Cisco Aironet 1140 シリーズ

Cisco ClientLink:802.11n によるデバイスのパフォーマンスの最適化

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Cisco ClientLink:802.11n によるデバイスのパフォーマンスの最適化


概要

この数年間で、Wi-Fi ネットワークは 802.11n テクノロジーに移行する予定です。この期間中、多くのネットワークで 802.11a/g クライアントと 802.11n クライアントが混在する環境をサポートする予定です。このようなネットワークはデータ レートが低いため、旧クライアントはネットワーク全体の容量を削減できます。ClientLink テクノロジーは、特にセル境界に近い場合に 802.11a/g クライアントが最適なレートで動作できるようにすることで、クライアントが混在するネットワークにおける 802.11n の導入に関連する問題を解決します。


イントロダクション

802.11n は、スループット、リンク信頼性、および予測性の分野でパフォーマンスを大幅に向上させます。802.11n への移行により大きな利点がもたらされますが、ほとんどの組織は移行に段階的に取り組むことになります。今後数年間にわたって、古い 802.11a/g クライアントと新しい 802.11n クライアントが混在する環境をサポートするために、多数のインストールの実行が予想されます。旧クライアントが引き続き使用されるのは、企業のノート型パソコンが完全に入れ替わるまで 3 〜 5 年かかるためです。製造、小売、医療などの特定の業界では、デバイスの交換にさらに時間がかかる可能性があります。

混在環境では、古い 802.11a/g クライアントにより 802.11n クライアント向けの通信が遅延し、システム パフォーマンスが低下します。これらの 802.11a/g デバイスへの投資保護を行う必要性を認識して、シスコは 802.11n のパフォーマンス上の利点を 802.11a/g デバイスでも実現し、耐用年数を延長するための新しいテクノロジーを開発してきました。

ほとんどの 802.11n ソリューションにより、クライアントからアクセス ポイントへのアップリンク通信が向上します。Cisco ClientLink テクノロジーは、アップリンク通信の向上だけでなく、アクセス ポイントからクライアントへのダウンリンク通信も向上するという点において独特です。この特長は、Web ブラウジング、E メール、ファイルのダウンロードなど、WLAN での日常の通信の大半がダウンリンク方向で行われるため、非常に重要です。最も遅いクライアントのダウンリンク スループットを向上させることで、クライアントだけでなくネットワーク上の他のすべてのクライアントの環境が改善されます。その結果、ローミング環境の信頼性が向上し、ネットワークのキャパシティが増加します。

シスコでは、Wi-Fi チップセットに高度な信号処理を追加しました。802.11a/g クライアント方向の送信に集中するために複数の送信アンテナを使用することで、ダウンリンクの信号対雑音比と範囲内のデータ レートが向上します。これにより、カバレッジ ホールが軽減され、システム全体のパフォーマンスが向上します。基本的に、このテクノロジーはクライアントから受信した信号を統合する最適な方法を習得し、その情報を使用して最適な方法でパケットをクライアントに送り返します。この方法は MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)ビーム形成、送信ビーム形成、または共通位相と呼ばれ、高価なアンテナ アレイを必要としない市場における唯一のエンタープライズ クラス ソリューションです。


MIMO と 802.11n の基礎

MIMO は、複数の異なる受信パスと送信パスを持つ無線システムで、802.11n の中核です。MIMO システムは、システム内のトランスミッタとレシーバーの数を使用して表されます。たとえば、2x1 は「ツーバイワン」、つまり 2 つのトランスミッタと 1 つのレシーバーを装備したシステムを表します。802.11n は、2x1 から 4x4 まで、さまざまな異なる組み合わせを定義します。

MIMO テクノロジーがもたらす進歩を理解するには、無線動作の基本原理のいくつかを理解する必要があります。無線システムでは、信号によって伝送できる情報の量は、Signal-to-Noise Ratio(SNR; 信号対雑音比)によって異なります。通常、SNR はデシベル(dB)で表されます。SNR が高いほど、より多くの情報が信号によって伝送され、レシーバーで回復されます。

一般的な屋内 WLAN 展開(オフィス、病院、または倉庫)では、無線信号はトランスミッタからレシーバーに直接、最短パスで送信されることはめったにありません。これは、壁、ドアなどの建造物がライン オブ サイトを遮るためです。このような環境のほとんどは、鏡が光を反射するのと同じように、無線信号を反射する面が多数存在しています。信号が異なるパスを通ってレシーバーに送信される場合、最短パスを通る信号が最初に到着し、続いて信号のコピー(エコー)がより長いパスから若干遅れて到着します。このような状況は、マルチパス伝播と呼ばれます(図 1 を参照)。マルチパスの状態は、クライアント、ユーザ、およびオブジェクトがアクセス ポイントのネットワーク全体を移動するのに合わせて常に変化します。

図 1 マルチパス伝播

図 1 マルチパス伝播

802.11n システムは、複数の無線信号を同時に送信して、マルチパスを利用します。この信号はそれぞれ空間ストリームと呼ばれ、固有のトランスミッタを使用して独自のアンテナから送信されます。これらのアンテナの間には間隔があるため、各信号は若干異なるパスをたどってレシーバーに送信されます。これを空間ダイバーシティと呼びます。レシーバーにも、独自の無線を使用する複数のアンテナがあります。各アンテナは受信した信号を独自にデコードします。また、各信号は他のレシーバーの無線からの信号と結合されます。その結果、複数のデータ ストリームが同時に受信されます。これにより以前の 802.11a/g システムよりもスループットが大幅に向上しますが、信号を解読するために 802.11n 対応のクライアントが必要です。

802.11n は、2x1、3x1、4x1 の各構成で 1 つのレシーバー クライアントのパフォーマンスも向上させます。各構成では、802.11n は MIMO テクノロジーを使用してレシーバーの SNR を向上させる方法を指定します。明示的な送信ビーム形成方法を使用することで、各アンテナから送信された信号を調整してレシーバーの信号を向上させることができます。ただし、802.11n 標準で指定された明示的な送信ビーム形成では、レシーバーは受信した信号に関する情報をトランスミッタにフィードバックする必要があります。このフィードバック情報は、802.11n デバイスからのみ使用でき、802.11a/g デバイスからは使用できません。したがって、802.11n ビーム形成は 802.11n クライアント デバイスでのみ機能します。


ClientLink テクノロジー

ClientLink は、シスコのビーム形成テクノロジー分野における技術革新であり、高度な信号処理手法を使用して、ダウンリンク方向でクライアントが受信した信号を最適化します。フィードバックは不要です。このため、Cisco ClientLink は既存の 802.11a/g クライアントで機能します。

この機能を理解するために、3x1 MIMO システムを考えてみましょう。このシステムでは、1 つのトランシーバを装備した 802.11a/g クライアントが、3 つのトランシーバを装備した 802.11n アクセス ポイントにアップリンク パケットを送信します。アクセス ポイントは 3 つの受信アンテナそれぞれで信号を受信します。受信した各信号は、アンテナとクライアントの間隔の特性に基づいて、位相と振幅が異なります。アクセス ポイントは、最適な信号を形成するために位相と振幅を調整して、受信した 3 つの信号を処理して 1 つの強化された信号を作成します。使用されるアルゴリズムは Maximal Ratio Combining(MRC)と呼ばれ、通常はすべての 802.11n アクセス ポイントで使用されます(図 2 を参照)。MRC はアップリンク方向でのみ有用であり、アクセス ポイントがクライアントをより適切に「ヒアリング」できるようにします。

図 2 MRC アルゴリズムによる受信した信号の強化

図 2 MRC アルゴリズムによる受信した信号の強化
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Cisco ClientLink テクノロジーはこれをさらに発展させ、ダウンリンク方向のパフォーマンスを向上させ、クライアントがアクセス ポイントをより適切にヒアリングできるようにします。Wi-Fi チャネルは相互的です。つまり、アクセス ポイントとクライアントの間の伝送は同じ周波数で行われ、同じアンテナを使用します。したがって、アクセス ポイントは MRC で計算された調整結果(「加重」と呼ばれます)を使用して、特定のクライアントに返される相互信号を最適化できます。

ClientLink テクノロジーをサポートする Cisco Wi-Fi チップセットの拡張機能には、次の 4 つのタスクを実行するハードウェア ブロックが含まれます。

  • MRC アルゴリズムに基づいて、受信した各パケットの加重を計算
  • 各クライアントの加重を保存
  • 送信前に該当するクライアントの加重を参照
  • 送信された信号に加重を適用し、仮想無線ビームを形成

これらの拡張機能はハードウェアで行われるため、アクセス ポイントのプラットフォームへの追加オーバーヘッドは最小限で済みます。したがって、信号処理によるパフォーマンスの損失はありません。

ClientLink アルゴリズムは、1 つのアンテナを使用して、強化された最適な信号をクライアントに送信します(図 3)。このテクノロジーはクライアント側のハードウェアまたはソフトウェアの機能に依存しないため、既存のすべての 802.11a/g クライアントで機能します。

図 3 クライアント(X)の信号を最大化するための送信された位相の配置

図 3 クライアント(X)の信号を最大化するための送信された位相の配置
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Cisco ClientLink テクノロジーにより、アクセス ポイントは、クライアントが配置されている正確な位置で SNR を最適化できます。SNR の向上により、再試行回数の削減、データ レートの向上など、さまざまな利点がもたらされます。たとえば、以前は 12 Mbps でパケットを受信していたセルのエッジのクライアントは、現在は 36 Mbps で受信できます。ClientLink を使用した場合のダウンリンク パフォーマンスの一般的な測定値は、802.11a/g クライアントではスループットが 25% 向上します。Wi-Fi システムがより高いデータ レートで動作できるようにし、再試行回数を少なくすることで、ClientLink はシステム全体のキャパシティを拡張します。つまり、スペクトル リソースをより効率的に利用できます。

無線ネットワークでは、通常はセルのエッジ付近に多数のカバレッジ ホールが存在します。セルのエッジ付近は、信号強度が低いため Wi-Fi パフォーマンスが十分に発揮されません。クライアントは、セル間をローミングするときにこのようなカバレッジ ホールを検出します。カバレッジ ホールの数を削減し、深さを軽減することで、Cisco ClientLink はフロアスペース全体で信頼性と予測性を向上させ、同種のカバレッジを保証します。図 4 および 5 のパフォーマンス マップは、クライアント側の最大受信データ レートが ClientLink テクノロジーの使用によりどの程度向上するかを示しています。この特定の例では、信号は 5 dB 向上し、データ レートは 24 Mbps から 36 Mbps に増えます。

図 4 ClientLink を使用しない場合の最初のカバレッジ マップ

図 4 ClientLink を使用しない場合の最初のカバレッジ マップ
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図 5 ClientLink を使用した場合の改善されたカバレッジ マップ

図 5 ClientLink を使用した場合の改善されたカバレッジ マップ
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ビーム ステアリング

シングル無線クライアントのダウンリンク パフォーマンスを向上させるために使用されているもう一つの方法は、アレイ アンテナを使用して、エネルギーをクライアントの方向に集中させることです。このテクノロジーは、ビーム ステアリングまたは静的ビーム形成と呼ばれます。

例として、あるアクセス ポイントには 8 アンテナのアレイがあり、各アンテナ エレメントは円形に配置されています(図 6)。各アンテナは個別にオンにできます。その後、アクセス ポイントは 255 パターンのアンテナ アクティベーションから選択し、さまざまなビーム プロファイルを実行できます。ビーム ステアリングでは アクセス ポイントに MIMO は必要ありませんが、MIMO に対応するように拡張することもできます。

図 6 8 エレメントのアンテナ アレイの例

図 6 8 エレメントのアンテナ アレイの例

特定のクライアントと通信する場合、アクセス ポイントは、その方向で最大のエネルギーを送受信するアンテナ パターンが見つかるまで、さまざまなパターンを試します。この方法が適切に機能するのは、クライアントの数が少なく、固定される傾向にあるシステムの場合です。使用例としては、家庭でのビデオ配信があります。このような場合、ゲートウェイ アクセス ポイントはセットトップ ボックス内のレシーバーにビデオを送信します。ただし、ビーム ステアリング方式は、一般的な企業の Wi-Fi シナリオに適用した場合はさまざまな欠点があります。


ClientLink テクノロジーとビーム ステアリングの比較

Cisco ClientLink テクノロジーは、ビーム ステアリングに比べていくつかの利点があります。

  • ハードウェア レベルでは、ClientLink は 802.11n チップセット内に実装された信号処理アルゴリズムです。最新のチップセットのシリコン ゲートが高密度の場合、802.11n チップセットにゲートを追加するための追加コストはごくわずかであり、最新の信号処理アルゴリズムを安全に実装できます。一方、マルチエレメント ビーム ステアリング アンテナは、アンテナとスイッチに相当のハードウェア コストがかかります。
  • ビーム ステアリング ソリューションは、アンテナ アレイのスイッチにより信号損失の影響を受けます。一方、Cisco ClientLink はアンテナ スイッチを必要としないため、シスコの既存の全アンテナ製品で機能します。
  • ビーム ステアリングは、時間のかかるスキャン アルゴリズムを使用して、クライアントで使用する最適なアンテナ パターンを検索します。これは、クライアントが移動している場合には次善の方法です。一方、ClientLink は(パケットごとに)高速で機能するため、移動中のクライアントをより多く処理できます。シスコのテストでは、クライアントが普通の速度で歩いている場合、ClientLink は優れたパフォーマンスを発揮します。
  • ビーム ステアリングはダウンリンク方向では有用ですが、複数のクライアントが存在する場合、アップリンク方向では同等のゲインは提供されません。複数のクライアントにサービスを提供しているアクセス ポイントは、次のパケットを送信するクライアントが分からないため、次のパケットの前に適切なアンテナ パターンを設定できません。ClientLink ソリューションは、パケット単位で動作する受信側で MRC を使用するため、このような問題は発生しません。
  • ビーム ステアリングはクライアントの一般的な方向にエネルギーを向けることができますが、マルチパス環境で常に十分に機能するわけではありません。マルチパス環境では、クライアント側で最適な信号を実行するには、信号を多方向に送信する必要があるためです。ClientLink は、多数のマルチパスがある場合でも、クライアント側で最適な信号を生成できます。

展開のガイドライン

Cisco ClientLink テクノロジーを使用してシステムを展開する際に考慮する必要があるいくつかのガイドラインを次に示します。

  • ClientLink はセルのエッジにあるクライアントの SNR とデータ レートを向上させますが、セルの最大範囲は拡張しません。これは、すべてのクライアント(ビーコンなど)がヒアリングする必要がある特定のパケットが、ClientLink が最適化できないブロードキャストとして送信されるためです。このようなブロードキャスト パケットは、実質的にセル サイズの制限要因となります。したがって、ClientLink を使用する場合はセル間隔を増やさないでください。実際には、慎重方法として、サイト サーベイ中に ClientLink 機能をオフにできます。
  • セルの絶対サイズが増えていないため、非表示ノードの数が増えても ClientLink には問題は発生しません。パケットが ClientLink 経由で特定のクライアントに送信される場合、そのクライアントの信号は改善されますが、他のすべてのクライアントがヒアリングする信号は通常は劣化しません。
  • ClientLink を使用しても、アクセス ポイントの出力電力は変化しません。通常は、FCC 制限または隣接するセルの共同チャネルによる干渉のために、出力電力を増やすことは推奨しません。クライアント側で SNR が向上するために出力電力を減らすことが可能に思われますが、これはブロードキャスト パケットの範囲を狭めることになります。ブロードキャスト パケットではゲインは発生しません。
  • ClientLink は、屋内のマルチパス環境でゲインを提供する以外に、屋外や屋内の広いオープン スペースなど、ライン オブ サイト環境のクライアント側で SNR を向上させます。

まとめ

今後数年間で、Wi-Fi ネットワークでは 802.11a/g クライアントと 802.11n クライアントが混在する環境をサポートすることが一般的になるでしょう。Cisco ClientLink テクノロジーは、特にセル境界に近い場合に古い 802.11a/g クライアントが最適なレートで動作できるようにすることで、クライアントが混在するネットワークにおける問題を解決します。アップリンクのパフォーマンスのみが向上するほとんどの 802.11n アクセス ポイントとは異なり、Cisco ClientLink テクノロジーはアップリンクとダウンリンクの両方のパフォーマンスを向上させ、Web ブラウジング、E メール、およびファイルのダウンロード時に優れたユーザ エクスペリエンスを実現します。同様に、リンクの堅牢性を向上させることで、ハンドヘルド アプライアンスの音声や SAP データベースなど、接続指向アプリケーションに利点をもたらします。ビーム ステアリングとは異なり、ClientLink は複数のクライアントとモバイル クライアントが存在する環境で適切に機能します。このような環境は、企業のシナリオでは一般的なものです。さらに、ClientLink テクノロジーは、アクセス ポイント チップセットの信号処理拡張機能に基づいており、ネットワーク パラメータを変更する必要がありません。Cisco M-Drive ソリューションと Cisco ClientLink テクノロジーは、802.11n の導入に関連する主要な課題の 1 つを解決するのに役立ちます。ClientLink テクノロジーは、既存の 802.11a/g デバイスの耐用年数を延長します。また、ネットワーク上のすべてのタイプのクライアントが、必要とする帯域幅とスループットを確保するのに役立ちます。