Wireless-communication-quick-guide

ワイヤレス通信-概要

ワイヤレス通信では、ワイヤ、ケーブル、またはその他の導電体の助けを借りずに、距離を置いて情報を送信します。

ワイヤレス通信は、ワイヤレス通信技術とデバイスを介してワイヤレス信号を使用して、2つ以上のデバイス間で接続および通信するすべての手順と形式を含む広義の用語です。

無線通信の特徴

ワイヤレス技術の進化は、その効果的な機能により多くの進歩をもたらしました。

• 送信される距離は、数メートル（たとえば、テレビのリモコン）から数千キロメートル（たとえば、無線通信）までの範囲です。
• ワイヤレス通信は、携帯電話、インターネットへのワイヤレスアクセス、ワイヤレスホームネットワーキングなどに使用できます。
• 無線無線技術のアプリケーションの他の例には、GPSユニット、ガレージドアオープナー、無線コンピューターマウス、キーボードとヘッドセット、ヘッドフォン、ラジオ受信機、衛星テレビ、放送テレビ、コードレス電話が含まれます。

ワイヤレス通信の進化

ワイヤレス-利点

ワイヤレス通信には、2つ以上のポイント間の物理的な接続なしでの情報の転送が含まれます。 「物理インフラストラクチャ」が存在しないため、無線通信には特定の利点があります。 これには、折りたたみ距離またはスペースが含まれることがよくあります。

ワイヤレス通信にはいくつかの利点があります。最も重要なものは以下で議論されています-

費用対効果

有線通信では、接続ワイヤを使用する必要があります。 ワイヤレスネットワークでは、通信に手の込んだ物理的なインフラストラクチャや保守作業は必要ありません。 したがって、コストが削減されます。

例-無線通信サービスを提供する会社は多くの費用を負担せず、その結果、顧客料金に関して安く請求することができます。

柔軟性

無線通信により、人々は場所に関係なく通信できます。 メッセージをやり取りするためにオフィスや電話ブースにいる必要はありません。

奥地の鉱山労働者は、衛星電話を使用して愛する人に電話をかけることができます。したがって、最も重要な人と連絡を取り合うことで、一般的な福祉の向上に役立ちます。

便利さ

携帯電話などの無線通信デバイスは非常にシンプルであるため、どこにいても誰でも使用できます。 メッセージを送受信するために物理的に接続する必要はありません。

例-無線通信サービスは、Wi-Fiなどのインターネット技術でも見ることができます。 ネットワークケーブルが移動を妨げることなく、いつでもどこでもほとんど誰とでも接続できます。

速度

速度の改善も見られます。 ネットワーク接続またはアクセシビリティの精度と速度が大幅に改善されました。

例-ワイヤレスリモートは、有線よりも高速にシステムを操作できます。 機械のワイヤレス制御は、何かがうまくいかないと簡単に動作を停止することがありますが、直接操作はそれほど速く動作しません。

アクセシビリティ

ワイヤレステクノロジーは、地上線を適切に敷設できない遠隔地がネットワークに簡単に接続されているため、簡単にアクセスできます。

例-地方では、オンライン教育が可能になりました。 教育者は、レッスンを教えるために遠く離れた場所に移動する必要がなくなりました。 教育モジュールのライブストリーミングに感謝します。

常時接続

また、常時接続により、緊急事態に比較的迅速に対応できます。

例-有線の固定電話ではできないのに対し、場所を移動したり旅行中に移動したりしても、ワイヤレスモバイルは一定の接続性を確保できます。

モバイルテレフォニーの用語

ここでは、モバイルテレフォニーで使用されるさまざまな用語のうち、最も使用される用語について説明します。

モバイルステーション（MS）-モバイルステーション（MS）はユーザーと情報を通信し、エアインターフェースの伝送プロトコルに変更してBSSと通信します。 ユーザー情報は、スピーチ用のマイクとスピーカー、ショートメッセージング用のキーボードとディスプレイ、および他のデータ端末用のケーブル接続を介してMSと通信します。 モバイルステーションには、モバイル機器（ME）とサブスクライバーアイデンティティモジュール（SIM）の2つの要素があります。

モバイル機器（ME）-MEは、顧客が機器メーカーから購入するハードウェアです。 ハードウェアには、プロトコルの実装に必要なすべてのコンポーネントが含まれており、ユーザーとのインターフェースおよびベースステーションへのエアインターフェースがインターフェースされます。

画像：/wireless_communication/images/mobile_telephony.jpg [携帯電話]画像：/wireless_communication/images/sim.jpg [SIM]

• Subscriber Identity Module（SIM）*-これは、アドレスやサービスタイプなどのユーザーの仕様を識別するために、サブスクリプションで発行されるスマートカードです。 GSMの呼び出しは、端末ではなくSIMに向けられます。

SMSもSIMカードに保存されます。 すべてのユーザーの個人情報を保持し、多くの便利なアプリケーションを可能にします。

基地局（BS）-基地局はユーザーデータを送受信します。 モバイルがユーザーのデータ送受信のみを担当する場合、基地局は複数の加入者のコールを同時に処理できます。

ベーストランシーバーステーション（BTS）-ユーザーデータ伝送は、ベーストランシーバーステーションを介して携帯電話とベースステーション（BS）の間で行われます。 トランシーバーは、送受信する、つまり両方を行う回路です。

• Mobile Switching Center（MSC）*-MSCは、Signaling System 7（SS7）プロトコルとサービスプロバイダーのカバレッジエリア内の他のMSCを使用してPSTNスイッチと通信できるワイヤレススイッチのハードウェア部分です。 MSCは、他の有線および無線ネットワークとの通信、および移動局との接続の登録と保守のサポートも提供します。

次の図は、さまざまなサブシステムの一部を示しています。 HLR、VLR、EIR、およびAuCは、ネットワークサブシステムのサブシステムです。

ベースステーション

チャンネル-特定のサービスまたはシステムに割り当てられた周波数の範囲です。

制御チャネル-コールセットアップ、コール要求、コール開始、およびその他のビーコンまたは制御目的の送信に使用される無線チャネル。

• Forward Control Channel（FCC）*-基地局からモバイルへの情報の送信に使用される無線チャネル
• Reverse Channel（RC）*-モバイルから基地局への情報の送信に使用される無線チャネル。

音声チャネル（VC）-音声またはデータの送信に使用される無線チャネル。

ハンドオフ-チャネルまたは基地局から別の基地局にコールを転送することとして定義されます。

ローマー-サービスが加入しているサービスエリア以外のサービスエリアで動作する移動局

トランシーバ-無線信号を同時に送信および受信できるデバイス。

ワイヤレス通信-マルチアクセス

複数のアクセススキームを使用して、多くのモバイルユーザーが有限量の無線スペクトルを同時に共有できるようにします。

複数のアクセス手法

無線通信システムでは、加入者が基地局から移動局に情報を受信しながら、移動局から基地局に同時に情報を送信できることが望ましい場合が多い。

セルラーシステムは、所定のエリアをセルに分割し、各セル内のモバイルユニットが基地局と通信します。 セルラーシステムの設計の主な目的は、*チャネルの容量を増やす*こと、つまり、十分なレベルのサービス品質で所定の帯域幅でできるだけ多くのコールを処理できるようにすることです。

チャンネルへのアクセスを許可するには、いくつかの異なる方法があります。 これらには主に以下が含まれます-

• 周波数分割多元接続（FDMA）
• 時分割多元接続（TDMA）
• コード分​​割多元接続（CDMA）
• 空間分割多重アクセス（SDMA）

利用可能な帯域幅がユーザーにどのように割り当てられるかに応じて、これらの手法は*狭帯域*および*広帯域*システムに分類できます。

狭帯域システム

コヒーレンス帯域幅よりも大幅に狭いチャネルで動作するシステムは、狭帯域システムと呼ばれます。 狭帯域TDMAを使用すると、ユーザーは同じチャネルを使用できますが、チャネル上の各ユーザーに一意のタイムスロットを割り当て、単一のチャネルで少数のユーザーを時間的に分離します。

広帯域システム

広帯域システムでは、単一チャネルの伝送帯域幅は、チャネルのコヒーレンス帯域幅よりもはるかに大きくなります。 したがって、マルチパスフェージングは​​広帯域チャネル内の受信信号に大きな影響を与えず、周波数選択性フェードは信号帯域幅のごく一部でのみ発生します。

周波数分割多元接続（FDMA）

FDMAは、高度な携帯電話サービスの基本技術です。 FDMAの機能は次のとおりです。

• FDMAは、ネットワークにアクセスするために、異なるユーザーごとに異なる周波数のサブバンドを割り当てます。
• FDMAが使用されていない場合、チャネルは他のユーザーに割り当てられるのではなく、アイドル状態のままになります。
• FDMAは狭帯域システムに実装されており、TDMAよりも複雑ではありません。
• ここでは、隣接するチャネルの干渉を減らすために厳しいフィルタリングが行われます。
• 基地局BSと移動局MSは、FDMAで同時に連続して送受信します。

時分割多元接続（TDMA）

連続送信が不要な場合は、FDMAの代わりにTDMAが使用されます。 TDMAの機能には次のものがあります。

• TDMAは、各ユーザーが重複しないタイムスロットを使用する複数のユーザーと単一のキャリア周波数を共有します。
• TDMAでのデータ送信は連続的ではありませんが、バーストで発生します。 したがって、ハンドオフプロセスはより簡単です。
• TDMAは送信と受信に異なるタイムスロットを使用するため、デュプレクサは不要です。
• TDMAには、フレームごとに異なる数のタイムスロットを異なるユーザーに割り当てることができるという利点があります。
• 優先度に基づいてタイムスロットを連結または再割り当てすることにより、帯域幅をオンデマンドでさまざまなユーザーに提供できます。

コード分​​割多重アクセス（CDMA）

コード分​​割多重アクセス技術は、複数の送信機が単一のチャネルを使用して情報を同時に送信する多重アクセスの例です。 その特徴は次のとおりです。

• CDMAでは、すべてのユーザーが個別の周波数で割り当てられるのではなく、利用可能なすべてのスペクトルを使用します。
• 音声およびデータ通信には、CDMAを強くお勧めします。
• CDMAでは複数のコードが同じチャネルを占有しますが、同じコードを持つユーザーは互いに通信できます。
• CDMAは、TDMAよりも多くの空域容量を提供します。
• 基地局間のハンドオフは、CDMAによって非常にうまく処理されます。

空間分割多元接続（SDMA）

空間分割多元接続または空間分割多元接続は、MIMO（多入力多出力）アーキテクチャであり、主に無線および衛星通信で使用される技術です。 以下の機能があります。

• すべてのユーザーは、同じチャネルを使用して同時に通信できます。
• SDMAは完全に干渉を受けません。
• 単一の衛星は、同じ周波数のより多くの衛星受信機と通信できます。
• 指向性スポットビームアンテナが使用されるため、SDMAの基地局は移動中のユーザーを追跡できます。
• 空間内の各ユーザーの放射エネルギーを制御します。

スペクトラム拡散多重アクセス

スペクトラム拡散多重アクセス（SSMA）は、必要な最小RF帯域幅よりも大きい伝送帯域幅を持つ信号を使用します。

スペクトル拡散多元接続技術には主に2つのタイプがあります-

• 周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）
• 直接シーケンススペクトラム拡散（DSSS）

周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）

これは、個々のユーザーの搬送周波数が広帯域チャネル内で疑似ランダムに変化するデジタル多元接続システムです。 デジタルデータは均一なサイズのバーストに分割され、異なるキャリア周波数で送信されます。

ダイレクトシーケンススペクトラム拡散（DSSS）

これは、CDMAで最も一般的に使用される技術です。 DS-SSでは、メッセージ信号に疑似ランダムノイズコードが乗算されます。 各ユーザーには、他のユーザーのコードと直交する独自のコードワードが与えられ、ユーザーを検出するために、レシーバーはトランスミッターが使用するコードワードを知っている必要があります。

*hybrid* と呼ばれる組み合わせシーケンスは、別のタイプのスペクトラム拡散としても使用されます。 *タイムホッピング*もめっ​​たに言及されない別のタイプです。

多くのユーザーが互いに干渉することなく同じスペクトラム拡散帯域幅を共有できるため、スペクトラム拡散システムは複数ユーザー環境で「帯域幅効率」になります。

チャネル特性

ワイヤレスチャネルは、パス損失、干渉、*ブロック*などのさまざまな伝送障害の影響を受けやすくなっています。 これらの要因により、無線伝送の範囲、データレート、および信頼性が制限されます。

パスの種類

これらの要因が送信に影響を与える程度は、環境条件と送信機と受信機のモビリティに依存します。 受信機に到達するために信号が続くパスは、次のような2つのタイプです-

ダイレクトパス

送信された信号は、受信機に直接到達すると、 directpath と呼ばれ、信号に存在するコンポーネントは* directpathコンポーネント*と呼ばれます。

マルチパス

さまざまな現象が発生するさまざまな方向から受信機に到達すると、送信された信号はそのような経路を*マルチパス*と呼ばれ、送信された信号の成分は*マルチパス成分*と呼ばれます。

これらは環境によって反射、回折、散乱され、直接経路成分に対して振幅、周波数、位相がシフトした受信機に到達します。

ワイヤレスチャネルの特性

ワイヤレスチャネルの最も重要な特性は次のとおりです-

• 経路損失
• フェージング
• 干渉
• ドップラーシフト

次のセクションでは、これらのチャネル特性を1つずつ説明します。

パスロス

パス損失は、特定のパスで、送信信号の電力と受信機が受信した同じ信号の電力の比として表すことができます。 これは伝播距離の関数です。

• 経路損失の推定は、無線通信ネットワークの設計と展開にとって非常に重要です
• 経路損失は、使用される無線周波数や地形の性質などの多くの要因に依存します。
• 自由空間伝播モデルは、送信機と受信機の間に直接経路信号が存在する最も単純な経路損失モデルであり、大気の減衰やマルチパス成分はありません。

このモデルでは、送信電力 P〜t〜 と受信電力 P〜r〜 の関係は次の式で与えられます。

どこで

• * G〜t〜*は送信機のアンテナゲインです
• * G〜r〜*は受信機のアンテナゲインです
• d は、送信機と受信機の間の距離です
• *λ*は信号の波長です

ツーパスモデルとも呼ばれる双方向モデルは、広く使用されているパス損失モデルです。 上記の自由空間モデルでは、送信機から受信機への単一経路が1つしかないことを想定しています。

実際には、信号は複数の経路を介して受信機に到達します。 2パスモデルは、この現象をキャプチャしようとします。 このモデルでは、信号が2つのパスを介して受信機に到達すると想定しています。

2パスモデルによれば、受信電力は次の式で与えられます。

どこで

• * p〜t〜*は送信電力です
• * G〜t〜*は送信機でのアンテナゲインを表します
• * G〜r〜*は受信機でのアンテナゲインを表します
• d は、送信機と受信機の間の距離です
• * h〜t〜*は送信機の高さです
• * h〜r〜*は受信機の高さです

フェージング

フェージングとは、受信機で受信したときの信号強度の変動を指します。 フェージングは​​2つのタイプに分類することができます-

• 高速フェージング/小規模フェージングと
• 遅いフェージング/大規模なフェージング

高速フェージングとは、わずかに異なる時間に受信機に到達する同じ送信信号の複数のバージョン間の干渉による、受信信号の振幅、位相、またはマルチパス遅延の急激な変動を指します。

最初のバージョンの信号を受信して​​から最後にエコーされた信号を受信するまでの時間を*遅延スプレッド*と呼びます。 高速フェージングを引き起こす送信信号のマルチパス伝播は、3つの伝播メカニズム、つまり-

• 反射
• 回折
• 散乱

複数の信号経路は、受信機で建設的または破壊的に追加される場合があり、受信信号の電力レベルの変動を引き起こす場合があります。 高速フェージング信号の受信された単一エンベロープは、送信機と受信機の間に見通し経路がないかどうかを確認するために、*レイリー分布*に従うと言われています。

遅いフェージング

Slow Fadingという名前自体は、信号がゆっくりとフェードアウトすることを意味します。 低速フェージングの機能は次のとおりです。

• 伝送を部分的に吸収するオブジェクトが送信機と受信機の間にある場合、低速フェージングが発生します。
• フェードの持続時間が数秒または数分間続くことがあるため、スローフェージングは​​そのように呼ばれます。
• 受信機が建物内にあり、電波が建物の壁を通過する必要がある場合、または受信機が建物によって送信機から一時的に遮蔽されている場合、低速フェージングが発生する可能性があります。 妨害物により、受信信号電力にランダムな変動が生じます。
• 送信機と受信機の間の距離は同じままですが、フェージングが遅いと受信信号電力が変化する可能性があります。
• スローフェージングは​​シャドウフェージング*とも呼ばれます。フェードを引き起こすオブジェクトは、大きな建物や他の構造物である可能性があり、送信機から受信機への直接伝送パスをブロックするためです。

干渉

ワイヤレス伝送は、さまざまなソースからの干渉に対抗する必要があります。 干渉の2つの主な形式は-

• 隣接チャネル干渉と
• 同一チャネル干渉。

隣接チャネル干渉の場合、近くの周波数の信号には割り当てられた範囲外のコンポーネントがあり、これらのコンポーネントは隣接する周波数で進行中の送信を妨害する可能性があります。 これは、割り当てられた周波数範囲の間にガードバンドを慎重に導入することで回避できます。

• 狭帯域干渉*とも呼ばれる同一チャネル干渉*は、同じ送信周波数を使用する他の近くのシステムによるものです。

• シンボル間干渉*は別のタイプの干渉です。受信信号の歪みは、信号内の個々のパルスの一時的な拡散とその結果生じるオーバーラップによって引き起こされます。

• 適応型イコライゼーション*は、シンボル間干渉を防ぐために一般的に使用される手法です。 分散したシンボルエネルギーを元の時間間隔に収集します。 イコライゼーションプロセスでは、複雑なデジタル処理アルゴリズムが使用されます。

ワイヤレス通信-TCP/IP

元のTCP/IPプロトコルは、ハードウェア上に構築された4つのソフトウェア層として定義されていました。 ただし、今日では、TCP/IPは、OSIモデルと同様の名前が付けられた5層モデルと考えられています。

OSIとTCP/IP Suiteの比較

2つのモデルを比較すると、セッションとプレゼンテーションの2つのレイヤーがTCP/IPプロトコルから欠落していることがわかります。 スイートのアプリケーション層は、通常、OSIモデルの3つの層の組み合わせと見なされます。

OSIモデルは、どの機能がその各層に属するかを指定しますが、TCP/IPプロトコルスイートの層には、システムのニーズに応じて混合および照合できる比較的独立したプロトコルが含まれます。 階層という用語は、上位レベルの各プロトコルが1つ以上の下位レベルのプロトコルによってサポートされることを意味します。

TCP/IPスイートのレイヤー

TCP/IPモデルの4つの層は、ホストからネットワークへの層、インターネット/ネットワーク層、トランスポート層、およびアプリケーション層です。 TCP/IPプロトコルスイートの各層の目的については、以下で詳しく説明します。

TCP/IPの層

上の画像は、TCP/IPプロトコルスイートのレイヤーを表しています。

物理層

TCP/IPは、物理層に特定のプロトコルを定義しません。 すべての標準および独自のプロトコルをサポートしています。

• このレベルでは、通信はコンピューターまたはルーターの2つのホップまたはノード間で行われます。 通信の単位は*シングルビット*です。
• 2つのノード間で接続が確立されると、ビットストリームがノード間を流れます。 ただし、物理層は各ビットを個別に扱います。

ビットの配信に加えて、物理層の責任は、OSIモデルの物理層について述べたものと一致しますが、それは主にリンクを提供する基礎となる技術に依存します。

データリンク層

TCP/IPは、データリンク層の特定のプロトコルも定義しません。 すべての標準および独自のプロトコルをサポートしています。

• このレベルでも、通信は2つのホップまたはノード間で行われます。 ただし、通信の単位は*フレーム*と呼ばれるパケットです。
• *フレーム*は、ネットワーク層から受信したデータを、ヘッダーと場合によってはトレーラーを追加してカプセル化するパケットです。
• ヘッドには、他の通信情報の中でも、フレームの送信元と宛先が含まれます。
• 多くのノードがリンクに接続されている可能性があるため、フレームの正しい受信者を定義するには*宛先アドレス*が必要です。
• *発信元アドレス*は、一部のプロトコルで必要とされる可能性のある応答または確認に必要です。

この層では、LAN、パケット無線、およびポイントツーポイントプロトコルがサポートされています

ネットワーク層

ネットワーク層では、TCP/IPはインターネットプロトコル（IP）をサポートしています。 インターネットプロトコル（IP）は、TCP/IPプロトコルで使用される伝送メカニズムです。

• IPは、 datagrams と呼ばれるパケットでデータを転送します。各パケットは個別に転送されます。
• データグラムはさまざまなルートに沿って移動でき、順序どおりに到着しないか、複製される可能性があります。

IPはルートを追跡せず、宛先に到着したデータグラムを並べ替える機能はありません。

トランスポート層

トランスポート層とネットワーク層には主な違いがあります。 ネットワーク内のすべてのノードにネットワーク層が必要ですが、トランスポート層が必要なのは2台のエンドコンピューターのみです。

• ネットワーク層は、コンピューターAからコンピューターBに個々のデータグラムを送信します。トランスポート層は、AからBに*セグメント*と呼ばれるメッセージ全体を配信します。
• セグメントは、数個または数十個の*データグラム*で構成されます。 セグメントをデータグラムに分割し、各データグラムを送信のためにネットワーク層に配信する必要があります。
• インターネットではデータグラムごとに異なるルートが定義されているため、データグラムが順番どおりに到着せず、失われる可能性があります。
• コンピューターBのトランスポート層は、これらすべてのデータグラムが到着するまで待機し、それらを組み立てて、セグメントを作成する必要があります。

従来、トランスポート層は、TCP/IPスイートでは、*ユーザーデータグラムプロトコル（UDP）*および*送信制御プロトコル（TCP）*の2つのプロトコルで表されていました。

• Stream Control Transmission Protocol（SCTP）*と呼ばれる新しいプロトコルがここ数年で導入されました。

アプリケーション層

TCP/IPのアプリケーション層は、OSIモデルのセッション、プレゼンテーション、およびアプリケーション層を組み合わせたものと同等です。

• アプリケーション層により、ユーザーはプライベートインターネットまたはグローバルインターネットのサービスにアクセスできます。
• この層では、電子メールファイル転送、World Wide Webへのアクセスなどのサービスを提供するために多くのプロトコルが定義されています。
• この層でサポートされるプロトコルは TELNET、FTP および HTTP です。

セルラーワイヤレスネットワーク

携帯電話ネットワークは、携帯電話、パーソナル通信システム、ワイヤレスネットワークなどの基盤となる技術です。 この技術は、携帯電話用に開発され、高出力の送受信システムに取って代わります。 セルラーネットワークでは、データ送信に低電力、短距離、より多くの送信機を使用します。

セルラーシステムの機能

ワイヤレスセルラーシステムは、スペクトル輻輳の問題を解決し、ユーザーキャパシティを増加させます。 セルラーシステムの特徴は次のとおりです-

• 限られたスペクトルで非常に高い容量を提供します。
• 異なるセルでの無線チャネルの再利用。
• カバレッジリージョン全体でチャネルを再利用することにより、固定数のチャネルが任意の多数のユーザーにサービスを提供できるようにします。
• 通信は常にモバイルとベースステーション間で行われます（モバイル間では直接行われません）。
• 各セルラー基地局には、セルと呼ばれる小さな地理的領域内の無線チャネルのグループが割り当てられます。
• 隣接セルには、異なるチャネルグループが割り当てられます。
• カバレッジエリアをセルの境界内に制限することにより、チャネルグループを再利用して異なるセルをカバーできます。
• 干渉レベルを許容範囲内に保ちます。
• 周波数の再利用または周波数計画。
• 無線セルラーネットワークの構成。

セルラーネットワークは、それぞれが100ワット以下の複数の低電力送信機で構成されています。

セルの形状

セルラーネットワークのカバレッジエリアは*セル*に分割され、各セルには信号を送信するための独自のアンテナがあります。 各セルには独自の周波数があります。 セルラーネットワークでのデータ通信は、その基地局の送信機、受信機、およびその制御ユニットによって処理されます。

セルの形状は、正方形または六角形にすることができます-

平方

正方形のセルには、距離 d に4つの近傍があり、距離Root 2 d に4つの近傍があります。

• 隣接するすべてのアンテナが等距離であればより良い
• 新しいアンテナの選択と切り替えを簡素化

六角形

カバレッジと計算が簡単なため、六角形のセル形状を強くお勧めします。 それは次の利点を提供します-

• 等距離アンテナを提供
• 中心から頂点までの距離は辺の長さに等しい

六角形

周波数の再利用

周波数の再利用とは、通信を確立するために、最小限の干渉で、かなりの距離だけ離れた所定のエリア内で同じ無線周波数を使用するという概念です。

周波数の再利用には次の利点があります-

• 特定の周波数でセル内の通信を許可します
• 隣接セルへの脱出電力を制限します
• 近くのセルで周波数を再利用できます
• 複数の会話に同じ頻度を使用します
• セルあたり10〜50の周波数

たとえば、 N セルが同じ数の周波数を使用しており、 K がシステムで使用される合計周波数数である場合。 次に、式 K/N を使用して、各*セル周波数*が計算されます。

高度な携帯電話サービス（AMPS）では、K = 395およびN = 7の場合、セルあたりの周波数は平均で395/7 = 56になります。 ここで、 cell frequency は56です。

伝播損失

アンテナと電波の伝播は、無線通信ネットワークで重要な役割を果たします。 アンテナは、宇宙への/からの電磁エネルギーを放射/収集（送信または受信）する電気導体または導体のシステムです。 理想的な等方性アンテナは、すべての方向に均等に放射します。

伝播メカニズム

ワイヤレス伝送は3つのモードで伝播します。 彼らは-

• 地上波伝搬
• 空波の伝播
• 見通し伝搬

• 地上波の伝搬*は地球の輪郭をたどりますが、*空波の伝搬*は地球と電離層の両方による反射を使用します。

• 見通し線の伝搬*では、送信アンテナと受信アンテナが互いに見通し線内にある必要があります。 基礎となる信号の周波数に応じて、特定の伝搬モードに従います。

地上波および空波通信の例は、* AMラジオ*および* BBCなどの*国際放送*です。 30 MHzを超えると、地上波も空波も伝搬せず、通信は見通し線を介して行われます。

伝送の制限

このセクションでは、電磁波伝送に影響するさまざまな制限について説明します。 減衰から始めましょう。

減衰

信号の強度は、伝送媒体上の距離とともに低下します。 減衰の程度は、距離、伝送媒体、および基礎となる伝送の周波数の関数です。

ねじれ

さまざまな周波数の信号はさまざまな範囲で減衰するため、ある範囲の周波数にわたる成分で構成される信号が歪む、つまり受信信号の形状が変化します。

この問題を解決する（および元の形状を回復する）標準的な方法は、より高い周波数を増幅し、周波数帯域全体で減衰を均等化することです。

分散

分散は、伝播中に電磁エネルギーのバーストが広がる現象です。 急速に送信されるデータのバーストは、分散のためにマージされる傾向があります。

ノイズ

ノイズの最も一般的な形態は熱ノイズであり、多くの場合、加法ガウスモデルを使用してモデル化されます。 熱雑音は、電子の熱攪拌によるものであり、周波数スペクトル全体に均一に分布しています。

ノイズの他の形態には、次のものがあります-

• 相互変調ノイズ（搬送周波数の和または差である周波数で生成された信号が原因）
• クロストーク（2つの信号間の干渉）
• インパルスノイズ（外部の電磁妨害によって引き起こされる高エネルギーの不規則なパルス）。

インパルスノイズはアナログデータに大きな影響を与えないかもしれませんが、デジタルデータに顕著な影響を与え、*バーストエラー*を引き起こします。

バーストエラー

上の図は、ノイズ信号が元の信号とどのように重なり、その特性を変更しようとするかを明確に示しています。

フェージング

フェージングとは、時間/距離に関する信号強度の変動を指し、無線伝送で広く普及しています。 ワイヤレス環境におけるフェージングの最も一般的な原因は、マルチパスの伝播とモビリティ（オブジェクトと通信デバイスの）です。

マルチパス伝播

ワイヤレスメディアでは、信号は反射、散乱、回折の3つの原則を使用して伝播します。

• *反射*は、信号が大きな固体表面に遭遇すると発生します。そのサイズは、信号の波長よりもはるかに大きく、たとえば固体壁です。
• *回折*は、信号がエッジまたはコーナーに遭遇したときに発生します。エッジまたはコーナーのサイズは、信号の波長よりも大きくなります（壁のエッジなど）。
• *散乱*は、信号の波長よりも小さいサイズの小さな物体に信号が遭遇したときに発生します。

マルチパス伝搬の結果の1つは、複数の異なるパスに沿った信号伝搬の複数のコピーが、異なる時点で任意のポイントに到達することです。 そのため、あるポイントで受信した信号は、チャネル内の*固有のノイズ、歪み、減衰*、*分散*だけでなく、複数のパスに沿って伝播する*信号の相互作用*にも影響されます。

遅延スプレッド

ある場所からプローブパルスを送信し、時間の関数として受信者の場所で受信した信号を測定するとします。 受信信号の信号電力は、マルチパス伝搬により時間とともに広がります。

遅延の広がりは、時間の経過に伴う遅延の広がりの密度関数によって決まります。 *平均遅延スプレッド*と*二乗平均平方根遅延スプレッド*は、計算可能な2つのパラメータです。

ドップラースプレッド

これは、モバイル無線チャネルの変化率によって引き起こされる「スペクトルの広がり」の尺度です。 これは、モバイルと基地局間の相対的な動き、またはチャネル内のオブジェクトの動きのいずれかによって引き起こされます。

モバイルの速度が速い場合、ドップラースプレッドは大きく、結果として生じるチャネルの変動はベースバンド信号のそれよりも速くなります。これは「高速フェージング」と呼ばれます。 チャネルの変動がベースバンド信号の変動よりも遅い場合、結果として生じるフェージングは​​「低速フェージング」と呼ばれます。

無線通信-テクニック

場合によっては、出力に影響するパフォーマンス低下の範囲があります。 この主な原因は、モバイルチャネルの障害です。 これを解決するために、3つの一般的なテクニックがあります-

イコライザ

受信機内のイコライザーは、予想されるチャネル振幅と遅延特性の平均範囲を補正します。 言い換えれば、イコライザーは、そのインパルス応答がチャネルインパルス応答の逆であるモバイル受信機のフィルターです。 このようなイコライザーは、*周波数選択性フェージング*チャンネルで使用されます。

多様性

ダイバーシティは、*高速フェージング*を補正するために使用される別の手法であり、通常、2つ以上の受信アンテナを使用して実装されます。 通常、フラットフェージングチャネルで受信機が受けるフェードの深さと持続時間を減らすために使用されます。

チャンネルコーディング

• チャネルコーディング*は、送信メッセージに冗長データビットを追加することにより、モバイル通信リンクのパフォーマンスを向上させます。 送信機のベースバンド部分では、チャネルコーダーがデジタルメッセージシーケンスを、メッセージに含まれるオリジナルよりも多くのビット数を含む別の特定のコードシーケンスにマッピングします。 チャネルコーディングは、*ディープフェーディング*または*スペクトルヌル*を修正するために使用されます。

イコライゼーション

ISI（Inter Symbol Interference）は、モバイル無線チャネルを介した高速データ伝送の主要な障害の1つとして特定されています。 変調帯域幅が無線チャネルの*コヒーレンス帯域幅*（つまり、周波数選択性フェージング）を超えると、変調パルスが時間内に広がり、ISIが発生します。

レシーバーのフロントエンドのイコライザーは、予想されるチャネル振幅と遅延特性の平均範囲を補正します。 モバイルフェージングチャネルは*ランダム*および*時変*であるため、イコライザーはモバイルチャネルの時変特性を追跡する必要があるため、時変または適応的でなければなりません。 アダプティブイコライザーには、*トレーニング*および*トラッキング*という2つの操作フェーズがあります。

トレーニングモード

最初に、既知の固定長トレーニングシーケンスが送信機によって送信され、受信機のイコライザーが適切な設定に平均化されるようにします。 *トレーニングシーケンス*は、通常、規定のビットパターンの擬似ランダムバイナリ信号または固定です。

トレーニングシーケンスは、受信機のイコライザーが最悪のチャネル条件で*適切なフィルター係数*を取得できるように設計されています。 したがって、受信機の適応フィルタは、*再帰アルゴリズム*を使用してチャネルを評価し、フィルタ係数を推定してチャネルを補正します。

追跡モード

トレーニングシーケンスが終了すると、フィルター係数はほぼ最適になります。 トレーニングシーケンスの直後に、ユーザーデータが送信されます。

ユーザーのデータを受信すると、イコライザーの*適応アルゴリズム*が変化するチャネルを追跡します。 その結果、適応イコライザーはフィルターの特性を時間とともに継続的に変化させます。

多様性

ダイバーシティは、比較的低コストでワイヤレスリンクの改善を提供する強力な通信受信機技術です。 *多様性技術*は、主にフェージング無線チャネルのパフォーマンスを改善するために、ワイヤレス通信システムで使用されます。

そのようなシステムでは、受信機には同じ情報信号の複数のコピーが提供され、2つ以上の実通信チャネルまたは仮想通信チャネルを介して送信されます。 したがって、多様性の基本的な考え方は、*繰り返し*または*情報の冗長性*です。 実質的にすべてのアプリケーションで、ダイバーシティの決定は受信機によって行われ、送信機には認識されません。

多様性の種類

フェージングは​​、小規模*と*大規模フェーディング*に分類できます。 小規模なフェードは、モバイルがわずか数波長の距離を移動するときに発生する深く急激な振幅変動によって特徴付けられます。 狭帯域信号の場合、これは通常 Rayleighフェードエンベロープ*になります。 深いフェードの発生を防ぐために、顕微鏡の多様性技術は急速に変化する信号を活用できます。

受信機のアンテナ要素が送信波長の一部で分離されている場合、情報信号のさまざまなコピーまたは一般的にブランチと呼ばれるものを適切に組み合わせたり、受信信号として最も強いものを選択したりできます。 このようなダイバーシティテクニックは、*アンテナまたはスペースダイバーシティ*と呼ばれます。

周波数ダイバーシティ

同じ情報信号が異なるキャリアで送信され、それらの間の周波数分離は少なくともコヒーレンス帯域幅です。

時間の多様性

情報信号は定期的に定期的に繰り返し送信されます。 *送信時間の間隔は、コヒーレンス時間T〜c〜*よりも大きくなければなりません。 時間間隔はフェージングレートに依存し、フェージングレートの減少とともに増加します。

偏光ダイバーシティ

ここでは、情報を運ぶ信号の電界と磁界が修正され、多くのそのような信号が同じ情報を送信するために使用されます。 したがって、直交タイプの偏光が得られます。

角度の多様性

ここでは、指向性アンテナを使用して、複数のパスで送信信号の独立したコピーを作成します。

スペースダイバーシティ

スペースダイバーシティでは、異なる空間位置に複数の受信アンテナが配置されているため、異なる（おそらく独立した）受信信号が生成されます。

ダイバーシティスキームの違いは、最初の2つのスキームでは、送信される*情報の重複*信号により、帯域幅の浪費が発生するという事実にあります。 したがって、残りの3つのスキームでは問題が回避されますが、*アンテナの複雑さ*が増大するというコストがかかります。

アンテナ要素間の距離の関数としての信号間の相関は、関係によって与えられます-

どこで、

• * J〜0〜* =ゼロ次で第1種のベッセル関数
• d =アンテナ素子の空間における分離距離
• λ =搬送波長。

ワイヤレス通信-WAN

コンピュータの分野では、グループ接続の幅広い使用が避けられないため、 LAN （ローカルエリアネットワーク）が導入されています。 これらのLANは、単一の建物またはキャンパス内の小規模ネットワークのカテゴリに分類されます。

*WAN* は、都市などのより広いエリア、またはLANを超える限られたエリアをカバーする広域ネットワークです。 *ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（PAN）*は、PC、Personal Digital Assistant（PDA）などのポータブルおよびモバイルコンピューティングデバイスのネットワーク化のために、WLANからの次のステップであり、低電力伝送でより小さいエリアをカバーします。

WLANの基礎

有線ネットワークと無線ネットワークの違いを理解するには、WLANの技術的な問題を理解する必要があります。 次に、WLANの使用とその設計目標について検討します。 WLANの種類、そのコンポーネント、および基本的な機能も詳しく説明されています。

IEEE 802.11標準

このセクションでは、IEEE 802.11標準である著名な標準イオンWLANを紹介します。 メディアアクセス制御（MAC）層と物理層のメカニズムについて説明します。 このセクションでは、セキュリティやQuality of Service（QoS）などのオプション機能の一部についても説明します。

HIPERLANスタンダード

このセクションでは、無線アクセスに基づくヨーロッパの標準である別のWLAN標準であるHIPERLAN標準について説明します。

ブルートゥース

このセクションでは、インフラストラクチャがなくても個人用デバイスが相互に通信できるようにするBluetooth標準について説明します。

WLANの基礎

ポータブル端末とモバイル端末は両方ともある場所から別の場所に移動できますが、ポータブル端末は静止している場合にのみアクセスされます。

一方、モバイル端末（MT）はより強力で、移動中にアクセスできます。 WLANは、真にモバイルなワークステーションをサポートすることを目指しています。

WLANの使用

ワイヤレスコンピューターネットワークは、多様な機能を提供できます。 WLANは非常に柔軟性があり、アプリケーションに基づいてさまざまなトポロジで構成できます。 WLANのいくつかの可能な用途を以下に説明します。

• ユーザーは、インターネットを閲覧したり、電子メールをチェックしたり、移動中にインスタントメッセージを受信したりできます。
• 地震またはその他の災害の影響を受ける地域では、適切なインフラストラクチャがサイトで利用できない場合があります。 このような場所では、WLANがネットワークをオンザフライでセットアップするのに便利です。
• コンピュータネットワークをセットアップする必要があった多くの歴史的な建物があります。 そのような場所では、配線が許可されていないか、建物の設計が効率的な配線に適合していない可能性があります。 WLANは、このような場所では非常に優れたソリューションです。

設計目標

以下は、WLANの設計中に達成する必要がある目標の一部です-

• 操作の簡単さ-ワイヤレスLANの設計には、モバイルユーザーが簡単かつ効率的な方法でネットワークサービスをすばやくセットアップしてアクセスできるようにする機能を組み込む必要があります。
• 電力効率の高い操作-ラップトップやPDAなどのモバイルコンピューティングデバイスの電力制限の性質により、*最小の電力消費*で動作するWLANの重要な要件が必要になります。 したがって、WLANの設計には、省電力機能を組み込み、適切なテクノロジーとプロトコルを使用してこれを実現する必要があります。
• ライセンス不要の操作-ワイヤレスアクセスのコストに影響する主な要因の1つは、特定のワイヤレスアクセステクノロジが動作するスペクトルのライセンス料です。 *低コストのアクセス*は、WLANテクノロジーを普及させるための重要な側面です。 したがって、WLANの設計では、周波数スペクトルの一部を考慮する必要があります。 明示的に*必要としない*操作のために
• 干渉への耐性-民生用および軍事用アプリケーションの両方でさまざまなワイヤレスネットワーキングテクノロジーが普及しているため、無線スペクトル全体で干渉レベルが大幅に*増加しています。 + WLAN設計ではこれを考慮し、干渉が存在する場合に動作するテクノロジーとプロトコルを選択することにより、適切な対策を講じる必要があります。
• グローバルユーザビリティ-WLANの設計、技術の選択、および動作周波数スペクトルの選択では、世界中の国々で一般的な*スペクトル制限*を考慮する必要があります。 これにより、世界中のテクノロジーが受け入れられるようになります。
• セキュリティ-無線媒体に固有のブロードキャスト特性により、WLANテクノロジの設計に含まれるセキュリティ機能の要件が追加されます。
• 安全要件-WLANテクノロジの設計は、以下に分類できる安全要件に従う必要があります。
• 医療機器およびその他の機器への干渉。
• 健康被害を引き起こす可能性のある送信機の電力レベルの増加。 +適切に設計されたWLANは、特定の周波数スペクトルに適用される電力放射制限に従う必要があります。
• サービス品質要件-サービス品質（ QoS ）は、マルチメディアトラフィックの指定レベルのパフォーマンスのプロビジョニングを指します。 WLANの設計では、マルチメディアトラフィックを含むさまざまなトラフィックをサポートする可能性を考慮する必要があります。
• 他の技術やアプリケーションとの互換性-異なるLAN技術で動作するホスト間の効率的な通信には、異なるLANS間の相互運用性が重要です。

ネットワークアーキテクチャ

ネットワークアーキテクチャでは、WLANの種類、一般的なWLANのコンポーネント、およびWLANが提供するサービスについて説明します。

インフラストラクチャベースとアドホックLAN

WLANは、基盤となるアーキテクチャに基づいて、*インフラストラクチャネットワーク*と*アドホックLAN *の2つのタイプに大きく分類できます。

インフラストラクチャネットワーク

インフラストラクチャネットワークには、*アクセスポイント（AP）*と呼ばれる特別なノードが含まれており、既存のネットワークを介して接続されています。

• APは、既存の有線ネットワークだけでなく無線ノードとも対話できるという意味で特別です。
• モバイルステーション（STA）としても知られる他のワイヤレスノードは、APを介して通信します。
• APは、他のネットワークとのブリッジとしても機能します。

アドホックLAN

アドホックLANは、固定インフラストラクチャを必要としません。 これらのネットワークは、任意の場所でオンザフライでセットアップできます。 ノードは、直接アクセス可能な他のノードを介してメッセージを転送するために、互いに直接通信します。

ワイヤレス通信-Bluetooth

Bluetoothワイヤレステクノロジーは、ポータブルユニットを接続し、高レベルのセキュリティを維持するケーブルを置き換えることを目的とした短距離通信テクノロジーです。 Bluetoothテクノロジーは、アドホックテクノロジー *アドホックピコネット*に基づいています。これは、カバレッジが非常に限られているローカルエリアネットワークです。

Bluetoothの歴史

WLANテクノロジーにより、ワイヤレスキャリアプロバイダーを介したインフラストラクチャベースのサービスへのデバイス接続が可能になります。 確立されたインフラストラクチャなしで相互にワイヤレスで通信するパーソナルデバイスの必要性により、*パーソナルエリアネットワーク（PAN）*が登場しました。

• 1994年のエリクソンのBluetoothプロジェクトは、低電力で低コストの無線インターフェイスを使用した携帯電話間の通信を可能にするPANの標準を定義しています。

• 1988年5月、IBM、Intel、Nokia、東芝などの企業がエリクソンに参加し、PANの事実上の標準を開発することを目的としたBluetooth Special Interest Group（SIG）を設立しました。

• IEEEは、ワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（WPAN）用にIEEE 802.15.1という名前のBluetoothベースの規格を承認しました。 IEEE規格は、MACおよび物理層アプリケーションを対象としています。

  *Bluetooth* 仕様は、プロトコルスタック全体の詳細を示します。 Bluetoothは、通信に無線周波数（RF）を使用します。 *周波数変調*を使用して、 *ISM* 帯域の電波を生成します。

Bluetooth

Bluetoothの使用は、その特別な機能のために大幅に増加しています。

• Bluetoothは、さまざまなデバイスが相互に接続して通信するための均一な構造を提供します。
• Bluetoothテクノロジーは、世界中のほぼすべてのBluetooth対応デバイスをBluetooth対応デバイスと接続できるように、世界的に受け入れられています。
• Bluetoothテクノロジーの低消費電力と最大10メートルの提供範囲により、いくつかの使用モデルへの道が開かれました。
• Bluetoothは、ラップトップのアドホックネットワークを確立することにより、インタラクティブな会議を提供します。
• Bluetoothの使用モデルには、コードレスコンピューター、インターホン、コードレス電話、携帯電話が含まれます。

ピコネットとスキャターネット

Bluetooth対応の電子デバイスは、 Piconets と呼ばれる短距離デバイスを介してワイヤレスで接続および通信します。 Bluetoothデバイスは小規模なアドホック構成で存在し、マスターまたはスレーブのいずれかとして機能する能力を備えているため、仕様により master と slave がその役割を切り替えることができます。 1つのマスターと1つのスレーブを使用したポイントツーポイント構成が最も簡単な構成です。

3つ以上のBluetoothデバイスが相互に通信する場合、これは PICONET と呼ばれます。 Piconetには、単一のマスターの周りにクラスター化された最大7つのスレーブを含めることができます。 Piconetの確立を初期化するデバイスが*マスター*になります。

マスターは、以下に示す*時分割多重化*スキームの一部として、ネットワークメンバー間でネットワークを一連のタイムスロットに分割することにより、伝送制御を担当します。

ピコネット

ピコネットの機能は次のとおりです-

• ピコネット内では、さまざまなデバイスのタイミングと個々のデバイスの周波数ホッピングシーケンスは、クロックとマスターの一意の* 48ビットアドレス*によって決定されます。
• 各デバイスは、単一のPiconet内で最大7つの他のデバイスと同時に通信できます。
• 各デバイスは、同時に複数のピコネットと通信できます。
• ピコネットは、Bluetooth対応デバイスがピコネットを出入りするときに動的かつ自動的に確立されます。
• スレーブ間に直接接続はなく、すべての接続は基本的にマスターツースレーブまたはスレーブツーマスターです。
• これらがマスターによってポーリングされると、スレーブは送信を許可されます。
• 送信は、マスターからのポーリングパケットの直後のスレーブからマスターへのタイムスロットで開始されます。
• デバイスは、2つ以上のピコネットのメンバーになることができ、2番目のピコネットのマスターデバイスが指示する送信方式タイミングと周波数ホッピングシーケンスを調整することにより、あるピコネットから別のピコネットにジャンプできます。
• あるピコネットではスレーブになり、別のピコネットではマスターになります。 ただし、複数のピコネットでマスターになることはできません。
• 隣接するピコネットに常駐するデバイスは、内部ピコネット接続をサポートするブリッジを提供し、リンクされたピコネットのアセンブリが Scatternet として知られる物理的に拡張可能な通信インフラストラクチャを形成できるようにします。

スペクトラム

Bluetoothテクノロジは、2.4〜2.485 GHZの免許不要の産業、科学、医療（ISM）帯域で動作し、1600ホップ/秒の公称レートでのスペクトラム拡散ホッピング、全二重信号を使用します。 2.4 GHZ ISMバンドは、ほとんどの国で利用可能であり、ライセンスは必要ありません。

範囲

Bluetoothの動作範囲はデバイスによって異なりますクラス3無線の範囲は最大1メートルまたは3フィートですクラス2無線は10メートルまたは30フィートの範囲のモバイルデバイスで最も一般的に見られますクラス1無線は主に産業用途で使用されます範囲は100メートルまたは300フィートです。

データレート

Bluetoothは、バージョン1.2で1 Mbpsのデータレート、エラーデータレートと組み合わせたバージョン2.0で3 Mbpsのデータレートをサポートしています。

ワイヤレス通信-インターネット

インターネットの出現は、コンピューターの使用と情報の検索に革命的な変化をもたらしました。 インターネットは従来の情報交換の方法に影響を与えており、現在ではほぼすべての都市、すべての町、すべての道路がインターネットにアクセスしています。

今日、家庭、学校、企業はさまざまな方法を使用してインターネットに接続しています。 1つの方法であるワイヤレスインターネットサービスは、地下の銅線、ファイバー、または他の形態の商用ネットワークケーブルを必要とせずに、顧客にインターネットアクセスを提供します。 DSLやケーブルインターネットなどのより確立された有線サービスと比較して、ワイヤレステクノロジーはコンピューターネットワークの利便性とモビリティを向上させます。

以下のセクションでは、利用可能な一般的なワイヤレスインターネットサービスの各タイプについて説明します。

衛星インターネット

1990年代半ばに導入された衛星は、最初の主流の消費者向けワイヤレスインターネットサービスになりました。 他の形式のワイヤレスインターネットサービスと比較して、衛星は*可用性*の利点を享受します。 小さな* dishアンテナ、衛星モデム*、およびサブスクリプションプランのみを必要とする衛星は、他の技術のサービスを受けていないほぼすべての地方で機能します。

ただし、衛星は比較的低パフォーマンスのワイヤレスインターネットも提供します。 衛星は、長距離信号が地球と軌道ステーションの間を移動する必要があるため、高遅延（遅延）接続の影響を受けます。 衛星は、比較的控えめな量のネットワーク帯域幅もサポートします。

パブリックWi-Fiネットワーク

一部の自治体では、 Wi-Fi テクノロジーを使用して公共のワイヤレスインターネットサービスを構築しています。 これらのいわゆる「メッシュネットワーク」は、多数のワイヤレスアクセスポイントを結合して、より大きな都市部に広がっています。 個々のWi-Fiホットスポットは、特定の場所でパブリックワイヤレスインターネットサービスも提供します。

Wi-Fiは、他の形式のワイヤレスインターネットサービスに比べて低コストのオプションです。 機器は安価で（多くの新しいコンピューターには必要なハードウェアが組み込まれています）、一部の地域ではWi-Fiホットスポットが無料のままです。

固定無線ブロードバンド

固定ワイヤレスは、無線送信塔に向けられたマウントアンテナを利用するブロードバンドの一種です。

モバイルブロードバンド

携帯電話は何十年も前から存在していましたが、ごく最近になって携帯電話ネットワークが主流のワイヤレスインターネットサービスに進化しました。 セルラーネットワークアダプターをインストールするか、携帯電話をラップトップコンピューターにテザリングすることにより、*インターネット接続*を、セルタワーがカバーするあらゆるエリアで維持できます。 モバイルブロードバンドサービスは、一部のプロバイダーからのインターネットデータサブスクリプションがなければ機能しません。

従来の有線ネットワークは、TELNET、FTP、SMTPなどの多くのアプリケーションプロトコルを生み出しました。 ワイヤレスアプリケーションプロトコル（WAP）アーキテクチャは、ワイヤレスユーザーとユーザーに提供されるサービスとの間のアプリケーションレベルでのギャップを埋めることを目的としています。

ワイヤレスインターネット

ワイヤレスインターネットとは、インターネットによってモバイルユーザーに提供されるサービスの拡張機能を指し、ユーザーが場所に関係なく*情報*および*データ*にアクセスできるようにします。 ワイヤレスドメイン、ノードのモビリティ、およびインターネットで使用される既存のプロトコルの設計に関連する固有の問題には、ワイヤレスインターネットを実現するためのいくつかのソリューションが必要です。

ワイヤレスインターネットについて考慮されるべき主要な問題は次のとおりです-

• アドレスモビリティ
• トランスポート層プロトコルの非効率性と
• アプリケーション層プロトコルの非効率性

アドレスモビリティ

インターネットで使用されるネットワーク層プロトコルは、固定ノードを持つ有線ネットワーク用に設計されたインターネットプロトコル（IP）です。 IPは、*ネットワーク識別子*と*ホスト識別子*の2つの部分を持つグローバルに一意の32ビットアドレスを持つ階層型アドレス指定を採用しています。

ネットワーク識別子は、ホストが接続されている*サブネットアドレス*を参照します。 アドレス指定スキームは、インターネットのコアルーターのルーティングテーブルサイズを縮小するために使用されました。これは、ルーティングの決定にIPアドレスのネットワーク部分のみを使用します。

モバイルホストが1つの*サブネット*から別のサブネットに移動する可能性があるため、このアドレス指定スキームはインターネットのワイヤレス拡張で直接機能しない可能性がありますが、モバイルホストにアドレス指定されたパケットはノードが元々あった古いサブネットに配信される可能性があります添付。

トランスポート層プロトコルの非効率性

トランスポート層はインターネットにおいて非常に重要であり、エンドツーエンド接続、データパケットの*エンドツーエンド配信*、フロー制御*および*輻輳制御*の設定と維持を保証します。 特定のアプリケーションではコネクションレスで信頼性の低いトランスポート層プロトコルである *UDP が使用されますが、TCPは有線ネットワークの主要なトランスポート層プロトコルです。

無線インターネットは、その時間変化および環境依存特性のために本質的に信頼性が低いため、トランスポート層プロトコルの効率的な操作が必要です。 従来のTCPは、ネットワークの輻輳を処理するために*輻輳制御アルゴリズム*を呼び出します。 データパケットまたはACKパケットが失われた場合、TCPは*損失が輻輳*によるものであると想定し、輻輳ウィンドウのサイズを半分に減らします。

パケットが連続して失われるたびに、輻輳ウィンドウが減少*するため、TCPはワイヤレスリンクのパフォーマンスを低下させます。 パケット損失が *link error または collision によって引き起こされる状況でも、TCPは非常に低いスループットにつながる輻輳制御アルゴリズムを呼び出します。

パケット損失の原因となった実際の原因を特定することは、無線リンク上のTCPのパフォーマンスを向上させる上で重要です。 トランスポート層の問題の解決策のいくつかは次のとおりです-

• 間接TCP（ITCP）
• Snoop TCPおよび
• モバイルTCP

アプリケーション層プロトコルの非効率性

• HTTP、TELNET、簡易メール転送プロトコル（ *SMTP ）などのインターネットで使用される従来のアプリケーション層プロトコル、および HTML などのいくつかのマークアップ言語は、有線ネットワーク用に設計および最適化されました。 これらのプロトコルの多くは、ワイヤレスリンクで使用するとあまり効率的ではありません。

HTTPがワイヤレスインターネットで使用されるのを妨げる主な問題は、ステートレスな操作、文字エンコーディングによる高いオーバーヘッド、HTTP要求で伝送される冗長情報、およびすべてのトランザクションでの*新しいTCP接続*のオープンです。

ハンドヘルドデバイスの機能は限られているため、計算上および帯域幅に関して高価なアプリケーションプロトコルを処理するのは困難です。 ワイヤレスアプリケーションプロトコル（ WAP ）と従来のHTTPを介した最適化は、アプリケーション層の問題の解決策の一部です。

ワイヤレス通信-WAP

WAPは、ワイヤレスアプリケーションプロトコルの略です。 WAPは、単一のプロトコルではなく、一連のプロトコルを表します。 WAPは、マイクロブラウザとも呼ばれるシンプルな軽量ブラウザをハンドヘルドデバイスに統合することを目的としているため、これらのデバイスで*メモリ*や CPU などの最小限のリソースが必要です。

WAPは、ルーター、Webサーバー、 BS などのネットワークノードにより多くのインテリジェンスを組み込むことにより、ワイヤレスハンドヘルドデバイスとワイヤレスリンクの不足を補おうとします。

WAPプロトコルスイートの主な目的は次のとおりです。

• 無線ネットワーク標準からの独立
• サービスプロバイダー間の相互運用性
• 無線媒体の不足を克服する
• ハンドヘルドデバイスの欠点を克服する
• 効率と信頼性の向上 *セキュリティ、スケーラビリティ、および拡張性の提供

WAPモデル

WAPはクライアント/サーバーアプローチを採用しています。 ワイヤレスドメインとコア有線ネットワークの間のインターフェイスとして機能するプロキシサーバーを指定します。* WAPゲートウェイ*としても知られるこのプロキシサーバーは、プロトコル変換やワイヤレスメディアを介したデータ転送の最適化など、さまざまな機能を担当します。

ワイヤレスネットワークの部分は以下で構成されます-

• コンテンツプロバイダー（アプリケーションまたはオリジンサーバー）
• モバイルデバイス（WAPクライアント）
• WAPゲートウェイ
• WAPプロキシ

WAPアーキテクチャは、Webに密接に従うように設計されています。 唯一の違いは、WAPゲートウェイの存在がHTTPとWAPの間の変換であるということです。

WAPクライアント

WAPクライアントに関して言及する3つのセクションは、WAEユーザーエージェント、WTAユーザーエージェント、およびWAPスタックです。

• * WAEユーザーエージェント*-ワイヤレスアプリケーション環境ユーザーエージェントは、表示用のコンテンツをレンダリングするブラウザーです。
• * WTAユーザーエージェント*-ワイヤレステレフォニーアプリケーションエージェントは、WTAサーバーからコンパイル済みのWTAファイルを受信して​​実行します。
• * WAPスタック*-WAPスタックにより、電話機はWAPプロトコルを使用してWAPゲートウェイに接続できます。

アプリケーション・サーバー

情報（Web、WAP）アプリケーションが存在するネットワーク内の要素は、WAPプロキシ、WAPゲートウェイ、またはWAPサーバーです-

• プロキシ-これは、クライアントとサーバーの間に位置するネットワーク内のクライアントとサーバーの両方として機能する中間要素です。 クライアントはリクエストを送信し、オリジンサーバーに接続するために必要な情報を取得してキャッシュします。
• ゲートウェイ-これは通常、2つの異なるタイプのネットワークを接続するために使用される中間要素です。

WAPゲートウェイは、基本的に、* WAPとインターネットなどのIPパケットネットワーク*をサポートするネットワーク間に配置されるソフトウェアです。

WAPプロトコルスタック

WAPプロトコルスタックは、次の図に示されています-

WAPプロトコルスタック

アプリケーション層

アプリケーション層は、ポータブルアプリケーションおよびサービスの開発と実行を目的としたアプリケーション環境を提供します。WAEは、クライアント側にある2つの異なるユーザーエージェントで構成されます。

WAEユーザーエージェントは、ブラウザーおよびテキストメッセージエディターとWTAユーザーエージェントで構成されます。

セッション層

セッション層は、クライアント/サービスアプリケーション間でコンテンツを組織的に交換するためのメソッドを提供します。

WAPには次のコンポーネントが含まれています-

• 接続指向セッションサービス-これらはWTP上で動作します。
• コネクションレスセッションサービス-これらはWDP上で直接動作します。
• セッションサービス-これらの機能は、プリミティブメッセージを使用してクライアントとサーバー間の接続を設定するのに役立ちます。
• Primitivesメッセージ*は、クライアントがサービス機能を要求するためにサーバーに送信するメッセージとして定義されます。 クライアントは要求プリミティブを送信し、確認プリミティブを受信し、サーバーは応答プリミティブを送信し、指示プリミティブを受信できます。

コネクションレスセッションサービスは、未確認のサービスのみを提供します。 セッションを開始するために、クライアントは、サーバーアドレス、クライアントアドレス、クライアントヘッダーなどのパラメーターを提供するWSPプリミティブを呼び出します。 いくつかの点で、WSPは基本的にHTTPのバイナリ形式です。

トランザクション層

さまざまな信頼性レベルでトランザクションを実行するためのさまざまな方法を提供します。

セキュリティ層

認証、プライバシー、および安全な接続が存在する場合に、アプリケーション間に提供するオプションのレイヤー。 * SSL（Secure Socket Layer）*に基づいています。 プライバシー、サーバー認証、クライアント認証、データの整合性を保証するサービスを提供します。

WebサーバーとWAPゲートウェイの間で標準SSLセッションが開かれ、ゲートウェイ*と*モバイルデバイス*の間でWTLSセッションが初期化されます。 暗号化されたコンテンツは、この接続を介してサーバーからゲートウェイに送信され、ゲートウェイはそれを変換して携帯電話に送信します。 *SSL と WTLS 間のトランザクションは、WAPゲートウェイのメモリで行われます。

トランスポート層

これは、オペレータが提供するベアラサービスに接続された最下層です。 ベアラサービスは、携帯電話と基地局間の通信です。 * SMS、CSD、USSD、GSM、GPRS、DECT、CDMA、FDMA、、 *TDMA が含まれます。

物理層は、モバイルデバイスからエアサービス経由で送信されるデータを準備し、デバイスが動作しているネットワークに実装されたベアラサービスを使用してデータを送信します。 WDP にはさまざまなベアラネットワークとのインターフェイスがあるため、ベアラ固有の実装が必要です。 WDPは、異なるベアラネットワークをサポートするために書き換える必要がある唯一の層です。 WTP層は、スリーウェイハンドシェイク接続メカニズムの代わりに、単純な*要求/応答トランザクション*指向のプロトコルを実装します。

ワイヤレス通信-衛星

衛星は、別のオブジェクトを中心に回転するオブジェクトです。 たとえば、地球は太陽の衛星であり、月は地球の衛星です。

• 通信衛星*は、電気通信、ラジオ、テレビ信号に使用される空間内の*マイクロ波中継局*です。 通信衛星は、1つの地球局からのデータを処理し、データを別の形式に変換して2番目の地球局に送信します。

サテライトの仕組み

地球上の2つのステーションは、ラジオ放送で通信したいが、従来の手段を使用するには遠すぎます。 2つのステーションは、通信にリレーステーションを使用できます。 1つの地球局が衛星に信号を送信します。

• アップリンク周波数*は、地上局が衛星と通信している周波数です。 衛星トランスポンダーは信号を変換し、2番目の地球局に送信します。これは*ダウンリンク周波数*と呼ばれます。 2番目の地球局も同じ方法で最初の地球局と通信します。

サテライトの利点

衛星通信の利点は次のとおりです-

• カバレッジエリアは、地上システムのカバレッジエリアよりも非常に高くなっています。
• 送信コストは、カバレッジエリアに依存しません。
• より高い帯域幅が可能です。

サテライトの欠点

衛星通信の欠点は次のとおりです-

• 衛星を軌道に投入するのは費用のかかるプロセスです。
• 帯域幅は徐々に使い果たされます。
• 従来の地上システムよりも衛星システムの伝播遅延が大きい。

衛星通信の基本

衛星通信のプロセスは、*地球局*から始まります。 ここでは、地球の周りの軌道にある衛星から信号を送受信するように設計されています。 地球局は、高出力の高周波（GHz帯）信号の形式で衛星に情報を送信します。

衛星は、信号を地球に*受信*および*再送信*し、衛星のカバレッジエリア内の他の地球局で受信します。 *衛星のフットプリント*は、衛星から有用な強度の信号を受信する領域です。

地上局から衛星を介したチャンネルへの伝送システムは、*アップリンク*と呼ばれます。 衛星から地上局までのチャネルを介したシステムは、*ダウンリンク*と呼ばれます。

衛星周波数帯

通信に一般的に使用される衛星周波数帯域は、* Cband、Ku-band、、および *Ka-band です。 CバンドとKuバンドは、今日の衛星で一般的に使用される周波数スペクトルです。

周波数と波長の間には逆の関係があることに注意することが重要です。 周波数が増加すると、波長が減少するため、*アンテナの直径*と*送信周波数*の関係を理解するのに役立ちます。 波長が長くなるにつれて信号を収集するには、より大きなアンテナ（衛星アンテナ）が必要です。

地球軌道

宇宙に打ち上げられた衛星は、科学的、軍事的、商業的を問わず、アクセシビリティを維持し、目的を果たすために、特定の軌道に配置してその革命に特定の方法を提供する必要があります。 地球に関して衛星に割り当てられたそのような軌道は、*地球軌道*と呼ばれます。 これらの軌道の衛星は地球軌道衛星です。

地球軌道の重要な種類は-

• 地球同期地球軌道
• 静止地球軌道
• 中地球軌道
• 低地球軌道

地球同期地球軌道（GEO）衛星

地球同期地球軌道衛星は、地球から22,300マイルの高度に配置された衛星です。 この軌道は*実際の1日*（つまり、23時間56分）と同期されます。 この軌道は、*傾きと偏心*を持つことができます。 円形ではないかもしれません。 この軌道は、地球の極で傾くことができます。 しかし、地球から見ると静止しているように見えます。

同じ地球同期軌道。*円形*で赤道面内にある場合、静止軌道と呼ばれます。 これらの衛星は、地球の赤道上空35,900km（静止軌道と同じ）に配置され、地球の方向（西から東）に対して回転し続けます。 これらの衛星は地球に対して「静止」していると考えられているため、その名前が暗示しています。

静止地球軌道衛星は、天気予報、衛星テレビ、衛星ラジオ、その他の種類のグローバル通信に使用されます。

GEO

上の図は、静止軌道と静止軌道の違いを示しています。 回転軸は地球の動きを示します。

ここで注意すべき主な点は、すべての静止軌道が地理同期軌道であることです。 しかし、すべての地理同期軌道は静止軌道ではありません。

中地球軌道（MEO）衛星

中地球軌道（MEO）衛星ネットワークは、地球の表面から約8000マイルの距離を周回します。 MEO衛星から送信される信号は、より短い距離を移動します。 これは、受信側での信号強度の改善につながります。 これは、より小さく、より軽量な受信端末を受信端で使用できることを示しています。

信号は衛星との間でより短い距離を移動するため、伝送遅延が少なくなります。 *送信遅延*は、信号が衛星に到達して受信局に戻るまでの時間として定義できます。

リアルタイム通信の場合、伝送遅延が短いほど、通信システムは良くなります。 例として、GEO衛星が往復に0.25秒を必要とする場合、MEO衛星は同じ旅行を完了するのに0.1秒未満を必要とします。 MEOは2 GHz以上の周波数範囲で動作します。

低地球軌道（LEO）衛星

LEO衛星は、主に3つのカテゴリ、すなわち、リトルLEO、ビッグLEO、およびメガLEOに分類されます。 LEOは地球の表面から500〜1000マイルの距離を周回します。

この比較的短い距離は、伝送遅延をわずか0.05秒に短縮します。 これにより、敏感でかさばる受信機器の必要性がさらに減少します。 ほとんどのLEOは800 MHz（0.8 GHz）の範囲で動作します。 Big LEOは2 GHz以上の範囲で動作し、Mega-LEOは20〜30 GHzの範囲で動作します。

*Mega-LEO* に関連付けられているより高い周波数は、より多くの情報伝達容量に変換され、リアルタイムの低遅延ビデオ伝送方式の機能を実現します。

高高度長時間耐久（HALE）プラットフォーム

実験的なHALEプラットフォームは、基本的に通信機器を搭載した非常に効率的で軽量な飛行機です。 これは、*非常に低い地球軌道の静止衛星*として機能します。

これらの工芸品は、バッテリーと太陽光発電または高効率のタービンエンジンの組み合わせによって駆動されます。 HALEプラットフォームは、高度70,000フィートで* 0.001秒未満の送信遅延*を提供し、さらに非常に軽量のハンドヘルド受信デバイスでは*より優れた信号強度*を提供します。

軌道スロット

ここで、静止軌道に* 200を超える衛星*がある場合、それらが互いに衝突したり、空間内の同じ場所を使用しようとしたりしないようにするにはどうすればよいかという疑問が生じます。 この問題に答えるために、国際電気通信連合（ ITU ）のような国際規制機関および連邦通信委員会（ FCC ）のような中央政府機関は、通信衛星を配置できる静止軌道上の位置を指定します。

これらの場所は経度で指定され、*軌道スロット*と呼ばれます。 FCCとITUは、軌道スロットに対する大きな需要により、CバンドとKuバンドの衛星に必要な間隔をわずか2度まで段階的に縮小しました。