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セルラーネットワークまたはモバイルネットワークは、エンドノードとの間のリンクが無線であり、ネットワークがセルと呼ばれる陸上エリアに分散している電気通信ネットワークです。各セルは、少なくとも 1 つの固定位置トランシーバー(基地局など) によってサービスされます。これらの基地局は、音声、データ、およびその他の種類のコンテンツを電波で送信するために使用できるネットワークカバレッジをセルに提供します。各セルのカバレッジエリアは、トランシーバーの出力、地形、使用されている周波数帯域などの要因によって決定されます。セルは通常、干渉を回避し、各セル内で保証されたサービス品質を提供するために、隣接するセルとは異なる周波数セットを使用します。[ 1 ] [ 2 ]
これらのセルが結合すると、広範囲の地理的エリアにわたって無線通信が可能になります。これにより、携帯電話、タブレット、モバイルブロードバンドモデムを搭載したノートパソコン、スマートウォッチなどのウェアラブルデバイスといった多数のデバイスが、基地局を介してネットワーク内のどこでも相互に、また固定トランシーバーや電話機と通信できるようになります。これは、一部のデバイスが通信中に複数のセル間を移動している場合でも同様です。セルラーネットワークの設計により、シームレスなハンドオーバーが可能となり、デバイスが1つのセルから別のセルに移動する際にも、途切れることのない通信が実現します。
現代の携帯電話ネットワークは、ネットワーク容量と効率を向上させるために、MIMO（ Multiple Input Multiple Output）、ビームフォーミング、スモールセルなどの高度な技術を利用しています。
セルラーネットワークは、多くの望ましい機能を提供できます。[ 2 ]
主要な通信事業者は、地球上の居住地域の大部分に音声およびデータ通信用のセルラーネットワークを展開しています。これにより、携帯電話などのデバイスを公衆交換電話網や公共インターネットに接続することが可能になりました。従来の音声およびデータサービスに加え、セルラーネットワークは現在、スマートメーター、車両、産業用センサーなどのデバイスを接続するIoT（モノのインターネット）アプリケーションもサポートしています。
1Gから5Gへの携帯電話ネットワークの進化により、通信速度の向上、遅延の低減、より多くのデバイスへの対応が段階的に実現され、医療、交通、スマートシティなどの分野における高度なアプリケーションが可能になった。
プライベートセルラーネットワークは、研究[ 3 ]や、地方公共安全機関やタクシー会社の配車などの大規模組織や車両群、工場、倉庫、鉱山、発電所、変電所、石油・ガス施設、港湾などの企業や産業環境におけるローカル無線通信に使用できます。[ 4 ]
セルラー無線システムでは、無線サービスを提供する土地は、地形や受信特性に応じてセルに分割されます。これらのセルパターンは、六角形、正方形、円形など、おおよそ規則的な形状をとりますが、六角形のセルが一般的です。各セルには、対応する無線基地局を持つ複数の周波数（f1～f6）が割り当てられます。同じ周波数が隣接するセルで再利用されない限り、周波数のグループは他のセルでも再利用できます。同じ周波数が再利用されると、同一チャネル干渉が発生します。
セルラーネットワークの容量が、単一の送信機を持つネットワークと比較して増加しているのは、ベル研究所のアモス・ジョエルが開発した移動体通信交換システム[ 5 ]によるもので、特定のエリア内の複数の発信者が、その周波数が利用可能な最も近いセルラータワーに通話を切り替えることで、同じ周波数を使用できるようにした。この戦略は、特定の無線周波数を別のエリアで無関係な送信に再利用できるため、実現可能である。対照的に、単一の送信機は、特定の周波数に対して1つの送信しか処理できない。必然的に、同じ周波数を使用する他のセルからの信号によるある程度の干渉が発生する。したがって、標準的な周波数分割多重アクセス（FDMA）システムでは、同じ周波数を再利用するセル間に少なくとも1つのセルギャップが必要となる。
タクシー会社を例に考えてみましょう。各無線機には、異なる周波数にチューニングするための手動式のチャンネルセレクターノブが付いています。運転手は移動しながらチャンネルを切り替えます。運転手は、どの周波数がおおよそどのエリアをカバーしているかを把握しています。送信機からの信号を受信できない場合は、受信できるチャンネルが見つかるまで他のチャンネルを試します。タクシー運転手は、基地局のオペレーターから招待されたときのみ、一度に一人ずつ話します。これは、時分割多重アクセス（TDMA）の一種です。
標準的な携帯電話ネットワークを確立するというアイデアは、1947年12月11日に初めて提案されました。この提案は、ベル研究所のエンジニアであるダグラス・H・リングが、AT&Tによる携帯電話システムの開発を提案する内部メモの中で提示したものです。[ 6 ] [ 7 ]
1979年、日本電信電話（NTT）が最初の商用セルラーネットワークである第1世代を東京首都圏で開始した。しかし、NTTは当初このシステムを商用化していなかった。早期の開始は、利益を得ることよりも、実用的なセルラーシステムを理解する努力によって動機づけられていた。[ 8 ] [ 9 ] 1981年には、国全体をカバーする最初のネットワークとして北欧移動電話システムが作られた。このネットワークは1981年にスウェーデンとノルウェーで、その後1982年初頭にフィンランドとデンマークでリリースされた。スウェーデンの電気通信を担当する国営企業であるTeleverketがこのシステムを開始した。 [ 8 ] [ 10 ] [ 11 ]
1981年9月、金融家で実業家のヤン・ステンベックは、スウェーデンの通信会社コムヴィクを設立した。コムヴィクは、電話業界における国家の独占に挑戦した最初のヨーロッパの通信会社だった。 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]情報筋によると、コムヴィクは、1981年10月にテレヴェルケットが独自の自動セルラーシステムを開始する前に、商用自動セルラーシステムを開始した最初の会社だった。しかし、新しいネットワークがリリースされた当時、スウェーデン郵便電気通信庁は、コムヴィクが自社のネットワークに干渉する可能性のある無許可の自動装置を使用したと主張し、システムを停止すると脅迫した。[ 14 ] [ 15 ] 1981年12月、スウェーデンは市場競争の精神に基づき、コムヴィクに独自の自動セルラーネットワークを運営するライセンスを与えた。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
ベルシステムは1947年から携帯電話技術を開発しており、1979年以前にはイリノイ州シカゴ[ 17 ]とテキサス州ダラスで携帯電話ネットワークを運用していました。しかし、規制上の争いによりAT&Tの携帯電話サービスの展開は1983年まで遅れ[ 18 ] 、その年に地域持株会社であるイリノイ・ベルが初めて携帯電話サービスを提供しました[ 19 ] 。
第一世代の携帯電話ネットワーク技術は、世界各地にその範囲を拡大し続けました。1990年、通信サービスプロバイダーであるMillicom Inc.は、Comvikの国際携帯電話事業と戦略的に提携し、Millicom International Cellular SAとなりました。[ 20 ]同社はその後、Mobitelというブランド名でアフリカのガーナに1Gシステムの足がかりを築きました。[ 21 ] 2006年、同社のガーナ事業はTigoに改名されました。[ 22 ]
ワイヤレス革命は1990年代初頭に始まり、[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]アナログネットワークからデジタルネットワークへの移行につながった。[ 26 ] 1955年から1960年の間にベル研究所で発明されたMOSFETは、 [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] 1990年代初頭までにセルラーネットワークに採用され、パワーMOSFET、LDMOS（RFアンプ）、RF CMOS（RF回路）デバイスの広範な採用により、デジタルワイヤレスモバイルネットワークの開発と普及につながった。[ 26 ] [ 32 ] [ 33 ]
初の商用デジタル携帯電話ネットワークである第2世代（2G）は1991年に開始された。これにより、新規事業者が既存の第1世代（1G）アナログネットワーク事業者に挑戦し、業界内の競争が激化した。
複数の異なる送信機からの信号を区別するために、周波数分割多重アクセス（FDMA、アナログおよびD-AMPSシステムで使用）、時分割多重アクセス（TDMA、GSMで使用） 、符号分割多重アクセス（CDMA、 PCSで最初に使用され、 3Gの基盤となっている）など、多くのチャネルアクセス方式が開発されてきた。[ 2 ]
FDMAでは、各セル内の異なるユーザーが使用する送信周波数と受信周波数は互いに異なります。各セルラー通話には、全二重通信を実現するために一対の周波数（基地局から移動局用と移動局から基地局用）が割り当てられました。当初のAMPSシステムには666のチャネルペアがあり、CLEC「A」システムとILEC「B」システムそれぞれに333ペアずつありました。チャネル数はキャリアごとに416ペアに拡張されましたが、最終的にはRFチャネルの数がセルサイトが処理できる通話数を制限します。FDMAは電話会社にとって馴染みのある技術であり、電話会社は時分割多重方式によってFDMが時代遅れになる前に、ポイントツーポイントの有線プラントにチャネルを追加するために周波数分割多重方式を使用していました。
TDMAでは、各セル内の異なるユーザーが使用する送信および受信のタイムスロットは互いに異なります。TDMAは通常、デジタル信号を使用して音声データのバーストを保存および転送し、送信用のタイムスライスに収め、受信側で拡張して、受信側で比較的自然な音声を生成します。TDMAは音声信号に遅延（時間遅延）を導入する必要があります。遅延時間が十分に短く、遅延した音声がエコーとして聞こえない限り、問題はありません。TDMAは電話会社にとって馴染みのある技術であり、パケット交換によってTDMが時代遅れになる前は、電話会社は時分割多重方式を使用してポイントツーポイントの有線回線にチャネルを追加していました。
CDMAの原理は、第二次世界大戦中に軍事用に開発されたスペクトラム拡散技術に基づいており、冷戦中に改良されて直接拡散スペクトラム方式となり、初期のCDMAセルラーシステムやWi-Fiで使用されました。DSSSは、時間や周波数でチャネル化することなく、単一の広帯域RFチャネル上で複数の同時通話を可能にします。従来の多重アクセス方式よりも高度で（ベル研究所が開発したものではないため、従来の電話会社には馴染みがありませんが）、CDMAは拡張性に優れ、3Gセルラー無線システムの基盤となっています。
MIMO（アンテナダイバーシティのより高度なバージョン）などの他の利用可能な多重化方式は、アクティブビームフォーミングと組み合わせることで、通常1〜3個の固有空間しか対象としない従来のAMPSセルと比較して、はるかに優れた空間多重化能力を提供します。Massive MIMOの展開により、チャネルの再利用が大幅に向上し、セルサイトあたりの加入者数の増加、ユーザーあたりのデータスループットの向上、またはその組み合わせが可能になります。直交振幅変調（QAM）モデムは、シンボルあたりのビット数を増加させ、1メガヘルツの帯域幅（およびSNRのデシベル）あたりのユーザー数の増加、ユーザーあたりのデータスループットの向上、またはその組み合わせを可能にします。
セルラーネットワークの重要な特徴は、周波数を再利用してカバレッジと容量の両方を増やすことができる点です。前述のように、隣接するセルは異なる周波数を使用する必要がありますが、基地局とセルラーネットワーク利用者の機器が過剰な電力で送信しない限り、十分に離れた2つのセルが同じ周波数で動作しても問題ありません。[ 2 ]
周波数再利用を決定する要素は、再利用距離と再利用係数です。再利用距離Dは次のように計算されます。
ここで、Rはセルの半径、Nはクラスターあたりのセルの数です。セルの半径は1～30キロメートル（0.62～18.64マイル）まで変化する可能性があります。セルの境界は隣接するセル間で重なり合うこともあり、大きなセルはより小さなセルに分割されることもあります。[ 34 ]
周波数再利用係数は、ネットワーク内で同じ周波数を使用できる割合です。これは1/K (または一部の書籍ではK ) で、 Kは送信に同じ周波数を使用できないセルの数です。周波数再利用係数の一般的な値は 1/3、1/4、1/7、1/9、1/12 (または表記によっては 3、4、7、9、12) です。[ 35 ]
同じ基地局サイトにそれぞれ異なる方向を持つN個のセクターアンテナがある場合、基地局サイトはN個の異なるセクターにサービスを提供できます。Nは通常3です。N / Kの再利用パターンは、サイトごとにN個のセクターアンテナ間で周波数をさらに分割することを意味します。現在および過去の再利用パターンには、3/7（北米AMPS）、6/4（モトローラNAMPS）、3/4（GSM）などがあります。
利用可能な帯域幅の合計がBの場合、各セルはB/Kの帯域幅に対応する周波数チャネルの数しか使用できず、各セクターはB/NKの帯域幅を使用できます。
符号分割多重アクセス（CDMA）方式では、FDMAと同じ伝送速度を実現するために広い周波数帯域を使用しますが、これは周波数再利用係数1（例えば、再利用パターン1/1）を使用することで補われます。つまり、隣接する基地局サイトは同じ周波数を使用し、異なる基地局とユーザーは周波数ではなく符号によって分離されます。この例ではNが1と表示されていますが、これはCDMAセルにセクターが1つしかないという意味ではなく、セル全体の帯域幅が各セクターに個別に利用可能であることを意味します。
最近では、LTEなどの直交周波数分割多重アクセス方式のシステムも周波数再利用率 1 で展開されています。このようなシステムは周波数帯域全体に信号を拡散しないため、異なるセルサイト間でのリソース割り当てを調整し、セル間干渉を制限するために、セル間無線リソース管理が重要になります。セル間干渉調整(ICIC) のさまざまな手段がすでに標準で定義されています。[ 36 ]協調スケジューリング、マルチサイト MIMO、マルチサイトビームフォーミングは、将来標準化される可能性のあるセル間無線リソース管理の他の例です。
携帯電話基地局は、トラフィックの多いエリアでの受信を改善するために、指向性信号を使用することがよくあります。米国では、連邦通信委員会（FCC）が全方向性携帯電話基地局信号の電力を100ワットに制限しています。基地局に指向性アンテナがある場合、FCCは携帯電話事業者が最大500ワットの実効放射電力（ERP）を放射することを許可しています。[ 37 ]
当初のセルタワーは均一で全方向性の信号を生成し、セルの中心に位置し、全方向性でしたが、セルマップは、3 つのセルが交わる六角形の角にセル電話タワーを配置して描き直すことができます。[ 38 ] 各タワーには、各セルに対して 120 度の 3 つの異なる方向に向けた 3 組の指向性アンテナがあり (合計 360 度)、異なる周波数で 3 つの異なるセルに送受信します。これにより、各セルに最低 3 つのチャネルと 3 つのタワーが提供され、少なくとも 1 つの方向から使用可能な信号を受信する可能性が大幅に高まります。
図中の数字はチャネル番号で、3セルごとに繰り返されます。大きなセルは、体積の大きい領域のために小さなセルに分割できます。[ 39 ]
携帯電話会社は、高速道路沿いやスタジアムやアリーナなどの建物内での受信状況を改善するためにも、この指向性信号を使用しています。[ 37 ]
ほぼすべての携帯電話システムには、何らかのブロードキャスト機構が備わっています。これは、複数の携帯電話端末に情報を直接配信するために使用できます。例えば、携帯電話システムでは、ブロードキャスト情報の最も重要な用途は、携帯電話端末と基地局間の1対1通信のためのチャネルを確立することです。これはページングと呼ばれます。一般的に採用されているページング方式には、シーケンシャルページング、パラレルページング、選択ページングの3種類があります。
ページング処理の詳細はネットワークによって多少異なりますが、通常は電話機の位置を示すセル数が限られています（このセル群は、GSMまたはUMTSシステムではロケーションエリア、データパケットセッションが関係する場合はルーティングエリアと呼ばれます。LTEでは、セルはトラッキングエリアにグループ化されます）。ページングは、これらのセルすべてにブロードキャストメッセージを送信することによって行われます。ページングメッセージは情報伝達に使用できます。これは、ポケットベル、SMSメッセージを送信するCDMAシステム、パケットベースの接続でダウンリンク遅延を低く抑えるUMTSシステムなどで使用されています。
LTE/4Gでは、データパケットをUEに配信する必要がある場合、MMEによってページング手順が開始されます。
MMEがサポートするページングタイプは以下のとおりです。
原始的なタクシーシステムでは、タクシーが最初の基地局から離れて2番目の基地局に近づくと、タクシー運転手は必要に応じて手動で周波数を切り替えていました。信号が途切れて通信が中断された場合は、タクシー運転手は基地局のオペレーターに別の周波数でメッセージを再送するよう依頼しました。
セルラーシステムでは、分散型移動体送受信機が継続的な通信中にセル間を移動する際、あるセル周波数から別のセル周波数への切り替えは、基地局オペレーターや手動切り替えを必要とせず、中断することなく電子的に行われます。これをハンドオーバーまたはハンドオフと呼びます。通常、移動体端末に対応する新しい基地局では、新しいチャネルが自動的に選択されます。その後、移動体端末は現在のチャネルから新しいチャネルに自動的に切り替わり、通信が継続されます。
モバイルシステムが基地局間を移動する際の具体的な手順は、システムによって大きく異なります（携帯電話ネットワークがハンドオーバーをどのように管理するかについては、以下の例を参照してください）。
セルラーネットワークの最も一般的な例は、携帯電話ネットワークです。携帯電話とは、基地局（セルサイト）または送信塔を介して通話の発信や受信を行う携帯型の電話機です。携帯電話との間で信号を送受信するために電波が使用されます。
現代の携帯電話ネットワークは、無線周波数が限られた共有資源であるため、セル方式を採用しています。セル基地局と端末はコンピュータ制御によって周波数を変更し、低出力の送信機を使用することで、通常は限られた数の無線周波数を、干渉を抑えながら多数の通話者が同時に利用できるようにしています。
携帯電話事業者は、加入者への通信エリアと通信容量の両方を確保するために、セルラーネットワークを利用します。広い地理的エリアは、見通し線の途切れによる信号損失を回避し、そのエリア内の多数の携帯電話を接続できるように、より小さなセルに分割されます。すべてのセルサイトは電話交換局（またはスイッチ）に接続され、電話交換局はさらに公衆電話網に接続されます。
都市部では、各基地局の通信範囲は約0.80km（1/2マイル）までですが、農村部では最大8.0km（5マイル）まで及ぶ可能性があります。開けた場所では、 40km（25マイル）離れた基地局からの信号を受信できる場合もあります。電波の弱い地域や高層タワーが多い農村部では、帯域幅や同時通話数に制限はあるものの、基本的な音声通話やメッセージングサービスは80km（50マイル）まで届く可能性があります。
ほぼすべての携帯電話は、GSM、CDMA、AMPS（アナログ）などのセルラー技術を使用しているため、特に米国など一部の地域では、「セルラーフォン」という用語は「モバイルフォン」とほぼ同義語として使われています。しかし、衛星電話は、地上基地局と直接通信するのではなく、衛星を介して間接的に通信する携帯電話です。
デジタルセルラー技術には、グローバルシステムフォーモバイルコミュニケーションズ（GSM）、ゼネラルパケットラジオサービス（GPRS）、cdmaOne、CDMA2000、エボリューションデータ最適化（EV-DO）、GSMエボリューション向け拡張データレート（EDGE）、ユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（UMTS）、デジタル拡張コードレステレコミュニケーションズ（DECT）、デジタルAMPS（IS-136/TDMA）、統合デジタル拡張ネットワーク（iDEN）など、さまざまな種類があります。既存のアナログからデジタル標準への移行は、ヨーロッパと米国で大きく異なる道をたどりました。[ 40 ]その結果、米国では複数のデジタル標準が登場しましたが、ヨーロッパと多くの国ではGSM標準に収束しました。
セルラー移動無線ネットワークの簡単な概要は以下のとおりです。
このネットワークはGSMシステムネットワークの基盤となるものです。このネットワークは、移動管理、登録、通話設定、ハンドオーバーなど、顧客が希望するサービスを受けられるようにするための多くの機能を実行します。
どの電話機も、対応するセルの隅にあるRBS（無線基地局）を介してネットワークに接続し、 RBSはさらに移動体交換センター（MSC）に接続します。MSCは公衆交換電話網（PSTN）への接続を提供します。電話機からRBSへのリンクはアップリンクと呼ばれ、逆方向はダウンリンクと呼ばれます。
無線チャネルは、周波数分割多重アクセス（FDMA）、時分割多重アクセス（TDMA）、符号分割多重アクセス（CDMA）、空間分割多重アクセス（SDMA）といった多重化およびアクセス方式を用いることで、伝送媒体を効果的に利用する。
基地局よりもカバー範囲が狭い小型セルは、以下のように分類されます。
通話中に電話ユーザーがセルエリア間を移動すると、モバイルステーションは通話が途切れないように新しいチャネルを検索します。新しいチャネルが見つかると、ネットワークはモバイルユニットに新しいチャネルへの切り替えを指示し、同時に通話も新しいチャネルに切り替えます。
CDMAでは、複数のCDMA端末が特定の無線チャネルを共有します。信号は、各端末固有の擬似雑音符号（PN符号）を用いて分離されます。ユーザーがセル間を移動すると、端末は複数のセルサイト（または同一サイトのセクター）と同時に無線リンクを確立します。これは、従来の携帯電話技術とは異なり、端末が新しいセルに切り替わる明確なポイントが存在しないため、「ソフトハンドオフ」と呼ばれています。
IS-95の周波数間ハンドオーバーやNMTなどの旧式のアナログシステムでは、通信中にターゲットチャネルを直接テストすることは通常不可能です。この場合、IS-95のパイロットビーコンなどの他の技術を使用する必要があります。つまり、新しいチャネルを探索している間はほぼ必ず通信が一時的に中断され、その後、予期せず古いチャネルに戻ってしまうリスクが生じます。
通信が継続していない場合、または通信が中断される可能性がある場合、移動端末は自発的にあるセルから別のセルへ移動し、最も強い信号を持つ基地局に通知することが可能である。
周波数がセルカバレッジに与える影響は、用途によって最適な周波数が異なることを意味します。450 MHz NMT のような低周波数は、郊外のカバレッジに最適です。GSM 900 (900 MHz) は、軽度の都市部カバレッジに適しています。GSM 1800 (1.8 GHz)は 、建物の壁によって制限され始めます。2.1 GHz のUMTS は、 カバレッジにおいてGSM 1800 とほぼ同等です。
周波数が高いと通信範囲は狭くなりますが、通信容量は格段に向上します。例えば建物の1フロアをカバーするピコセルが可能になり、実質的に隣接するセル間でも同じ周波数を使用できます。
セルサービスエリアは、セル内およびセル周辺の送信システムからの干渉によっても変動する可能性があります。これは特にCDMAベースのシステムで顕著です。受信機は一定の信号対雑音比を必要とし、送信機は他の送信機との干渉を避けるために、送信電力が高すぎないようにする必要があります。受信機が送信機から離れるにつれて受信電力は減少するため、送信機の電力制御アルゴリズムは受信電力レベルを回復するために送信電力を増加させます。干渉（ノイズ）が送信機からの受信電力を超え、送信機の電力をこれ以上増加できない場合、信号は劣化し、最終的には使用できなくなります。CDMAベースのシステムでは、同じセル内の他の移動体送信機からの干渉がカバレッジエリアに与える影響は非常に顕著であり、「セルブリージング」という特別な名称で呼ばれています。
携帯電話の通信エリアの例は、実際の通信事業者がウェブサイトで提供しているエリアマップを調べたり、OpensignalやCellMapperなどのクラウドソーシングによる独立系マップを参照したりすることで確認できます。場合によっては送信機の位置がマークされていることもありますが、最も通信エリアが広い地点を計算することでエリアを特定できる場合もあります。
携帯電話中継器は、携帯電話の通信範囲をより広いエリアに拡張するために使用されます。家庭やオフィスなどの一般消費者向けの広帯域中継器から、産業用途向けのスマート中継器やデジタル中継器まで、幅広い種類があります。
次の表は、1 つのセルのカバーエリアがCDMA2000ネットワークの周波数に依存することを示しています。[ 41 ]
リストと技術情報：
EVDOを起点として、以下の手法もパフォーマンス向上に活用できます。
装置：
他の：
