Loading article…
無線スペクトルは、電磁スペクトルのうち周波数が3 Hzから3,000 GHz (3 THz ) の範囲の部分です。この周波数範囲の電磁波は電波と呼ばれ、特に電気通信において、現代の技術で広く利用されています。異なるユーザー間の干渉を防ぐため、電波の発生と送信は、国際電気通信連合(ITU) という国際機関によって調整された国内法によって厳しく規制されています。[ 1 ]
無線スペクトルのさまざまな部分は、ITUによってさまざまな無線伝送技術とアプリケーションに割り当てられています。ITUの無線通信規則（RR）では、約40の無線通信サービスが定義されています。[ 2 ]場合によっては、無線スペクトルの一部が、民間の無線伝送サービスの事業者（たとえば、携帯電話事業者やテレビ放送局）に販売またはライセンス供与されます。割り当てられた周波数の範囲は、多くの場合、その提供された用途（たとえば、セルラースペクトルまたはテレビスペクトル）で言及されます。[ 3 ]無線スペクトルは、ますます多くのユーザーによって需要される固定リソースであるため、ここ数十年でますます混雑しており、それをより効果的に利用する必要性が、トランキング無線システム、スペクトラム拡散、超広帯域、周波数再利用、動的スペクトル管理、周波数プーリング、コグニティブ無線などの現代の電気通信イノベーションを推進しています。
無線スペクトルの周波数境界は物理学における慣習の問題であり、ある程度恣意的です。電波は電磁波の中で最も低い周波数カテゴリであるため、電波の周波数には下限がありません。[ 4 ]電波は、ITUによって「人工ガイドなしで空間を伝搬する、3000 GHzより任意に低い周波数の電磁波」と定義されています。[ 5 ]高周波側では、無線スペクトルは赤外線帯域によって境界付けられています。電波と赤外線の境界は、科学分野によって異なる周波数で定義されています。300ギガヘルツから3 テラヘルツまでのテラヘルツ帯域は、マイクロ波または赤外線とみなすことができます。これは、国際電気通信連合によって電波として分類された最も高い帯域ですが、[ 4 ]分光学科学者はこれらの周波数を遠赤外線および中赤外線帯域の一部とみなしています。
無線スペクトルは固定資源であるため、無線通信に有用な周波数の実際的な限界と基本的な物理的考慮事項は、克服不可能な技術的制約によって決定されます。[ 6 ]そのため、無線スペクトルはますます混雑していますが、現在使用されている周波数帯域以外に追加の周波数帯域を追加することは不可能です。 [ 6 ]無線通信に使用される最低周波数は、必要な送信アンテナのサイズの増加によって制限されます。[ 6 ]無線電力を効率的に放射するために必要なアンテナのサイズは、波長に比例するか、周波数に反比例して増加します。約 10 kHz (波長 30 km)未満では、直径数キロメートルの高架ワイヤーアンテナが必要となるため、これより低い周波数を使用する無線システムはごくわずかです。2 つ目の制限は、低周波数で利用可能な帯域幅が減少することであり、これにより送信できるデータレートが制限されます。 [ 6 ]約 30 kHz 未満では、音声変調は実用的ではなく、低速ボーレートのデータ通信のみが使用されます。無線通信に使用されてきた最低周波数は80Hz前後で、これは数カ国の海軍が数百メートル下の潜水艦との通信のために構築したELF潜水艦通信システムで使用されている。これらのシステムは、メガワット級の送信電力で励起される長さ20～60kmの巨大な地上ダイポールアンテナを使用し、1分間に約1ビット（1秒間に17ミリビット、つまり1文字あたり約5分）という極めて低速な速度でデータを送信する。
無線通信に有用な最高周波数は、大気によるマイクロ波エネルギーの吸収によって制限されます。[ 6 ]周波数が30GHz（ミリ波 帯の開始）を超えると、大気中のガスが吸収する電力が増加するため、電波ビームの電力は送信アンテナからの距離とともに指数関数的に減少します。30GHzでは、有用な通信は約1kmに制限されますが、周波数が高くなるにつれて、電波を受信できる範囲は減少します。300GHzを超えるテラヘルツ帯では、大気による電磁放射の吸収（主にオゾン、水蒸気、二酸化炭素による）により、電波は数メートル以内に減衰してゼロになります。この吸収は非常に大きいため、大気は電磁放射に対して実質的に不透明ですが、近赤外線および可視光窓周波数範囲付近で再び透明になります。[ 7 ] [ 8 ]
ラジオバンド周波数帯域とは、通常、同じ目的のためにチャネルが使用または確保される、無線スペクトル範囲の連続した小さな帯域のことです。干渉を防ぎ、無線スペクトルを効率的に利用するために、類似のサービスは帯域内に割り当てられます。例えば、放送、移動無線、ナビゲーション機器などは、互いに重ならない周波数範囲に割り当てられます。
ITUは各無線帯域ごとに、干渉を回避し、送信機と受信機の互換性のためのプロトコルを設定するために、その帯域の使用方法と共有方法を規定する帯域計画（または周波数計画）を持っています。[ 9 ]
各周波数計画では、含まれる周波数範囲、チャネルの定義方法、およびそれらのチャネルで伝送される内容が定義されます。周波数計画で規定される典型的な定義は次のとおりです。
実際に認可されている周波数帯域は、ITU [ 10 ]および米国連邦通信委員会(FCC) [ 11 ]などの地方規制機関によって定義されており、自主的なベストプラクティスは干渉を回避するのに役立ちます。[ 12 ]
慣例として、ITU は無線スペクトルを 12 のバンドに分割し、各バンドは10 乗 (10 n )メートルの波長から始まり、対応する周波数は 3×10 8- nヘルツで、それぞれが周波数または波長の 10 倍をカバーします。これらのバンドにはそれぞれ伝統的な名前があります。たとえば、高周波( HF) という用語は、100 メートルから 10メートルまでの波長範囲を示し、これは 3 MHz から 30 MHz までの周波数範囲に対応します。これは単なる記号であり、割り当てとは関係ありません。ITU は各バンドをさらにサブバンドに分割し、異なるサービスに割り当てます。300 GHz を超えると、地球の大気による電磁放射の吸収が非常に大きいため、大気は実質的に不透明になりますが、近赤外線および可視光の窓周波数範囲では再び透明になります。
これらのITU無線帯域はITU無線通信規則で定義されています。第 2条第2.1項に は、「無線スペクトルは9つの周波数帯域に分割され、次の表に従って、順次整数で指定される」と規定されています。[ 13 ]
この表は、1937年にブカレストで開催された第4回CCIR会議の勧告に端を発し、1947年にニュージャージー州アトランティックシティで開催された国際無線会議で承認されました。各バンドに番号を付けるというアイデアは、1942年にWireless Engineer の編集者への手紙で提案したB. C. Fleming-Williamsによるもので、その番号はバンドの上限と下限の幾何平均の対数です。たとえば、バンド7の幾何平均は10 MHz、つまり10 7 Hzです。[ 14 ]
「極めて低い周波数」（TLF）というバンド名は、周波数と波長が 1～3 Hz | 300,000～100,000 km（1000 Mm）の帯域に使用されてきましたが、[ 15 ]この用語は ITU によって定義されていません。[ 16 ]
マイクロ波帯域の周波数帯は文字で表されます。この慣習は第二次世界大戦の頃、マイクロ波の最初の応用例であるレーダーで使用される周波数の軍事的な指定から始まりました。マイクロ波帯域には互換性のない命名システムがいくつか存在し、同じシステム内でも、文字で表された正確な周波数範囲は、用途によって多少異なる場合があります。広く使用されている標準規格の一つに、米国電気電子学会（IEEE）が定めたIEEEレーダー帯域があります。
1～3 Hzの周波数[ 15 ]はTLFというバンド名で呼ばれていますが、この用語はITUによって定義されていません。[ 25 ]
無線には、放送、音声通信、データ通信、レーダー、無線測位、医療、遠隔制御など、多くの実用的な用途がある。