スマホはケーブルなしでどことつながる？ 見えない電波と「1台・大勢」の通信を図解

にがてくん：スマホって、ケーブルがつながっていないのにインターネットができるよね。どことつながっているの？ 空気に何か仕込んであるの？

ニャン教授：いい疑問だぞ！ スマホは主に、近くの基地局やWi-Fiアクセスポイントと電波で情報をやり取りしているんだ。その先には、光ファイバーなどを使ったネットワークが続いているぞ。

にがてくん：でも、写真が空中を飛ぶの？ 大勢で使ったら、ごちゃ混ぜにならない？

ニャン教授：まずは1台の通信を見て、それから3台に増やしてみよう。順番に見れば大丈夫だぞ！

この記事の図は、仕組みをつかむための簡略図です。矢印やマス目は説明用の記号で、実際の電波に矢印や箱が付いているわけではありません。

1. ケーブルなしのスマホは、まずどことつながる？

にがてくん：スマホから、遠くの動画サイトまで電波が一直線に飛んでいるの？

ニャン教授：普段の携帯回線やWi-Fiでは、そうではないんだ。まずは近くの無線通信の相手とつながるぞ。

• 携帯回線：携帯電話会社の基地局と通信する。
• Wi-Fi：家や店などのWi-Fiアクセスポイントと通信する。

基地局もアクセスポイントも、スマホとの電波のやり取りを受け持つ設備です。家庭では、アクセスポイントの機能と、ネットワーク同士をつなぐルーターの機能が、1台の機器に入っていることもよくあります。

図1：スマホからサーバーまでの道筋

携帯回線の場合

スマホ ↔【電波】↔ 基地局 ↔【光ファイバーなどを使うネットワーク】↔ インターネット上のサーバー

Wi-Fiの場合

スマホ ↔【電波】↔ Wi-Fiアクセスポイント ↔【ルーター・通信事業者の回線など】↔ インターネット上のサーバー

サーバーは、ウェブページや動画などのデータを提供するコンピューターです。図では途中の多くの機器を省略しています。また、基地局やアクセスポイントの先にも、無線の回線が使われる場合があります。

にがてくん：ケーブルがないのは、道のりの全部とは限らないんだね！

ニャン教授：そのとおり！ それから、Wi-Fiにつながることと、インターネットにつながることは別だぞ。アクセスポイントの先の回線に問題があれば、Wi-Fi接続中でもウェブサイトを開けないことがあるんだ。

練習問題

1. 携帯回線を使うスマホが、電波で直接通信する主な相手を1つ答えてください。
2. Wi-Fi接続中なら、必ずインターネットを利用できますか。「できる」「できない」のどちらかを選んでください。

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1. 答え：携帯電話の基地局。

   スマホは基地局と電波で通信し、その先のネットワークを通じてサーバーと情報をやり取りします。

2. 答え：できない。

   Wi-Fiは、主に近くのアクセスポイントなどと無線でつながる仕組みです。その先のインターネット接続まで保証するものではありません。

2. 空気に何か仕込んでる？ 電波が届く仕組み

にがてくん：何も見えないのに届くなんて、空気に通信の粉でも混ぜているの？

ニャン教授：通信の粉とは面白い発想だね！ でも、何かを混ぜているわけではないぞ。電波は、目に見える光と同じ電磁波の仲間なんだ。

人の目が感じ取れる電磁波の範囲は限られています。スマホの通信に使う電波は目には見えませんが、アンテナと受信回路で検出できます。

送信側では、アンテナの電流を変化させて電波を送り出します。電波が受信側のアンテナに届くと、アンテナに小さな電気信号が生じます。受信回路は、その信号を読み取ります。

にがてくん：見えなくても、機械なら受け取れるんだね。空気が運んでくれるの？

ニャン教授：そこが音との違いだぞ。音は空気などの振動で伝わるけれど、電波は空気がない真空でも伝わるんだ。宇宙との通信にも使われているぞ。

ただし、どんな場所にも同じように届くわけではありません。電波は距離が離れると弱くなり、壁などで吸収されたり反射したりします。建物の奥などで通信しづらくなるのは、こうした影響もあるためです。

練習問題

1. 電波は、空気のない真空でも伝わりますか。「伝わる」「伝わらない」のどちらかを選んでください。

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1. 答え：伝わる。

   電波は光と同じ電磁波の仲間で、伝わるために空気を必要としません。空気に何かを混ぜて通信しているわけではありません。

3. 【1台の図解】写真や文字は、どう電波になる？

にがてくん：じゃあ、写真を送るときは、小さな写真の形をした電波が飛ぶの？

ニャン教授：写真そのものの形で飛ぶわけではないぞ。文字や写真は、スマホの中では0と1の組み合わせで表すデータとして扱われるんだ。

送信側は、そのデータに応じて電波の状態を変えます。受信側は、電波の変化を調べてデータを取り出します。このように情報を電波に載せる操作を「変調」といいます。

図2：1台のスマホから送る、3段階の流れ

1. 送るデータ：写真などを表す0と1の列を用意する。
2. 電波の変化：決められた対応に従って、電波の状態を変えて送る。
3. 受信して戻す：基地局などが変化を読み取り、0と1のデータを取り出す。

スマホのデータ → 電波の変化 → 基地局で取り出したデータ

電波に付ける変化には、波の振れ幅である「振幅」や、波の繰り返しの中での位置である「位相」などがあります。

にがてくん：「位相」って、急に難しそう……。

ニャン教授：波を同じ間隔で繰り返す模様だと思ってみよう。その模様を、繰り返しの半分だけずらすと、山と谷の位置が入れ替わる。このような波の位置のずれを手掛かりにできるんだ。

位相だけを使った、単純な例

ここでは説明のため、「0は基準の位相」「1は基準から半周期ずらした位相」と対応させます。受信側もこの対応を知り、基準を合わせて読み取るものとします。

これは、位相を使う変調の考え方を示した模式図です。スマホの実際の通信では、振幅と位相を組み合わせて一度に複数のビットを表す方式や、読み取り間違いに備える処理なども使われます。「いつでも1つの波が1ビットを運ぶ」という意味ではありません。

にがてくん：空中に文字が浮かぶんじゃなくて、波の変化に意味を持たせているんだ！

ニャン教授：よく分かったじゃないか！ 決めたルールで合図を送り、相手が読み解くイメージだぞ。

練習問題

1. 上の例で、受信した位相が「半周期ずれ・基準・半周期ずれ」の順だった場合、取り出す3桁のデータを答えてください。
2. 写真を無線で送るとき、電波に載せるのは「写真そのものの形」「写真を表すデータ」のどちらですか。

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1. 答え：101。

   この例のルールでは、半周期ずれは1、基準は0です。順に置き換えると、1・0・1になります。

2. 答え：写真を表すデータ。

   データに応じて電波の状態を変え、受信側がその変化からデータを読み取ります。小さな写真が空中を飛ぶわけではありません。

4. 自分のスマホも電波を出す？ 送信と受信の往復

にがてくん：動画を見るだけなら、スマホは電波を受け取るだけ？

ニャン教授：受け取るだけではないぞ。「この動画のデータを送って」という要求などを、スマホからも送るんだ。

スマホ → 基地局やアクセスポイント → サーバー：データを求める要求など

サーバー → 基地局やアクセスポイント → スマホ：要求された動画のデータなど

動画の再生中も、必要なデータの要求や、通信を維持・調整するための情報などを送ることがあります。写真の投稿やメッセージ送信では、その内容のデータもスマホから送り出します。

にがてくん：こんな小さなスマホも電波を出しているんだ！ ずっと最大の強さで出すの？

ニャン教授：いつも最大、ではないんだ。通信方式や電波の届き具合などに応じて、送信電力が調整されるぞ。

送信のタイミングや強さは、通信の状態や機器の制御によって変わります。スマホの送信を「いつでも一定の強さで出し続けている」と考えるのは正確ではありません。

練習問題

1. インターネット上の動画を見るとき、スマホは「受信だけをする」「送信もする」のどちらですか。

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1. 答え：送信もする。

   動画のデータを受け取るだけでなく、データを求める要求や通信を調整する情報なども送ります。送信電力は常に最大というわけではありません。

5. 【複数台の図解】みんなの電波は混ざらないの？

にがてくん：1台なら分かったよ。でも、3台が同時に送ったら、電波がぶつかって読めなくならない？

ニャン教授：ここが大事だぞ。空中では電波は重なる。でも、必要な情報を区別できるように送受信しているんだ。

主な工夫には、送る時間を分ける、使う周波数を分ける、複数のアンテナを使って空間的に分離する、といったものがあります。どの工夫をどう組み合わせるかは、通信方式や世代によって異なります。

周波数とは、波が1秒間に繰り返す回数のことです。ここでは、使う周波数の範囲を分けると、別々の通信を区別する手掛かりになる、と押さえれば大丈夫です。

図3：1台から3台へ増やして比較

ここからは、携帯通信の代表的な考え方を簡略化した図です。スマホA・B・Cから基地局へ送る場面を考えます。

1. 送るデータ：A・B・Cが、それぞれ自分のデータを用意する。
2. 電波の変化：基地局の割り当てなどに従い、使う時間や周波数を分けて送る。
3. 受信して戻す：基地局が割り当てと受信信号を照らし合わせ、それぞれのデータを取り出す。

A・B・Cのデータ → 割り当てに従った電波の変化 → 基地局でA・B・Cのデータを取り出す

次の表は、縦が周波数の区分、横が時間帯です。各マスの文字は、その時間・周波数を使うスマホを表します。

時間帯1では、AとBが別の周波数の区分を使っています。時間帯2では、割り当てが変わります。このように、全員が1列に並んで順番を待つだけではありません。

表では分かりやすく各スマホに2マスずつ割り当てていますが、実際にいつも均等になるわけではありません。送るデータの量や電波状況などに応じて割り当ては変わります。マスの数や大きさも、実際の通信規格をそのまま示したものではありません。

図4：空中では重なり、受信側で取り出す

送信側：スマホAの信号 ＋ スマホBの信号 ＋ スマホCの信号

↓ それぞれが送信する時間や周波数などのルールに従う

空中：複数の電波が重なって伝わる

↓ 基地局のアンテナと受信回路で受ける

受信後：時間・周波数の割り当てや信号処理を手掛かりに、A・B・Cのデータを取り出す

にがてくん：「電波が重ならない」じゃなくて、「重なっても区別できるように工夫する」なんだね！

ニャン教授：そのとおり！ ただし、どんな重なりでも必ず読み取れるわけではないぞ。区別しにくい信号が入ったり、電波が弱かったりすると、読み取りに失敗することもあるんだ。

複数のアンテナを使う方式では、電波の届き方の違いなどを利用して、同じ時間・同じ周波数でも複数の通信を分離する場合があります。これが空間的に分ける工夫です。

Wi-Fiも、この表と同じ仕組み？

Wi-Fiも限られた通信資源を分け合いますが、携帯回線と常に同じ方法ではありません。Wi-Fiでは、周囲の通信状況を確認し、待ち時間を設けて送信する仕組みが基本の一つです。

Wi-Fiの世代や対応機器によっては、アクセスポイントが複数の端末に周波数などの資源を割り当てる仕組みも使われます。「Wi-Fiは必ず1台ずつ」「携帯回線の図がそのまま当てはまる」とは言い切れません。

練習問題

1. 図3の表で、時間帯2に区分Xを使うスマホを、A・B・Cから1台選んでください。
2. 複数台の無線通信を正しく説明するのは、「電波は空中で重ならない」「電波は重なるが、区別できるように工夫する」のどちらですか。

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1. 答え：C。

   「区分X」の行と「時間帯2」の列が交わるマスはCです。同じ区分Xでも、時間帯によって使うスマホが変わります。

2. 答え：電波は重なるが、区別できるように工夫する。

   時間・周波数の使い分けや、複数のアンテナを使う信号処理などによって情報を取り出します。ただし、干渉などでうまく読み取れない場合もあります。

6. アンテナが少なく見えるのに大勢が使える理由

にがてくん：駅にはスマホを使う人がたくさんいるのに、人数分のアンテナは見えないよ？

ニャン教授：利用者1人につき専用アンテナを1本用意する仕組みではないからだぞ。設備の通信資源を、多くのスマホで分け合っているんだ。

• 同じ設備で分け合う：時間・周波数・空間などを使い分けて、複数のスマホと通信する。
• 複数の設備で分担する：地域を受け持つ複数の基地局などで、利用者を分担する。
• 目立たない設備も使う：大きな屋外設備だけでなく、小型の基地局や屋内向けの設備もある。

外から1つの箱に見えるアンテナ装置に、複数のアンテナ素子が入っている場合もあります。見た目の本数だけでは、対応できる利用者数は判断できません。

にがてくん：それなら、何人増えても平気？

ニャン教授：そこは無限ではないんだ。分け合える時間や周波数、設備の処理能力、その先の回線にも限りがあるぞ。

イベント会場などで通信が遅くなる原因には、利用者の集中や電波の干渉、基地局の先の回線の混雑などがあります。スマホに電波が届いていても、十分な速さでデータを運べるとは限りません。

ここまでを、自分の言葉でまとめよう

にがてくん：スマホはまず、基地局やWi-Fiアクセスポイントと電波でつながる。その先のネットワークを通って、サーバーとやり取りするんだね。

にがてくん：空気に何かを混ぜるんじゃなくて、電波の変化でデータを伝える。自分のスマホも電波を出すし、大勢のときは時間や周波数などを使い分ける！

ニャン教授：そうだね！ よく分かったじゃないか！ 見えないから不思議でも、中身はルールを決めた情報のやり取りなんだぞ。

練習問題

1. 100台のスマホを接続する場合、利用者専用のアンテナを必ず100本用意する必要がありますか。「ある」「ない」のどちらかを選んでください。
2. 大勢が同じ場所で通信すると遅くなる原因を、本文から1つ挙げてください。

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1. 答え：ない。

   利用者ごとに専用アンテナを1本用意する仕組みではありません。時間や周波数などを分け合い、複数の設備でも分担します。ただし、何台を接続できるかは設備や通信条件によって異なります。

2. 答えの例：利用者が集中し、限られた通信資源を大勢で分け合うため。

   電波の干渉や、基地局の先の回線の混雑なども正解です。通信できる容量は無限ではないため、電波が届いていても遅くなる場合があります。