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2010年3月31日 (水)

身近な通信速度の限界あれこれ

 LTEになると携帯電話で光ファイバーなみの通信ができるので固定通信は不要になる、などという誤った思いこみをしている人がいまだにいる。勤務先にもそんなのがいるのだが、インターネットに接続する端末機器を作っている技術者だったりするので、どうにも始末に困る。

 雑音のある通信路を使って通信する場合の通信速度の理論的な限界については、シャノンの定理というきわめて有名な、しかし非常に簡単な数式で与えられる。高校レベルの知識でも十分に理解できるので、この分野に少しでも関わるのなら、知らないではすまされない。

 とはいえ、厳密な話ってのは記憶に残らないので、実際に経験する通信環境でどうなるかを思いっきり乱暴に書いてみたい。

 まず、今はすでに過去の遺物となりつつあるモデム。電話回線を使ってデータ通信を行うものだが、33.6kbpsが通信速度の上限だ。電話回線ってのは、3.4kHzまでの音声を通すものだ。電話の通話品質は、音声と雑音の電力比が1000倍くらいとなっていて、1000ってのは2進数で10ビットくらいになるから、3.4kHz×10ビットで34kbpsだ。なので、33.6kbpsってのが限界に近いのだということが分かる。56kbpsとかいう数字は、通常の電話じゃないのでここでは関係ない。

 33.6kbpsってのは遅く感じるが、音声通話さえできる環境なら、世界中どこの相手でも、他に何も無くてもこの速度が出るのがエライところだ。同じ電話線を使うならADSLの方が速いように見えるが、あれはユーザと電話局の間だけで、電話局から先に高速のデータ通信ネットワークがあることで、はじめて高速通信が成立している。

 ADSLの通信速度も、当然ながらシャノンの定理で限界ができる。電話局から遠くなればノイズが増えるので、通信速度は激落ちになる。逆に電話局に近くなれば通信速度は上がる。極端な話、電話局の中の収容ラックの真ん前なら、1Gbpsだって出せるだろうよ。
 乱暴に言えば、こんな具合に環境によって通信速度が大幅に変わる方式ってのは、シャノンの定理の限界に近づいているので、大きく改善されることは期待できない。

 携帯電話の基地局と端末との間の通信速度は、ADSLに実によく似ている。カタログ上のピーク速度は上がっても、実用上はたいして高速にならない。LTEを待つまでもなく、すでに現行の3Gで通信速度の限界は見えてしまっている。ADSLと違うのは、ADSLが各ユーザ毎に占有であるのに対して、携帯電話は基地局への通信路を他のユーザと共有していることだ。どう見てもADSLより分が悪い。こんなので固定網いらないと言えるか?

 光ファイバの通信速度についても、シャノンの定理が関わってくる。つい最近も、NTTが光ファイバの通信速度の記録を更新したとの記事があったが、高速化はそうそう簡単には進まない。
 光ファイバであっても、ファイバ中を通過する際に光信号は劣化し、それがノイズとなって通信速度を低下させる。シャノンの定理によって、ノイズに対抗するためには信号強度を上げなければならない。信号強度を上げるためには、レーザー光の出力を上げるか、複数の波長を使って多重化するかだ。いずれにしても、1本の光ファイバを通る光のエネルギーは増大する。そのとき、悲劇が起きる。
 光ファイバの途中に何らかの原因で欠陥が発生し、光信号のエネルギーを吸収してしまうと、超高温の部分が発生する。高温の部分は光信号のエネルギーを吸収してファイバを破壊しながら、信号の送出側にどんどん近づいてくる。ファイバーフューズと呼ばれる現象だ。見てる分には、すごく面白いのだが。
 ファイバーフューズのような極端な例でなくても、光信号を処理するためにはある程度の損失は避けられず、損失は発熱につながる。この発熱が高速化の妨げとなる。電気回路と何ら変わりない。パソコンのCPU性能の向上に限界が見えてきたのと同じことだ。

 昔懐かしいモデムから最新の光ファイバまで、シャノンの定理を理解していれば通信速度の限界が見えてくる。そんな定理を理解していなくても、日常的な感覚で限界があることは分かるのではないのか?
 LTEだからといって、常識からかけ離れたことが実現できてしまうと思えることの方が、はるかに理解に苦しむ。

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