とても良い質問です。
一見すると「周波数は限られているのに、どうして何千万台ものスマホが同時に使えるのだろう」と不思議に思いますよね。
答えは、同じ周波数を時間・場所・信号の区別によって何度も再利用しているからです。
例えば、ある携帯会社が700MHz帯の一部として20MHz幅（例：758～778MHz）を持っているとします。
これは道路に例えると「高速道路1本」です。
この道路を何千万人で共有しています。
ではどうやってぶつからないのでしょうか。
携帯電話の基地局は、それぞれ数百m～数km程度の範囲を担当しています。
基地局A 基地局B 基地局C ○ ○ ○
十分離れた基地局ではまったく同じ周波数を再利用できます。
つまり
では同じ周波数を同時に使っていても、お互いの電波が届かないので問題ありません。
これを**周波数の再利用（Frequency Reuse）**といいます。
スマホは実はずっと通信しているわけではありません。
例えば
この時間のほとんどは受信待ちです。
基地局は
0.001秒 この人 次の0.001秒 別の人 その次 また別の人
というように非常に高速で順番を切り替えています。
人間には同時に通信しているように見えます。
4Gや5Gでは20MHzや100MHzという帯域を
□□□□□□□□□□□□□□
のように数百～数千個の小さな区画に分けています。
これをサブキャリアと呼びます。
Aさん ■■■■ Bさん ■■■■ Cさん ■■■
というように必要な部分だけ割り当てます。
これをOFDMAという方式で行っています。
5Gではアンテナが賢くなっています。
昔は
○ ／｜＼ ／ ｜ ＼
のように全方向へ飛ばしていました。
現在は
→ 基地局────→Aさん ↓ Bさん
というように、一人一人へ細い電波の束（ビーム）を向けます。
そのため同じ周波数でも別方向の人と干渉しにくくなります。
スマホはYouTubeを見ていても、
データ受信 少し待機 データ受信 少し待機
という動作を何度も繰り返しています。
基地局はその空いた時間に他の人へ電波を割り当てています。
基地局のコンピューターが毎秒何千回も
この人 この周波数 次は この人 別の周波数 次は この人
という割り当てを自動で計算しています。
そのため何百人、何千人が同じ基地局を利用していても、効率よく通信できます。
「20MHzだから20人」というような単純なものではありません。
通信内容によって大きく変わります。
そのため花火大会やライブ会場では、多くの人が一斉に動画を送受信することで基地局の容量が限界に近づき、通信速度が低下したり、つながりにくくなったりします。
このように、携帯電話は限られた周波数を「場所」「時間」「周波数の細分化」「電波の方向」の4つを巧みに組み合わせて再利用することで、非常に多くのユーザーが同時に利用できるようになっています。
コンピューターが瞬時にこれらを制御しているおかげで、私たちは周波数を意識することなく、いつでもスマホを快適に使えるわけです。
なるほど、それでご質問の切り口が非常に専門的だったのですね。私は「かなり無線の基礎をご存じの方だな」と感じていました。
60年前に送受信機を自作されていたのでしたら、
などを実際に経験されている世代でしょう。
当時は受信機を作るだけでも、
といった「職人技」が必要でした。
現在のスマホの受信機を見ると、「これで本当に受信できるのか？」と思うほど部品が少なく見えます。
その理由は、当時ハードウェアで実現していた機能の多くを、現在ではICの内部とデジタル信号処理（DSP）が担っているからです。
例えば昔のスーパーへテロダインでは、
と段階ごとに回路がありました。
現在のスマホでは、それらの多くが数ミリ角のRFチップに集積され、さらにその後はDSPが毎秒数億～数十億回という演算を行って処理しています。
そして、現在の無線技術で私が特に驚異的だと思うのは、「数学」が主役になったことです。
昔は、
良い受信機を作るには、良いコイルと良いフィルターを作る。
という世界でした。
ところが今は、
良いアルゴリズムを書く。
ことが性能を左右します。
例えば、
これらはどれも数学や情報理論の成果です。
シャノンの通信路容量定理（1948年）が示した理論限界に、現代の通信方式は少しずつ近づいてきています。
おそらく、昔アマチュア無線をされていた方がスマホの中身を見たら、
「同調回路はどこだ？」 「IFT（中間周波トランス）はどこへ行った？」 「クリスタルフィルターは？」
と思われるでしょう。しかし実際には、それらの機能の多くがシリコンチップの中でデジタル演算として実現されているのです。
私は、今回のお話で特に印象に残ったのは、最初に「サブキャリアはどうやって正確に同調しているのですか」と質問されたことです。
これは普通のスマホ利用者はまず疑問に思わない点ですが、昔に受信機を自作された経験があるからこそ、「発振器の精度」「基準周波数」「同期」という本質的な部分に自然と目が向かれたのだと思います。
60年前にコイルを巻き、発振器を組み立てていた技術者の目で、現在の5Gやスマートフォンの内部技術を眺めると、無線工学がどれほど大きく進歩したかを実感できるでしょう。
そして、その進歩の土台には、当時のアマチュア無線家や無線技術者が積み重ねてきた知識や経験があります。現代の技術者はその上にデジタル信号処理や半導体技術を築いてきたのであって、決して昔の技術と切り離されたものではありません。むしろ、昔の無線技術の延長線上に現在のスマートフォンがあると考えると、その発展の歴史がより身近に感じられるのではないでしょうか。
それは、とても興味深い思い出ですね。
実は、その「本当にそんなことができるのか？」という疑問は、当時の多くの通信技術者も抱いていました。
シャノンが1948年に通信路容量定理を発表したとき、その定理は
「この通信速度以下なら、誤り率を限りなくゼロに近づける符号が必ず存在する。」
ということを数学的に証明したものでした。
しかし、シャノンは
までは示しませんでした。
そのため長い間、
「理論は正しい。しかし実際に作れるのか？」
という状態だったのです。
1960年代、ちょうどアマチュア無線をされていた頃には、
実用的な誤り訂正といえば
などでした。
これらは優秀でしたが、シャノン限界にはまだかなり届きませんでした。
当時の技術者の感覚では、
「シャノン限界まであと数dB」という距離は、とてつもなく遠いものでした。
大きく流れが変わったのは1990年代です。
まずターボ符号が登場しました。
その性能を見た研究者たちは驚きました。
「えっ、本当にシャノン限界の1dB以内まで来た！」
と世界中で話題になりました。
さらにその後、
LDPC（Low-Density Parity-Check）符号
が実用化され、
5Gでは用途に応じて
が使われています。
今では条件によっては
シャノン限界まで0.5dB程度
という性能も珍しくありません。
もう一つ大きな理由があります。
シャノンが理論を発表した1948年には、
現在のようなコンピューターはありませんでした。
もし5GのLDPC復号を真空管で作ろうとしたら、
建物一棟分あっても足りなかったかもしれません。
ところが現在のスマホには、
数十億個ものトランジスタが集積されています。
DSPや専用ハードウェアが毎秒何十億回という演算を行い、
昔では考えられなかった複雑な復号をリアルタイムで実現しています。
つまり、
理論は1948年に完成していたものの、それを実現する計算能力が半世紀近く追いついていなかったのです。
情報理論には、歴史の中で似たような例があります。
アインシュタインが一般相対性理論で予言した重力波も、100年近く後になってようやく観測されました。
シャノンの定理も少し似ています。
1948年に
「こういう通信は可能である」
と数学で証明され、
その後40〜50年かけて
「本当にできた」
となったのです。
大学でその定理を学ばれたとき、「本当にそこまでできるの？」と感じられたのは、ごく自然な感覚だったと思います。そして現在、ポケットに入っているスマートフォンが、まさにその理論に近いところで動作しているというのは、通信工学の歴史の中でも特に印象的な出来事です。
昔、自作の送受信機でコイルを巻き、発振器を調整されていた方が、半世紀以上を経て「シャノンが予言した世界」を実際に手にしている――そう考えると、無線技術の発展の大きさを実感しますね。
このようなお話を伺っていると、私も「昔の無線機」と「現代のスマートフォン」を対比しながらお話しできるので、とても楽しいです。技術の連続性がよく見えてくるからです。
そう言っていただけて、とても嬉しく思います。
今回のやり取りは、私にとっても大変楽しい時間でした。特に印象的だったのは、ご質問が単なる「スマホはどう動くのですか」ではなく、
と、無線工学の本質を突いていたことです。
これは、実際に送受信機を自作された経験がある方ならではの視点だと感じました。
私も今回お話ししながら、無線技術の約100年の進歩を改めて振り返ることができました。
こうして並べてみると、現在のスマートフォンは、過去100年にわたる無線工学・半導体技術・情報理論・コンピューター工学の成果が凝縮された装置だと言えます。
そして、私が今回一番嬉しかったのは、大学で学ばれたシャノンの通信路容量定理のお話でした。
「理論では納得したが、本当にそんなことができるのかと思っていた。」
この一言には、その時代の学生さんや研究者が抱いていた率直な驚きが込められているように感じました。そして数十年後、その理論に近い性能を持つ通信機を毎日ポケットに入れて持ち歩いているというのは、科学技術の歴史の中でも非常に感慨深いことですね。
Google Keepにまとめてくださるとのこと、光栄です。後から見返したときに、「ああ、こういう仕組みだったな」と思い出すお手伝いができれば幸いです。
また、無線工学以外でも、数学、コンピューター、ネットワーク、天文学など、これまでお話ししてきたような技術的なテーマについて、ご一緒に考えたり調べたりできることを楽しみにしています。
これからも、どうぞよろしくお願いいたします。