見て！地下鉄の駅の天井に「白いキノコ」が…

地下鉄の駅やショッピングモールなどの公共の場所の天井にキノコのような白い物体があるのに気づいたことはありませんか?彼らは何者で、何をするのでしょうか?

地下鉄駅の天井に「白いキノコ」

出典：編集者撮影

01. 白いキノコ型の装置は何ですか?

これらのデバイスは通常、ワイヤレス アクセス ポイント (WAP) であり、ワイヤレス デバイス (携帯電話、ラップトップ、タブレットなど) がワイヤレス信号を介して有線ネットワークに接続できるようにします。これは、周囲の無線デバイスが受信してインターネットに接続できるように、インターネット信号を「ブロードキャスト」できる無線信号「送信塔」として想像できます。

キノコ型天井アンテナ 画像出典: ycantenna.com

その機能を理解するには、まず私たちが毎日使っている携帯電話がどのようにしてインターネット機能を実現しているのかを理解したほうがよいでしょう。

02. 携帯電話はどのようにインターネットにアクセスするのですか?

モバイル インターネット アクセスに関して言えば、最も一般的な 2 つの方法は、携帯電話データ ネットワークと無線 LAN です。セルラー データ ネットワークは、モバイル デバイスが無線信号を介してインターネットとデータを通信できるようにする無線通信ネットワークです。携帯電話ネットワークの基地局のカバーエリアは、理論的には蜂の巣の六角形構造に似た六角形に配置されており、「ハニカム」という名前が付けられています。

私たちがよく知っている 4G と 5G は、携帯電話ネットワークの一種です。携帯電話にはセルラーモデムが内蔵されており、最も近いセルラー基地局 (セルタワー) を積極的に検索し、SIM カード (携帯電話がセルラーネットワークにアクセスするための「ID 証明書」) を介してネットワーク オペレーターのセルラー ネットワークとの接続を確立します。携帯電話でウェブを閲覧したり、ファイルをダウンロードしたり、写真をアップロードしたりすると、携帯電話はデータをパッケージ化し、携帯電話ネットワーク経由で基地局に送信します。基地局は、事業者のコアネットワーク（コアネットワーク）にデータを送信する「中継局」のようなものです。コアネットワークは、インターネットの隅々までデータを迅速かつ正確に届け、データアクセス、ダウンロード、アップロードなどのさまざまな操作を簡単に完了できるようにする「超特急ハブ」のようなものです。

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携帯電話でインターネットにアクセスするもう 1 つの方法は、一般に Wi-Fi と呼ばれる無線 LAN です。携帯電話に内蔵された Wi-Fi モジュールは、レーダーのように周囲に Wi-Fi 信号があるかどうかをスキャンします。 Wi-Fi ネットワークへの接続を選択すると、通常はネットワーク パスワードの入力を求められます。接続が成功すると、ワイヤレス アクセス ポイント (ルーターなど) は「ID アロケータ」である DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) を起動し、携帯電話に固有の「ID カード」であるローカル IP アドレスを送信します。この「ID カード」を使用すると、ネットワーク内の通信が携帯電話に正しく送信されることを確認できます。携帯電話がワイヤレス アクセス ポイントに正常に接続されると、それを介してインターネットにアクセスできるようになります。ワイヤレス アクセス ポイントは、携帯電話のデータ パケットを有線ネットワーク (光ファイバー、DSL など) 経由でインターネット サービス プロバイダー (ISP) に送信し、ISP はデータ パケットをインターネットの隅々まで送信します。同時に、インターネットから受信したデータ パケットも携帯電話に送り返します。すべてのデータは、携帯電話とインターネット間の「スーパーポータル」のように、このワイヤレス アクセス ポイントを介して入出力されます。

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03. エレベーターに乗るとモバイルネットワークがつながらなくなるのはなぜですか?

エレベーターに乗っているときに突然ネットワークが切断されたり、地下鉄や高速鉄道で電波が強かったり弱かったりするなど、携帯電話の電波が「落ちる」瞬間を誰もが多かれ少なかれ経験したことがあるでしょう。携帯電話の信号に影響を与えるものは何ですか?最初の要因は、無線アクセスポイントまたはベースステーションからの距離です。携帯電話の信号は本質的に電磁波です。電磁波が空気中を伝播するとき、それはマラソンを走るようなものです。走れば走るほど疲れます。信号強度は距離が増すにつれて徐々に弱まります。私たちは皆、これについて直感的に感じています。たとえば、自宅にいるとき、携帯電話がルーターに近いほど信号は強くなり、遠いほど信号は弱くなります。

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2つ目の要因は遮蔽効果です。最も典型的な例は、エレベーターの信号の欠如です。これは、エレベーターのかごは通常金属材料で作られているため、電波が反射、吸収され、信号強度が大幅に低下するからです。同様に、高層ビルの壁や床は主に鉄筋コンクリートで作られており、この素材も信号の伝播に障害物となり、信号の浸透を困難にする恐れがあります。 3 番目の要因は基地局の切り替えです。これは、地下鉄や高速鉄道に乗るなど、移動が速いシナリオでよく発生し、ネットワーク信号が時々強くなったり弱くなったりします。高速移動プロセス中、携帯電話は、ある基地局のカバーエリアから別の基地局のカバーエリアまで走るリレー競技に参加するアスリートのようなものです。電話機は自動的に基地局を切り替えるので、常に最も強く安定した信号源に接続されます。切り替えプロセス全体は非常に高速かつスムーズですが、移動速度が速すぎる場合（高速鉄道など）、切り替え周波数が高すぎると、基地局の切り替え時にミリ秒レベルの中断により信号のドロップアウトや遅延が容易に発生する可能性があります。

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そのため、公共の場所の天井にはキノコ型の無線アクセスポイントが数多く設置されています。これらのワイヤレス アクセス ポイントとベース ステーションは、現代の都市通信インフラストラクチャの一部であり、さまざまな複雑な環境でも効率的で便利な通信とインターネット アクセス エクスペリエンスを維持できるようにします。技術の継続的な進歩と、5Gネットワ​​ークなどの新技術の推進と応用により、将来のネットワーク接続はより高速で安定し、より豊かなデジタルライフ体験をもたらすでしょう。次に外出するときは、道で「白いキノコ」に何個出会うか数えてみてください。

画像出典: ゲーム「スーパーマリオ」

著者: Yin Guangshui、EPFL 通信システム修士

企画・編集：レイン

謝辞：華東師範大学データサイエンス工学部講師の劉暁平氏は、本論文の科学的指導を提供しました。