携帯電話基地局

携帯電話基地局
コンポーネントタイプ携帯電話基地局
初製作20世紀
セルラーラティスタワー
ギリシャ、ペリステリの携帯電話基地局
ギリシャ、ペリステリの携帯電話基地局

セルサイト、携帯電話タワー、セルベースタワー、またはセルラーベースステーションは、携帯電話ネットワーク内にセルまたは隣接セルを作成するためにアンテナと電子通信機器が（通常は無線マスト、タワー、またはその他の高架構造物上に）設置される、携帯電話対応のモバイルデバイスサイトです。高架構造物は通常、アンテナと1組以上の送信機/受信機、デジタル信号プロセッサ、制御電子機器、タイミング用のGPS受信機（ CDMA2000 / IS-95またはGSMシステム用）、主電源とバックアップ電源、およびシェルターをサポートします。[ 1 ]

一部の企業は、携帯電話ネットワークのインフラサービス（用地取得、建設、継続的な保守など）を提供しています。これらのサードパーティプロバイダーは、複数の拠点を管理し、ネットワークのアップグレードを調整することで、通信事業者が効率的にカバレッジを拡大できるよう支援します。こうしたサービスは、基地局管理とネットワークサポートを専門とする企業によって提供されています。[ 2 ]

複数の携帯電話事業者は、共通のアンテナを共通のアンテナ塔に設置することでコストを削減することがよくあります。これは、別々のシステムが異なる周波数を使用するため、アンテナを互いに干渉することなく近接して設置できるからです。一部の事業者は複数の携帯電話ネットワークを運営しており、同様に2つ以上の携帯電話ネットワーク（例えば CDMA2000やGSM ）に同じ基地局を設置しています。

携帯電話基地局は目立たないように設置することが求められる場合があり、[ 3 ]周囲の環境に溶け込むように設置される場合や、[ 4 ]建物に設置される場合や、 [ 5 ]または広告塔に設置される場合などがあります。[ 6 ]保護された樹木景観により、人工樹木や保存樹木の中に携帯電話基地局を隠すことができる場合もあります。このような設置は、一般的に隠蔽型携帯電話基地局またはステルス携帯電話基地局と呼ばれます。[ 3 ]

概要

セルラーネットワークとは、携帯電話（セルフォン）のネットワークであり、各携帯電話はセルラー基地局（セルサイト）のローカルアンテナを介して電波で電話ネットワークと通信します。サービスが提供されるエリアは、「セル」と呼ばれる小さな地理的エリアのモザイクに分割され、各セルは基地局に設置された個別の低消費電力マルチチャネルトランシーバーとアンテナによってサービスを受けます。セル内のすべての携帯電話は、システムで使用される共通周波数プールから基地局によって割り当てられた個別の周波数チャネルを使用して、そのセルのアンテナを介してシステムと通信します。

セルラー構成の目的は、周波数の再利用によって無線帯域幅を節約することです。各セル内で使用される低電力無線信号はセルの外まで遠くまで伝播しないため、地理的に離れたセルでも無線チャネルを再利用することができます。モバイルユーザーがあるセルから別のセルに移動すると、携帯電話は自動的に新しいセルのアンテナに「ハンドオフ」され、新しい周波数セットが割り当てられ、その後、このアンテナで通信を行います。このバックグラウンドでのハンドオフプロセスはユーザーには意識されることなく、通話中にサービスが中断されることなく実行できます。各携帯電話は、自動全二重デジタルトランシーバーを搭載しており、 UHFまたはマイクロ波帯の2つのデジタル無線チャネル（双方向通話の各方向に1つずつ）を介してセルアンテナと通信します。さらに、ネットワークへの電話の登録、ダイヤル、ハンドオフプロセスを処理する制御チャネルも備えています。

通常、携帯電話基地局は 1 つ以上のセルの端に配置され、指向性アンテナを使用して複数のセルをカバーします。一般的な配置では、セル サイトを 3 つの隣接するセルの交点に配置し、3 つのアンテナを 120° の角度で配置して、それぞれが 1 つのセルをカバーします。携帯電話基地局に使用されるタイプのアンテナ(写真では垂直の白い長方形)は、セクター アンテナと呼ばれ、通常、ダイポールの垂直共線アレイで構成されます。このアンテナは、平坦で扇形の放射パターンを持ち、セル領域をカバーするためにわずかに下向きに傾けられています。これにより、同じ周波数を再利用している遠くのセルに干渉する可能性がある高角度での放射を回避します。アンテナの仰角は、ビームが放射しすぎずにセル全体をカバーできるように、注意深く調整する必要があります。最新のセクター アンテナでは、ビームの傾斜は通常電子的に調整できるため、調整が必要な場合に、送電線作業員がタワーに登って機械的にアンテナを傾ける必要はありません。

操作

範囲

セルサイトの動作範囲（モバイルデバイスがセルサイトに安定して接続できる範囲）は固定値ではありません。以下のような様々な要因によって左右されます。

  • 周囲の地形に対するアンテナの高さ（見通し伝搬）。
  • 使用中の信号の周波数。
  • 送信機の定格電力。
  • 加入者デバイスの必要なアップリンク/ダウンリンクデータレート[ 7 ]
  • サイトアンテナアレイの指向特性。
  • 建物や植生による電波エネルギーの反射と吸収。
  • 地域の地理的要因や規制上の要因、気象条件によって制限される。
  • 一部の技術におけるタイミング制限（例えば、自由空間であっても、GSM は 150 km に制限され、特別な機器を使用すれば 180 km も可能）

一般的に、広いエリアをカバーするのに十分なセル サイトがあるエリアでは、各セル サイトの範囲は次のように設定されます。

  • 他のサイトとの間の「ハンドオーバー」（モバイル デバイスの信号を、それを処理できるテクノロジの場合、あるセル サイトから別のセル サイトへ移動すること - たとえば、車や電車の中で GSM 電話をかけるなど）に十分なオーバーラップがあることを確認します。
  • 他のサイトとの干渉の問題を最小限に抑えるために、重複領域が大きすぎないことを確認してください。

実際には、携帯電話基地局は人口密度が高く、潜在的利用者が最も多い地域にグループ化されています。単一の基地局を通過する携帯電話トラフィックは、基地局の容量によって制限されます。-56 dBmの信号では、基地局が一度に処理できる通話またはデータトラフィックの数には限りがあります。この容量制限は、一般的に基地局の設置間隔を決定する要因となります。郊外では、基地局は通常2～3 km（1.2～1.9マイル）間隔で設置され、人口密度の高い都市部では、基地局間の距離は400～800 mと非常に近くなることがあります。[ 8 ]

マストの最大範囲（近くの他のマストとの干渉によって制限されない場合）も、同様の考慮事項によって決まります。いずれの場合も、制限要因は、低出力の個人用携帯電話がマストに返信する能力です。おおよその目安として、高いマストと平坦な地形をベースとすると、50 ～ 70 km（31～43 マイル）の範囲に到達可能と考えられます。地形が丘陵地帯の場合、中間物体が信号の広い中心フレネルゾーンに侵入するため、最大距離は 6～8 km（3.7～5.0 マイル）と短くなる場合があります。 [ 9 ]地形やその他の状況によって異なりますが、GSM タワーは固定無線ネットワークの 3～80 km（2～50 マイル）のケーブルを置き換えることができます。[ 10 ]また、GSM などの一部のテクノロジーでは、技術的な制限によって、さらに 35 km（22 マイル）の絶対最大範囲が設定されます。 CDMA およびIDEN にはタイミングによって定義されるそのような制限はありません。

範囲の実例

チャネル再利用

携帯電話ネットワークにおいて「最大」範囲という概念は誤解を招きやすいものです。携帯電話ネットワークは、携帯電話サービスの事業者にライセンス供与された限られた数の無線チャネル（ 1回の会話に必要な無線周波数スペクトルの断片）で、多くの会話をサポートするように設計されています。この制限を克服するには、異なる場所で同じチャネルを繰り返して再利用する必要があります。カーラジオが別の都市に移動するときに、同じ周波数を持つあるローカル局から全く異なるローカル局に切り替えるのと同じように、わずか数マイル離れた携帯電話基地局でも同じ無線チャネルが再利用されます。これを行うために、携帯電話基地局の信号は意図的に低出力に保たれ、多くの場合、到達範囲を制限するために下向きに傾けられます。これにより、利用可能なチャネルが伝送できる以上の会話をサポートする必要がないほど狭いエリアをカバーできます。基地局上のアンテナはセクター状に配置されているため、エリア内の他の基地局からのカバレッジに応じて、各セクターの強度と角度を変えることができます

信号制限要因

携帯電話は、基地局から遠すぎる場合や、厚い壁、丘、その他の構造物によって信号が減衰する場所にある場合、機能しないことがあります。信号は見通しが良い場所を必要としませんが、無線干渉が大きいと受信状態が悪化したり、受信できなくなったりします。交通渋滞やスポーツイベント中など、多くの人が同時に基地局を使用しようとすると、携帯電話のディスプレイには信号が表示されますが、新しい接続を開始できなくなります。携帯電話のもう 1 つの制限要因は、低電力バッテリーから基地局に信号を送信する能力です。携帯電話の中には、低電力または低バッテリーの状態でも他の携帯電話よりもパフォーマンスが良くなるものがありますが、これは通常、電話から基地局に良好な信号を送信する能力によるものです。

基地局コントローラ（電話接続を専門とする中央コンピュータ）と携帯電話のインテリジェンスは、通話中に基地局を監視し、次の基地局への切り替えを可能にします。ユーザーが基地局に近づくと、最も強い信号を選択し、信号が弱くなった基地局のチャンネルを解放します。これにより、その基地局のチャンネルは他のユーザーが利用できるようになります。

地理位置情報

携帯電話による地理位置情報はGNSS（例：GPS）よりも精度が低いですが、 GPS受信機を搭載していないデバイスやGNSSが利用できない場所でも利用できます。このシステムの精度は様々で、高度なフォワードリンク方式が可能な場合は最も高く、単一のセルサイトしか到達できない場合は最も低くなります。その場合、位置はそのサイトの範囲内であることがのみ判明します

高度なフォワードリンクとは、デバイスが少なくとも 3 つのセル サイトの範囲内にあり、キャリアがタイミング システムの使用を実装している場合を指します。

もう1つの方法は、到来角（AoA）を使用する方法です。これは、デバイスが少なくとも2つの基地局の範囲内にある場合に発生し、中程度の精度が得られます。アシストGPSは、衛星信号と携帯電話信号の両方を使用します。

アメリカ合衆国では、位置情報を利用した緊急通報サービス（現地では「Enhanced 911」と呼ばれる）の導入にあたり、2005年12月31日時点で使用されている携帯電話の少なくとも95%がこのサービスに対応していることが義務付けられていました。多くの通信事業者がこの期限を守れず、連邦通信委員会から罰金を科されました。[ 13 ]

無線電力と健康

米国連邦通信委員会によると、「様々な情報源から得られた測定データは、典型的な携帯電話基地局付近の『最悪の場合』の地上電力密度が1μW/cm 2（または10mW/m 2）以下（通常はそれより大幅に低い）であることを一貫して示している。」[ 14 ]

携帯電話、携帯電話基地局、Wi-Fi、スマートメーター、デジタル拡張コードレス電話、コードレス電話、ベビーモニター、その他の無線機器はすべて非電離無線周波数を放射しており、世界保健機関（WHO）はこれを「潜在的な」発がん物質に分類しています。[ 15 ]米国国立がん研究所によると、「ELF-EMFまたは無線周波数放射線ががんを引き起こすメカニズムは特定されていません。」[ 16 ]

米国食品医薬品局によると、「科学的コンセンサスは、非電離放射線は発がん性物質ではないことを示し、FCCによって設定された無線周波数曝露限度以下では、非電離放射線が人体に害を及ぼすことは示されていない。」[ 17 ]

仮設サイト

2021年のクンブレ・ビエハ火山噴火時に使用された移動式アンテナ

携帯電話のアンテナは通常、恒久的な構造物に設置されますが、通信事業者は、一時的なセルサイトとして機能する「移動式セル（COW）」と呼ばれる車両群も保有しています。ネットワーク電源が利用できない場合に備えて発電機が備え付けられている場合があり、また、有線リンクが利用できない場所でも使用できるように、 無線バックホールリンクがシステムに組み込まれている場合もあります。

COW は、損傷した機器の一時的な代替として、計画的な停止中に、またコンベンションなどの特別なイベント中に容量を増強するために、常設のセル サイトでも使用されます。

車輪付きセル（COW）

雇用

携帯電話基地局作業員は、タワークライマーまたは送電塔作業員と呼ばれます。送電塔作業員は、携帯電話会社やその他の無線通信会社のために、設置、保守、修理作業を行うため、最大460メートル（1,500フィート）の高さで作業することがよくあります

スパイ機関の設立

デア・シュピーゲルに漏洩した文書によると、NSAは携帯電話の基地局を模倣し、携帯電話を監視するためのツールとして使用される4万ドルの「アクティブGSM基地局」を販売している。[ 18 ]

2014年11月、ウォール・ストリート・ジャーナルは、米国連邦保安官事務所の技術運用グループが「ダートボックス」と呼ばれるスパイ機器を用いて、強力な携帯電話基地局の信号を模倣していると報じました。この機器は、携帯電話が到達範囲内で最も強い信号である基地局に切り替えられるように設計されており、航空機に搭載することで効果的に「ドラグネット」を構築し、人口密集地の上空を飛行する航空機から携帯電話に関するデータを収集します。[ 19 ] [ 20 ]

オフグリッドシステム

オフグリッド基地局は、公共の電力網に接続されていません。通常、アクセスが困難であったり、インフラが整備されていないために、システムはオフグリッドになっています。燃料電池やその他のバックアップ電源システムは、重要な基地局に追加され、日常および緊急時の電力供給に使用されます。従来、基地局では内燃機関駆動の発電機が使用されてきましたが[ 21 ] [ 22 ]、公共電力よりも効率が低いため、運用コストが増加し、大気汚染、騒音汚染などの汚染源となります。また、一部の基地局は環境保護および景観保護地域に設置されています。

太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーは、基地局が設置されている場所で利用できる場合があります。英国初のオフグリッド基地局は、2022年にウェールズのエグルウィスワーに設置されました。[ 23 ]これにより、基地局や通信塔への燃料費を最大75%削減できます。また、再生可能エネルギーが不足している場合でも、基地局を稼働させることができる燃料発電システムによってバックアップできます。このようなエネルギー生産システムの一例は、以下の要素で構成されています。

断続的な電源からの電気エネルギーは二次電池に蓄えられます。二次電池は通常、平均2日間の自給自足（自律性）を実現するように設計されており、修理が必要なときに保守担当者が現場に到着するまでの時間を確保します

再生可能エネルギーシステムは、利用可能な場合に電力を供給します。燃料電池は、自然エネルギーがシステムに必要な電力を供給できない場合にのみ作動します。非常用電源（燃料電池）は、平均10日間持続するように設計されています。このように、この構造は完全に自給自足であり、メンテナンスチームは現場へのアクセスが困難なため、数回の訪問で済みます。

カモフラージュ

安全性と景観上の理由から、新しいマストの設置には地元住民からしばしば反対の声が上がります。後者への対策として、旗竿、街灯、樹木（ヤシの木、松、糸杉など）、屋根構造物、煙突やパネルといった都市景観要素など、マストを他のものに偽装する手法が用いられることがあります。[ 24 ]

これらの隠蔽型基地局は、葉の形状と樹皮の種類によって区別することができます。これらのアンテナの葉はすべてプラスチック素材で作られており、数量、形状、配列が正確に設計されており、アンテナとすべての付属部品を自然に完全に隠すのに適しています。使用されている素材は、完全な電波透過性とUVA耐性を保証します。愛称には、ヤシの木に偽装されたモノポールアンテナ「モノパーム」、松の木に偽装されたマスト「Pseudopinus telephoneyensis」などがあります。[ 25 ]モノポールアンテナでは、クロスバーをなくすために、指向性アンテナがポール上部近くのプラスチックハウジングに隠されている場合があります。

高さ6～12メートルの隠蔽煙突やパネルなどの屋上構造物は、同じ局に1台または複数の携帯電話事業者を隠蔽する可能性があります。ルーフマスクパネルは既存の屋上構造物に固定できるため、迅速かつ低コストで改修できます。

ミニチュア

アルカテル・ルーセントの研究者たちは、手のひらに収まる「lightRadio」と呼ばれるセルサイトを開発しました。[ 26 ]ルービックキューブほどの大きさで、 2G、3G、4Gの信号を中継できます。既存のセルサイトよりもエネルギー効率が高く、ブロードバンドの通信効率も向上します。人口密度の高い都市部で、無線スペースを確保するために活用できる可能性があります。[ 27 ]

給水塔と携帯電話

ウィスコンシン州マウストンにある、上部に携帯電話の塔がある給水塔
イリノイ州バリントンの首に巻かれた給水塔の携帯電話

携帯電話会社は地方自治体とリース契約を結び、給水塔に携帯電話のアンテナを設置している。[ 28 ]

参照

参考文献

  1. ^ Raj Krithin Katla (2020年11月10日). 「携帯電話の基地局に何があるのか​​学ぶ」 . Medium . Techno Chronicle Magazine . 2024年8月21日閲覧
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  3. ^ a b Jackson Chung (2013年8月10日). 「24 Cell Phone Towers Disguised as Everyday Things」 . TechBlog . Honekai Media . 2024年8月21日閲覧。
  4. ^ Rubenstein, Carin (2004年7月11日). 「The Girded, The Bland And the Prickly」 .ニューヨーク・タイムズ. 2020年6月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年2月18日閲覧。
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  20. ^ Kate Knibbs (2014年11月13日). 「WSJ: 米国の秘密スパイプログラム、飛行機を使って携帯電話を標的に」 . Gizmodo. 2020年11月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年11月14日閲覧。
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  26. ^ admin-ectnews (2011年2月7日). 「アルカテル・ルーセント、地球上の巨大携帯電話基地局の排除を目指す」 TechNewsWorld . 2026年1月16日閲覧。
  27. ^携帯電話料金を削減できる小さなキューブArchived 12 November 2020 at the Wayback Machine、CNN Money、2011年3月21日、David Goldman
  28. ^ 「給水塔に設置された携帯電話アンテナが自治体の収入増と電話サービスの向上をもたらす」 2011年7月26日。
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