第４章無線工学の基礎４．１電波伝搬およびアンテナ４．２衛星通信および移動通信４．２衛星通信および移動通信４．２．１４．２．２４．２．３衛星通信衛星通信関連機器移動通信４．２．１衛星通信（１）衛星通信とは ① 衛星通信を利用し，全世界にまたがる広帯域で長距離の伝送路を経済的に実現する。 ② 公転周期が地球の自転周期と同じ静止衛星が主に利用される。 ③ 地上設備から衛星に対して大電力の電波を送信し，衛星では微弱電波を受信して増幅して地上設備に対して送信する。地上設備では，衛星からの微弱電波を受信して増幅する。衛星通信に必要な要件 ① アンテナ追尾安定した通信を確保するために，衛星の位置変動があったらアンテナを追尾させる。 ② 衛星搭載アンテナの姿勢制御アンテナが常に一定方向を向くように衛星の姿勢制御を行う。 ③ 大きな伝播損失の補償地球局アンテナはで大きな伝播損失を補償するため大型アンテナを設置する必要がある。一般には，カセグレンアンテナが使用されている。 ④ 通信衛星における低雑音高利得の増幅器（トランスポンダ）受信した微弱な信号を増幅するために低雑音高利得の増幅器が必要。通信衛星として用いられることが多い静止衛星は地球自転周期と同じ公転速度であるため地上からは静止しているようにみえる。低軌道衛星（ＬＥＯ）中軌道衛星（ＭＥＯ）静止衛星超楕円軌道（ＨＥＯ） : : : : 500 km～数千km 数千km～約20,000 km 約36,000 km 遠地点約 40,000 km 近地点約 1,000 km 人工衛星の高度長楕円軌道衛星低軌道衛星約1,000km 静止衛星（２）静止衛星の配置極地方を除く全地球をカバーするには，３個の衛星が必要である。衛星約17° 約162° 赤道衛星重複地域衛星不可視地域衛星上には，衛星中継器（トランスポンダ）を設置する（３）通信方法の違い ① タイムシフト型（最も古いタイプ）衛星側で受信したメッセージを他の地域の上空で送出する。米国が最初に打ち上げた通信衛星スコアの方式。 ② 受動型通信衛星単なる反射帯として機能する通信衛星。エコー１号が最初。 ③ 能動型通信衛星トラスポンダ（中継器）を搭載し，地球からの電波を受信・増幅し，地上に送り出す方式。1962年7月打ち上げのテルスターが最初。現在の通信衛星の主流である。（４）通信の形態中継器で増幅（地球局からの発信後約120m秒後）アップリンク（up link）地球局から衛星方向へ受信（トランスポンダ）発信地球局と衛星間の距離： 36,000[km] 電波の速 3105 [km/s] 度：遅延時間：ダウンリンク（down link）衛星から地球局へ（アップリンクの時間＋ダウンリンクの時間） 36,000  2  0.24 [s]  240 [ms] 3 10 5 発信側地球局（衛星からの発信後約 120 ミリ秒後）地球受信側地球局（５）アップリンクとダウンリンクの周波数衛星通信では，アップリンクとダウンリンクの周波数を同じにすると，地上からの微弱な電波と衛星自身が送信した電波の区別が付かなくなり，衛星自体が送信した電波をそのまま受信して増幅してしまう。アップリンクとダウンリンクの周波数を分ける。たとえばアップリンク 6 GHz，ダウンリンク 4 GHz これを「6/4 GHz帯」と呼ぶ。（６）代表的な周波数 ① 6/4 GHz帯（Ｃバンド） ② 14/12 GHz帯（Kuバンド） ③ 30/20 GHz帯（Ka バンド）［注意点］ ① 4 GHz，6 GHz，11 GHz帯は地上無線方式として使われているので，地上無線との干渉を考慮する必要がある。 ② 30/20 GHz帯は降雨減衰量が大きくなるが，使える周波数範囲が広いため，伝送容量を大きくとれる。（７）衛星通信に用いられる多元接続 ① 周波数分割多元接続（FDMA ： Frequency Division Multiple Access）周波数を分割して各地球局に割り当てる。 ② 時分割多元接続（TDMA ： Time Division Multiple Access）時間を分割して各地球局に割り当てる。 ③ 符号分割多元接続（CDMA ： Code Division Multiple Access）符号を分割して各地球局に割り当てる。 ④ 空間分割多元接続（SDMA ： Space Division Multiple Access）各地球局を地域に分割してアンテナに割り当てる。４．２．２衛星通信関連機器（１）衛星通信装置の機能地球局（送信側）通信衛星（中伝送装置多元接続送大信電力追尾電波継）受増送信幅信電波地球局（送信側低）受雑信音追尾多元接続エコー制御伝送装置（２）各局に必要な装置以下に分けて説明する。Ａ．送信側地球局Ｂ．通信衛星Ｃ．受信側地球局Ｄ．地球局および通信衛星に必要な装置Ａ．送信側地球局 ①多元接続装置複数地球局で1台の衛星中継器を共用するため。 ②変調装置伝送装置からの信号で中間周波数の搬送波に変調をかける。 ③周波数変換装置中間周波数の搬送波を無線周波数に変換する。 ④電力増幅器大電力送信信号を作り出す。 ⑤アンテナ装置通信衛星に対して正確に電波を送信する。Ｂ．通信衛星 ① アンテナ装置地球局からの微弱電波を受信し，逆に地球局へ電波を送信する。 ② 搭載中継器微弱電波を増幅して中継する。トラスポンダとも呼ぶ。［備考］通信衛星の増幅器としては，一般にFET増幅器，クライストロン，進行波管（TWT：Traveling Wave Tube）増幅器が使用される。クライストロンは 6 GHz帯で帯域幅は 40～70 MHzと狭い。 TWTは高価で複雑であるが，帯域幅は 500 MHzと広帯域であり，通信衛星では一般的である。 TWTを使う場合，いくつもの搬送波を増幅可能であるが，振幅・位相の非直線性による相互変調ひずみに留意する必要がある。なお，受信したマイクロ波を中間周波数に変換して増幅した後，再びマイクロ波に変換して送信する方式をヘテロダイン中継方式と呼ぶ。 ① アンテナ装置通信衛星からの微弱電波を受信する。Ｃ．受信側地球局 ② 低雑音増幅装置受信電波を増幅する。 ③ 周波数変換装置無線周波数を中間周波数に変換する。 ④ 復調装置中間周波数から元の信号に復調する。 ⑤ 多元接続装置複数の地球局で1台の衛星中継器を共用するため。 ⑥ エコー制御装置伝送遅延時間を伴って生じるエコーを抑える。Ｄ．地球局および通信衛星 ① 監視制御装置各装置の監視・現可動装置と予備との切替等を遠隔かつ集中的に行う。特にエコー制御について ○ 通常の国内回線では，エコーが対話者に戻ってくるのは， 0.01 秒程度であるため特に問題とならない。 ○ 衛星通信では，自分の声が通信衛星を通じて約 0.5 秒後に返ってくるので通信妨害となる。 ○ エコー制御には，・エコーサプレッサ（返ってきた信号を損失挿入回路で弱める方法）・エコーキャンセラ（受信した信号から自分が送信した信号を差し引く方法）がある。４．２．３移動通信（１）移動無線装置の機能分類移動無線装置の機能移動側端末装置送信変調増幅送信電波無線機能受信受信補償増幅復調交情報インターフェース干渉抑圧受信復調干渉抑圧電波増幅補償受信干渉抑圧接続制御送信送信換接増幅変調干渉抑圧続交換機端末機器情報（２）移動無線装置の構成・送受信機能・接続制御機能・インターフェース機能電波移動局装置電波・送受信機能・接続制御機能無線基地局装置交移換動局無装線置用・交換接続機能交換機電波無線回線制御局装置移動無線装置・制御接続機能端末機器（３）携帯電話の構成制御部無線周波数選択，信号処理方法判定信号処理部音声のディジタル化，圧縮，時間圧縮・伸長ベースバンド伝送無線処理部変調，復調，電波の発信・受信（４）ゾーン構成（１）大ゾーン方式・米国における初期のアナログ自動車電話での方式。・ひとつの基地局で広大なエリアのサービスを提供できる。（２）小ゾーン方式（数100 m～数 km）・同じ周波数を繰返し使えるので，周波数の有効利用を図ることができる。・ひとつのゾーンが狭いので，基地局を多く設置する必要がある。・移動局が他のゾーンに移っても通信を継続させるチャネル切替が必要。現在は小ゾーン方式のほうが主流 ① ② ③ ④ 移動局の移行検出移行先ゾーンの決定ゾーンの空きチャネル移動局のチャネル切替基地局Ａチャネル切替の手順 ③ 電波の空き状態を問い合わせ空きがあればハンドオーバを要求 ① 周辺基地局の電波の強さをモニタリングすることで移動局の移行を検出基地局Ｂ ④ チャネル切替 ② 移行先ゾーンの決定移動局移動ゾーンＡ移動局ゾーンＢ［用語］ハンドオーバ：移動局がセルから離れそうになると隣接した基地局がサービスを継続すること cdmaOneのレイク受信強度直進波Ａ反射波Ｂ反射波Ｂ時間強度レイク受信機能直進波Ａ基地局 cdmaOne ではレイク受信機能により複数の信号の遅延を修正する機能があるため，スムーズにハンドオーバが行われる。これをソフトハンドオーバという。時間（５）マルチチャネルアクセス ①周波数の有効利用する方法のひとつ。 ②一つの電波を多くの人が共同で使用し，かつ通信したいときに通信を行う。 ① どの移動局も多数の周波数電波を送受信しておく。 ② 通信を行おうとするときに，移動局と無線基地局で自動的に選ぶようにする。すなわち，ひとつの電波を多くの人が時間を分けて交互に利用する。（６）携帯電話システムの構成無線ゾーン無線ゾーン基地局基地局基地局基地局基地局基地局光ファイバ他社携帯電話網加入者系移動通信制御局ホームロケーションレジスタ加入者系移動通信制御局共通線信号網関門中継系移動通信制御局関門ロケーションレジスタホームロケーションレジスタホームロケーションレジスタ ●加入者のデータを保管しているデータベース ●位置登録エリアごとに携帯電話の所在を管理している。［呼び出し］ ① 携帯電話に電話がかけられると，位置登録エリアの複数の基地局から一斉呼出し信号が発信される。［位置登録］ ② 携帯電話は電源が入れられると，最後に登録した位置登録エリアと異なる位置にいることが分かると，システムに対して自動的に位置登録を行う。 ③ 電源が入った状態で位置登録エリアをまたぐと，携帯電話はシステムに対して自動的に位置登録を行う。 ④ 位置登録情報は，共通信号線網を介して交換される。関門ロケーションレジスタ関門ロケーションレジスタ ●外来携帯電話（ビジター）の所在を管理しているデータベース［ローミング：同じ電話番号のまま他システムのサービスを受けること］ ① ある事業者Ａと携帯電話Ｃが，別の事業者Ｂのサービスエリアに入ってくると，携帯電話は，自分がいる位置を事業者Ａに連絡するよう事業者Ｂのシステムに依頼する。 ② 事業者Ｂのシステムは，事業者Ａのシステムに対して，ビジター情報を知らせるとともに関門ロケーションレジスタに登録する。 ③ ビジターが事業者Ｂのサービスエリアに入っている間，関門ロケーションレジスタがホームロケーションレジスタとして振舞う。 ④ 他の網からビジターに電話がかかってきて，ビジターに関する問合わせがあると関門ロケーションレジスタの内容が返される。