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無線 LAN・携帯電話の仕組みむせんらん

二陸特三陸特

無線 LAN は 2.4〔GHz〕帯・5〔GHz〕帯などを使い、アクセスポイントと端末が免許不要で短距離のデータ通信をする仕組み。携帯電話はサービス地域を小さなセルに分け、各セルの基地局と移動局が通信し、移動すると隣の基地局へ切り替える（ハンドオーバ）仕組み。

試験ではここ

2陸特・3陸特の過去問での直接の出題例は少ないが、無線 LAN と携帯電話はどちらも OFDM・多元接続・誤り訂正の応用例として問われる。2.4〔GHz〕帯は電子レンジや Bluetooth と共用で干渉を受けやすいこと、5〔GHz〕帯の一部は屋外で使えないこと、セル方式は同じ周波数を離れたセルで繰り返し使うこと、を押さえる。

無線 LAN は「部屋の中の小さな無線局」です。アクセスポイントが親、パソコンやスマートフォンが子で、同じ周波数を譲り合いながら使います。携帯電話は「街全体を小さな区画（セル）で敷き詰めた無線網」で、どの区画にも基地局が 1 つあり、歩いて区画をまたぐと通話を切らずに隣の基地局へバトンを渡します。どちらも OFDM で変調し、誤り訂正で雑音に耐え、多元接続で多数の端末をさばきます。

無線 LAN のアクセスポイントと複数の端末が同じ周波数を共用し、送信前に他局の電波の有無を確かめて送る CSMA/CA の流れ — 送る前に聞く。空いていれば送り、受け取った側は確認応答（ACK）を返す

無線 LAN の周波数帯と特徴

2.4〔GHz〕帯 波長約 12.5〔cm〕。壁を回り込みやすく届きやすいが、電子レンジ・Bluetooth・近所の無線 LAN と共用で干渉を受けやすい。免許不要
5〔GHz〕帯 波長約 6〔cm〕。チャネルが多く干渉が少ない。一部のチャネル（W52・W53）は衛星や気象レーダーと共用のため屋外で使えない
6〔GHz〕帯 新しい規格で追加。さらに広い帯域が使える
アクセス方式 CSMA/CA。送信前に他局が送っていないか確かめ、空いていれば送る。衝突は検出できないので「回避」する
変調 OFDM で多数のサブキャリアに分けて送る。マルチパスに強い

波長（アンテナの寸法の目安）

\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3 \times 10^{8}}{2.4 \times 10^{9}} = 0.125\ \text{〔m〕}

2.4〔GHz〕で λ ≒ 12.5〔cm〕、5〔GHz〕で約 6〔cm〕。1/4 波長のアンテナは 3〔cm〕ほどで済むので機器に内蔵できる

携帯電話のセル方式

六角形のセルが敷き詰められ、各セルの中心に基地局がある。離れたセルで同じ周波数 f1 が繰り返し使われ、移動局がセルをまたぐときにハンドオーバする様子 — セルを小さくするほど同じ周波数を何度も使い回せ、同時に通話できる人数が増える

セル方式の 4 つのキーワード

セル 1 つの基地局が受け持つ範囲。半径数百 m から数 km。都心ほど小さい
周波数の再利用 離れたセルなら同じ周波数を使っても干渉しない。限られた周波数で多数の利用者をさばける理由
ハンドオーバ 移動局がセルの境界を越えるとき、通話を切らずに隣の基地局へ切り替える
多元接続 第 3 世代は CDMA、第 4 世代（LTE）以降は OFDMA。基地局から移動局への下りと逆向きの上りで周波数や時間を分ける

典型問題の解き方（周波数から波長とアンテナ長を出す）

2.4〔GHz〕帯の無線 LAN で使う 1/4 波長アンテナの長さはおよそいくらか

波長を出す λ = c/f = 3×10^8 ÷ 2.4×10^9 = 0.125〔m〕 = 12.5〔cm〕
1/4 にする 12.5 ÷ 4 ≒ 3.1〔cm〕
5〔GHz〕なら λ = 6〔cm〕なので 1/4 波長は 1.5〔cm〕。周波数が高いほどアンテナは短い
確かめる ノートパソコンの縁に入る長さになっている。マイクロ波で小形アンテナが作れる話と同じ

ひっかけ

無線 LAN は「衝突検出（CSMA/CD）」ではなく「衝突回避（CSMA/CA）」です。電波は送信中に自分の受信ができないので衝突を検出できません。携帯電話で同じ周波数を使い回すのは「隣のセル」ではなく「離れたセル」です。隣で同じ周波数を使うと混信します。2.4〔GHz〕帯が混みやすいのは電子レンジと共用だからで、5〔GHz〕帯の方が届きにくい代わりに干渉は少ないと覚えてください。

先生が携帯電話の基地局の鉄塔の下でセル方式とハンドオーバを説明する挿絵 — セルで敷き詰め、離れたセルで周波数を再利用、境界ではハンドオーバ

問われた問題 2

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