電気通信工学
1942年、第二次世界大戦中、ロンドンの電話サービスの維持に努める通信技術者。

電気通信工学は電子工学の一分野であり、遠隔通信システムの設計・開発を目指します。[ 1 ] [ 2 ]業務範囲は、基本的な回路設計から戦略的な大規模開発まで多岐にわたります。電気通信技術者は、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、電気通信機器および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 ]電気通信エンジニアは、最終的に高速データ伝送サービスを提供する責任を負います。彼らは様々な機器や伝送媒体を用いて通信ネットワークインフラを設計します。今日の有線通信で最も一般的に使用されている媒体は、ツイストペアケーブル、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、無線・衛星通信、インターネット、Wi-Fi、ブロードバンド技術など、無線による通信や情報転送を中心としたソリューションも提供します。

歴史

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、そして20世紀初頭のラジオおよび電話業界における技術革新から生まれました。今日、電気通信は広く普及しており、テレビ、ラジオ、電話といった通信プロセスを支援する機器は、世界中の多くの地域で一般的に利用されています。また、これらの機器を接続するネットワークも数多く存在し、コンピュータネットワーク、公衆交換電話網（PSTN）、無線ネットワーク、テレビネットワークなどが挙げられます。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一つです。電気通信は世界経済において重要な役割を果たしており、電気通信産業の収益は世界総生産の3%弱を占めています。

電信と電話

アレクサンダー・グラハム・ベルの大型電話機、1876年。市販された最初の電話機の一つ - 国立アメリカ歴史博物館

サミュエル・モールスは独自に電信機を開発しましたが、1837年9月2日に実演しましたが失敗に終わりました。その後まもなく、アルフレッド・ヴェイルが加わり、レジスター（紙テープにメッセージを記録するための記録装置を内蔵した電信端末）を開発しました。これは1838年1月6日に3マイル（5キロメートル）の距離で実演され、最終的には1844年5月24日にワシントンD.C.とボルチモア間の40マイル（64キロメートル）の距離で実演されました。この特許取得済みの発明は大きな利益をもたらし、1851年までにアメリカ合衆国の電信線は2万マイル（3万2000キロメートル）以上にまで達しました。[ 3 ]

最初の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りました。それ以前の1857年と1858年に設置された大西洋横断ケーブルは、数日から数週間しか動作せず、その後故障しました。[ 4 ]電信の国際的な利用は、「ビクトリア朝時代のインターネット」と呼ばれることもあります。[ 5 ]

最初の商用電話サービスは、1878年と1879年に大西洋の両岸、ニューヘイブンとロンドンで開設されました。アレクサンダー・グラハム・ベルは、両国でこのようなサービスに必要となった電話の基本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年代半ばまでには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日に無線による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、ケーブル接続は、 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存在していませんでした。[ 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、光電話機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実施しました。彼らの発明の科学的原理は、数十年後に軍事および光ファイバー通信に初めて導入されるまで、実用化されませんでした。

ラジオとテレビ

マルコーニ水晶ラジオ受信機

1894年から数年間、イタリアの発明家グリエルモ・マルコーニは空気中の電磁波（無線通信）に基づく最初の完全で商業的に成功した無線通信システムを構築しました。[ 10 ] 1901年12月、彼はイギリスとニューファンドランド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年に、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撮影に成功し、これが最初の真のテレビ画像であると多くの人に考えられています。[ 12 ]これにより、1926年1月26日に再びセルフリッジで改良された装置の公開デモンストレーションが行われました。ベアードの最初の装置はニプコー円板を採用しており、機械式テレビとして知られるようになりました。これは、1929年9月30日から英国放送協会（BBC）によって行われた半実験的な放送の基礎となりました。

衛星

通信中継を行った最初の米国衛星は、 1958年のSCORE計画でした。これは、テープレコーダーを用いて音声メッセージを保存・転送するものでした。この衛星は、ドワイト・D・アイゼンハワー大統領からのクリスマスの挨拶を世界に発信するために使用されました。1960年、NASAはエコー衛星を打ち上げました。この100フィート（30メートル）のアルミニウム被覆PETフィルム製気球は、無線通信用の受動反射鏡として機能しました。フィルコ社が製造し、同じく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、様々な用途に利用されています。

テルスターは、最初の商用直接中継通信衛星でした。AT &T 、ベル電話研究所、NASA、英国郵政公社、フランス郵政公社（PTT ）の間で締結された衛星通信開発のための多国間協定の一環としてAT&Tが所有し、 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。これは民間による初の宇宙打ち上げでした。リレー1号は1962年12月13日に打ち上げられ、 1963年11月22日に太平洋を横断して通信を行っ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良により、20世紀後半に固定電話用衛星の使用は若干減少しましたが、衛星は依然としてアセンション島、セントヘレナ、ディエゴガルシア、イースター島など海底ケーブルが敷設されていない離島にのみ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。

通信衛星を介した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サービスも同様の衛星を利用するようになりました。こうしたサービスのほとんどは、商用衛星トランスポンダーチャネルの価格が大幅に低下し続けた 1990年代に、最も早く導入されました。

コンピュータネットワークとインターネット

1974年9月時点のアーパネットの象徴的な表現

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ってニューヨークにある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に成功しました。[ 14 ]集中型コンピュータ、つまりメインフレームコンピュータとリモートの「ダム端末」を組み合わせたこの構成は、1950年代から1960年代にかけても人気を博しました。しかし、研究者たちがパケット交換（集中型メインフレームを経由せずに複数のコンピュータ間で大量のデータを送信できる技術）の研究を始めたのは1960年代になってからでした。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となり、1981年までに213ノードにまで拡大しました。[ 15 ]

ARPANETの開発はRequest for Comment（コメント要請）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することになり、今日のインターネットが利用している通信プロトコルの多くは、このRequest for Commentプロセスを通じて規定されたからです。1981年9月には、RFC 791でインターネットプロトコルバージョン4（IPv4）が、RFC 793で伝送制御プロトコル（TCP）が導入され、こうして今日のインターネットの大部分が利用しているTCP/IPプロトコルが誕生しました。

光ファイバー

光ファイバー

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、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。特に長距離通信に有利で、電気ケーブルに比べて光は減衰が少なく伝搬します。そのため、中継器を少なくして長距離通信が可能になります。

1966 年、チャールズ・K・カオとジョージ・ホッカムは、イギリスのハーロウにある STC 研究所 (STL) で光ファイバーを提案し、既存のガラスの 1000 dB/km の損失 (同軸ケーブルでは 5 ～ 10 dB/km) 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、通信用途に十分なほど減衰の低い（約20 dB / km）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通じ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0.8μmの波長で動作し、GaAs半導体レーザーを用いた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。この第一世代のシステムは、最大10kmの中継間隔で45Mbpsのビットレートで動作しました 。そしてまもなく、1977年4月22日、ゼネラル・テレフォン・アンド・エレクトロニクス社はカリフォルニア州ロングビーチで、光ファイバーを介して6Mbpsのスループットで最初の実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。ケーブルは町中の配管に敷設され、1,000人以上の加入者がいました。当時は、地元の受信状況の問題で視聴できなかったテレビチャンネルの伝送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社の最適化されたレーザー増幅技術をベースにしたTAT-8で、1988年に運用開始されました。

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・デマンドなど帯域幅を大量に消費する様々な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 ]

概念

無線送信室

通信システムの基本要素

送信機

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分野において、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、無線通信を行う多くの電子機器に不可欠な部品です。

銅線

伝送媒体

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、比較的少ない電力で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。

受信機

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利用可能な形式に変換する電子機器である。アンテナと共に使用される。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いずれかの形式となる。[ 17 ]

無線通信塔、基地局

有線通信

有線通信では、地下通信ケーブル（稀に架空線）、接続ケーブルの特定の地点に挿入される電子信号増幅器（中継器）、および使用される有線通信の種類に応じて様々なタイプの端末装置が使用されます。[ 18 ]

無線通信

無線通信は、電線、ケーブル、その他の電気導体を使わずに、長距離にわたって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、電線を使わずに何らかのエネルギー（電波、音響エネルギーなど）を使って情報を転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）を指すのによく使われます。[ 20 ]このように、情報は短距離でも長距離でも転送されます。

役割

通信機器エンジニア

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、その他の特殊なコンピュータ/電子機器など、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

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、データセンター内の相互接続を監視したりもします。

中央オフィスエンジニア

典型的な Northern Telecom DMS100 電話局の設置

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）内の通信機器の実装の設計と監督を担当します[ 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、新しい機器の電源、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。 CO エンジニアはまた、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分配する方法を設計し、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もあります。

サブロール

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。

COエンジニアは電気技師として、すべての新規設備の抵抗、静電容量、インダクタンス（RCL）設計を担当し、電話サービスの明瞭性と鮮明性、そしてデータサービスの信頼性を確保します。必要な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には、減衰（強度の漸進的低下）とループ損失の計算が必要です。さらに、配線センターに設置される電子機器に電力を供給するための電力要件も計算し、供給する必要があります。

全体として、COエンジニアはCO環境において新たな課題が生じていることを認識しています。データセンター、インターネットプロトコル（IP）施設、携帯電話基地局、そして通信ネットワークにおけるその他の新興技術機器環境の出現により、確立されたプラクティスや要件を一貫して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、あるいは既存機器の撤去に関連する場合があります。[ 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。

  • 設置における規制と安全性
  • 有害物質の除去
  • 機器の設置および取り外しによく使用されるツール

屋外設備エンジニア

クロスコネクトボックス（サービスエリアインターフェースとも呼ばれる）を扱うエンジニア

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、架空、地上、地下に関する記録を取ることに多くの時間を費やすことが多いためです。OSPエンジニアは、配線センターから配線ポイントまたは接続先ポイントまで、設備（銅線、光ファイバーなど）を直接配線する責任を負います。配線ポイント設計が採用されている場合、特定の配線エリアに電力を供給するために、クロスコネクトボックスが戦略的な位置に設置されます。

クロスコネクトボックス（サービスエリアインターフェースとも呼ばれる）は、配線センターから宛先ポイントへの接続を容易にし、配線センターから各宛先ポイントへの専用設備を必要としないため、設備の占有面積を削減するために設置されます。その後、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クロージャに直接接続され、必要に応じてターミナル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、電話事業会社のコストを大幅に削減できるため、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、あるいは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 つの方法がコストがかかりすぎる場合は長距離用のマイクロ波無線信号を介して配送できます。

サブロール

電柱に登るエンジニア（OSP）

構造エンジニアであるOSPエンジニアは、携帯電話基地局や電柱の構造設計と配置、そして新規設備を増設する既存の電柱や電話柱の耐電能力計算を担当します。高速道路などの交通量の多い場所での掘削や、橋梁などの他の構造物への接続には、構造計算が必要です。また、大規模な溝やピットでは、支保工も考慮する必要があります。導管構造物には、多くの場合、スラリーを封入する必要があります。スラリーは、構造物を支え、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ります。

電気技術者であるOSPエンジニアは、電話サービスがクリアで鮮明であること、そしてデータサービスがクリーンで信頼性が高いことを保証するため、すべての新規設備の抵抗、静電容量、インダクタンス（RCL）設計を担当します。減衰、つまり強度の段階的な低下と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、供給する必要があります。機器、施設、設備を現場に設置する際には、落雷、不適切な接地や故障した電力会社の施設からの高電圧傍受、そしてさまざまな電磁干渉源による影響を考慮して、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を負います。自治体と協力する場合は、溝掘りや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、道路の舗装や既存の道路への車線追加に必要な詳細情報の約70%程度が含まれ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、橋梁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、今日の文明全体に普及しているすべての技術通信のための現代的な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。このケーブルには、コンプレッサー、マニホールド、レギュレーター、および加圧スプライスケースに接続するシステムごとに数百マイルの空気パイプなどの広範な空気処理機器の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・社会の代表として、OSPエンジニアは地方自治体や他の公益事業会社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、その他の公益事業会社と頻繁に面談し、彼らの懸念事項に対処し、電話事業の仕組みや運営方法について説明を行います。さらに、OSPエンジニアは、クロスコネクトボックス設置のための地役権など、屋外設備を設置するための土地を確保する必要があります。

参照

参考文献

  1. ^ a b Burnham, Gerald O.; et al. (2001年10月). 「米国初の電気通信工学プログラム」(PDF) . Journal of Engineering Education . 90 (4). American Society for Engineering Education : 653– 657. doi : 10.1002/j.2168-9830.2001.tb00655.x . S2CID  109942681. 2012年9月22日閲覧.
  2. ^ 「電気通信工学技術または類似名称のプログラムのプログラム基準」（PDF） . 2012～2013年度工学技術プログラム認定基準. ABET . 2011年10月. p. 23. 2012年9月22日閲覧.
  3. ^ Calvert, JB (2000年4月). 「電磁電信」 .
  4. ^ディブナー、バーン (1959).アトランティック・ケーブル. バーンディ図書館.
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  8. ^アーサー・W・ペイジ（1906年1月）「有線通信と「無線」：電信電話の驚異」『世界の仕事：現代史』第13巻、8408～8422ページ。2009年7月10日閲覧。
  9. ^ビル・グローバー（2006年）「大西洋ケーブルと海底電信の歴史」
  10. ^クロースター、ジョン・W. (2009). 『発明のアイコン：グーテンベルクからゲイツまで、現代世界の創造者たち』 ABC-CLIO. pp.  161– 168. ISBN 9780313347436. 2017年6月22日閲覧。
  11. ^ Vujovic, Ljubo (1998). 「テスラ伝記」 . ニューヨーク・テスラ記念協会.
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  21. ^オーバーストリート、フランク. 「セントラルオフィスとは何か」 . www.frankoverstreet.com . 2017年6月22日閲覧。
  22. ^ 「GR-1275、中央オフィス/ネットワーク環境機器の設置/撤去に関する一般要件」Telcordia。
  23. ^ 「GR-1502、セントラルオフィス/ネットワーク環境詳細エンジニアリング一般要件」Telcordia。

さらに読む

  • ダールマン, エリック; パークヴァル, ステファン; ベミング, ペル; ボヴィク, アラン C.; フェッテ, ブルース A.; ジャック, キース; スコルド, ヨハン; ダウラ, ファリド; チョウ, フィリップ A.; デクサティス, カシマー (2009).通信工学デスクリファレンス. アカデミックプレス. 544ページ. ISBN 978-0-12-374648-1。
  • ウィキメディア・コモンズの通信工学関連メディア
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