携帯電話基地局が接続を維持する仕組み

携帯電話基地局は、アンテナ、ベーストランシーバ基地局、マスト、地上設備などのさまざまなコンポーネントで構成されており、モバイルデバイスからの信号を管理することで効率的なセルラ通信を実現します。4Gタワーと5Gタワーの違いは、5Gテクノロジによって提供される速度、容量、レイテンシが向上することです。徹底的なテストにより、これらのタワーの最適なパフォーマンスと信頼性が確保されます。

NIは信頼性の高いワイヤレスインフラストラクチャ
の構築を支援

私たちの暮らす世界はかつてないほど繋がるようになっており、安定したネットワークを維持するには膨大な量のリソースが必要です。一般にセルサイトまたはベーストランシーバ基地局とも呼ばれる携帯電話基地局は、最新の通信システムの重要なコンポーネントです。物理構造は、特定の「セル」またはエリアの無線信号の送受信に必要な機器が保持されており、そのためこの名前が付いています。携帯電話基地局は、モバイルデバイスとネットワーク間のワイヤレス通信を容易にします。これらの構造は、ワイヤレス通信のエコシステムにおいて不可欠な役割を果たしており、電話をかける、SMSを送信する、モバイルデバイスからインターネットにアクセスすることを可能にしています。このため、集中的なテストが必要です。

NIは、新しい複雑なテクノロジをテストするための柔軟で拡張性があり、費用対効果の高いソリューションを提供することで、信頼性の高いワイヤレスインフラストラクチャの構築に大きく貢献しています。 ワイヤレステクノロジが進化し、より複雑になるにつれて、特に6Gの出現に関連して、革新的なソリューションは、テストエンジニアが携帯電話基地局の稼働時間を維持するために必要なネットワーク設計とテスト技術についての高度な理解をするのに役立ちます。

携帯電話基地局のコンポーネント

地平線を見渡せば、すぐには分からなくても、ほぼ確実に携帯電話基地局を見つけることができます。ベーストランシーバ基地局は、一般的な高いタワーから煙感知器と同じくらいの大きさの小さなユニットまでさまざまなサイズがあります。それはすべて、必要なカバレッジとエリアのトラフィック密度によって異なります。

携帯電話基地局はどのようなものでしょうか。携帯電話基地局は、アンテナの配列で装飾された背の高い垂直のマストのような形をしており、通常は3方向または4方向にセグメント化された、はっきりと認識可能な形状をしています。ただし、すべての携帯電話基地局がはっきり目立つわけではありません。ステルスタワーは隠蔽されており、周囲の環境の中でカモフラージュされ、屋上や教会の尖塔などの既存の構造に目立たないように組み込まれています。すぐに認識できるか、周囲の環境に絶妙に溶け込んでいるかを問わず、これらのタワー型構造物には、サービスエリア全体でシームレスなセルラ接続を確保するためのさまざまな重要機器が詰まっています。

各携帯電話基地局は、ネットワークのニーズやサービスを提供する特定のエリアごとに多少異なる場合がありますが、通常、ほとんどの設備に以下のコンポーネントが含まれています。

• アンテナ ― これらは、特定のセル内のモバイルデバイスとの間で信号を送受信するために重要です。携帯電話基地局のアンテナには、大きく2種類あります。
  • パネルアンテナ ― これらは、ワイドエリアにサービスを提供する平らで長方形のデバイスです。これらは汎用性が高く、さまざまな構成で組み合わせて、必要なカバレッジと容量を実現できます。同じチャンネルで複数のデータストリームを送信することで容量を増加させるMIMO (Multiple Input, Multiple Output) テクノロジを使用できます。
  • セクタアンテナ ― タワー上に3つまたは4つでしばしばグループ化されるセクタアンテナは、特定の方向 (または「セクタ」) をカバーするように設計されています。 このセグメント化により、全体のカバーエリアが効果的に拡大され、信号間の干渉が減少します。アンテナは多くの場合、幾何学的な構成で配置され、360度の範囲をカバーします。
• ベーストランシーバ基地局 (BTS) ― BTSには、RF信号を送受信する無線トランシーバが搭載されています。各トランシーバまたはチャンネルは、一定数の同時呼び出しをサポートします。BTSには、通信を暗号化および復号化するための装置、スペクトルフィルタツール、デュプレクサ、アンプも含まれています。
• タワーまたはマスト ― この高い物理的構造はアンテナを高く保持し、通常は鋼鉄でできています。アンテナの高さは戦略的に決められます。アンテナが高いほど、カバーできるエリアが広くなります。この構造は、風などの環境ストレスや装置の重量負荷に耐えることができなければなりません。
• 地上装置 ― これには、携帯電話基地局の電源システム (通常は信頼性を確保するためのバッテリバックアップ)、温度制御用のHVACシステム、通話データの処理に使用されるベースバンド受信機など、さまざまな補助システムを収容する筐体またはシェルターが含まれます。
• マイクロ波ディッシュ ― 電気通信ネットワークに物理ケーブルで接続されていない (通常遠隔地にある) 携帯電話基地局の場合、マイクロ波ディッシュはバックホール接続に使用されます。これらのディッシュは、他のタワーまたはネットワークノードとのポイントツーポイント通信を容易にします。これらはタワーの側面に設置されていることが多く、ケーブル敷設が困難な場所で特に役立ちます。
• ケーブル配線 ― ケーブルで携帯電話基地局のすべてのコンポーネントを接続し、相互に通信できるようにします。ケーブル配線には、同軸ケーブル、マイクロ波伝送用の導波管、光ファイバケーブルなど、さまざまなタイプがあります。RFケーブルは、データ伝送用にBTSからアンテナおよびネットワークケーブルに接続されています。

これらの携帯電話基地局コンポーネントのシームレスな連携が、ワイヤレス通信ネットワークのバックボーンを支えています。

携帯電話基地局の仕組み

携帯電話基地局は、モバイルデバイスと通信ネットワークを仲介します。分かりやすく言えば、携帯電話基地局は、モバイルデバイスから信号を受信し、これらの信号をデジタル形式に変換して、送信先 (別の電話機やインターネット) に送信します。着信通話またはデータの場合、このプロセスは逆になります。このプロセスは単純に思えるかもしれませんが、多くのステップと装置が必要です。詳細を見てみましょう。

通信プロセスは、携帯電話などのモバイルデバイスが信号を送信すると開始されます。この信号は電磁波 (特にRF波) で、基本的にユーザの音声またはデータを変調したものです。信号は、マストに取り付けられたアンテナの1つで受信されます。これらのアンテナはMIMO技術を使用しており、同じチャンネルで複数のデータストリームを送信して容量を増やすことができます。

アンテナが信号を受信すると、一連の高周波同軸ケーブルまたは導波管を通り、タワーの基部に収容されているBTSに送られます。BTSは、RF信号をネットワークで処理可能なデジタル形式に変換します。処理された信号は、バックホール接続を介して移動交換局 (MSC) に送信されます。この接続は、場所とインフラストラクチャに応じて、光ファイバケーブルなどの物理的な接続 (都市部または郊外の場合)、またはマイクロ波リンクのようなワイヤレス接続 (遠隔地の場合) があります。

携帯電話ネットワークの中枢であるMSCは、通話やデータを正しい送信先 (別のモバイルデバイスまたはインターネット上のサーバなど) に経路設定します。着信通話またはデータの場合、このプロセスは基本的に逆になります。MSCは信号をBTSに送信し、BTSはそれをアップコンバートしてRF信号に戻します。このRF信号は、タワーのアンテナから目的のモバイルデバイスに送信されます。

携帯電話基地局の信号はどれくらいの距離届くのか

携帯電話基地局は、郊外では最大20マイル (32km) 遠くの携帯電話に信号を送信できます。建物などの物理的な障害物が多く、人口が密集している都市では、到達範囲は1～2マイル (1.6～3.2km) に減少する可能性があります。携帯電話基地局は、同時に数千の通話やインターネット接続を処理できます。

携帯電話基地局の到達距離を調べる際、技術的にはセル半径と呼ばれる範囲がいくつかの要因によって大きく影響される可能性があります。5Gネットワークで一般的に使用されるような高周波数信号は、到達距離が短く容量が大きい傾向があります。一方、郊外で4G LTEに使用されることが多い低周波数信号は、到達距離が長く伝送するデータ量は少なくなります。アンテナの高さとタイプも、カバレッジを決定する上で重要です。高いアンテナは障害物を回避し、より広いエリアをカバーできます。セクタアンテナなどのアンテナタイプは、特定の方向にターゲットを絞ったカバレッジを提供し、パネルアンテナは広範囲のカバレッジを提供します。ビームフォーミングは、高度なMIMO設定で使用される技術で、信号を特定のユーザに集中させて範囲を拡張し、信号品質を向上させることができます。

数千の同時要求に対応するために、最新の携帯電話基地局は高度な技術を採用して、同時通話数またはデータセッション数を最大化しています。MIMOを使用すると、複数のデータストリームを同時に送受信が可能になり、帯域幅を追加することなく容量を効率的に増やすことができます。直交振幅変調 (QAM) などの高度なスペクトル効率技術も採用して、1 Hzの帯域幅あたりの送信ビット数を増やしています。使用する特定のテクノロジによって容量が変化します。ミリ波技術は、より高い帯域幅に対応できるため、容量を大幅に増やすことができます。さらに、特定のエリアでセルの使用に割り当てられた周波数範囲 (利用可能なスペクトルの量) も容量に影響します。

ワイヤレス通信の見通し線

ワイヤレス通信における見通し線とは、電波が携帯電話基地局などの送信アンテナからスマートフォンなどの受信アンテナに伝わる、障害物のない直接的な経路を指します。

信号の強度と品質を最適化するには、送信機と受信機の間の見通し線が重要です。建物、樹木、丘などの障害物、大気条件によって信号の減衰や弱まり、信号が表面で反射して異なるタイミングで受信機に到達するマルチパス伝播が発生する可能性があり、干渉や性能低下の原因となる可能性があります。

見通し線は、波長が短く、障害物によって吸収または反射されやすい5Gネットワークで使用される高周波数帯域で特に重要になります。地上から高い位置に設置された携帯電話基地局をよく見かけたり、無線信号を受信機に向かって特定の方向に集束させるビームフォーミングなどの技術を使用している理由は見通し線です。

携帯電話基地局のタイプ

携帯電話基地局は、その構造、場所、使用するテクノロジタイプによって異なります。最も一般的なタワータイプには、モノポール携帯電話基地局、ラティスタワー、ガイドタワー、ステルスタワー、屋上タワー、小型携帯電話基地局などがあります。

モノポールタワー

この最も単純なタイプの携帯電話基地局は、特に都市部で最も一般的に使用されています。モノポールタワーは、通常、高さ50～200フィートの独立した単一のポールです。アンテナは通常、キャニスタの内側上部または外側に取り付けられています。

ラティスタワー

これらのタワーは、田園地帯や高速道路沿いでよく見られます。モノポールタワーよりも強力で、より多くの機器をサポートでき、より高い高度を到達できます。ラティスタワーは自立型で、水平および対角ロッドのフレームワークが格子効果を生じます。 

ガイドタワー

ガイドタワーは安定化のために支線を使用します。これらのタワーは、最も軽量で建設に最も費用対効果の高い携帯電話基地局ですが、支線がタワーから地面までかなりの距離延びるため、広いスペースが必要です。ガイドタワーは通常、スペースがあまり問題にならない郊外エリアで使用されます。

ステルスタワー

その名前が示すように、ステルスタワーまたは隠蔽タワーは、周囲に溶け込むように構築されています。これらは木 (しばしば「モノパイン」と呼ばれる)、時計塔、旗ざお、教会の尖塔に見えるようにデザインされている場合もあれば、建物や看板などの既存の構造物に組み込まれることもあります。

屋上タワー

人口密度の高い都市部では、自立型タワーを建設することは現実的でない、または不可能な場合があります。このような場合、アンテナは建物の屋根やその他の既存の構造物の屋上に取り付けられます。これらの設置では、従来のタワーよりも高さが大幅に低くなることがありますが、十分なエリアカバーを実現するためにはより高密度に配置する必要があります。

小型携帯電話基地局

5Gテクノロジの出現により、小型携帯電話基地局がますます一般的になりつつあります。マイクロセル、ピコセル、またはフェムトセルと呼ばれるこれらの小さなセルは、到達距離は短いですが、大量のデータを迅速に伝送できます。小型携帯電話基地局は、多くの場合、高密度地域の街灯、電柱、または建物に取り付けられています。

これらのさまざまなタイプの携帯電話基地局はすべて、モバイルデバイスから信号を送受信するという同じ基本目的を果たします。使用するタワーの正確なタイプは、地理、人口密度、モバイルネットワークの特定の要件などのさまざまな要素によって異なります。

4Gと5Gの携帯電話基地局の主な違い

4Gと5Gの携帯電話基地局の主な違いは、ワイヤレスネットワークの速度、容量、レイテンシに影響するテクノロジの変化にあります。4Gネットワークは通常、最大2.5 GHzまでの低い周波数帯域で運用されますが、5Gテクノロジは最大100 GHzまでの高周波数帯域を含むより広いスペクトルを使用するように設計されています。これらのより高い周波数、特に24 GHzを超えるミリ波帯域を使用することで、より高速なネットワーク伝送が可能になりますが、到達範囲が狭くなります。

最も顕著な違いの1つは、データ転送レートです。5G携帯電話基地局は、4G携帯電話基地局よりもはるかに高速なデータ通信速度を実現します。つまり、4G LTEネットワークは約100 Mbpsのピーク速度を提供できますが、5Gネットワークは理論上はその100倍の最大10 Gbpsの速度を実現できます。

レイテンシ (つまりデータ転送の命令後のデータ転送の遅延) は、5Gが優れているもう1つの分野です。4Gネットワークでは一般的な50ミリ秒のレイテンシと比較すると、5Gではこれを数ミリ秒に短縮することを目指しており、これは自動運転車などのリアルタイムアプリケーションでは特に重要です。高周波数の5Gテクノロジは到達範囲が短いため、特に人口密度の高い地域や屋内カバレッジでは、携帯電話基地局がより高密度に必要です。この問題を解決するために、小型携帯電話基地局を使用してカバレッジと容量を拡張します。

4Gタワーと比較すると、5Gタワーは1つのタワーにMassive MIMO (Multiple Input Multiple Output) と呼ばれる多数のアンテナを搭載しており、ネットワークの容量と効率を向上しています。また、4G携帯電話基地局のように無指向性で全方向に電波を飛ばすのではなく、特定の方向にワイヤレス信号を集束するビームフォーミングと呼ばれる技術も利用しています。このアプローチにより、携帯電話基地局の信号強度が向上し、干渉が低減しています。

違いはありますが、4Gテクノロジと5Gテクノロジは相互に排他的ではありません。5Gネットワークの大部分は、バックホールとネットワーク構造全体を4Gと共有しており、ワイヤレスインタフェースのみが異なります。このようなタイプのデプロイは通常、非スタンドアロン (NSA) ネットワークと呼ばれます。NSAネットワークが普及している主な理由は、基地局以外のすべてのコンポーネントが再利用できるため、ネットワーク構築のコストを削減できるためです。より優れた容量を提供できるスタンドアロン (SA) ネットワークもありますが、これらはすべてのネットワークコンポーネントを最初から構築する必要があるため、構築コストが大幅に高くなります。そのため、ほとんどのデバイスは、NSAネットワークで必要に応じて4Gと5Gを切り替えることができます。

携帯電話基地局と無線インフラストラクチャのテスト

テストは、潜在的な問題を特定して修正し、最適なパフォーマンス、継続的な稼働時間、堅牢でシームレスなワイヤレス接続をユーザに提供できるため、携帯電話基地局インフラストラクチャの信頼性にとって重要です。オープン無線アクセスネットワークコンポーネントのパフォーマンスと相互運用性を評価するO-RANテストは、高度なセルラネットワークがシームレスに機能することを確保する上で特に重要です。 

NIは、柔軟性と拡張性に優れた費用対効果の高いソリューションを提供することで、携帯電話基地局コンポーネントのテストにおいて極めて重要な役割を果たしています。ワイヤレス技術の進歩と複雑化に伴い、特に6Gの登場により、革新的なテストソリューションに対する需要が増加しています。NIは、高品質なRF測定とワイヤレス通信テストの広範な専門技術を融合することで、このニーズに対応しています。

最近では、基地局コンポーネントの細分化における独自プロトコルから標準インタフェースへの移行により、特殊なin-the-loopテストとエミュレーションが必要になりました。NIは、高品質のRF測定を使用したこれらの特殊なテストを提供することで、この要求に応えています。数十年にわたるワイヤレス業界での経験を持つNIと提携することで、堅牢なテストソリューションを実現できます。 高速かつ接続されたワイヤレスインフラストラクチャの開発についてお読みください。