Single Frequency Network （SFN）という言葉を聞いたことがある人は、このサイトの読者には多いかもしれませんが、今日はその話。

単純に日本語であらわすと、単一周波数ネットワーク。無線ネットワークにおいて、単一の周波数のみでネットワークを作る手法のことですが、まずは、もう少し基本的なところから。よく御存じの方は、10行くらい読み飛ばしてください。読み飛ばさないと大変なことになりますよ（私が）。

無線ネットワークを作るとき、まず考えなければならないのは、周波数をどうするか、です。基本的に、同じ周波数の電波はお互いに邪魔者でしかないため、出来るだけ使わないようにするのが普通です。一方で、たとえばパラボラアンテナなどを使ってビーム状に電波発射するなどという場合には隣り合っていても邪魔者にならない場合もあるので同じ周波数を再利用できます。

ある周波数が邪魔になるかならないか、邪魔になるならどうやって邪魔にならないようにするか、というのが無線ネットワーク設計なわけで、たとえば一番簡単な方法は、「電波を送受信するすべての装置ペアが異なる周波数を使うこと」です。たとえば100台の端末同士が通信する場合には100 x 100 = 10000通りの組み合わせ（送信と受信があるので）、つまり10000種類の周波数を用意すればOKです。

OKなわけないですね。周波数は限られていて、しかも最近では、一つの通信リンクに消費する周波数の幅が大きくなってきているので、ますます周波数のバリエーションを取りにくくなっています。そんなわけで、たとえば、一定以上離れた場所では電波が弱ることを利用して、それより遠くでは同じ周波数でも再利用しよう、ということを行います。

たとえば、電波が完全に一定距離できっちり止まる、とか、反射や回折など電波の経路を直線以外に変化させる要素はゼロである、という仮定を置くと、理屈上は三つの周波数があれば完全にお互いに邪魔し合わない無線ネットワークが作れます。

ただ、無線通信方式の進化は非常に激しく、特に激しいのは、やはり「一度に使う周波数幅を増やして高速化したい」という方向の進化。0.05MHzで済んでいた音声やデータ通信が、より高速を求めて0.3MHzとかになり1MHzになり5MHzになりいよいよ10MHz、20MHzという巨大な帯域を一つのリンクで使ってしまう様になってしまいました。

一方で、通信事業者に割り当てられる周波数幅には大きな変化はありません。もちろん最近になるほどなるべく「まとまった」幅が割り当てられる傾向はありますが、それでも、隣接した10～20MHzがせいぜい、という感じになっています。

古い方式、0.3MHzや1MHz程度の方式なら、それでも簡単に三つ以上の組み合わせをねん出できます。しかし、幅が5MHzとかになるともうこれは難しい。三つであれば何とか取れるかもしれないけど、現実的にはきれいに三つの周波数でぶつからないようにエリアを設計するのは無理です。

そんなわけで、帯域幅を大きくすることと同時に、「同じ周波数がぶつかっても大丈夫な方式」への移行も進みました。代表的な例が、CDMAです。CDMAでは、特定のコードでノイズの山の中に埋まった信号を掘り出すことができる方式なので、隣のリンクの周波数とぶつかってしまっても問題が起こりにくくなっています。なので、全く同じ周波数を全員が使ったとしても、（一定の限界を超えない限りは）信号そのものは潰れずにちゃんと通信ができるようになります。このように、「全員が同じ周波数を使う」のが、SFNです。

3Gと呼ばれる方式には実はいろいろあるのですが、その中で代表的、かつほぼ100%シェアを取っているものは、WCDMA（TDD版であるTD-SCDMAというのもありますが）とCDMA2000。いずれもCDMA方式を利用した方式であるため、一般的には「3GネットワークはSFNである」と言われます。

一つのリンクに必要とする帯域幅が広大化するほどにSFNに対する需要は大きくなる、というのは先ほども書いた通り。となると、3Gよりもさらに大きな帯域幅を使う4G以降でも当然SFNでないと困ります。

ところが、CDMAにはCDMAの困った問題があって、大きな帯域を一律に占拠するような使い方は得意なのですが、より細かい割り当てをするという方向はちょっと苦手。特に、いろんな割当帯域幅に上手くはまるようにシステム帯域幅を調整する、と言うのがほとんど不可能。ということで、4GではCDMAではなく、OFDMAが主に使われます。OFDMAは、帯域の端まで無駄なく使いやすいうえ、中をより細かく分けてユーザごとに割り当てることもできるし、比較的簡単に帯域幅を調節でき、しかも異なる帯域幅が同じシステム内で混在してもいい、と言う便利な方式。すべての4G候補システムが最終的にはOFDMAとなっています。

では、OFDMAでもSFNが可能なのか、と言うと、これは実は少し微妙だったりします。CDMA方式では山の中から信号を掘り出す仕組みが原理的に付与されていましたが、OFDMAはそうではありません。古いFDMAシステム、つまりリンクごとに周波数を変える、と言う方法での分離を拡張した方式なので、同じ周波数で通信すると見事にぶつかり合います。

ですので、OFDMA方式での完全なSFNは基本的にはNGです。これを解消するために、「FFR」（Fractional Frequency Reuse）という技術が考案されました。これは、OFDMの中で細かく分かれた周波数（サブキャリア）の一部を意図的にパワーを落とす、と言う方式。こうすると、そのパワーを落とされた周辺のサブキャリアだけは、あまり遠くまで届きません。

一方、隣の基地局では、同じサブキャリアブロックをフルパワーで使います。逆に、それ以外のサブキャリアブロックのパワーを落とし、他に届かないようにします。こうすることで、同じ大きな周波数帯域幅でありながら、部分的には旧来のFDMAの周波数繰り返しのようなことを実現し、セミSFN的な状態にして単一周波数で運用することが考案されました。

考案されました、で止めているのは、実はこの技術、案外使い物にならないことが判明してきちゃったからです。LTEやWiMAXでは当然この技術を使ったSFNが当初想定されていましたが、この技術を使っても思ったほど干渉が減らせない上に使えるブロックを制限してしまうことによるパフォーマンス低下が著しく、特にWiMAXでは複数周波数を使った周波数繰り返しに先祖返りしてしまっているところも多いようです。

一方、LTEの方は、リソース配置をつかさどる制御チャネルエリアはある程度干渉してもカメラのフォーカスを合わせるように強く信号を取り出せるようになっていて、一方、リソース自体の非常に細かい干渉レポート機能も持っているため、リソース単位で干渉を受けたら他のユーザととっかえっこする、というような割り当てアルゴリズムが使えるため、同じくFFRを使うよりはこの割り当てアルゴリズムによる解決の方が好まれているようです。もちろんセルの端っこでは干渉を受けるリソースは増えるのですが、それでも、統計的に干渉を受けるリソースはばらつくため、あまり周波数のぶつかりを意識しなくてもSFNが実現できる、と言う形になっているようです。これは、CDMAの一種である周波数ホッピング式CDMAにも近い挙動と言えます。

ということで、実現方法こそ違いますが、とりあえず4GでもSFNを実現することは可能です。可能ではありますが、どちらかと言うと、制御チャネルの信号強度に頼った力技に近いやり方と言えそうな気がします。すなわち、より強烈な干渉を受けやすいセルの中に小さなセルを置くようなコンセプト（ピコセル）では、この力技もあまり通用しなくなる可能性が高くなります。多くの基地局ベンダやキャリアではこのタイプの強烈な干渉をいかに排除するかの研究をしているようです。

ということで、SFNについての徒然でした。

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なんだか、最近、衛星通信に関する質問をたくさんいただきます。正直私自身も衛星通信に興味はあるもののあまり詳しくないという状態なので、自分用にまとめる勢いで衛星通信について書いてみます。一応、衛星放送も衛星通信の片方向版ってことで、おおざっぱな仕組みは同じ（はず）なので、まとめて、ってことで。

と言っても、細かい方式や仕様の話はとりあえず置いときます（とりあえずどころか未来永劫置いとく可能性が高いです）。というのも、方式や仕様に関しては、ほとんどそのシステム専用に設計したものが多いからです。そんなことになっている理由は、まぁ正直言うとよくわからないけどたぶん成り行きだよね、としか言えないんですが、そもそも、衛星通信が非常に高額なシステムで、置き換えもほとんど起こらないし、帯域構成も唯一性が高く、それを高効率で運用するためには方式を専用に設計してでも効率化を図る必要があり、なおかつ相互接続する可能性もほぼないためかなぁ、と思うわけで、まぁ、いろんな理由があってたぶん専用方式なんでしょう。

ということで、方式には踏み込まず、おおざっぱな仕組みの話。衛星通信と言った場合、特殊な例外を除くと、基本的には無線回線的に「地上局1」→「衛星」→「地上局2」という三角形で通信が成り立っているものです。たいていの場合は、地上局のうちの一つが交換局の役割をすることが必要で、となると、衛星通信を使って加入者←→加入者の通信を行うには、「地上局2」→「衛星」→「地上局1」（→交換機で交換）→「衛星」→「地上局3」という逆W字型の通信経路になる、ということになります。

これは、「移動局」→「基地局」（→交換機で交換）→「移動局」という形になる携帯電話などの地上無線とはかなり違って見えます。これを、全く同じように見えるような形に書き直そうとするとどんな形になるでしょうか。衛星通信の一つのタイプは、まさにそういう考え方で作られたもの。

上の逆W字型経路で、「衛星」と書いてある場所を、試しに「鏡」と書き直してみると、これが出来上がります。「地上局2」→（鏡）→「地上局1」→（鏡）→「地上局3」、という形です。鏡は単なる通信経路の一つなので、そこで方向が変わっているだけで相手はあくまで地上局2と地上局1、という様に見ることができます。衛星通信の一つで古くから使われているものは、まさにこれ。地上から送った電波を衛星で跳ね返しているだけです。

もちろん跳ね返すといっても、本当に鏡で反射しているだけではなく、ちゃんと受け取った電波を電力をかけて増幅して再送信してあげるような仕組みになっています。また、同じ周波数を使うとさすがに問題を起こすので、周波数もちゃんと別のところにシフトしてあげる仕組みも持っています。と言っても、衛星としては、入り口から入ってきた電波波形を増幅再送信してあげるだけでいいので構造もシンプル。しかも、（よほど大きな変更でない限り）方式を変えてもOKです。この一連のセット（受信して変換して増幅して送信する）のことを「トランスポンダ」と読んでいます。

さて、一つのタイプをこれだと言いましたが、もう一つのタイプがあります。いや、この二つのタイプは私の中でのタイプ分けなので、一般的な衛星通信に関する説明でこの二つをあえて別タイプと紹介しているものは見たことがないのですが、どうも、無線NWオタク的には、この二つは全く別物に見えるんですよね。

一つ目を「反射型」と言うなら、二つ目は、いわば「交換型」とでも言いたいところ。つまり、衛星自体が交換機能を地上に向けて提供しているようなものです。

ただ、交換機能と言っても、機能の大半を地上の交換局に依存していたりあるいはそれ自身でパケットのルーティングまでやっちゃうものまでいろんなタイプがあるのでひとまとめには出来なさそうですが、私の中の基準では、ぶっちゃけ、衛星本体で電波を「復調」して「ベースバンドとして処理」しているかどうか、というのが大きな分かれ目になっています。

地上局から衛星局に送信された電波に乗っているデータを、0、1のレベルに戻し、そこから交換対象となるレイヤーまでヘッダとかをちゃんとはぎ取って、その対象のヘッダを解析し、次に、次の送信先向けのヘッダをきちんとかぶせて送信部に送る、と言うところまでやるタイプ。単なる反射型と違うのは、衛星自身が、プロトコルを理解し送信先を判別している、と言うところです。

衛星自身がプロトコルを理解するということは、もちろん、衛星にプロトコルスタックが作り付けになっているということ。つまり、反射型の利点である「方式変更に強い」という利点がかなりの部分で失われてしまうことになります。地上からのファームウェア書き換えという荒業も、ハードウェア能力による限界を延ばすことまではできません。

一方、交換型の利点は、衛星そのものが、「基地局」としての役割を果たす、と言うこと。これは、まずひとつ目には、交換が必要な加入者←→加入者通信の場合にも逆W字経路を経ず、逆V字経路だけで終結できる、という意味での経路の大幅短縮、という利点があります。二つ目の利点としては、たとえば衛星をハブ/ルータとしたLANを思い浮かべた時、存在しないアドレスへの送信がルータでカットされるように、衛星で無駄な通信を省くことで貴重な衛星回線帯域を節約する、と言うことができるようになります。いずれも、衛星回線帯域を節約することにつながります。

ということで、もちろん用途により使い分けるのでしょうが、この二つのどちらかがおおざっぱに衛星の方式と言えそうな気がします。細かい分け方をすればもっとわかれるのでしょうが。

古い方式や放送系は、ほとんどが反射型のはずです。何しろシンプルですし。インマルサットとかそういうものは、相手方地上局があることが前提になっているっぽいので、たぶん反射型でしょう。

一方、交換型のシステムはちょっとずつ増えてきているようなイメージ。イリジウムなんてまさにこの方式の究極で、衛星内で回線の交換までやっちゃうので、衛星間回線を通して別の衛星から直接加入者につなぐことまでできるという変態っぷり。

また、ちょっと前に打ちあがったインターネット衛星「きずな」なんてのは両方のモードを持っていて、固定のビーム間で単に反射するだけのトランスポンダと、複数のビームの間で交換までやってしまうトランスポンダを持っていて同時に動かせるみたいです。

というのが衛星通信の大まかなしくみ。だと思います。いや、本当に詳しい技術情報が公開されないので、実のところよくわかんないんですよね。まぁ、公開しちゃまずいんでしょうね、普通に空見れば見えちゃうものだし。ってことでこの辺で。

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随分ほっといたら、保護してから一年です。ほっといたらでかくなりました。

何もしないのにでかくなりました。本当になにもしてないです。ウソじゃないです。かってにでかくなったんです。私のせいじゃありません。

なんだよこの巨大物体。でかいよ。かわいいよ。でかわいいよ。ぶさいくだよ。

本当に、ワンコみたいに人の後ろをてくてくついて歩きます。必ず視界内にいる感じ。人懐っこい猫はいろいろ見てきましたが、ここまで徹底している奴は初めてです。

部屋でちょっとごろんと横になると、いそいそとおなかの上に乗ってくるし。

トイレに入るといそいそとやってきて足の甲の上に寝そべるし。

つい先ほどは風呂に入ろうとしたらひゃっほーいと一緒に飛び込んできてずぶ濡れになって出ていきました。アホすぎ。

この巨大ツチノコ的物体を今後どうするかご意見大募集中。

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