【図解】初心者にも分かる無線LANの基礎と仕組み~OFDMとMIMOの原理,規格の種類や速度,歴史~

無線LAN (Wi-Fi) の規格と速度理論値

無線 LAN の最新規格 IEEE802.11ax (Wi-Fi 6) までの規格の速度を以下の表にまとめます。

IEEE規格周波数帯チャネル
ボンデ
ィング
1stream
の理論速度
MIMO
(stream数)
最大理論速度
(最大stream
数利用時)
通称策定年
802.112.4GHz-2Mbps-2MbpsWifi-11997
802.11b2.4GHz-11Mbps-11MbpsWifi-21999
802.11a5GHz-54Mbps-54Mbps
802.11g2.4/5GHz-54Mbps-54MbpsWifi-32003
802.11n2.4/5GHz-72.2Mbps最大4x4289MbpsWifi-42009
2ch (40MHz)150Mbps600Mbps
802.11ac5GHz-86.7Mbps最大8x8694MbpsWifi-52016
2ch (40MHz)200Mbps1.6Gbps
4ch (80MHz)433Mbps3.5Gbps
8ch (160MHz)867Mbps6.9Gbps
802.11ax2.4/5GHz-143Mbps最大8x81.1GbpsWifi-62020
2ch (40MHz)287Mbps2.3Gbps
4ch (80MHz)600Mbps4.8Gbps
8ch (160MHz)1.2Gbps9.6Gbps

※現在 IEEE802.11 および IEEE802.11b は現場ではほぼ使われていません(無効化設定をすることが推奨です)。

無線LANの原理と仕組み(IEEE802.11g までの基礎)

チャネルとは

無線LAN (Wi-Fi) は電磁波を使った通信です。電磁波は周波数帯によって可視光線 (400 THz ~ 800 THz) だったり紫外線 (1 PHz) だったり赤外線 (100 THz) だったりします。3 THz 以下の電磁波を特に『電波』と呼びます。

だいたい 1~2 GHzを境に、これより小さい周波数帯は長距離向け、これより大きいと短距離向けです。

無線LANでは 2.4 GHz 帯と 5 GHz 帯を使って相手と通信します。具体的には、これらの周波数帯の中からさらに 20 MHz の幅をもつ『チャネル (ch)』を使って通信します。

チャネルはその歴史的背景から、1ch あたり 5 MHz の幅を持ちますが、無線 LAN で使う幅は基本 20 MHz です。そのため、近くのチャネルとは周波数帯が重なります。

例えばある無線 AP が 1ch を使っていて隣の無線 AP も同じ 1ch もしくは 2ch 等の近いチャネルを使っている場合、隣の無線通信はノイズとなります。

このように近くで周波数帯が重なるチャネルを使っている場合は通信に支障をきたします。このことを『干渉』と言います。

なので基本的には隣の無線 AP と干渉が起きないようにチャネルの設定を行います。

2.4 GHz 帯は『802.11b が 22 MHz の幅を使っていたこと』の名残で余裕を持った設計として 1ch/6ch/11ch の3つのチャネルを使うことが多いです。

ただし、現状では IEEE802.11b は無効化が推奨 (11b 接続の PC がいるだけで他の PC もそれに引き摺られて遅くなるため) であり、IEEE802.11g では 20 MHz の幅を使うため、(特に密集して 2.4 GHz 帯を使いたいという要望があるときは)1ch/5ch/9ch/13ch という 4 つのチャネルを使うことはよくあります。

一方、5 GHz 帯は 4ch 間隔で使うように決められています。

このことからも分かる通り、5 GHz 帯のほうが使えるチャネルが多いため、密集して無線 LAN を使いたい場合は 5 GHz を積極的に使うようにするべきです。

OFDM の仕組み

現在の無線は OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) という技術が使われており、この方式では 1 チャネルの 20 MHz 幅の中にさらに小さい帯域で区切った複数の小さい波『サブキャリア』を作り、それらが bit 情報を伝達します。

IEEE802.11a/g/n/ac では 1チャネル (20 MHz) の中に 312.5 KHz のサブキャリアを 63 個作ります。

サブキャリアの理想的な波形は sin (サイン) 波が永遠に続くことです。この理想的な電波の周波数特性を見ると、特定の周波数のみの強度が存在し、他の周波数成分が 0 となります。しかし現実世界で永遠に続く電波など存在しません。

周波数 f0 の sin 波を時間 T の区間で抽出した場合の周波数特性は、f0 を中心に 1/T の周期でピークを繰り返す形状になります。つまり、他の周波数の成分を持ち、これが干渉してしまいます。

これを避けるため、FDM (Frequency Division Multiplex) では周波数の間を十分に空けてサブキャリアを配置しますが、周波数帯あたりの情報伝達量が少なくなり、効率的ではありません。

一方 OFDM では、隣のサブキャリアのピークが、自身の周波数成分が 0 になる箇所で重なるように時間 ΔT とサブキャリア間隔を設定しています。

これにより、工学的に効率的な周波数成分の分離ができるようになるのです。

例えば IEEE802.11a/g では ΔT=3.2 [μs], サブキャリア間隔 Δf = 1/ΔT = 312.5 [KHz] です。

これに加え、精度向上のためにいくつかの工夫が施されています。

例えば、IEEE802.11a/g の場合、サブキャリア 63 個のうち外側の 10 個(高いほう 5 個と低いほう 5 個)および真ん中の 1 個のサブキャリアは、主にチャネル間の干渉を緩和するために未使用(ゼロサブキャリア)として定義されています。

また、残る 52 個のうち 4 個は、OFDM のマルチパスフェージングの影響を緩和するための調整用(Calibration 用)として既知のパターンを送信する『パイロットサブキャリア』として使われます。

つまり、実際にデータを運ぶサブキャリアは 48 個です。

マルチパスフェージングとは

マルチパスフェージングとは、音波でいうところの『残響』です。壁などから跳ね返ってくる電波 (間接波) が本来受信したい波形 (直接波) の位相をずらしてしまう(ノイズの場合は波形を完全に崩してしまうが、そうではないのでノイズとは異なる)ので、それを補正するための伝送路特性を知るためにパイロットサブキャリアが使われたりします。

マルチパスフェージングの影響は、残響と同じように、空間が広ければ広いほど、また、距離が遠ければ遠いほど大きくなります。

シンボルとは

無線 LAN (Wi-Fi) では電磁波の「振幅がどれくらいか?」と「位相のずれがどれくらいか?」によって特定のビット列に変換されます。

そして短い時間間隔で振幅と位相のペアを切り替えていきます。切り替えるまでの間の波形を『シンボル』と呼び、切り替えの間隔時間を『シンボル間隔』と呼びます。

前述の通り、IEEE802.11a/g では ΔT = 3.2 [μs] の間隔で振幅と位相を切り替えていきますが、これまた前述の『マルチパスフェージング』の影響を緩和するため、GI (ガードインターバル) という時間 0.8 [μs] が設けられています。

つまりシンボル間隔が 4 [μs] であり、逆に言うと 1 つのサブキャリアは 1 秒あたりに 250 [K個] =250,000 [個] のシンボルを生成します。

また、1 シンボルあたりどのくらいのビット数を表現できるかは、規格の変調方式によって異なります。64-QAM という方式であれば 6 bit, 256-QAM という方式であれば 8 bit, 1024-QAM という方式であれば 10 bit です。

1 チャネルあたりの速度

例えば IEEE802.11a/g の場合、電波強度がよいときは 64-QAM を使います。つまり、ビットの転送速度は以下のようになります。

48 (サブキャリア数) * 250 K (1秒当たり1サブキャリア当たりのシンボル数) * 6 (1シンボル当たりの bit 数) = 72 Mbps

になります。ですが無線では誤り訂正用の冗長符号も使われ、a/g ではその転送レートは 3/4 であるため、実際のデータ転送速度は

72 Mbps * 3/4 = 54 Mbps

となります。

つまり速度向上の方法としては以下があります。

  1. データ用サブキャリア数を増やす
  2. シンボル間隔を狭める(単位時間あたりのシンボル数を増やす)
  3. 1シンボル当たりの bit 数を増やす(変調方式を効率的なものに変える)

IEEE 802.11n の登場

IEEE802.11n ではデータ転送速度の理論値が 600 Mbps となりました。802.11a/g では 54 Mbps だったので 11 倍以上です。

このデータ転送速度向上は主に以下の 4 つの要素によってもたらされました。

  1. 4つのゼロサブキャリアをデータ用サブキャリアに変更する
  2. チャネルボンディングによりサブキャリア数を増やす
  3. MIMO により同一周波数帯の信号を複数アンテナで同時に出入力する(サブキャリア数を増やす)
  4. ガードインターバルの短縮によりシンボル間隔を狭める

4つのゼロサブキャリアをデータ用サブキャリアに変更

ハードウェアの精度向上によりゼロサブキャリアを 4 つ減らし、その分をデータ用サブキャリアに回すことで、速度向上を実現しています。

つまり、データ用サブキャリア数は IEEE802.11a/g では 48 個でしたが IEEE802.11n では 52 個となりました。

チャネルボンディングとは

IEEE802.11n 以降では速度向上のために、『チャネルボンディング』と呼ばれるサブキャリア数を増やす手法が実装されました。

仕組みとしては単純で、1 チャネルの 20 MHz の場合は 52 個のサブキャリアを含めますが、2 チャネルの 40 MHz 幅を使って 108 個のサブキャリアを含めるようにしたのです。

チャネルボンディングでは隣り合うチャネルを連続して使うことができるため、分割損が無くなります。隣のチャネルの通信相手が異なる場合は干渉してしまいますが、チャネルボンディングでは両チャネルが同じ通信相手であるため、OFDM による効率化が図れるのです。

これによりデータ搬送用サブキャリア数は 2 倍より多くなり、速度は 2 倍以上(108/52 倍) になります。

MIMO とは

MIMO とは Multi-Input/Multi-Output のことで、『同一周波数帯の信号をアンテナの数だけ同時に送信する』技術です。 例えば無線 AP と PC が共に、MIMO 用のアンテナを 2 個搭載していれば転送速度は 2 倍になるし、アンテナが 3 個なら 3 倍、4 個なら 4 倍となります。

この MIMO はチャネルボンディングと同時に利用することが可能です。

MIMO は速度向上だけでなく、精度向上にも貢献します。これは音に例えると、『色々な人が発声する中で、1つの耳で特定の 1 人の声を聞き分けるより、2 つの耳で 2 人の声を聞き分けるほうが易しい』ことを表す『両耳効果』と似ています。

MIMO のモデル式は以下の通りです。少し乱暴に訳すと、1 つの送信信号が複数の受信アンテナでどのような特性で伝わるかを推定することで、元の送信信号がどのような波形であったかを知る手がかりがアンテナの数だけ存在するわけで、精度を高めることができるのです。

MIMO では伝送特性を示す行列 H の逆行列 I を推定します。推定には無線ヘッダ(プリアンブル)やパイロットサブキャリアが使われます。

ガードインターバルの短縮

IEEE802.11n ではその他の速度向上要素としてガードインターバルを従来の 0.8 μs から 0.4 μs に短縮することもできるようにしています。これはどちらでも選択できるという意味で、機器によってはどちらか一方だけだったり、設定で変更できるようになっています。

ただし、前述の通り、ガードインターバルはマルチパスフェージングの影響を緩和するためのものであり、短くすることでその影響が逆に速度を遅くする可能性があります。

無線 AP から距離が近い、さらに空間の狭い部屋などで使うと効果的です。

IEEE802.11n の最大理論速度

IEEE802.11n では変調方式は IEEE802.11a/g と同じく 64-QAM ですが、冗長符号の比率が 5/6 となっています。

チャネルボンディングを使わずガードインターバルも従来の 0.8 μs の場合、IEEE802.11n の最大理論速度は以下になります。

52 (サブキャリア数) * 250 K (1秒当たり1サブキャリア当たりのシンボル数) * 6 (1シンボル当たりの bit 数) * 5/6 (冗長符号比率) = 65 Mbps

ガードインターバルを 0.4 μs にした場合はシンボル間隔は 3.6 μs になり、1 秒当たりのシンボル数は 4/3.6=10/9 倍になるため、理論速度は

65 Mbps * 10/9 = 72.2 Mbps

になります。

一方、IEEE802.11n では 2ch のチャネルボンディングがサポートされています。チャネルボンディングを使わない場合はサブキャリア数は 52 個ですが、使った場合は 108 個 (境界の分割損がなくなるため倍以上) となるため、それぞれのパターンで 108/52 倍になります。つまり、

65 Mbps * 10/9 * 108/52 = 150 Mbps

となります。

また、MIMO によりアンテナの数だけ速度が乗算されます。アンテナ数は最大 4 つなので IEEE802.11n の最大理論速度は

150 Mbps * 4 = 600 Mbps

となります。

IEEE802.11ac の登場

IEEE では IEEE802.11n の次の規格の目標値を 1 Gbps 以上としました。当初は IEEE802.11vht (very high throughput) と呼ばれていましたが、具体的な方式を 2 つ策定し、そのうち 5GHz 帯で実現できる方式を IEEE802.11ac と定めました。

IEEE802.11ac は IEEE802.11n と比べて以下の2つの速度向上要素があります。

  1. シンボル方式として 256-QAM を採用し、シンボル当たりの bit 数が 6 bit から 8 bit に増加
  2. MIMO の最大数を4アンテナから 8 アンテナに増加
  3. チャネルボンディングの最大数を 2ch (40 MHz) から 8ch (160 MHz) に増加、これに伴いデータ用サブキャリア数が 108 個から 468 個に増加

つまり最大理論速度で言えば、IEEE802.11n の (4/3 * 2 * 468/108)=104/9 倍です。

600 Mbps * 104/9 = 6.93 Gbps

DL MU-MIMO

また、IEEE802.11ac の主な追加機能として DL MU-MIMO (Down Link Multi-User MIMO) があります。

従来の MIMO では、1 つの無線 APと 1 つの無線 PC が常に 1 対 1 で複数のアンテナを使いますが、DL MU-MIMO では 1 つの無線 AP から複数の無線 PC に同時に通信することができます。逆方向(複数の無線 PC から無線 AP に通信する)MU-MIMO を UL MU-MIMO (Up Link Multi-User MIMO) と呼びますがこちらは少々難易度が高く、次期規格 IEEE802.11ax で使えるようになる見込みです。

従来の MIMO 方式では 1 台の無線 AP は必ず 1 台としか通信できなかったため、無線接続する端末数が多くなると 1 台あたりの通信機会がおおよそ反比例し、速度低下を招くのが長らく課題でした。ですがこの方式によって同時通信ができるようになりました。

無線の同時接続数問題を解消する流れは、IEEE802.11ax でも引き継がれており、DL MU-MIMO に加え、3つの同時通信方式『UL MU-MIMO』や『DL OFDMA (Down Link Orthogonal Frequency Division Multiple Access)』、『UL OFDMA (Up Link Orthogonal Frequency Division Multiple Access)』の実装がされる予定です。