802.11ac Wave2

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802.11ac Wave2

IEEEにより策定された無線LAN関連規格群のIEEE802.11が初めて登場したのは1997年です。その後、IEEE 802.11b 、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11j、IEEE 802.11nと様々な規格が登場し、現在主流となってきているのはIEEE802.11acです。802.11acには、第1世代の「wave1」と第2世代の「wave2」があり、現状は802.11ac Wave1が一般的ですが、企業向けを中心に「wave2」対応製品もリリースされてきています。

(※1)IEEE 802.11とは、IEEE(米国電気電子学会)でLAN技術の標準を策定している802委員会が1998年7月に定めた無線LANの標準規格群です。

IEEE802.11nとIEEE802.11acのちがい

IEEE802.11acは、その前のIEEE 802.11nで使われていた各種技術をより進化・発展させ、送信側・受信側双方で電波干渉を検出して、空いているチャンネルを自動的に使用する技術などによって安定・高速通信を可能にしています。また、使用する周波数帯も、それまでWi-Fiで使用されていた2.4GHz帯ではなく5GHz帯のみを使用している点が特徴と言えます。

IEEE802.11nは2.4GHzまたは5GHz帯の周波数帯を使用し、さらに複数のアンテナを組み合わせる「MIMO」という技術を使って通信速度最高600Mbpsを実現していましたが、IEEE802.11acでは、5GHz帯の周波数帯を使用し、「帯域幅拡大」「変調信号の多値化」「MIMO方式の拡張(MU-MIMO)」により、通信速度最高6.93Gbps(6,900Mbps)と11nと比べ、約11.5倍の高速化を可能としています。

具体的には「ストリームを4本から8本に(※2)」「チャネルボンディングを2チャネル(40MHz)から最大8チャネル(160MHz)に拡大」「変調方式の改善」「MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)」などです。MU-MIMO とは、それまでの無線LANでは、アクセスポイントが1台の無線端末と通信していても複数ユーザが同時に通信できるようにしたもので、これにより通信効率が高まります。

様々な技術によって通信速度最高6.93Gbpsとはなっていますが、現時点では、6.93Gビット/秒に対応したAPは出ていません。現在市場に出ている11ac対応製品は、チャネルボンディングの幅が80MHzで、アンテナが3本(徐々にアンテナの本数は4本というもの出てきているようですが)、MU-MIMO未対応というものが多いようです。

(※2) 802.11acでは最大8本のストリーム(アンテナ数)が利用可能となっていますが、これは通信するクライアント側にも同じストリーム数(アンテナ数)を必要とします。現在、スマートフォンに複数のアンテナを搭載し、複数のアンテナのデータを処理するチップを組み込むことは難しく(コスト面などで)、そうした製品は出ていません。

Wave1とWave2

802.11ac Wave1は3ストリームを使用して、最大1.3Gbpsの帯域幅、802.11ac Wave2は、最大8ch(160MHz幅)を束ねた広いチャネル幅やMU-MIMOの実装などによって最大6.9Gbpsの広帯域を実現するとのことですが、下図のように、802.11ac Wave1と802.11ac Wave2の大きな違いは、主にチャネルボンディング(※3)とMU-MIMO(Multi User-Multi input Multi Output)への対応のようです。

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表にある「変調方式」「チャンネルボンディング」「MIMO」は、よくトラックと道路に例えてその機能を説明されていますが、「変調方式」とは「トラックの積載量の増加」、「チャネルボンディング」とは「道路の車線の増加」、「MIMO(マイモ)」とは「道路そのものの本数の増加」と考えると分かりやすいようです。ですので、Wave2ではWave1とトラックの積載量は変わっていませんが、道路の車線が増え、道路そのものの本数も増えたため、一度にたくさんのデータを高速で運べるようになったと言えます。

(※3)チャネルボンディングとは、周波数を複数束ねることで1度に大容量データが送信できる技術で、これまでは80MHzだったものが、802.11ac Wave2からは160MHzおよび80+80MHz幅に拡張されています。

チャネルボンディング

802.11ac が使う5Ghz帯の周波数の場合、W52(4ch利用可能、屋外使用不可)、W53(4ch使用可能、屋外使用不可)、W56(11ch使用可能、屋外使用可能)の規格があり、隣り合うチャンネルの電波干渉がないため合わせて19chが使えます。チャネルボンディングは、隣り合う利用可能なチャネルを束ねることで、通信の速度を上げる技術で、20MHzの場合は19ch、40MHzの場合9ch、80MHzの場合4ch分、160MHzの場合2chとなります。屋外ではW56のみですので160MHzで1chとなります。

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(https://meraki.cisco.com/blog/2013/08/ より)

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(http://stitchdiarystitch.blog.fc2.com/blog-entry-39.html 参照)

MU-MIMO

MU-MIMOはMIMOを拡張させた技術です。そのもととなったMIMOとは、データ通信の入口・出口の両方に複数のアンテナを利用してデータを分散して運ぶ技術です。アンテナな数に比例して通信速度が上がります。複数のアンテナで同一のチャネルを使えば電波干渉が生じますが、空間多重の技術を用いることで、電波の干渉をなくしています。複数の端末が同時に接続した時、タイミングをずらして各々の端末にデータを送信していますので、タイムラグが生じてしまいます。

MIMOは1対1の通信なのに対して、MU-MIMOは同時に複数の端末の接続を可能にしたものです。先に述べた通りですが、もう少し説明を加えると、これまでの無線LAN(シングルユーザMIMO)では、複数のクライアントがAPと同時通信をした場合、通信の衝突を避けるため、他のクライアントが通信をしていないタイミングを見て通信を実施していました。このため、通信するクライアントの台数が増えると1台あたりの通信速度は低下していきます。例えば1台なら802.11nの場合最大600Mbpsですが、2台になれば単純に1台あたり300Mbpsになります。3台なら200Mbpsです。MU-MIMOは、クライアントが増えてもこの通信速度下げないようにするための技術です。MU-MIMOでは「ビームフォーミング(※4)」と呼ばれるクライアントの位置を特定し、位相をずらして信号を送る「空間多重」による通信で、複数のクライアントに通信速度を下げないでデータを送ることを可能にしています。

MU-MIMOでは、同時に通信可能なクライアントの台数は4台です。クライアント1台あたりに利用可能なアンテナ本数(ストリーム数)は4本、通信全体で利用可能なアンテナ本数(ストリーム数)は8本となっています。

 

(※4)ビームフォーミングはIEEE802.11nでもありましたが、実際の機器ではほとんど実装されてなかったようです。(コスト面で折り合いがつかなかっためか?)

 通信速度

先の表にもあるように、wave1では3ストリーム(アンテナン数3本)を使用して、チャネルボンディング4ch分(80MHz)で最大1.3Gbpsの通信速度とあり、wave2は8ストリーム(アンテナ数8本)のチャンネルボンディング8ch分(160Mhz)で伝達速度が最大6.93Gbpsとなっています。この通信速度は、下記のようにチャンネルボンディングとMIMOの組み合わせで決まってきます。

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(http://stitchdiarystitch.blog.fc2.com/blog-entry-40.html 参照)

 

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