30年 第1回 「伝送設備」




30_1_setubi_1_(1).png


問1
(1)
ア:⑮ 国番号
イ:② 15
ウ:④ 国内プレフィックス
エ:⑩ M2M

補足
・国際電話番号のフォーマット
国際電話番号は、ITU-T勧告E.164で規定されており、「CC(国番号)」、「NDC(国内宛先コード)」、「SN(加入者番号)」で構成されている。日本のCC(国番号)は、「81」になっている。
kokusai_isdn_no_r2.png

・0AB~Jの固定電話番号のフォーマット
国内電話を表す国内プレフィックスは、「0」で固定されている。市外局番と市内局番はそれぞれ1~4桁となっており、2つを合わせて5桁となる。
kokunai_no.png

M2M(Machine To Machine):機械同士が人を介在せずに情報のやり取りをすること。センサネットワークにおいて機械が情報を自動収集したり、ネットワークを経由して機械を自動制御したりするサービスなどが例に挙げられる。

類題
25年第2回(設備)問1(1):電話の番号計画



30_1_setubi_1_(2)i.png

(2)
(ⅰ)
答え:④
解説
①②③正しい

④ 1標本当たりの符号化ディジット数を1[bit]増加することにより、直線量子化においては、信号対量子化雑音比が3 (正:6.02) [dB]改善される。

補足
PCM(Pulse Code Modulation)符号化:アナログ信号を「標本化⇒量子化⇒符号化」という手順でデジタル化する方法
・標本化(サンプリング):一定の間隔(サンプリング周期)でその時の値(標本値)を採取する
・量子化:アナログ値である標本値は無限個存在するが、それを有限個の値に区切る。量子化の過程で、ある範囲内にある標本値は、同一値になる。量子化によって情報が失われてしまう事を量子化雑音という。
・符号化:量子化によって区切られた値を、1と0のパルス値に変換する。


・PCM符号化と量子化雑音
送信側で量子化の際に失われた情報は、受信側で復元できず、ある範囲内にある標本値は全て同一値として復号される。
degrade3.png

・1標本当たりの符号化ディジット数と量子化雑音の関係
理想的なアナログ-デジタル変換回路では、信号対量子化雑音比(S/N比:SNR(Signal to Noise Ratio))は以下のように求められる。(Qは、符号化ディジット数(ビット数))
\(SNR=20log_{10}(2^Q) \simeq 6.02 \times Q[dB] \)
※上記の式により、符号化ディジット数を1bit増やすごとに6.02dB改善することが分かる。

・②の計算
標本化周波数は、8kHz(1秒間に8000回のサンプリングが行われる)であり、それぞれの標本値を8bitに符号化しているので8kHz×8=64[kbit/s]となる。

【参考】IP電話における標本化について
人間が話す音声を明瞭に聞き取れる音声帯域は 300Hz~3.4kHzとされている。シャノンのサンプリング定理に基づき、元の波形を復元するには、原音の周波数の2倍以上で標本化(サンプリング)することが必要であるとされているため、IP電話におけるPCM方式では、300Hz~3.4kHzの2倍以上である、8kHzで標本化が行われる。

類題
25年第1回(設備)問1(2)(i):音声などのアナログ信号のPCM符号化方式



30_1_setubi_1_(2)ii.png

(ⅱ)
答え:③
解説
① 適応予測と適応量子化を使用する差分PCM方式は、CELP方式 (正:ADPCM方式) といわれ、64 kbit/s で伝送するPCM方式の帯域を2回線として使用することができる。

② 送信側で音声を分析し、有声/無声判定、ピッチなどの情報を伝送し、受信側でそれらの情報を用いて音声を合成する分析合成系の音声符号化方式は、一般に、ADPCM方式 (正:分析合成符号化「ボコーダー」) といわれる。

③ 正しい

④ MPEG-1は、1.5 Mbit/s 以下のビットレートで、CD-ROMなどの蓄積メディアに音声及び静止画像 (正:動画) を保存するための符号化方式である。


補足
・ITU-Tで標準化された音声信号の符号化方式
ITU-T勧告符号化方式ビットレート
(kbit/s)
説明サービス分類
G.711PCM符号化方式64PCM符号化を使って、サンプリング周波数8kHz、非線形量子化8bitで音声アナログ信号をデジタル信号に変換する。符号化則として、μ-lawとA-lawの2つがある。ISDN標準端末、IP電話機波形符号化方式
G.726ADPCM32適応予測と適応量子化を用いることで、PCM符号化方式と同等の音声品質を保ちながら、32kbit/s(PCM方式の1/2)で伝送する方式PHS、デジタルコードレス電話機波形符号化方式
G.729CS-ACELP8音声波形ではなく、コードブックに登録された波形パターンの番号と音声の特徴情報を送ることで情報量を飛躍的に減らした方式IP電話機、インターネット電話機ハイブリッド符号化方式


※PCM符号とPCM符号化方式について
PCM符号化は、音声アナログ信号から「標本化⇒量子化⇒符号化」という手順でデジタル信号に変換するための符号化技術の事を表しており、CD-ROMへの録音やその他の技術にも応用されている(サンプリング周波数や量子化方法は、用途に応じて使い分けられる)。PCM符号化方式は、ISDNサービスの展開に伴い、デジタル音声通話のために開発されたITU-Tの規格のことで、サンプリング周波数や、非線形量子化の方式などが細かく規定されている。両者は、混同しやすいので注意が必要。

音声符号化の分類
波形符号化:波形そのものを符号化する方式。比較的音質は良いが圧縮率は低い。
分析合成符号化:人間の声帯などの発声のメカニズムに基づいて符号化する方式。波形の再現性を考慮していないため、圧縮率は高い。
ハイブリッド符号化:波形符号化と分析合成符号化を合わせた方式。分析合成符号化に波形情報を補助的に加えているため、圧縮率は、中程度。

ADPCM(adaptive differential pulse code modulation:適応差分PCM):適応予測と適応量子化を使用した差分PCM方式。PCM方式と同等の音声品質を保ちながら、32kbit/s(PCM符号化方式の1/2)で伝送することができる。PHSなどで使用される。

<ADPCMで使用される技術>
ADPCMでは、適用予測と適応量子化を使って、情報量を削減している。
・差分PCMと、それを応用した適用予測
音声は、連続性のある波形のため、隣接する1つ前の値から大きく変化することは少ない。そのため、波形の振幅値ではなく一つ前の値からの差分値を用いた方が、1サンプル当たりの情報を少なくできる(例えば、最大の差分量が128値で表せれば、8bit(256値)⇒7bit(128値)を使うことができる)。このように差分信号を量子化する方式を差分PCM(DPCM)という。更に、音声情報は、過去の信号と密接に関係しているため、将来の信号の予測を立てやすい。その特性を利用し、将来の音声信号の予測を立て、実際の信号とその予測値との差分値を伝送信号として使うことで更に情報量を減らすことができる。この技術を適用予測といい、ADPCMで使われている。
ADPCM_tekiou_yosoku2.png

・適応量子化
差分PCMにおける差分値を更に圧縮するため、振幅の変化が急激な部分は量子化ステップを大きくし、変化が緩やかな部分は量子化ステップを小さくすることで圧縮効率を更に上げることができる。
tekiou_ryousika2.png

CS-ACELP(Conjugate Structure - Algebraic Code Excited Linear Prediction)の仕組み
音声信号を10msずつ区切って、コードブックの波形パターンから類似しているものを選択し、その波形パターン番号、音声のピッチ、大きさ、その他の音声情報を合わせて80bitの符号情報として1秒に100回の速度で送信する(80bit×100回=8kbit/s)。受信側では、コードブックを使用して、波形パターン番号とその他の情報から音声を再現することができる。実際の波形ではなく波形パターン番号を送ることにより飛躍的に伝送する情報量を減らすことができる。
CELP_sikumi.png


・画像符号化の手順
予測符号化/変換符号化:同一フレーム内や別フレーム間での相関性を持った情報を取り除き、冗長な情報を圧縮する。
量子化:前工程で圧縮された情報を離散的な代表値で近似する。近似することによって失われた情報は量子化雑音といい復号工程で元に戻すことはできない。量子化雑音は、量子化ステップの幅を小さくすることにより小さくすることができる。
符号割当:量子化された信号値に「0」と「1」からなる符号に割り当てる
gazouhenkan_junban.png

・予測符号化/変換符号化の技術:フレーム内符号化
一般的に静止画データは、周辺の画素と強い相関性を持っている(例えば上半分が空の写真は、青色の画素が連続し、上下左右で強い相関性を持つ)。そのような画素間の空間的な相関性を用いて圧縮する方式をフレーム内符号化という。具体的には、画素の相関性が高い場合に高い圧縮率で圧縮が行える離散コサイン変換処理などが挙げられる。
flame_nai.png

・映像関連の規格
規格名制定年度制定組織用途・特徴
H.2611990年CCITT(ITU-Tの前身)用途:ビデオ電話、ISDNテレビ電話
特徴:勧告当時は、テレビジョンの規格が国によって独自だったため(NTSC、PALなど)、共通の画像フォーマットを策定する必要があり、H.261の中で352×288画素のCIF(Common Intermediate Format)が規定された。
MPEG-11993年MPEG用途:CD-ROMなど
特徴:再生時に映像と音声合わせて1.5Mbit/s前後のデータ転送速度が必要。CD-ROMで1時間程度の動画を蓄積することを目的として規格化された。
MPEG-21995年MPEG用途:デジタルTV、DVDなど
特徴:必要な画質に合わせてレベルが設けられている。再生時に映像と音声合わせて4~15Mbit/sのデータ転送速度が必要。
MPEG-4AVC/H.2642003年ITU-TおよびMPEG用途:ワンセグ放送・スマートフォン用コンテンツ
特徴:MPEG-4 Part 10 Advanced Video Codingの略(MPEG-4をさらに細分化したPart10の規格)。ITU-TとMPEGで同一の内容が規格化されているため、両方の規格名が/で並んでいる。圧縮符号化率がMPEG-2の2倍程度。

MPEG(Moving Picture Experts Group):動画像の圧縮符号化技術の標準化を行うISO/IEC JTC1の専門家グループ。このグループにより、高効率の各種符号化方式が規格化されている。


類題
25年第1回(設備)問1(2)(ii):音声符号化技術及び画像符号化技術



30_1_setubi_1_(3)i.png

(3)
(ⅰ)
答え:③
解説
①②④正しい

③ TCPは、再送制御機能、受信側からの確認応答を待たずに複数のデータを送信できる機能などを有し、UDPは、輻輳を回避する制御機能、コネクションの確立や切断などの管理機能を有する(※)(※赤部分もTCPの説明)

補足
・RFC(Request for Comments):標準化団体であるIETF(Internet Engineering Task Force)がインターネットに関連するプロトコルやファイルフォーマットを共有するために公開される文書

・OSI参照モデルとTCP/IPプロトコル階層モデル
OSI_r3.png

・TCPとUDPの比較
TCPUDP
コネクション型
(ストリーム型)
コネクションレス型
(データグラム型)
信頼性高い低い
転送効率悪い良い
用途FTP、HTTP、SMTP、
POP3、TELNET など
TFTP、DHCP、SNMP、
NTP など


ポート番号:TCPおよびUDPの通信においてクライアント・サーバ間でアプリケーションを識別するための番号。16bitで構成され、0番~65535番まである。


<TCPの信頼性を高める制御>
フロー制御:送信側と受信側の端末において、両方の端末で最適となる通信速度を決定する仕組み。例えば、送信側端末の処理速度が速く、受信側端末の処理速度が遅かった場合、送信側が自分の持つ最大処理速度で通信をし続けると、受信側でバッファオーバーフローを起こしてしまう。それを防ぐため、送信側と受信側で処理能力を認識し合い、受信側の処理能力に合わせて送信側の通信速度を調整するのがフロー制御である。TCPでは、スライディングウィンドウの仕組みによりフロー制御を行っている。
再送制御:通信線路の影響等でロスしてしまったセグメントを再度送信するための仕組み


・スライディングウィンドウの動作の概略
スライディングウィンドウは、受信側のバッファに保管可能なデータサイズであるウィンドウサイズを送信側に伝達しながら最適な通信レートで通信を行うフロー制御の事。下記にスライディングウィンドウの動作概要を示す。
sliding_window_2.png

(図の説明)
①受信側は、スリーハンドシェイクで、自分がバッファに保管可能なデータサイズ(=ウィンドウサイズ)を送信側に伝える。
②送信側は、スリーハンドシェイクで認識した受信側のウィンドウサイズ分のセグメントを送信する
③受信側は、送信側から受け取ったセグメントを一時的にバッファに保管する。(バッファ領域が減ることによりウィンドウサイズは小さくなる)
④バッファに保管されたセグメントは、受信処理が完了すると、バッファから取り除かれる。これにより、受信可能なデータサイズ(=ウィンドウサイズ)が増える
⑤受信側は、ACKに現在のウィンドウサイズをセットし、送信側に送信する
⑥送信側では、ACKが届いたセグメントは送信完了とし、次の送信セグメントにウィンドウをスライドさせて、送信処理を始める。ウィンドウサイズは、直前のACKに格納されたウィンドウサイズを採用する。

・高速再転送(即時再転送/即時回復)
通常、送信に失敗したセグメントがあった場合、送信側にはACKが返ってこないため、タイムアウトを待って再送処理を実施する。高速再転送では、確認応答番号が同じACKを3回受信した段階で該当するセグメントの再送を行う。
TCP_rapid_re_tx.png
(図の説明)
図では、シーケンス番号:1100のセグメントがロスしている。受信側では、シーケンス番号:1200、1300のセグメントを受信した時点で、シーケンス番号:1000の続きであるシーケンス番号:1100のセグメントが抜けて受信していることを検知できるので、いずれも確認応答番号(次に送ってほしいシーケンス番号)を「1100」としてACKを返答する。このようにして生成されたACKを3つ送信側で受信すると、高速再転送の仕組みにより再送が行われる。



30_1_setubi_1_(3)ii.png

(ⅱ)
答え:④
解説
SMTP(正:POP又はIMAP)は、電子メールを配送する際に用いられるプロトコルであり、メールサーバ間の転送時(※)及びクライアントでの受信時に用いられ、電子メールの送信時には、一般に、POP又はIMAP(正:SMTP)が用いられる。(※メールサーバ間の転送時には、SMTPが使用される)

② FTPは、異なるコンピュータ間でファイルを送受信する際などに用いられるプロトコルであり、一般に、相手先コンピュータにログインすることなく(正:ログインして)、ファイルのアップロードに関する各種操作を行うことができる。

③ HTTPは、WebブラウザとWebサーバとの間でWebページのデータの送受信を行う際に用いられるプロトコルであり、Webブラウザからの要求コマンドが数字の列(※)で、応答がアルファベットの文字列で記述される。(※要求コマンドもアルファベットの文字列)

④ 正しい

補足
・メールの送受信で使われるプロトコル
メールの送受信には、主にメールを送信・転送するためのSMTP(Simple Mail Transfer Protocol)と、メールサーバからメールを受信・閲覧するためのPOP(Post Office Protocol)、IMAP(Internet Message Access Protocol)などが挙げられる。
MTA_MUA.png

FTP(File Transfer Protocol):TCP/IPネットワークにおいてファイル転送を行うためのプロトコル

HTTP(Hypertext Transfer Protocol):HTMLなどのコンテンツの送受信に用いられる通信プロトコル

SNMP(Simple Network Management Protocol):TCP/IPネットワークにおいて、ルータやスイッチ、端末など様々な機器をネットワーク経由で監視・制御するためのプロトコル。

・SNMPの構成
SNMPマネージャ(PCに専用のソフトウェアがインストールされたものなど)とSNMPエージェント(管理される側のルータやスイッチ)により構成されており、互いがTCP/IPネットワークでつながっている。SNMPエージェントは、MIBという状態や設定情報が管理されているデータベースを所有しており、このMIB情報を遠隔地にいるSNMPマネージャから確認したり変更することで管理が行われる。
snmp_composition.png






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