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プラチナバンドのトリック

 前回のコラムでは、有線通信の方が無線通信より周波数が高いので通信速度が速いということを説明しました。ところが、4Gの無線通信に使わる周波数のうち、1.7GHzや2GHzよりも周波数が低い800MHzの方が、プラチナバンドと呼ばれるほど実は無線通信として有利なのです。今回は、その逆転現象のトリックに迫ります。

 既に4Gではプラチナバンドの700~900MHz帯の周波数帯が、NTTドコモ、KDDI、ソフトバンクにすでに割り当てられており、新規参入の楽天モバイルは、機会の平等を求めて、総務省に700~900MHz帯の割り当て見直しを求めるほど、各社でプラチナバンドの奪い合いになっています。

 実は、周波数が低い800MHzの方が、通信に有利であるという逆転現象が起きる理由は、無線ならではの電波の性質が2つ関係しています。

 1つは、電波の直進性です。一般に、周波数が高い電波ほど、直進性が高くなるという性質があります。直進性が高いということは、それだけ電波がビルの影などに回り込みにくくなります。つまり、周波数の低いプラチナバンドの方が、電波が回り込みやすく、より広範囲に届きやすいのです。

 もう1つは、電波の減衰性です。一般に、電波は周波数が2倍に高くなると、4倍減衰しやすくなります。したがって、基地局から端末に電波が届くカバーエリアは、周波数の低いプラチナバンドの方が広くなります。また、屋外と屋内の間にある、建物の壁を通過する際も、その減衰量はプラチナバンドの方がはるかに少ないので、周波数の低いプラチナバンドの方が屋内に電波が届きやすいのです。

 これは、周波数の高い(=波長の短い)青色の光の方が、周波数の低い(=波長の長い)赤色の光に比べて、遠くまで届きににくく、夕陽が赤いのと同じ現象です。

 このように、無線通信においては、必ずしも周波数が高いほど良いとは限りません。最近よく耳にする5Gは、実は3.7GHz、4.5Ghz、28Ghzと4Gよりも高い周波数を使います。これはより多くの情報を運び通信速度を上げるという点では有利ですが、電波の回り込みが小さく、減衰も含めた電波の届きやすさの点で言えば、プラチナバンドより大きく劣ります。

 したがって、5Gの狭いカバーエリア(スモールセル)を、プラチナバンドの4Gの広いカバーエリア(マクロセル)内に複数配置して、5Gのネットワークと4Gのネットワークが連携するヘテロジニアス・ネットワークとして、運用していくことが進められています。

 将来的にはプラチナバンドが5Gになるので、そのころには本格的に5Gのメリットを感じることになるでしょう。

有線通信と無線通信とどちらが速い?

 よく、有線通信と無線通信のどちらが速いのですか?という質問を見かけますが、答えはずばり有線通信です。まず、情報を送る基本となる波(搬送波)の周波数が高いほどより多くの情報を送ることができるという大原則があります。これは、デジタル通信は搬送波に0と1の情報を載せる(変調)のですが、0と1の情報の繰り返し間隔は元の搬送波の繰り返し間隔が短い(周波数が高い)ほど、短くすることができるからです。無線通信(4G/5G)よりも有線通信(FTTH)の方が、周波数が4桁から5桁ほど高く、将来においても無線通信が有線通信の速度を超える日が来ることは絶対にありえません。

 表1と表2に、現行と最新の有線通信(FTTH)と無線通信(4G/5G)の比較を示します。

表1 有線通信と無線通信の違い(現行)

表2 有線通信と無線通信の違い(最新)

 最近よく、5Gでは光ファイバ通信並みの伝送速度が可能と耳にしますが、これはあくまで規格上の話です。無線通信では、様々な通信方式の改良により、規格上の伝送速度では光ファイバ通信に迫る速度を実現してきました。しかし、無線通信は伝送路が空間であるため、障害物や干渉の影響を受けます。このため、表1、2に示すように実際の通信速度は規格上の伝送速度の1/10以下に低下します。一方の光ファイバによる有線通信は、外部の影響を受けることがなく安定な通信が可能であり、規格上の伝送速度に近い速度で実際の通信速度が発揮されます。

 したがって、表1と表2に示すように、現行と最新の有線通信(FTTH)と無線通信(4G/5G)の比較においては、有線通信の方が無線通信よりも10倍程実際の通信速度が速いというのが結論です。

ptとpxの換算

pt(ポイント)とpx(ピクセル)って、似ているようで違う、それとも実は同じかも?という疑問を抱いている方も多いと思います。今回のコラムはその謎に迫ります。

1ptは、1インチを72分の1したサイズのことです。

1pxとは、1画素のことでサイズは解像度(ppi:ピクセルパーインチ)によって異なります。

一般的な話として、印刷の解像度の場合は、350dpi(印刷の場合はピクセルではなくドットパーインチで表現します)が普通で、 ディスプレイモニタなどのスクリーン解像度の場合は、72ppiが普通というのがあります。

最近は144ppiだったり、216ppiという高精細なものもありますが、一般的に72ppiなので1インチあたり72pxということになります。

つまり、pxもptの1インチを72分の1したサイズということで同じということになります。

ところが、です。インターネットでpt、px換算で検索してみると、1ptは1pxではありません。

どうやらWindowsのOSが、96ppiの解像度なので、72pt=96px(1pt=1.33px)とされているようです。

一体、どっちが正しいのでしょうか?それを確かめるため実験をしてみましょう。

htmlのスタイル指定で10ptのフォントサイズと10pxのフォントサイズを指定して比較してみましょう。

まずは、10ptから

これは、style=”font-size:10pt”を指定した文字サイズです。

次に、10pxの場合です

これは、style=”font-size:10px”を指定した文字サイズです。

さて、皆さんの画面ではどうでしょうか?

私の、Windows10のパソコンで見る限り、10pxの方が小さく見えます。やはり、72pt=96px(1pt=1.33px)説が正しいのでしょうか?

10ptと

これは、style=”font-size:10pt”を指定した文字サイズです。

13.3pxを比較すると

これは、style=”font-size:13.3px”を指定した文字サイズです。

見事、同じサイズですね。どうやらWindows環境では、72pt=96px(1pt=1.33px)説で間違いないようです。

私の所有しているAndroidのスマートフォンでも、72pt=96px(1pt=1.33px)になっています。

iOSの解像度は様々ですので、電器屋さんで確認させていただきました。結果はどれも同じ72pt=96px(1pt=1.33px)でした。

1pt=1pxは間違いで、正解は72pt=96px(1pt=1.33px)でした。ようやくスッキリしました。

8Kは無線で伝送可能か?

前回、4K、8Kといった解像度のコラムを書きましたが、2016年8月にはBS放送による4K・8K試験放送が始まり、2018年12月には本放送いわゆる「新4K8K衛星放送」がスタートしました。

ところで、皆さんのご家庭ではどのような回線でインターネットを利用されているでしょうか?今では、光ファイバー(FTTH:Fiber To The Home)を利用して、下り最大2Gbpsのサービスも提供されています。あるいは、スマートフォンも十分高速になったので、固定回線はもう必要ないという方もいらっしゃるかもしれません。しかしながら、スマートフォンでは、データ通信量の上限が3GB/月や8GB/月などと決まっています。動画が高画質になるのは良いのですが、当然データ通信量も増えてしまいます。将来的に8Kのコンテンツが広まったとして、一体どれくらいの通信速度が必要なのか考えてみようというのが今回のテーマです。

その前に、ビット(小文字のb)とバイト(大文字のB)の違いを確認しておきましょう。ビットは、いわゆるデジタルの0か1かの違いを表す最小単位です。つまり、1ビットで0と1の2通りの数を表現できます。1バイト=8ビットは、コンピューターが扱いやすい8ビットの集まりを一塊(一噛み)として表現したものです。ダウンロード容量やHDDやフラッシュメモリーなどのメディア容量には、バイトが使われていますが、先程の通信サービスの回線速度にはbps(ビットパーセカンド:1秒間に何ビット伝送できるか)のようにビットが使われていますので注意が必要です。

続いて、通信速度とデータ容量とダウンロード時間の関係についても、おさらいしておきます。
一般的な例でいうと、10Mbps(10000000bps)の通信速度なら、データ容量1GB(1000000000B=8000000000bit)の映画をダウンロードするのに、8000000000/10000000=800sかかります。ざっと、13、4分といったところでしょうか?

さて、本題の8Kのストリーミング配信に必要な通信速度についてです。 動画は音声と映像のデータですが、映像データにくらべて音声データは無視できるほど小さいので、映像データのみを考慮します。すると、映像データの通信速度は、

1画素のデータ容量 × 画素数 × 1秒間に送る画像の数

となります。

まず、1画素のデータ容量ですが、赤緑青(RGB)の3色で、各色をフルカラー256段階(8bit)で表現すると、256×256×256=1677万7216通り(24bit)になります。

次に、画素数ですが、前回のコラムで書いたように、8Kの画素数は、7680×4320=33177600になります。

最後に、1秒間に送る画像の数、つまりはフレームレートですが、30fpsや60fpsが一般的です。どうやら8Kでは120fpsも目指して開発されているようですが、ここでは最低限の30fpsとしましょう。

以上より、8Kを圧縮技術なしでストリーミング配信するためには

24bit × 33177600 × 30fps = 24Gbps(約24000000000bps)

が必要となります。しかしながら、実際には、H.264などの優れた圧縮技術を用いて、データ容量を1/150程度まで圧縮することができます。さらに、最新のH.265(HEVC)を用いた場合、もう半分まで圧縮が可能となります。

結局、H.264を用いた場合160Mbps(約160000000bps)、H.265を用いた場合80Mbps(約80000000bps)まで速度が下げられます。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E3%83%8F%E3%82%A4%E3%83%93%E3%82%B8%E3%83%A7%E3%83%B3

ここで、160Mbps、80Mbpsという通信速度は、国内のスマートフォンのLTEの速度くらいです。
https://www.nttdocomo.co.jp/support/area/effective_speed/
http://www.au.kddi.com/mobile/area/effective-speed/

つまり、結論はデータ通信量の上限さえ無ければ、現行のスマートフォンのLTEの通信速度でも8Kが視聴できるということです。8Kは、そもそも衛星放送のBSで放送されるものですから、無線で実現可能な速度で無ければおかしいですね。

4Kとは

フルハイビジョン、4Kや8Kと言った言葉を聞いたことがある方は多いと思いますが、これらの定義を正確に言える方はさすがだと思います。

4Kとは、水平画素数が3840(約4000)であることに由来します。Kとはキロのことで1000の単位を表します。4×1000で、4000の水平画素数だから4Kなのです。

フルハイビジョンと、4K、8Kの水平画素数、垂直画素数、総画素数についてまとめたのが下の表です。

テレビの高さ及び視野角と最適視聴距離の計算

8Kはお分かりの通り、水平画素数が7680(約8000)となっています。

フルハイビジョンから4K、4Kから8Kと進化するにしたがって、水平・垂直の画素数がそれぞれ2倍となっています。したがって、総画素数はそれぞれ4倍になっています。

4Kの総画素数が約829万画素ですから、少し前のコンパクトデジタルカメラ程度の画素数でしょうか?今で言うと、スマートフォンのフロントカメラの画素数相当です。

さて、11月25日は何の日かご存知でしょうか?そう、ハイビジョンの日です。アナログハイビジョンの走査線の数が1125本だったことに由来するのですが、この走査線の数は一体どうやって決まったのでしょうか?少し難しいかもしれませんが計算式を使って考察してみましょう。

まず、今のテレビの横縦比は上の表からも分かるように16:9です。人間がテレビを見るとき首を動かさなくても、没入感が得られる視野角は左右合わせて33°です。テレビの高さをHとしたとき、テレビを見るための最適距離は、いくらでしょうか?下図をもとに計算してみてみましょう。

テレビの高さ及び視野角と最適視聴距離の計算

答えは、丁度3Hになります。つまり、テレビの高さから3倍の距離だけ離れた場所が最適視聴距離と言うことになります。

次に、3H離れた距離から隣り合う画素と画素が区別できないための、垂直画素数はいくらでしょうか?

これは、視力1.0の人が基準になっています。視力1.0とは5m離れた位置から、視力検査のCの字(ランドルド環)の切れ目の方向が分かる人の視力です。Cの字の切れ目の間隔は、1.454mmです。ここで、画素のサイズをd(mm)とすると、以下の式が成り立ちます。

ハイビジョン走査線数の計算

この式より垂直画素数は1146になります。実際の1125本との差異はよく分かりませんが技術的な理由によるものだと思います。

さて、4Kテレビはフルハイビジョンテレビに対して垂直画素数が2倍なのだから、フルハイビジョンテレビの半分の距離まで、テレビに近づいても隣り合う画素と画素が区別できません。したがって、4Kテレビの最適視聴距離は、1.5Hとされています(視野角は66°となりますのでより高い没入感が得られるとされています。(https://qa.support.sony.jp/solution/S1110278023320/)。

将来、8Kテレビが市場に出回ることになれば、最適視聴距離は0.75Hまで接近可能です。リビングでテレビを見る距離は、精々1~2m程度でしょうから、テレビの高さは少なくとも1.3m~2.7mとなります。日本の家屋の壁の高さがだいたい2.4mですから、壁一面がディスプレイになる世の中が来ても不思議ではありません。

さて、ここまで4Kから8Kになるにつれて、解像度が高くなることを見てきましたが、解像度が高くなると当然データ容量が増えます。そこで、通信速度(伝送速度)は、どのくらい必要かという問題が生じます。次回のコラムでは、データ容量と通信速度の関係を見ていきたいと思いますので楽しみにしておいてください。

インターネットの歴史

今や世の中に欠かすことのできなくなったインターネット。一体どこでいつから誰によって始まったのでしょうか?

結論から言うと、米国で1969年にARPANET(アーパネット)と呼ばれる世界で最初のパケット交換ネットワークがインターネットの起源と言われています。今から約50年前の話ですね。日本で本格的にインターネットが普及したのはWindows95が発売された今からちょうど20年前ですから、意外に古いと思われる方もおられるかもしれません。

従来の回線交換ネットワーク(電話網)は、電話番号に基づいて、交換機で回線を切り替えて行き、端末間の回線を直接繋ぎます。しかし、一つの回線が端末間に常に占有され、回線の利用効率が低いという欠点がありました。

そこで登場したのがパケット交換です。 パケット交換では、通信データがある一区切りのデータ(パケット)ごとに分けられます。このパケットには宛先アドレスなどの制御情報が付加されます。パケット交換ネットワークは、宛先アドレスに基づいて、ルータなどで送信先を制御し、送信先に届ける仕組みです。この際、パケット交換は通信データを送受信している間しか回線を使用しないので、回線を占有しません。つまり、同一回線において異なる複数の通信データを送信できるので、回線の利用効率は高くなります。 回線交換ネットワークとパケット交換ネットワークを比較したのが下図です。

回線交換とパケット交換の比較
J・C・Rリックライダー

このパケット交換の元ともなるコンピューターのタイムシェアリングの考えを含む論文が1960年にJ・C・R・リックライダーにより「人間とコンピューターの共生」というタイトルで提唱されています。

J. C. R. Licklider. Man-Computer Symbiosis, IRE Transactions on Human Factors in Electronics, volume HFE-1, pages 4-11, March 1960

J・C・R・リックライダーは1962年10月にARPA(Advanced Research Projects Agency:アメリカ国防高等研究計画局)のIPTO(Information Processing Techniques Office)とういう部署の部長に任命されます。ARPAのIPTOは、J・C・R・リックライダーからサザランド、ロバート・テイラーそしてローレン・ロバーツと引き継がれ、1969年10月29日のARPANETによる世界初のコンピューター同士の接続の成功となります。

ARPANET(1969)

当時、ARPANETの最初のネットワークは上の図の4ヶ所でした。

1. カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA)
2. スタンフォード研究所(SRI)
3. カリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB)
4. ユタ大学の計算機科学科(UTAH)

1969年10月29日午後10時30分、UCLAの学生プログラマからスタンォード研究所に「login:」とうテキストが送られました。しかし、実際には「lo」まで受信したところでシステムがクラッシュしてしまいました。システムは約1時間後に復旧し、当初のメッセージ全文の送受信を成功させました。

その後、UCLAとスタンフォード研究所間の2カ所で恒久的にリンクを確立したARPANETは1969年11月21日に公開実験を開始しました。この出来事を記念して今日では11月21日がインターネット記念日とされています。

1969年12月5日には、上記4カ所のネットワークが完成し、1970年にはアメリカ東海岸ともつながりました。1973年には、ARPANETは無線通信により海を超えてノルウェーやロンドンともつながりました。日本では、1981年に初めて東北大学がARPANETの接続に参加しました。

その後、現在でもインターネット通信方式の約束事であるTCP/IPプロトコルが1982年に完成し、翌1983年にARPANETに導入されました。インターネットという言葉もプロトコル策定の中で1974年の12月にinternetworkingの省略形として使われるようになっていきました。そして、1982年のTCP/IP完成のときに「TCP/IPプロトコルでつながったinternet」をInternetと定義することに至りました。

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