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多元接続


ヨミ: タゲンセツゾク
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多元接続(たげんせつぞく : Multiple Accessとは、複数の通信局が同一の通信資を使用して通信する事、及びその為に用いられる通信の方式である。

学習の際に良く間違われる物として複信があるが、多元接続は複数の通信局が一つの通信を共有する際の方式、複信はある通信局とある通信局が情報を送受信する際に送信と受信で通信を共有する際の方式のことである。

現在、最も身近な多元接続は無線LANBluetooth携帯電話などの線通信である。通信媒体として電波を用いる線通信は、物理的にケーブルをもう一本敷設するなどすれば通信容量を容易に増やせる有線通信と異なり、物理的な増設をする事が出来ないため、多元接続に関する技術が高度に発達している。

以下では一つの基地局と複数の移動局との間で行われる様な線通信を前提として説明を行う。


各方式の概要



周波数分割多元接続(FDMA:Frequency Division Multiple Access)


使用可な周波数帯域を更に複数の帯域(サブキャリア)に分割し、それぞれを別の携帯端末に割当てる方式。

特定サブキャリアを取り出すには受信した信号をバンドパスフィルタに通すだけなので回路は単純だが、隣のサブキャリアと混信しない様、サブキャリアサブキャリアの間に通信に使わない周波数帯(ガードバンド)を設けなければならず、周波数の利用効率は良くない。 

第一世代携帯電話FDMAであった。

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時分割多元接続(TDMA:Time Division Multiple Access)


使用可な周波数帯域は分割せず、ごく短い時間ごとに通信を許可する携帯端末を切り替える方式。
電波の周波数方向は全域にわたって利用できるが、端末と基地局の時刻の同期を取らなければいけなかったり、ある端末と次の端末の電波が混ざらない様、通信しない時間(ガードインターバル)を設けなければならない。

docomomovaなど、第二世携帯電話TDMAであった。

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符号分割多元接続(CDMA:Code Division Multiple Access)


拡散符号と呼ばれる行列を基地局と携帯端末で共有し、送信側は送信したい信号に拡散符号を乗算することで周波数帯域全体に拡散し、受信側は拡散符号の逆行列を受信した信号に乗算することで送信された信号を復元する方式。

難しく言い換えれば、スペクトラム直接拡散を用いて他端末からの送信電波との干渉を抑え、通信に支障がない程度のS/Nを確保する方式である。

基地局が自分のエリア内の端末に対して拡散符号を重複しない様に与える事で、各端末はいつでも好きなタイミングで通信を始めることが出来るが、一つの基地局エリア内で通信している端末の数が多くなると、基地局から遠い端末から発射された電波はそれより近い端末から出た電波に紛れて単なるノイズと区別することが出来なくなり、基地局側で復号出来ず通信が切れてしまうという弱点が存在する。
#とてもローカルな話をすると、京王線新宿駅のラッシュ時に起きている、FOMA圏外になる現はコレである。

docomoFOMAauWINなど、第三世代携帯電話CDMAを用いているが、FOMAソフトバンクW-CDMAauCDMA2000という異なる通信規格である。 


空間分割多元接続(SDMA:Space Division Multiple Access)


複数の通信局はそれぞれ別の場所に居る事を利用した多元接続。

最も単純なものでは、向性を持つアンテナを、その向性の方向をずらして複数設置することにより基地局から見て異なる方向にいる端末に同一の周波数帯を割り当てる。

最新の無線LAN通信方式であるIEEE802.11acSDMAを用いて複数の端末へのMIMOを実現している。→MU-MIMO 
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中心周波数が直交する
サブキャリアの模式図。
縦軸:電
横軸:周波数

直交周波数多元接続(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access)


周波数方向を多数のサブキャリアに、時間軸方向も多数に分割することでサブチャネル群を作り、そのサブチャネル群の端末への割り当てを一定時間ごとに更新することで多元接続と帯域の有効利用を両立することをす方式。
周波数軸を多数のサブキャリア分割する点についてFDMAに似ている様に見えるが、その中心周波数の選び方が異なる。
OFDMAでは、あるサブキャリアの中心周波数は隣のサブキャリアの搬送波と測波帯の間にある電である点に来る様に配置される。これを「隣接すサブキャリアは互いに直交している」という。これにより受信した信号をフーリエ変換すれば各サブキャリアの信号を取り出す事は容易である。

単純なFDMAと違い、サブキャリアが占有する周波数帯をお互いに干渉する事なく重ねることが出来るためガードバンドが要らず、非常に高い周波数利用効率を実現することができる。 その反面、あるサブキャリアの中心周波数が少しでもズレてしまうと、直ちに隣接するサブキャリアに干渉してしまうため、発信周波数の厳しい制御が必要である。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)と混同されがちで、実際非常によく似てはいるが、OFDMは通信多重化の方式の一つであり、多元接続方式としてはTDMAを用いている。すなわち、OFDMではある間のサブキャリアは全て一つの受信局が独占する。

それに対しOFDMAは周波数軸と時間軸でメッシュ状に分割したサブチャネルグループ化し、そのサブチャネル群を端末に割り当てるため、一つのグループに含まれるサブチャネルを少なくすればOFDMより多数の端末を一つの基地局に収容できる。

更に、 端末の電波状況により端末に割り当てるサブチャネルの数を動的に変化させることで、電波状況の良い端末には多めのサブチャネルを、悪い端末には一応繋がる程度に少なめのサブチャネルを割り当てて全体としては電波を有効に利用出来る様にした方式がSOFDMA(Scalable OFDMA)と呼ばれる

正直、ここまで来ると最細かすぎて図がお絵カキコ出来ないレベルであるので、図についてはこちら[外部]を参照されたい。 

原理そのものは古くから知られていたが、実現するには離散フーリエ変換を小さな消費電で計算できる低コストデジタル信号処理IC(DSP)の開発を待たねばならなかった。

2013年現在、実用化されている中では最新の携帯電話通信方式であるLTEの下り(基地局→端末)方向や、WiMAX(両方向)がOFDMAを用いている。


関連項目



最終更新日: 13/04/13 20:12
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