電気通信工学

電気通信工学は、電子工学の分野の一つで、遠隔通信システムの設計と考案を目指します。^{[1] [2]}仕事は、基本的な回路設計から戦略的な大量開発まで多岐にわたります。電気通信エンジニアは、複雑な電子交換システム、その他の従来の電話サービス設備、光ファイバーケーブル、IPネットワーク、マイクロ波伝送システムなどの電気通信機器や設備の設計と設置の監督を担当します。電気通信工学は、放送工学とも重複しています。

電気通信は、電子工学、土木工学、システム工学に関連する多様な工学分野です。^[1]最終的に、電気通信エンジニアは高速データ伝送サービスを提供する責任があります。彼らはさまざまな機器と転送媒体を使用して、電気通信ネットワークインフラストラクチャを設計します。今日の有線電気通信で使用される最も一般的な媒体は、ツイストペア、同軸ケーブル、光ファイバーです。電気通信エンジニアは、無線通信サービス、ラジオおよび衛星通信、インターネット、Wi-Fi、ブロードバンドテクノロジーなど、無線通信および情報転送のワイヤレスモードを中心としたソリューションも提供します。

電気通信システムは、一般的に電気通信技術者によって設計されます。これは、19 世紀後半の電信業界と 20 世紀初頭のラジオおよび電話業界における技術的改善から生まれました。今日、電気通信は広く普及しており、テレビ、ラジオ、電話などのプロセスを支援するデバイスは、世界の多くの地域で一般的です。また、コンピュータ ネットワーク、公衆交換電話網(PSTN)、^{[引用が必要]}無線ネットワーク、テレビ ネットワークなど、これらのデバイスを接続するネットワークも多数あります。インターネットを介したコンピュータ通信は、電気通信の多くの例の 1 つです。^{[引用が必要]}電気通信は世界経済で重要な役割を果たしており、電気通信業界の収益は世界総生産の 3% 弱を占めています。^{[引用が必要]}

サミュエル・モールスは独自に電信機のバージョンを開発し、1837年9月2日にデモンストレーションを行ったが、失敗に終わった。その後すぐにアルフレッド・ヴェイルが加わり、レジスターを開発した。レジスターとは、メッセージを紙テープに記録するためのログ装置を統合した電信端末である。これは1838年1月6日に3マイル（5キロメートル）以上でデモンストレーションに成功し、最終的には1844年5月24日にワシントンDCとボルチモア間の40マイル（64キロメートル）以上でデモンストレーションされた。特許を取得したこの発明は利益を生み、1851年までに米国の電信線は20,000マイル（32,000キロメートル）以上に及んだ。^[3]

最初の成功した大西洋横断電信ケーブルは1866年7月27日に完成し、初めて大西洋横断通信が可能になった。1857年と1858年に設置された以前の大西洋横断ケーブルは、数日または数週間しか機能せず、その後故障した。^{[4]電信の国際的な使用は、「}ビクトリア朝のインターネット」と呼ばれることもある。^[5]

最初の商用電話サービスは、1878年と1879年に大西洋の両側にあるニューヘイブンとロンドンの都市で開設されました。アレクサンダー・グラハム・ベルは、両国でそのようなサービスに必要な電話のマスター特許を保有していました。この時点から技術は急速に発展し、1880年代半ばまでに都市間回線が敷設され、米国のすべての主要都市に電話交換機が設置されました。 ^{[6] [7] [8]それにもかかわらず、1927年1月7日に無線を使用した接続が確立されるまで、大西洋横断の音声通信は不可能でした。しかし、1956年9月25日に}TAT-1が開通し、36の電話回線が提供されるまで、ケーブル接続は存在しませんでした。^[9]

1880年、ベルと共同発明者のチャールズ・サムナー・テインターは、光電話から投射された変調光線を介して世界初の無線電話通話を行った。この発明の科学的原理は、数十年後に軍事や光ファイバー通信に初めて導入されるまで利用されることはなかった。

1894年から数年かけて、イタリアの発明家グリエルモ・マルコーニは、空中電磁波（無線送信）に基づく、商業的に成功した最初の完全な無線電信システムを構築しました。^[10] 1901年12月、マルコーニはイギリスとニューファンドランド島の間で無線通信を確立し、 1909年にノーベル物理学賞を受賞しました（カール・ブラウンと共同受賞）。^[11] 1900年、レジナルド・フェッセンデンは人間の声を無線で送信することに成功しました。 1925年3月25日、スコットランドの発明家ジョン・ロジー・ベアードは、ロンドンのデパート、セルフリッジで、動くシルエット画像の送信を公開しました。 1925年10月、ベアードはハーフトーンの色合いの動画の取得に成功しました。これは、ほとんどの人が最初の真のテレビ画像だと考えています。^{[12]これにより、1926年1月26日に}セルフリッジで、改良されたデバイスの公開デモンストレーションが再び行われました。ベアードの最初の装置はニプコーディスクを利用したもので、機械式テレビとして知られるようになった。これは、 1929年9月30日から 英国放送協会によって行われた半実験的な放送の基礎となった。

通信を中継した最初の米国の衛星は、 1958年のSCORE計画であり、テープレコーダーを使用して音声メッセージを保存および転送しました。これは、米国大統領ドワイト・D・アイゼンハワーからのクリスマスの挨拶を世界に送信するために使用されました。1960年にNASAはエコー衛星を打ち上げました。アルミニウムで覆われたPETフィルム製の100フィート（30メートル）の気球は、無線通信の受動反射器として機能しました。フィルコ社によって製造され、1960年に打ち上げられたクーリエ1Bは、世界初の能動中継衛星でした。今日の衛星は、GPS、テレビ、インターネット、電話などの多くの用途に使用されています。

テルスターは、最初のアクティブな直接中継商用通信衛星でした。AT &T、ベル電話研究所、NASA、英国郵政公社、フランス国立郵便局の間の衛星通信開発のための多国間協定の一環としてAT&Tに属し、1962年7月10日にケープカナベラルからNASAによって打ち上げられました。これは民間がスポンサーとなった最初の宇宙打ち上げでした。リレー1は1962年12月13日に打ち上げられ、 1963年11月22日に太平洋を越えて放送した最初の衛星となりました。^[13]

通信衛星の最初の、そして歴史的に最も重要な用途は、大陸間の長距離電話でした。固定公衆交換電話網は、固定電話からの電話を地球局に中継し、そこで電話は地球軌道上の静止衛星を経由して受信用衛星アンテナに送信されます。光ファイバーの使用による海底通信ケーブルの改善により、20世紀後半に固定電話として衛星を使用することは若干減少しましたが、衛星は依然として海底ケーブルが敷設されていないアセンション島、セントヘレナ島、ディエゴガルシア島、イースター島などの離島のみにサービスを提供しています。また、南極大陸、オーストラリア、南米、アフリカ、カナダ北部、中国、ロシア、グリーンランドの広い地域など、固定電話による通信がほとんどまたは全くない大陸や国もあります。

通信衛星を介して商用長距離電話サービスが確立された後、1979年以降、携帯電話衛星電話、衛星ラジオ、衛星テレビ、衛星インターネットアクセスなど、他の多くの商用電気通信も同様の衛星に適応されました。ほとんどのこのようなサービスが最も早く適応されたのは、商用衛星トランスポンダチャネルの価格が大幅に下がり続けた 1990年代でした。

1940 年 9 月 11 日、ジョージ・スティビッツはテレプリンターを使用してニューヨークの複素数計算機に問題を送信し、ニューハンプシャー州のダートマス大学で計算結果を受け取ることができました。^[14]集中型コンピュータまたはメインフレーム コンピュータとリモートの「ダム端末」の構成は、1950 年代から 1960 年代にかけて人気を博しました。しかし、1960 年代になって初めて、研究者はパケット交換(集中型メインフレームを経由せずに大量のデータを異なるコンピュータ間で送信できるテクノロジ) を調査し始めました。4 ノードのネットワークは 1969 年 12 月 5 日に登場しました。このネットワークはすぐに ARPANET になり、 1981 年までに 213 ノードで構成されました。^[15]

ARPANET の開発は Request for Comment プロセスを中心に進められ、1969 年 4 月 7 日に RFC 1 が公開されました。このプロセスは重要です。ARPANET は最終的に他のネットワークと統合されてインターネットを形成し、今日のインターネットが依存している通信プロトコルの多くはRequest for Comment プロセスを通じて規定されたからです。1981 年 9 月、RFC 791 でインターネット プロトコル バージョン 4 (IPv4) が導入され、RFC 793 で伝送制御プロトコル(TCP) が導入され、今日のインターネットの大部分が依存している TCP/IP プロトコルが作成されました。

光ファイバーは柔軟性があり、ケーブルに束ねることができるため、電気通信やコンピュータ ネットワークの媒体として使用できます。光ファイバーは、電気ケーブルに比べて光がほとんど減衰せずに伝搬するため、長距離通信に特に有利です。これにより、中継器をほとんど使用せずに長距離をカバーできます。

1966 年、チャールズ・K・カオとジョージ・ホッカムは、イギリスのハーローにある STC 研究所 (STL) で光ファイバーを提案し、既存のガラスの損失が 1000 dB/km (同軸ケーブルでは 5 ～ 10 dB/km) であるのは汚染物質によるものであり、除去できる可能性があることを示しました。

1970年にコーニングガラス社は、通信用途に十分な低減衰（約20dB / km）の光ファイバーの開発に成功し、同時に、コンパクトなため光ファイバーケーブルを介して長距離光を伝送するのに適したGaAs（ガリウムヒ素）半導体レーザーも開発されました。

1975 年からの研究期間を経て、約 0.8 μm の波長で動作し、GaAs 半導体レーザーを使用する最初の商用光ファイバー通信システムが開発されました。この第 1 世代のシステムは、最大 10 km の中継間隔で 45  Mbpsのビット レートで動作しました。まもなく 1977 年 4 月 22 日、General Telephone and Electronics 社はカリフォルニア州ロング ビーチで 6 Mbit/s のスループットで光ファイバー経由で最初のライブ電話トラフィックを送信しました。

世界初の広域ネットワーク光ファイバーケーブルシステムは、1978年に英国イーストサセックス州ヘイスティングスでRediffusion社によって設置されたようです。ケーブルは町中のダクトに敷設され、1000人以上の加入者がいました。当時は、地元の受信障害のため利用できなかったテレビチャンネルの送信に使用されていました。

光ファイバーを使用した最初の大西洋横断電話ケーブルは、Desurvire の最適化されたレーザー増幅技術に基づいたTAT-8でした。これは 1988 年に運用が開始されました。

1990年代後半から2000年にかけて、業界の推進者やKMI、RHKなどの調査会社は、インターネットの利用増加やビデオ・オン・デマンドなどのさまざまな帯域幅集約型消費者向けサービスの商用化により、通信帯域幅の需要が大幅に増加すると予測しました。インターネット・プロトコルのデータ・トラフィックは、ムーアの法則に基づいて集積回路の複雑さが増加するよりも速い速度で指数関数的に増加していました。^[16]

情報を受け取り、それを送信用の信号に変換する送信機（情報源）。電子工学および電気通信において、送信機または無線送信機は、アンテナの助けを借りて電波を生成する電子機器です。放送での使用に加えて、送信機は携帯電話など、無線で通信する多くの電子機器の必須部品です。

信号が伝送される伝送媒体。たとえば、音の伝送媒体は通常は空気ですが、固体や液体も音の伝送媒体として機能することがあります。多くの伝送媒体が通信チャネルとして使用されます。ネットワークで使用される最も一般的な物理媒体の 1 つは銅線です。銅線は、比較的少ない電力を使用して信号を長距離伝送するために使用されます。物理媒体のもう 1 つの例は光ファイバーで、長距離通信で最も一般的に使用される伝送媒体として登場しました。光ファイバーは、その長さに沿って光を導く細いガラスの糸です。

真空中には物質媒体が存在しないため、光や電波などの電磁波の伝送媒体となることもあります。

信号を受信して​​必要な情報に変換する受信機（情報シンク）。無線通信において、無線受信機は電波を受信し、それによって運ばれる情報を使用可能な形式に変換する電子機器です。アンテナと一緒に使用されます。受信機によって生成される情報は、音（オーディオ信号）、画像（ビデオ信号）、またはデジタルデータの形式になります。^[17]

有線通信では、地下通信ケーブル（まれに架空線）、指定された地点で接続ケーブルに挿入された電子信号増幅器（中継器）、および使用される有線通信の種類に応じてさまざまなタイプの端末装置が使用されます。^[18]

無線通信は、電線やケーブル、その他の電気導体を使わずに、遠くまで情報を伝送する技術です。^[19]無線操作により、長距離通信など、電線では実現不可能または非現実的なサービスが可能になります。この用語は、電気通信業界では、何らかのエネルギー（電波、音響エネルギーなど）を使って電線を使わずに情報を伝送する電気通信システム（無線送信機や受信機、リモコンなど）を指すためによく使われます。^[20]情報は、このようにして短距離でも長距離でも伝送されます。^[要出典]

通信機器エンジニアは、ルーター、スイッチ、マルチプレクサ、および通信ネットワーク インフラストラクチャで使用するために設計されたその他の特殊なコンピューター/電子機器などの機器を設計する電子技術者です。

ネットワークエンジニアは、コンピュータネットワークの設計、導入、保守を担当するコンピュータエンジニアです。さらに、ネットワークオペレーションセンターからネットワークの運用を監督したり、バックボーンインフラストラクチャを設計したり、データセンターの相互接続を監督したりします。

中央局エンジニアは、中央局（略して CO）（ワイヤ センターまたは電話交換機とも呼ばれる）内の通信機器の設計と実装の監督を担当します^[21] CO エンジニアは、新しいテクノロジーを既存のネットワークに統合し、ワイヤ センター内での機器の位置を割り当て、新しい機器に電源、クロッキング（デジタル機器の場合）、およびアラーム監視機能を提供する責任があります。また、CO エンジニアは、設置される新しい機器をサポートするために現在十分な電源、クロッキング、およびアラーム監視機能がない場合に、追加の電源、クロッキング、およびアラーム監視機能を提供する責任もあります。最後に、CO エンジニアは、ワイヤ センター全体のさまざまな機器と配線フレームに大量のケーブルを配布する方法を設計し、すべての新しい機器のインストールと立ち上げを監督する責任があります。

構造エンジニアとして、CO エンジニアは、機器を設置するラックやベイ、およびプラントを設置する場所の構造設計と配置を担当します。

電気技師であるCO エンジニアは、電話サービスが明瞭で鮮明であり、データ サービスがクリーンで信頼性があることを保証するために、すべての新しい設備の抵抗、静電容量、インダクタンス(RCL) 設計を担当します。減衰または強度の段階的な低下^{[引用が必要]}およびループ損失の計算は、要求されるサービスを提供するために必要なケーブルの長さとサイズを決定するために必要です。さらに、ワイヤ センターに配置される電子機器に電力を供給するために、電力要件を計算して提供する必要があります。

全体的に、CO エンジニアは CO 環境で新たな課題が生まれていることを目の当たりにしています。データ センター、インターネット プロトコル(IP) 施設、携帯電話サイト、および通信ネットワーク内のその他の新興技術機器環境の出現により、確立された一連の一貫したプラクティスまたは要件を実装することが重要になっています。

設置業者またはその下請け業者は、自社の製品、機能、またはサービスに関する要件を提供することが期待されています。これらのサービスは、新規または拡張された機器の設置、および既存の機器の撤去に関連する可能性があります。^{[22] [23]}

次のような他のいくつかの要素も考慮する必要があります。

• 設置に関する規制と安全性
• 有害物質の除去
• 機器の設置と取り外しによく使用されるツール

屋外設備(OSP) エンジニアは、しばしばフィールド エンジニアとも呼ばれます。これは、現場で土木環境、空中、地上、地下に関するメモを取ることに多くの時間を費やすことが多いためです。^[要出典] OSP エンジニアは、設備 (銅線、光ファイバーなど) を配線センターから配電ポイントまたは宛先ポイントに直接運ぶ責任があります。配電ポイント設計を使用する場合は、クロスコネクトボックスを戦略的な場所に配置し、特定の配電エリアに電力を供給します。

次に、クロスコネクトボックス (別名サービス エリア インターフェイス) を設置して、ワイヤ センターから宛先ポイントへの接続をより簡単にし、ワイヤ センターから宛先ポイントへの専用設備を持たずに済むようにすることで、設備の占有を減らします。次に、設備は宛先ポイントまたはターミナルと呼ばれる別の小さな閉鎖部に直接運ばれ、必要に応じてそこから設備にアクセスすることもできます。これらのアクセス ポイントは、顧客の修理時間を短縮し、電話事業会社に多額の費用を節約できるため、好まれています。

プラント設備は、直接埋設または導管経由、場合によっては水中に敷設された地下設備、電話柱や電柱などの空中設備、または他の 2 つの方法のいずれもコストがかかりすぎる長距離の場合はマイクロ波無線信号を介して配送できます。

構造エンジニアとして、OSP エンジニアは携帯電話の塔や電柱の構造設計と配置、および新しい設備を追加する既存の電話柱や電柱の柱の能力の計算を担当します。高速道路などの交通量の多い場所の下で掘削する場合や、橋などの他の構造物に接続する場合は、構造計算が必要です。大きな溝やピットの場合は、支保工も考慮する必要があります。導管構造には、構造を支え、周囲の環境 (土壌の種類、交通量の多い場所など) に耐えられるように設計する必要があるスラリーの容器が含まれることがよくあります。

電気技師であるOSP エンジニアは、電話サービスが明瞭で鮮明であり、データ サービスがクリーンで信頼性があることを保証するために、すべての新しい設備の抵抗、静電容量、インダクタンス (RCL) 設計を担当します。減衰または強度の段階的な低下^{[引用が必要]}およびループ損失の計算は、要求されるサービスを提供するために必要なケーブルの長さとサイズを決定するために必要です。さらに、現場に設置される電子機器に電力を供給するために、電力要件を計算して提供する必要があります。機器、施設、および設備を現場に配置するときは、落雷、不適切に接地されたまたは壊れた電力会社の施設からの高電圧傍受、およびさまざまな電磁干渉源を考慮して、接地電位を考慮する必要があります。

土木技術者であるOSP エンジニアは、手作業またはコンピュータ支援設計(CAD) ソフトウェアを使用して、通信プラント施設の配置計画を作成する責任があります。自治体と連携して作業する場合は、溝掘りまたはボーリングの許可が必要になることが多く、そのための図面を作成する必要があります。これらの図面には、道路を舗装したり、既存の道路に車線を追加したりするために必要な詳細情報の約 70% 程度が含まれていることがよくあります。高速道路などの交通量の多い場所の下でボーリングを行う場合や、橋などの他の構造物に接続する場合は、構造計算が必要です。土木技術者である通信エンジニアは、今日の文明全体に分散しているすべての技術通信の最新の通信バックボーンを提供します。

電気通信工学に特有なのは、空芯ケーブルの使用です。これには、コンプレッサー、マニホールド、レギュレーター、およびシステムごとに加圧スプライスケースに接続する数百マイルの空気パイプなどの空気処理装置の広範なネットワークが必要です。これらはすべて、この特殊な銅ケーブルに圧力をかけて湿気を防ぎ、顧客にクリーンな信号を提供するように設計されています。

政治的かつ社会的な大使として、OSP エンジニアは地方自治体や他の公共事業体に対する電話事業会社の顔であり代弁者です。OSP エンジニアは、自治体、建設会社、その他の公共事業体と頻繁に会い、彼らの懸念に対処し、電話事業体の仕組みや運営方法について教育します。^[要出典]さらに、OSP エンジニアは、クロスコネクト ボックスを設置するための地役権など、屋外設備を設置するための不動産を確保する必要があります。

• Dahlman, Erik; Parkvall, Stefan; Beming, Per; Bovik, Alan C.; Fette, Bruce A.; Jack, Keith; Skold, Johan; Dowla, Farid; Chou, Philip A.; DeCusatis, Casimer (2009). Communications engineering desk reference . Academic Press. p. 544. ISBN 978-0-12-374648-1。

• ウィキメディア・コモンズの通信工学に関連するメディア