとまったく同一の拡散信号を再度乗積します。すると図６のように、広い帯域幅に拡散されていた信号のスペクトル成分が元の一次変調波のスペクトルに戻り、通常のPSKなどの受信機で復調できるようになります。この過程を逆拡散と呼びます。

　伝送途中に干渉波が加わった場合、図６に示すように、送信側で一次変調されたベースバンド信号は拡散信号を２回乗積されるのに対し、干渉波は受信側で１回だけ乗積されます。したがって、逆拡散の操作で干渉波だけは広い帯域に拡散されて、極めて電力密度の低い雑音に変換されてしまいます。

　PSKの復調の前に狭帯域のフィルタを通過させると、干渉波の電力成分の大部分を除去できるようになり、干渉波の影響が最小限に抑えられます。

（３） 周波数ホッピング方式（FH：frequency hopping）

　FHの伝送系はＤＳと同様で、異なるのは二次変調としてホッピングパターンにより、ランダムに周波数を変化させることです。即ち図７に示すように周波数を時間と共に広い範囲をホッピングさせます。ホッピングの順序はランダムになるように設定しますが、DSの場合と同様に受信側でも同時に同じ順序でホッピングする必要があります。

　図７　周波数ホッピング（ＦＨ）の信号波とホッピングパターン例

　受信側では、受信波をホッピングパターン発生器の出力で周波数変換すると、一定の周波数の中間周波数ができるので、あとは通常の一次変調に対する検波回路で信号の復調が完了します。

　FHで使用している帯域幅内に干渉波が混入した場合は、ホップしている周波数のいくつかで干渉を受け、干渉を受けている周波数を使った時間帯のデータは確率１／２で誤りが発生します。誤ったデータは誤り訂正符号により改善します。

　　周波数と時間の組み合わせパターンをチャネルごとにかえれば、符号による多重通信が行えます。

２．４多重アクセス方式

[出典]
　１．大友他２：ワイヤレス通信工学，コロナ社（1995．4）
　２． 武藤佳恭：無線アクセスのすべて ，翔泳社（2000．8)

　以上で無線アクセスについては一段落しましたので、次回は光ファイバ通信についてまとめたいと思います。

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