無線

海上移動サービスの携帯型船上通信ステーション

無線通信（文脈によりワイヤレスと表記されることもある）は、電気導体、光ファイバー、その他の連続誘導媒体を使用せずに2点以上の間で情報を転送（電気通信）することです。最も一般的な無線技術は電波を使用します。電波の場合、対象距離はBluetoothの場合は数メートルなど短い場合もあれば、深宇宙無線通信の場合は数百万キロメートルに及ぶ場合もあります。これには、双方向ラジオ、携帯電話、ワイヤレスネットワーキングなど、固定、モバイル、ポータブルのさまざまなタイプが含まれます。無線技術のその他の応用例としては、 GPSユニット、ガレージドアオープナー、ワイヤレスコンピュータマウス、キーボードおよびヘッドセット、ヘッドフォン、ラジオ受信機、衛星テレビ、テレビ放送、コードレス電話などがあります。あまり一般的ではない無線通信実現方法として、光や磁場や電場などの 他の電磁現象や、音の使用などがあります。

ワイヤレスという用語は、通信の歴史の中で2回使用されていますが、意味がわずかに異なります。最初は1890年頃から、ワイヤレス テレグラフィーのように、最初の無線送受信技術を指して使用され、1920年頃に新しい単語であるラジオに置き換えられました。英国および英語圏では、ポータブルではないラジオ セットは、 1960年代までワイヤレス セットと呼ばれ続けました。[ 1 ] [ 2 ]ワイヤレスという用語は、前の段落で挙げた例のようなワイヤなしで通信するデジタル デバイスを、ワイヤやケーブルを必要とするデジタル デバイスと区別するために、1980年代と1990年代に復活しました。モバイル ブロードバンド、Wi-Fi、Bluetoothなどの技術の出現により、2000年代にこれが主な用法になりました。

無線運用は、有線では不可能または非現実的なモバイル通信や惑星間通信などのサービスを可能にします。この用語は、通信業界では一般的に、何らかのエネルギー（例えば、電波や音響エネルギー）を用いて有線を使わずに情報を転送する通信システム（例えば、無線送信機や受信機、リモコンなど）を指すために使用されます。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]この方法で、短距離でも長距離でも情報が転送されます[ 6 ]。

歴史

フォトフォン

1880 年のベルとテインターの写真電話。

最初の無線電話は1880年にアレクサンダー・グラハム・ベルとチャールズ・サムナー・テインターが光電電話を発明した時に行われました。光電電話は光線を介して音声を送信する電話です。光電電話の動作には太陽光と、送信機と受信機の間の見通し線が必要でした。そのため、実用化には光電電話の実現可能性は大幅に低下しました。[ 7 ]光電電話の原理が軍事通信、そして後に光ファイバー通信に初めて実用化されるまでには、数十年を要しました。

電気無線技術

初期の無線

実用的な無線システムが利用可能になる前の19世紀後半には、静電誘導や電磁誘導を用いて水や地面に電流を送るなど、様々な無線電気信号方式が電信のために研究されました。これには、トーマス・エジソンが特許を取得した誘導システム（走行中の列車の電信機を線路と平行に走る電信線に接続できるようにするもの）、ウィリアム・プリースが水域を越えてメッセージを送信するための誘導電信システム、そしていくつかの実用化および提案された電信および音声接地伝導システムなどが含まれます。

エジソンのシステムは1888 年の大吹雪の際に立ち往生した列車で使用され、接地導電システムは第一次世界大戦中に塹壕の間で限定的に使用されましたが、これらのシステムは経済的に成功することはありませんでした。

電波

マルコーニが大西洋を越えて最初の無線信号を送信した。

1894年、グリエルモ・マルコーニは、1888年にハインリヒ・ヘルツによって存在が証明されて以来知られていた電波を用いた無線電信システムの開発に着手しました。当時、電波は短距離現象と考えられていたため、通信手段としては軽視されていました。[ 8 ]マルコーニはすぐに、当時未知であった電離層からの反射信号などを利用して、誰も予想できなかった距離をはるかに超えて信号を送信するシステムを開発しました。マルコーニとカール・フェルディナント・ブラウンは、この無線電信への貢献により、 1909年のノーベル物理学賞を受賞しました。

ミリ波通信は、1894年から1896年にかけてジャガディッシュ・チャンドラ・ボースによって初めて研究され、彼は実験で60GHzという非常に高い周波数に到達しました。 [ 9 ]彼はまた、電波を検出するために半導体接合の使用を導入し、 [ 10 ] 1901年に電波結晶検出器の特許を取得しました。 [ 11 ] [ 12 ] 

ワイヤレス革命

パワー MOSFETは、長距離無線ネットワークで無線周波数(RF) 信号を増幅するためにRF パワー アンプで使用されます。

無線革命は1990年代に始まり、[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 、デジタル無線ネットワークの出現による社会革命と、有線から無線技術へのパラダイムシフト、[ 16 ]携帯電話、移動電話、ポケベル、無線コンピュータネットワーク、[ 13 ]セルラーネットワーク、無線インターネット、無線接続を備えたラップトップおよびハンドヘルドコンピュータなどの商用無線技術の急増が含まれます。[ 17 ]無線革命は、無線周波数（RF）、マイクロエレクトロニクス、マイクロ波工学の進歩、[ 13 ]アナログからデジタルRF技術への移行によって推進され、[ 16 ] [ 17 ]テキストメッセージ、画像、ストリーミングメディアなどのデジタルデータの配信とともに音声トラフィックが大幅に増加しました。[ 16 ]

モード

無線通信は以下を介して行えます。

無線

無線およびマイクロ波通信は、空間を伝播する電磁波の特性を変調することで情報を伝達します。具体的には、送信機はアンテナに時間変化する電流を流すことで人工的な電磁波を生成します。電磁波はアンテナから遠ざかり、最終的に受信機のアンテナに到達します。受信機は受信アンテナに電流を誘導します。この電流を検出・復調することで、送信機から送信された情報を再現することができます。

ワイヤレス光

光無線通信（OWC）は、光ファイバーを使わずに、空中（または宇宙空間）で非誘導光を用いる光通信の一種です。可視光、赤外線（IR）、または紫外線（UV）を用いて無線信号を伝送します。一般的には短距離通信に用いられますが、長距離通信や超長距離通信用の拡張版も存在します。

可視帯域（390～750 nm）で動作するOWCシステムは、一般に可視光通信（VLC）と呼ばれています。VLCシステムは、照明出力や人間の目に顕著な影響を与えることなく非常に高速でパルス化できる発光ダイオード（LED）を活用します。VLCは、無線ローカルエリアネットワーク、無線パーソナルエリアネットワーク、車両ネットワークなど、幅広いアプリケーションで使用できます。[ 18 ]一方、地上ポイントツーポイントOWCシステムは、自由空間光（FSO）システムとも呼ばれ、[ 19 ]近赤外周波数（750～1600 nm）で動作します。これらのシステムは通常、レーザー送信機を使用し、1波長あたり10  Gbit/sなどの高データレートでコスト効率の高いプロトコル透過的なリンクを提供し、バックホールボトルネックの潜在的な解決策を提供します。

太陽光の影響を受けない紫外線スペクトル（200～280 nm）で動作する固体光源／検出器の近年の進歩により、紫外線通信（UVC）への関心も高まっています。このいわゆる深紫外線帯域では、地表レベルでの太陽光放射は無視できるため、背景ノイズをほとんど追加することなく受信エネルギーを増加させる広視野角の受光器を備えた光子計数検出器の設計が可能になります。このような設計は、無線センサーやアドホックネットワークなど、屋外の見通し外構成において低消費電力の短距離UVC通信をサポートする場合に特に有用です。

自由空間光（長距離）

8ビーム自由空間光学レーザーリンク。伝送速度は1Gbps、伝送距離は約2kmです。中央の大きな円盤が受信機、小さな円盤が送信機です。右上隅には、 2つのヘッドの位置合わせを補助するための単眼鏡があります。

自由空間光通信（FSO）は、自由空間を伝播する光を用いて、電気通信やコンピュータネットワークにおける無線データ伝送を行う光通信技術です。「自由空間」とは、光ビームが大気圏外または宇宙空間を通過することを意味します。これは、光ファイバーや誘電体「ライトパイプ」などの伝送路を通過する光ビームを使用する他の通信技術とは対照的です。

この技術は、高コストやその他の理由により物理的な接続が現実的でない場合に有用です。例えば、都市部では、ネットワーク用の配線が敷設されていないオフィスビル間で、建物内や道路下にケーブルを敷設するコストが法外に高いため、空間光リンクが利用されています。また、広く利用されている例としては、リモコンなどの民生用赤外線デバイスや、ノートパソコン、PDA、プリンター、デジタルカメラ間でデータを交換するためにWiFiネットワークの代替として利用されているIrDA （Infrared Data Association ）ネットワークなどがあります。

ソニック

音波、特に超音波による短距離通信には、音の送受信が伴います。

電磁誘導

電磁誘導は短距離通信と電力伝送のみを可能にします。ペースメーカーなどのバイオメディカル分野や、短距離RFIDタグにも利用されています。

サービス

無線機器の一般的な例としては次のようなものがある: [ 20 ]

電磁スペクトル

AM ラジオや FM ラジオ、その他の電子機器は、電磁スペクトルを利用します。通信に使用できる無線スペクトルの周波数は公共資源として扱われ、米国連邦通信委員会、英国のOfcom 、国際的なITU-R、欧州のETSIなどの組織によって規制されています。これらの規制は、どの周波数範囲を何の目的で誰が使用できるかを決定します。このような管理や、民営化された電磁スペクトルなどの代替の取り決めがない場合、たとえば、航空会社が特定の周波数で作業しない場合に、アマチュア無線家がパイロットの着陸能力を妨害すると、混乱が生じる可能性があります。無線通信は、9 kHz から 300 GHz までのスペクトルをカバーします。

アプリケーション

携帯電話

無線技術の最もよく知られた例の一つは携帯電話（セルラーフォンとも呼ばれる）であり、2010年末時点で世界中で66億以上の携帯電話加入者数を誇っています。[ 22 ]これらの携帯電話は、信号送信塔からの電波を利用して、世界中の様々な場所から電話をかけることができます。これらの機器からの無線信号の送受信に必要な機器が設置されている携帯電話基地局の範囲内でのみ使用できます。[ 23 ]

データ通信

無線データ通信は、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、携帯電話、その他の関連デバイス間の無線ネットワーク接続を可能にします。利用可能な様々な技術は、地域的な可用性、カバー範囲、パフォーマンスが異なり[ 24 ] 、場合によっては、ユーザーは複数の接続タイプを利用し、接続管理ソフトウェア[ 25 ] [ 26 ]またはモバイルVPNを使用してそれらを切り替え、複数の接続を安全な単一の仮想ネットワークとして処理します[ 27 ]。サポート技術には以下が含まれます。

Wi-Fiは、ポータブルコンピューティングデバイスを他のデバイス、周辺機器、インターネットに簡単に接続できるようにする無線ローカルエリアネットワークです。IEEE 802.11 a、 b、 g、 n、 ac、 axとして標準化されており、 Wi-Fiのリンク速度は従来の有線イーサネットの標準に匹敵します。Wi-Fiは、個人の家庭、オフィス、公共のホットスポットでのアクセスにおける事実上の標準となっています。 [ 28 ]一部の企業は顧客に月額料金を請求していますが、商品の売上を伸ばすために無料で提供し始めている企業もあります。 [ 29 ]
携帯電話データサービスは、最寄りのセルサイトから10～15マイルの範囲内で通信範囲を提供します。[ 24 ]技術の進化に伴い、GSM、CDMA、GPRSなどの以前の技術から3G、W-CDMA、EDGE、CDMA2000などの4Gネットワ​​ークへと速度が向上しました。 [ 30 ] [ 31 ] 2018年現在、次世代として5Gが提案されています。
低電力広域ネットワーク( LPWAN ) は、低ビットレートのモノのインターネット(IoT) アプリケーション向けに Wi-Fi とセルラー間のギャップを埋めます。
移動衛星通信は、他の無線接続が利用できない場所、例えば主に田舎の地域[ 32 ]や遠隔地[ 24 ]などで使用することができます。衛星通信は、特に運輸、航空、海事、軍事用途で重要です。 [ 33 ]
無線センサーネットワークは、データ収集ネットワークにおけるノイズ、干渉、およびアクティビティを検知する役割を担っています。これにより、関連する量の検出、データの監視と収集、明確なユーザー表示の作成、そして意思決定機能の実行が可能になります[ 34 ]

ワイヤレス データ通信は、ポイントツーポイント通信やポイントツーマルチポイント通信において、一般的なケーブル配線の能力を超える距離をカバーしたり、通常のネットワーク障害の際にバックアップ通信リンクを提供したり、ポータブル ワークステーションや一時的なワークステーションをリンクしたり、通常のケーブル配線が困難または経済的に不可能な状況を克服したり、モバイル ユーザーやネットワークをリモートで接続したりするために使用されます。

周辺機器

コンピュータ周辺機器は、Wi-Fiネットワークの一部として、または光または無線周波数（RF）周辺機器インターフェースを介して直接、無線で接続することもできます。当初、これらのユニットは、コンピュータとキーボードおよびマウスの間を仲介するために、かさばる非常にローカルなトランシーバーを使用していましたが、最近の世代では、より小型で高性能なデバイスが使用されています。BluetoothやワイヤレスUSBなどの無線周波数インターフェースは、通常最大10フィートのより広い範囲で効率的に使用できますが、距離、物理的な障害物、競合する信号、さらには人体によって信号品質が低下する可能性があります。[ 35 ]ワイヤレスキーボードのセキュリティに関する懸念は、2007年末にMicrosoftが一部の27MHzモデルに実装した暗号化が非常に安全でないことが明らかになったときに発生しました。[ 36 ]

エネルギー伝達

無線エネルギー伝送とは、相互接続線を使用せずに、電源から内蔵電源を持たない電気負荷に電気エネルギーを伝送するプロセスです。無線エネルギー伝送には2つの異なる基本的な方法があります。エネルギーは、電力/レーザーのビーム、無線またはマイクロ波伝送を伴う遠距離場方式、または電磁誘導を使用する近距離場方式のいずれかを使用して伝送できます。[ 37 ]無線エネルギー伝送は、ワイヤレス電力通信として知られる方法で無線情報伝送と組み合わせることができます。[ 38 ] 2015年、ワシントン大学の研究者は、Wi-Fi信号を使用してカメラに電力を供給する遠距離場エネルギー伝送を実証しました。[ 39 ]

医療技術

モバイル・ボディ・エリア・ネットワーク（MBAN）などの新しい無線技術は、血圧、心拍数、酸素レベル、体温をモニタリングする機能を備えています。MBANは、ナースステーションやモニタリングサイトに接続する受信機に低出力の無線信号を送信することで機能します。この技術は、有線接続によって生じる意図的または偶発的な感染や切断のリスクを軽減するのに役立ちます。[ 40 ]

実装、デバイス、標準のカテゴリ

参照

参考文献

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さらに読む

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