格安SIMの基礎知識

やさしく解説!携帯電話・スマートフォンで通話とネット通信が出来る仕組み

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どのようにして携帯電話・スマートフォンが通話やインターネットに接続できるのか超やさしく解説します。これを理解しておくとMVNO各社の特徴やら強みも分かってくるので格安SIMの選び方にも関係してきますねー。

専門用語も出てきますが覚える必要はありませんので
管理人

まず以下が全体像。相当ざっくり書きました(笑)。

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シムモビ
うん、意外と簡単かも。。。

携帯・スマホが一般公衆回線網、インターネット網に出るまで

大まかに書くと以下のようなながれです。

  1. 通信端末(携帯電話・スマートフォン)から電波を発信
  2. 最寄の基地局が電波を受けノードビルへ送信
  3. ノードビルで色々と処理
  4. ノードビルから一般公衆回線網・インターネット網へ

ホントざっくりです。キャリアの技術者に見つかったら叱られそうですが概ね間違いはないのでご安心を。初めて聞く言葉もあるかと思いますけど、意外と自分の身近にあったりするのでイメージしやすい筈。

説明していきますね。

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通信端末から電波を発信する

ケーブルでつながっているのが有線です。有線だとイメージし易いですよね、例えば自宅の固定電話ではケーブルを壁のモジュラージャックに挿している。そこから壁の中を通って外の電柱にでてNTTの交換局に接続しているんです。声(音声)を遅れるのは線がずーっと繋がっているから。

一方で携帯電話、スマホは無線です。目に見える線はありません。ではどうやって情報を送るのでしょうか?

それを行っているのが電波です。電波が線の役割を果たしています。

電波は電磁波のひとつで電波以外には光があります。こららは空間を伝わる波だと思って下さい。ここで詳しくは書きませんが空間の磁力の変化によって電磁波は発生します。この電磁波のひとつである電波は空気中を伝わりますから線が無くても情報を送ることができるのです。

少し前にプラチナバンドを躍起になって宣伝していた大手キャリアがいましたが、このプラチナバンドというのは電波の種類をあらわす周波数のこと。厳密にプラチナバンドとは700MHzから900MHzの周波数帯の電波のことを挿します。因みに総務省ではプラチナではなくゴールデンバンドと呼ぶそう。

【関連記事】周波数帯・バンド・音声通信方式とスマホの関係

携帯電話、スマートフォンは音声、データをやりとりする為に電磁波のひとつである電波を発信しているのです。

電波は電磁波のひとつ、ケータイとスマホは電波を発しているんだ
管理人

ほら、そこにも!想像以上にありますケータイの電波を受ける基地局!!

携帯電話、スマートフォンが情報を送るために電波を発信することは上記の通りです。

では発信された電波はどこにいくのでしょうか?自宅に用事があって電話をかけた、調べ物があってインターネットブラウザを立ち上げた、そんな状況をイメージして下さい。その電波を受付するのが基地局になります。

基地局は意識しながら外を見てもらうとスグに発見できます!

※2016/09/19追記※
近所を散歩中、基地局を見つけたので貼っておきます。こんなんです↓
これは道路脇にある自立柱型の小型基地局。アンテナの根元にはボックスがあってそこにキャリアの名前が記載されています。そこには旧ウィルコムのロゴがあったので現在はソフトバンクの基地局でしょうかね。。

自立柱基地局

近所の道路脇にあった自立柱型基地局

基地局は大小様々、小さいものだとランドセルほどの大きさをした装置とその上に立つアンテナとのセットで至るところで見ることが出来ます。道路の脇だったり、ビルの上だったりと。ホント基地局多い!だってこれが少ないとケータイつながりませんからね。

よくケータイ、スマホのアンテナピクトを見ながら「電波のつながりが悪い!」という人がいますが、言い換えると「近くに基地局がない!」ってことです。

通信端末と基地局は常に最小限のパワーで互いに繋がっています。よってアンテナ棒の数が少ない、もしくは圏外という状況は基地局が遠くて互いに電波が繋がりにくい、繋がらない状態を意味します。

NTTドコモ、KDDI、ソフトバンクといった大手キャリアは繋がりの悪いエリアをなくして顧客に満足してもらえるよう、この基地局の増設を日々行っているのです。

シムモビ
ほら、そこにも基地局が!!

超凄い!色んなことやってるノードビル・交換局

全国の至る場所に設置されている基地局、この基地局の親玉がいます。それがノードビル。基地局からノードビルには有線で繋がっているのが主流で具体的には光ファイバなど。

ここでノードビルとは建物(ビル)のことを指しています。ノードは接合だとか中継という意味でノードビルは至るところに存在する基地局を自分の範囲内でまとめている施設。単に交換局と呼ばれてることが多いかも。

ノードビル(交換局)は基地局をまとめている施設
管理人

ノードビルには多くの重要な設備があってここで行われる代表的な機能は以下の通り。

  • 無線ネットワーク制御局(RNC)
  • 交換機
  • ホームメモリー

無線ネットワーク制御局・RNC

どれも重要な役割を果たしますが全体の通信制御を行っているのがRNC(Radio Network Controller)。自分の管理下にある基地局が受けた多くの通信を、音声通話とデータ通信で接続先を変えたり端末が移動中の場合にはどこの基地局に繋げばいいのかなど通信の交通整理をしています。

電車に乗っていながらもずーっと通信を保てるのはこのRNCが行うハンドオーバー機能のおかげ。移動することで管轄の基地局が変わっていきますが接続を切断しないよう通信の受け渡しをコントロールしているのです。凄い!

音声通話とデータ通信によって異なる交換機・MSC/SGSN

RNCはその通信が通話あれば移動通信交換機(MSC:Mobile Switching Center)につなぎ、データ通信であればパケット交換機(SGSN:Serving GPRS Support Node)へとつなぎます。

MSCの先には一般公衆回線網があり電話が可能になります。またSGSNの先にはインターネット網(バックボーン)がありブラウザで閲覧できたりアプリでゲームを楽しむことが出来るのです。

実は格安SIMの選定にあたっては、このインターネット網への接続がMVNO各社で差が出ます。これについては別途ご説明します!

通信端末の場所を管理するホームメモリ・HLR

携帯電話の最大の特徴は無線であること。ただ無線だけにその端末を持ったユーザーは基本的に同じ場所にいるとは限りません。例えば都内に住んでいる人が旅行で北海道に行くとか、仕事で大阪に出張したとか。

このような通信端末の場所を含めたユーザー情報の管理を行っているのがホームメモリー、HRL(Home Location Register)です。

携帯電話は常に基地局とつながっているので自分が違う場所へ移動するとその情報がHLRで更新されます。携帯電話に電話した際に、「この人、いまこのエリアにいるよ!」と交換機に接続先の交換局を教える役割を担っています。

シムモビ
スマホから基地局へ、基地局からノードビルへ、そしてノードビルで通信に必要な処理を行っている...

4G・LTEは異なる仕組み

以上が携帯電話、スマートフォンが通信できるざっくりとした説明です、3Gの!

現在は4G・LTEと呼ばれる高速通信が主流になりましたが通信の仕組みが若干3Gとは異なります。通信の流れはほぼ同じですが、簡単に言うと設備、機器が異なります。

音声交換機は3GのMSCからMME(Mobility Management Entity)に、データ通信はSGSNからS-GW(Serving-Gateway)に、ホームメモリーはHLRからHSS(Home Subscriber Server)に変わります。

繰り返しになりますが、通信の仕組みは3Gとほぼ同等なので制御している機器が違うんだ程度の理解で問題ありません!

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