IEEE 802.11n/acの特徴と違い - dorapon2000’s diary

無線LAN規格である802.11n/acについて自分なりにまとめました。実際に手元のデバイスでもどう使われているのか調査してみます。一次文献は読んでません汗。

無線LAN規格について
帯域幅と変調方式とMIMO
nとac
- MIMO
- チャネルボンディング
- 変調方式
- ショートガードインターバル
MandatoryとOptional
手元の環境で実測
参考サイト

無線LAN規格について

802.11a/b/g/n/ac等はアルファベットのaから順番につけられています。acは1文字のアルファベットを使い切ったのでaaから使っています。とびとびなのは、策定されても使われなかったり、通信以外の規格が含まれているからです。

IEEE802.11	a	b	g
策定年	1999	1999	2003
周波数帯	5 GHz	2.4 GHz	2.4 GHz
帯域幅	22 MHz	20 MHz	20 MHz
一次変調	BPSK / QPSK / 16QAM / 64QAM	DBPSK / DQPSK / CCK	BPSK / QPSK / 16QAM / 64QAM
二次変調	OFDM	DSSS	OFDM
MIMO	なし	なし	なし

IEEE802.11	n	ac
策定年	2009	2013
周波数帯	2.4 GHz, 5 GHz	2.4 GHz
帯域幅	20 / 40 MHz	20 / 40 / 80 /160 MHz
一次変調	BPSK / QPSK / 16QAM / 64QAM	BPSK / QPSK / 16QAM / 64QAM / 128QAM / 256QAM
二次変調	OFDM	OFDM
MIMO	最大4ストリーム	最大8ストリーム

帯域幅と変調方式とMIMO

帯域幅は1回に送れる周波数の幅です。広いほど一度にたくさん送れますが、ノイズに弱くなります。

変調方式には一次変調と二次変調があります。一次変調で情報を乗せる1つの波(サブキャリア)の形を決めて、二次変調は複数の波を同時に送るために行います。1つの波に乗せる情報量が多いほど、同時に送る波が多いほどbit/secondが出ます。変調の話は下記のサイトでわかりやすく説明されています。

www.silex.jp

ここまでで1ストリームです。

MIMOはさらに複数ストリームを送れる技術です。gから1人だけですが同時に複数ストリームを送れる様になり、acでは複数ユーザでも送れるようになりました。それぞれのストリームで同じ周波数帯を使っていても頑張って分離します。

したがって、acにおける理論値の6.9Gbpsというのは、帯域幅を160MHzで最も情報を載せられる二次変調256QAMにしてMIMOで8ストリーム同時に送り出す、という欲張りセットにて実現します。

nとac

acはnに対して上位互換性を持っており、機能も基本的には同じです。acはnの改良と言えます。なので、nしかない環境でもデバイスがacに対応していれば接続可能です。

また、acにはWave1とWave2という世代があります。注意したいのは、acにはIEEEが認定した「IEEE 802.11ac」と、無線LANの業界団体Wi-Fi Allianceが認定した「Wi-Fi CERTIFIED ac」の異なる2つの規格があり、Wave1(2013年)やWave2(2015年)を定めているのは後者の規格ということです[5]。Wave1と2はそれぞれ、IEEE802.11acのdraft3と完全版に対応しています。おそらく、802.11acを段階的に普及させるために、Wi-Fi Allianceが2世代に分けたのだと思います。WiFiルータに実装する際は、Wave1やWave2が参照されます。

nとacで特徴的な機能としては以下のとおりです。

MIMO
チャネルボンディング
変調方式

MIMO

Multiple-Input Multiple-Outputの略で、同時に複数のストリームを送信し受信させます。nとacの最大の特徴です。

2ストリームを同時に通信する場合、送信側のアンテナ1つと受信側のアンテナ1つが通信し、送受信側それぞれにアンテナが2つあれば、2つの経路で同時に通信できるよねという理屈です。電波の干渉はどうするのという疑問は、空間分割多重化とビームフォーミングという技術で逆に活用していきます。空間多重化では、2つのアンテナ同士の通信経路が4つあることをうまく使い、オリジナルの2つのストリームを分離します。ビームフォーミングは、2つのアンテナから発せられる電波の位相のズレを利用して、電波に指向性をもたせる技術です。nでも仕様にありましたが使われず、acから使われ始め、MU-MIMO (Multi User MIMO)の要になっています。マルチユーザとある通り、acでは複数人が同時にMIMOで通信できます。nでは同時に一人しかMIMOできませんでした。

MIMOは簡単そうで難しい技術で、自分もふんわりとしか理解できてません。

チャネルボンディング

ボンディングは接着剤のボンドと語源が同じです。過去のbとgでは20MHzのチャンネルが複数ある感じでしたが、複数あるならくっつけて倍の速度を出そうという技術になります。そのままなので特に説明はいらないかと思います。そもそも複数チャンネルがなぜあるのかというのは、マンションのような狭い空間でいくつWiFiが飛んでも、異なるチャンネル(=周波数帯)で通信すれば干渉しないということです。

欠点として、使用できるチャンネルが半分以下になってしまいます。例えば、nの5GHz帯でいうと、本来は2MHzのチャンネルが19個あるので19人が干渉せず通信できますが、チャネルボンディングして1人40MHzで通信すると、9人しか通信できません。 acで最大の160MHzで通信すると2人しか通信できません。

変調方式

nでは64QAMが1つの波に情報を詰め込める最大の一次変調方式でした。acではその4倍詰め込める256QAMが仕様に盛り込まれています。QAM(Quadrature Amplitude Modulation)というのはPSK(Phase Shift Keying)とASK(Amplitude Shift Keying)の合体で、振幅と位相で信号を区別します。256QAMであれば、「届いた波の振幅がXで位相がYだから、(X, Y)の組み合わせ256通りのうち”01110110”を表すペアだな」となります。1つの波の細かな違いを識別するためには、SNRがある程度強くある必要があり、nとacではSNRによって使う変調方式が変わってきます。信号強度が十分なときにnでは64QAM、acでは256QAMが使われます。

ショートガードインターバル(SGI)

上3つと比べると地味ですが、後述するMCSで説明しやすくなるので紹介します。ガードインターバルというのはデータとデータを送る間のインターバルのことで、前後のデータ(電波)が干渉しないように800nsが設定されています。しかし、あとになって800nsは少し長いのではないかということで半分にした400nsが登場しました。送信間隔が短くなれば短時間に多くのデータを送れますが、干渉のリスクが高まります。

MandatoryとOptional

nでもacでも、ベンダーがWiFiルータを実装するに当たり、必ず実装しなくてはいけない機能(Mandatory)とそうでない機能(Optional)があります。

Mandatory	802.11n	Wave1	Wave2
帯域	20 MHz	20 / 40 / 80 MHz	20 / 40 / 80 MHz
変調方式	64QAMまで	64QAMまで	64QAMまで
ストリーム数	-	モバイル端末の場合1、そうでなければ2	モバイル端末の場合1、そうでなければ2
ガードインターバル	800 ns	800ns	800ns

Optional	802.11n	Wave1	Wave2
帯域	40 MHz	-	160 / 80+80 MHz
変調方式	-	-	256 QAM
ストリーム数	-	最高3ストリーム	最高4ストリーム
ガードインターバル	400 ns	400 ns	400 ns

ビームフォーミングやMU-MIMOもOptionalです[1]。Optionalが実装されるかはメーカー次第で、acの理論値6.9Gbpsを実現するためにはOptionalである、160MHzと256QAMと8ストリーム全てが実装されていなくてはいけません。160MHzは実装されているプロダクトも出てきているようですが[8]、8ストリームが実装されたWiFiルータはおそらく世に出ていません。4ストリームですら極稀です。

手元の環境で実測

手元のPCからnとacの両方のwifiにアクセスしてみます。MACからだとaltキーを押しながらWiFiマークをクリックすることで、WiFiの接続状況がわかります。

f:id:dorapon2000:20190523210419j:plain — nとの接続

MCSというのは設定の番号で、以下のサイトの図がとてもわかりやすいです。nの場合HT MCS Indexの行を、acの場合VHT MCS Indexの行を見ます。

引用元: MCS index charts | Wireless LAN Professionals

MCSが15ということは、2ストリームで64QAMが使われているということがわかります。SNRが高い(ノイズに対してRSSIが高い)ので1番いい設定になっていそうです。転送レートが130Mbpsということなので、ショートガードインターバルとチャネルボンディングは使われていません。なぜ使われなかったのかはこれだけだとわかりませんね。

次にacを見てみます。

f:id:dorapon2000:20190523220410j:plain — acとの接続

MCSが4と転送レートが78Mbpsということから、2ストリームの16QAM、SGIとチャネルボンディングは使われていない、ということがわかります。SNRが低いのであまりスピードが出る設定になっていませんね。

ちなみに、acのMCS4での理論値は78Mbpsですが、実効速度は14Mbpsでした。23時ごろに計測しましたが、そんな簡単には理論値はでなさそうです。

参考サイト

[16] Douglas E. Comer, "Computer Networks and Internets SIXTH EDITION", PEARSON Education Limited, p.207, 2015