携帯電話がつながる仕組み ― 基地局と5G

携帯電話は、近くの基地局まで電波で通信し、その先は主に光ファイバなどの有線の網を通ります。端末が直接やり取りするのは、いちばん近くの基地局です。

基地局の先には、事業者が持つ基幹の網であるコアネットワークがあり、通信をインターネットや他の電話につなぎます。移動すると、端末がつながる基地局は次々に切り替わります。

移動しても通話が切れない理由や、格安SIMが大手と同じ電波を使える理由も、この経路から説明できます。ハンドオーバーとローミングの違い、4Gと5G、SIMとMVNO、テザリングも順に説明します。

基地局は、電波が届く範囲の端末をまとめて受け持つ設備です。1つの基地局が受け持つ範囲をセルと呼びます。事業者はセルを少しずつ重ねて街じゅうに並べ、どこでもつながるようにしています。

基地局から先は、有線でコアネットワークにつながります。コアネットワークの出口には、インターネットとの間を中継するゲートウェイがあります。スマホのIPアドレスは、このゲートウェイが配ります。

4Gでは、P-GWという装置がこのゲートウェイにあたります。5Gでは役割が分かれ、インターネットとの出入口はUPFという装置が受け持ち、IPアドレスの割り当ては、UPFを制御するSMFという別の装置が受け持ちます。

どれも、携帯電話の標準化団体である3GPPの仕様で決まっています。移動して基地局が変わっても、ゲートウェイはふつう変わりません。

ハンドオーバーは、通信を続けたまま、つながる基地局を切り替えることです。ローミングは、契約先とは別の事業者の網を使って通信することです。

ハンドオーバーでは、端末が周りの基地局の電波の強さを測って報告し、その報告をもとに網の側が切り替え先の基地局を決めます。前の節の図で、基地局Aから基地局Bへ移る動きがハンドオーバーです。

ローミングでは、契約先の事業者と提携した事業者の網を借ります。海外で現地の事業者の網を使う国際ローミングが、よく知られた例です。

無線LANでも、ローミングという語を使います。こちらは、同じネットワーク名（SSID）のアクセスポイントの間で、主に端末の判断でつなぎ直すことを指します。詳しくは無線LANの記事のローミングの節で説明しています。

携帯電話の通信方式は、世代ごとに変わってきました。世代の名前の「G」は Generation の頭文字です。

4G：LTEとVoLTE

LTEは、3GPPが仕様の版Release 8で定めた方式です。日本では、LTEとその発展形のLTE-Advancedをまとめて4Gと呼ぶのがふつうです。LTEの網は、データをすべてIPのパケットで運びます。

音声通話も、LTEではIPのパケットとして送ります。この通話の方式をVoLTEと呼びます。

音声をIPネットワークで送る電話サービスをIP電話と呼び、音声をIPのパケットで送る技術をVoIPと呼びます。VoLTEは、このVoIPの考え方を携帯電話に使ったものです。VoIPの仕組みは、回線交換とパケット交換の記事で説明しています。

速くする技術：キャリアアグリゲーションとMIMO

キャリアアグリゲーションは、複数の周波数の電波を束ねて、1つの通信として使う技術です。束ねるほど、使える周波数の幅が広がり、速く送れます。3GPPのRelease 10では、1つ最大20MHz幅の電波を最大5つ束ねて、合わせて100MHz幅まで使えます。

MIMOは、送る側と受ける側の両方で複数のアンテナを使い、同じ周波数で別々のデータを同時に送る技術です。無線LANの規格でも使われています。

5Gと、ローカル5G

5Gは、3GPPがRelease 15で最初に定めた方式です。国際的な電波の標準を定めるITU-Rの勧告M.2083は、5Gの用途を、高速大容量、低遅延で信頼性の高い通信、多数の機器の同時接続の3つに分けています。

ローカル5Gは、企業や自治体が、自分の建物や敷地の中に作る5Gの網です。携帯電話事業者の5Gとは別に、無線局の免許を受けて運用します。使う周波数は、総務省のガイドラインで4.6〜4.9GHzと28.2〜29.1GHzと定められています。

SIMカードは、契約者を識別する情報を記録したICカードです。中には、加入者を識別する番号と、認証に使う鍵が入っています。網の側は、この情報で正しい契約者であることを確かめてから、端末の通信を許可します。

eSIMは、端末に最初から組み込まれたSIMです。カードを差し替える代わりに、契約の情報を通信で書き込みます。書き込みの手順は、携帯電話の業界団体であるGSMAが仕様を定めています。

携帯電話の網を自分で持つ事業者を、移動体通信事業者と呼びます。英語の Mobile Network Operator から、MNOとも呼びます。

MVNOは、移動体通信事業者の網を借りてサービスを提供する事業者で、いわゆる格安SIMの事業者がこれにあたります。総務省のガイドラインでは、基地局などの無線局を自ら開設・運用していない事業者と定義されています。日本語では、仮想移動体通信事業者と訳します。

テザリングは、スマホのモバイル回線を、PCなどの他の機器にも使わせる機能です。PCとスマホは、Wi-Fi・Bluetooth・USBのどれかでつなぎます。

このとき、スマホは家庭のルータと同じ働きをします。スマホはPCにプライベートIPアドレスを配り、PCの通信を受け取ります。そして、送信元を自分のIPアドレスに書き換えて、モバイル回線に送り出します。

アドレスを配る仕組みはDHCPの記事で、送信元を書き換える仕組みはNATの記事で説明しています。どちらも、自宅のルータが光回線の側で行っていることと同じです。

モバイル通信は、人が持つ端末だけでなく、機械どうしの通信にも使います。センサーや車のように、インターネットにつながるモノをIoT機器と呼びます。

LPWAは、少ない電力で広い範囲と通信できる無線の方式です。送れるデータの量は少ないものの、電池で長く動かせます。水道メーターの検針のように、少量のデータをたまに送る用途に向きます。

テレマティクスは、車などの移動体に通信機能を組み込み、情報サービスを届ける仕組みです。事故のときの自動通報や、走行経路の記録などに使われます。

IoTエリアネットワークは、IoT機器の近くで、機器どうしやゲートウェイをつなぐ網です。BluetoothやZigBee、無線LANのような近距離の無線を使い、ゲートウェイから先はモバイル回線などの広い範囲の網を通ります。IoT機器のデータをクラウドへ送る前に近くで処理する方式は、エッジコンピューティングの記事で説明しています。