携帯電話は基地局同士で通信しているの?モバイルデータ通信の仕組みは

このページでは携帯電話スマホの通信のしくみと技術についてみていきたいと思います。

スマネコ
友達に携帯電話で電話をするとき携帯電話どうして音声をやり取りしているわけではないよね。

スマ犬
もちろんそうだよ。データや音声は基地局を通して処理されているんだ。さらに基地局同士ではなく交換機、そして基幹網を通して繋がっていて統合的に管理されているんだ

モバイルデータ通信の仕組み

テレビはとても単純です。テレビの放送塔からひとつの情報が四方八方に送信されそれを私たちの個人の家庭でテレビが受信するようになっています。しかし携帯電話のデータ通信や音声通話の場合はそのようなわけにはいきません。

一人一人のデータ通信音声通話の中身は異なり一気に処理することはできません。そこで基地局を通してデータをやり取りしデータや音声の送受信が可能になっています。一つの電波をなるべく少ない情報だけを乗せてデータの送受信をできるようにするために基地局があります。

基地局のアンテナとそれぞれの携帯電話データをやり取りし移動中、静止している時でもデータや音声のやり取りができるようになっています。基地局は意外と身近なところにあります。独立して適当に設置されていることもありますし、既存の建物を使って設置されているものもあります。

FOMAアンテナの上にLTEのアンテナが設置されていることもあります。さらにビルやPHS用の電柱に併設されていることもあります。

携帯電話から携帯電話に電話をかけたりメールを送ったりする時携帯電話同士が電波をやり取りしてるわけでありません。基地局同士でデータをやり取りしているわけではありません。

データや音声は基地局を通してそれが基地局制御装置を通り交換機を通り、基幹網に接続され異なる電話網、例えば固定電話や他の携帯電話会社の回線網に接続できるようになっています。

基地局と基地局をつなぐために基地局制御装置が設置されていて一つの基地局制御装置には数十台程度の基地局が接続されています。そして基地局制御装置同士は交換機を通じて接続されていて交換機はさらに、基幹網といわれているネットワークで接続されています。

同じ携帯電話会社通信事業してどうしてはこの中でやり取りすることはできますが、ドコモからauに電話をかけるといった場合またインターネットに接続する場合は基幹網から交換機といわれている装置に接続してデータをやり取りするようになっています。そしてゲートウェイ装置も接続されています。

スマネコ
なるほど一つのデータをやり取りするために色々な装置が必要なんだね。

スマ犬
そうだね。直接やり取りすれば簡単なように見えるけど全国全ての基地局を繋ぐことは物理的に不可能で、やはり統合的に処理しないといけないんだ。

基地局がカバーしている範囲

一つの基地局がカバーしている範囲は限られています。逆にあまりにも範囲が広いと混戦してしまいます。一つの基地局が電波を届けられる範囲のことをセルといい、セルは色々な範囲があります。

大きいものは半径が10キロ以上あります。小さいものでは2Mほどのものもあります。携帯電話では普通数kmから数十kmのマクロセル使われています。

マクロセルはひとつの基地局でかなり広い範囲をカバーすることができます。しかしデメリットもありユーザー数が増えるとトラフィックが増えてアクセスが集中してしまったり消費電力が高まってしまうといったデメリットがあります。

さらにスマホが増えてデータ通信速度も高速が要求されるようになりマクロセルではカバーしきれなくなってきました。そのため現在ではスモールセルというももう少し細い範囲をカバーできる基地局が設置されています。

スモールセルは数百メートルから1km程度のマイクロセル半径50mから100m程度のピクセルそして半径2mから50mのフェムトセルなどがあります。一般的にはピコセルフェムトセルなどはスモールセルといわれていることが多いです。

しかしスマホでも最もよく使われるのはマクロセルやマイクロセルで人口密度が少ないところ山間部では広域でカバーできるマイクロセリアマクロセルが活躍しています。

一方人口が多いイベントホールや地下鉄・商業施設といったところではスモールセルが設置されて大容量のデータ通信を行うのに対応しています。

セルの大きさは色々なものがあるとわかったけど、大きいもの小さいものそれぞれメリットやデメリットがあるよね。
そうだね。大きいものも小さいものにもそれぞれメリットとデメリットがあるんだ

セルの大きさとメリットデメリット

セルが小さくなればなるほど消費電力が少なくなるというメリットがあります。例えばピコセルでは100Wフェムトセルは12Wなど非常に少ない電力で運用することができるようになっています。

一方スモールセルはカバーできる範囲が小さく広い範囲人口密度低いところをカバーするのには非効率でそのような場合はマクロセルが使われます。この場合消費電力は大きくなりますが、たくさんの基地局を設置する必要がなくなるというメリットがあります。

携帯電話のデータ音声通信の仕組み

  • データや音声は中央で統合的に処理されている
  • 携帯電話とのデータのやり取りは基地局が行う
  • 基地局は2Mから数十kmまで幅広いセル範囲がある
  • セルの範囲毎にメリットデメリットがある

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