科学技術と共に歩む

【内容紹介】
スマートフォンや無線LAN、IoTに加え、近年ではドローンやロボットなど多様な機器が無線で接続され、ワイヤレスネットワークは社会を支える重要な基盤技術となっています。本書は、無線通信やネットワークを初めて学ぶ学生・技術者を対象に、ワイヤレスネットワークを「電波がどのように伝わるか」「情報をどのように信号に載せるか」「複数の端末がどのように無線媒体を共有するか」という流れで体系的に理解できるよう構成した入門書です。

第1章では、無線通信システムの概要、通信の基礎、ネットワークプロトコルとレイヤについて説明し、本書全体を理解するための土台を整理します。第2章では、マクスウェル方程式からアンテナ、反射・透過・回折、自由空間伝搬、移動通信環境におけるフェージングやマルチパスまで、無線通信に不可欠な電波伝搬の基礎を扱います。第3章では、アナログ・デジタル変調、OFDM、移動通信、多元接続、チャネル容量、MIMOなど、現在の無線通信を支える信号処理・伝送技術を解説します。第4章では、ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA、Backoff、TCP/IPなどを取り上げ、アクセス制御からネットワークプロトコルまでを、通信効率やスループットの計算を交えて説明します。

さらに第5章では、基礎技術が実際にどのように発展しているかを理解できるよう、近年注目されている無線技術を取り上げ、RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）による無線環境制御、ドローン通信とGNSS・RTKなどの測位技術、ワイヤレス電力伝送（WPT）の技術について丁寧に説明しています。基礎理論だけで終わらず、次世代のワイヤレス技術や応用までを一冊で見渡せることが本書の特徴です。また、各章の演習問題を通じて、式や理論を実際に使いながら理解を確認できるようにしました。

【本書を特に読んでほしい読者】
大学の電気・電子・情報通信系の学部生、特に３、4年生程度で無線通信やワイヤレスネットワークを体系的に学びたい学生を主な対象としています。高専生や大学院生の導入・復習用のほか、無線LAN、移動通信、IoT、ドローン、ワイヤレス電力伝送などに関わる企業技術者・研究者が、無線通信の基礎から応用までを整理するための参考書としても利用できます。

【本書を読む前にあると望ましい前提知識】
大学初年級程度の数学に加え、微分積分、複素数、ベクトル・行列などの基礎知識があると理解しやすくなります。また、電気回路や情報通信の基礎的な知識があることが望ましいですが、無線通信やネットワークについては基本概念から説明しているため、この分野を初めて学ぶ読者でも順を追って読み進めることができます。

【本書を読むことで得られる知識・できるようになること】
・ワイヤレスネットワークを構成する通信システム、プロトコル、レイヤの基本的な関係を理解できる。
・アンテナの基本特性、電波の反射・透過・回折、自由空間伝搬、フェージング、マルチパスなどを理解し、基本的な伝搬損失を計算できる。
・AM、FM、PSK、QAM、OFDMなどの変調方式と、チャネル容量、MIMOを含む無線伝送技術の基本を理解できる。
・ALOHA、CSMA/CD、CSMA/CA、Backoffなどのアクセス制御方式を理解し、通信効率やスループットを計算・評価できる。
・TCP/IPを含むネットワークプロトコルと無線アクセス制御との関係を理解できる。
・RIS、ドローン通信、GNSS・RTK等の測位、ワイヤレス電力伝送（WPT）などの新しい応用技術の基本を理解できる。
・個々の技術を独立して覚えるのではなく、電波伝搬、信号処理、アクセス制御、ネットワーク、応用技術を通信プロトコルのレイヤーにまたがって、一つのワイヤレスシステムとして捉えられるようになる。

【本書の特徴・工夫した点】
本書では、ワイヤレスネットワークを単なる通信方式の集合としてではなく、アンテナ・電波伝搬、変復調・信号処理、アクセス制御、ネットワークプロトコルが相互に連携して動作する一つのシステムとして理解できるよう構成しています。第1～4章で基礎を段階的に学び、第5章でRIS、ドローン通信・測位、WPTなどの発展的な応用へつなげている点が特徴です。また、数式だけでなく図を多く用いて原理や動作を視覚的に理解できるようにし、第2～4章を中心に演習問題を設け、伝搬損失、変調、MIMO、スループットなどを実際に計算しながら理解を確認できるよう工夫しています。基礎理論と現在の無線通信システム、さらに次世代技術までを一冊の流れの中で学べる構成としています。

【授業・講義での使用イメージ】
大学の電気・電子・情報通信系学科における、学部2～3年生程度の「無線通信工学」「ワイヤレスネットワーク」「通信方式」「移動通信」などの半期科目での教科書・参考書としての使用を想定しています。第1章で全体像を示し、第2章のアンテナ・電波伝搬、第3章の通信方式・信号処理、第4章のアクセス制御・ネットワークを講義の中心とし、第5章を最新技術・応用事例として扱う構成が考えられます。演習問題は講義後の課題、自習、試験対策にも利用できます。卒業研究や大学院で無線通信分野に取り組む学生の導入書としても活用できます。

【実務・研究で役立つ場面】
無線LANや移動通信、IoT、ドローンなどを利用するシステムの設計・評価において、通信距離、伝搬損失、フェージング、変調方式、MIMO、アクセス制御、スループットなどを整理して検討する際に活用できます。また、通信分野を専門としていない技術者が無線通信システム全体の構成を把握するための基礎資料として利用できます。さらに、RISによる無線環境制御、ドローン通信と測位、空間伝送型WPTなどの研究開発に取り組む際、既存の基礎技術とのつながりを理解するための導入としても役立ちます。

【関連キーワード】
ワイヤレスネットワーク、無線通信、アンテナ・電波伝搬、OFDM、MIMO、CSMA/CA、無線LAN（Wi-Fi）、RIS、ドローン通信、ワイヤレス電力伝送（WPT）