Cisco Aironet 3600 シリーズ

802.11ac:第 5 世代の Wi-Fi 規格 テクニカル ホワイト ペーパー

ホワイト ペーパー





802.11ac:第 5 世代の Wi-Fi 規格



目次


1.要約
2.802.11ac とは

    2.1802.11ac が生まれた背景
    2.2802.11ac の速度向上の理由
    2.3802.11ac の堅牢化
      2.3.1テクノロジーの概要
      2.3.2802.11ac と 802.11n の違い
      2.3.3標準ベースのビーム フォーミング
      2.3.4帯域幅が示された RTS/CTS
      2.3.5すべて A-MPDU
      2.3.6チャネル化と 80+80 MHz
      2.3.7レンジと速度
      2.3.8規制
      2.3.9MU-MIMO
      2.3.10802.11ac プロジェクト認可要請
3.802.11ac が実現される時期
4.802.11ac による影響
    4.1互換性
    4.2802.11ac にアップグレードする時期
    4.3無線リソース管理および WIPS の影響

5.まとめ
付録:802.11n とは


1. 要約

IEEE で策定中の新しい規格、802.11ac は、映画『ゴッド ファーザー PART II』に例えることができます。つまり、素晴らしいものをさらに改良した規格です。802.11ac は 802.11n のより高速でよりスケーラブルなバージョンです。802.11ac ではワイヤレスの自由さとギガビット イーサネットの能力が結合されています。

ワイヤレス LAN サイトは、アクセス ポイント(AP)のサポートするクライアント数、各クライアントのエクスペリエンス、およびより多くの同時ビデオ ストリーム数に対応できる利用可能な帯域幅における大幅な向上を享受できるようになります。ネットワークに負荷がかかっていない状態でも、遅延の少ないギガビット級の高速通信ができるため、ユーザはファイルのダウンロードやメールの同期を行う際にそのメリットを体感できます。また、より迅速にデバイスの Wi-Fi インターフェイスが起動し、AP とデータを交換してスリープに戻ることができるため、デバイスのバッテリ駆動時間が延長されます。

802.11 802.11ac は、次の 3 点を強化することでその理論速度を高めています。

  • チャネル ボンディングの拡張:802.11n では最大 40 MHz であったチャネル ボンディングが最大 80 MHz、さらには 160 MHz に増加(それぞれ 117 % または 333 % の速度向上)
  • より高密度の変調:802.11n で使用される 64QAM から 256QAM に増加(より短いながらも使用可能なレンジで 33 % の速度向上)
  • より進化した MIMO(Multiple input, Multiple output): 802.11n の 4 空間ストリームから、802.11ac では 8 空間ストリームに増加(100 % の速度向上)

802.11n 製品で 1 〜 3 空間ストリームしか使えなかった設計上および経済性の制約は 802.11ac でもほぼ変化していないため、類似した製品提供が見込まれており、802.11ac 製品の第 1 世代(Wave 1)は 80 MHz 付近で構築され、物理層で最大 433 Mbps(ロー エンド)、867 Mbps(ミッドレンジ)、または 1300 Mbps(ハイ エンド)を提供する製品となることが予想されています。第 2 世代(Wave 2)の製品はより多くのチャネル ボンディングと空間ストリームにより、最大 3.47 Gbps で動作する製品構成が期待されます。

802.11ac は 5 GHz 帯専用のテクノロジーであるため、デュアルバンド AP およびクライアントは引き続き 2.4 GHz 帯で 802.11n を使用しますが、802.11ac クライアントは利用率の低い 5 GHz 帯で稼働します。

第 2 世代の製品には、新しいテクノロジーであるマルチユーザ MIMO(MU-MIMO)も搭載されることになるでしょう。802.11n はイーサネット ハブのように一度に単一のフレームをそのすべてのポートに対して送信できるのみであるのに対し、MU-MIMO は AP が複数のフレームを同時に複数のクライアントに対して同一の周波数帯上で送信することを可能にします。つまり、複数のアンテナとスマート機能で、AP はワイヤレス スイッチのように動作することができます。技術的な制約があるため、MU-MIMO は、スマートフォンやタブレットなどのシングル アンテナの端末が多い BYOD(Bring Your Own Device)環境に特に適しています。

802.11ac 対応製品は、IEEE と Wi-Fi Alliance の連携による取り組みの集大成です。IEEE の 802.11ac は 2012 年 1 月に承認済みドラフト 2.0 版の修正を、そして 2012 年 5 月に改良されたドラフト 3.0 版がそれぞれ策定されており、2013 年末に最終承認される予定です。これと並行して、Wi-Fi Alliance は初期の IEEE ドラフト版、おそらくドラフト 3.0 版を 2013 年早期の Wave 1 製品の相互運用性認定のベースとして使用することが見込まれています。その後、802.11ac の承認日(つまり 2013 年 12 月以降)に合わせ、Wi-Fi Alliance はより高度な 802.11ac 機能のテストを含めて 802.11ac の認定を更新すると予想されています。この Wave 2 の認定には、最大 160 MHz までのチャネル ボンディング、4 空間ストリーム、MU-MIMO などの機能が含まれるでしょう。全体として、このようなスケジュールは 802.11n の展開と非常に類似しています。2014 年 2 月現在、Wave 2 認定の発表日は未定です。

会社のネットワークに Wi-Fi インフラストラクチャへの投資を検討している場合、次の 2 つの方法があります。どちらもよい選択肢です。(1)802.11n AP を購入する。802.11n は優れたレベルのパフォーマンスを提供でき、現時点で入手可能であり、クライアントの製品で広く導入されています。(2)802.11ac AP が公開されるまで待ち、最先端のパフォーマンスを利用する。待たずにすます、もう一つの選択肢があります。802.11ac に簡単にフィールド アップグレードが可能な、Cisco® Aironet® 3600 シリーズ アクセス ポイントなどのモジュラ 802.11n AP、または統合 802.11ac 無線をサポートする Cisco Aironet 3700 シリーズ アクセス ポイントを導入することです。

802.11ac では、既存の 802.11a/n の機器を即座に 802.11ac にアップグレードしない場合でも、既存の導入環境に次のような新たな影響が生じます。(1)近隣の AP のチャネル帯域幅が拡張するため、(特に動的チャネル割り当てアルゴリズムにおいて)無線リソース管理(RRM)に更新の必要が生じます。また、(2)802.11a や 11n のワイヤレス侵入防御システム(WIPS)は、(常に 802.11a 形式で送信される)ビーコンやプローブ要求または応答フレームなどのほとんどの管理フレームのデコードを継続できますが、新しい 802.11ac パケット形式で送信されるデータについては把握できません。

互換性に関する懸念は不要です。802.11ac は既存の 802.11a または 802.11n デバイスと効率的に共存できるように設計されており、強力なキャリア センス、802.11a/n デバイスに対して有効な 802.11a プリアンブルとして示される単一の新しいプリアンブル、そして近接するチャネルを使用しているユーザとの衝突を回避するための RTS/CTS(送信要求/受信準備完了)の拡張を特徴としています。

2. 802.11ac とは

第一に、802.11ac は 802.11n の進化形です。802.11n についての詳細は付録をご覧ください。802.11n によりもたらされるチャネル ボンディング、MIMO、集約についてすでにご存知の場合は、このまま次をお読みください。

2.1 802.11ac が生まれた背景

802.11ac は 802.11n を進化させた改良版です。802.11ac の目的の 1 つは、ギガビット イーサネット ネットワーキングにふさわしいより高レベルのパフォーマンスを提供することです。

  • ほぼ「瞬時」のデータ転送
  • 高い体感品質(QoE)を簡単に実現できる充分な太さのパイプ

消費者向けの使用では、家庭内のどこにでも高解像度(HD)コンテンツを提供できる複数のチャネルの構築が目標です。企業には別の課題があります。

  • エンタープライズクラスの速度/遅延のネットワークの実現
  • AP あたりのクライアント数が多い高密度環境
    • この状況は、従業員 1 人が 2 台、3 台の 802.11 端末を使用し、それらがネットワーク リソースを一度に消費するような、BYOD のトレンドによって一層深刻化
  • ビデオ ストリーミング採用の増加

802.11ac は、AP がサービスを提供する各クライアントに対して、高負荷下でも卓越したエクスペリエンスを提供するためのものです。

802.11 は非常に幅広いデバイスにおいて不可欠である一方で、それらの一部はコストや電力、量の面で大きく制限されています。これらのデバイスではアンテナ 1 本が一般的ですが、802.11ac はそれでも最大の効率を実現する必要があります。

802.11ac にとって有利なことの 1 つは、チップ技術が過去数年間で大きく進化したことです。チャネル帯域幅をより広く、コンステレーション(信号点配置)密度をより高くすることができ、AP により多くの機能を組み込むことが可能です。

図 1 802.11ac と 802.11n との性能の比較

図 1 802.11ac と 802.11n との性能の比較


2.2 802.11ac の速度向上の理由

ワイヤレス速度は、チャネル帯域幅、コンステレーション密度(サブキャリアあたりのデータビット)、空間ストリーム数の 3 つの要因によって決まります。802.11ac は、図 1 に示すように、これらの限界を引き上げます。

数字で知りたい場合、802.11ac の物理層速度は表 1 に基づいて計算できます。たとえば、80 MHz、256QAM、3 空間ストリーム、ショート ガード インターバルでの送信は、234 X 3 X 5/6 X 8 ビット/3.6 マイクロ秒 = 1300 Mbps となります。

表 1 802.11n および 802.11ac の速度計算

PHY 帯域幅(データ サブキャリア数) X 空間ストリーム数 X サブキャリアあたりのデータ ビット ÷ OFDM シンボル間隔 = PHY データ レート(bps)
802.11n または 802.11ac




802.11ac
のみ
56(20 MHz) 1 〜 4



5 〜 8
最大 5/6 X log2(64) = 5



最大 5/6 X log2(256)≈ 6.67
3.6 マイクロ秒(ショート ガード インターバル)
108(40 MHz) 4 マイクロ秒(ロング ガード インターバル)
234(80 MHz)  
2 X 234(160 MHz)  

チャネル帯域幅を 80 MHz に引き上げれば速度は 2.16 倍になり、160 MHz ではさらに 2 倍になることがすぐに分かります。当然ながら代価もあります。より多くの帯域を消費し、毎回 2 倍の数のサブキャリアで同じ伝送速度を分割することになるため、速度は 2 倍になりますが、その 2 倍になった速度の距離範囲は若干減少します(全体としての大きなメリットとの引き換えに)。

64QAM から 256QAM にすると、さらに 8/6 = 1.33 倍速くなります。相互が接近していることからコンステレーション ポイントはノイズの影響を受けやすく、256QAM が最も有用な距離範囲は短くなりますが、これは 64QAM でも対応できる範囲です。それでも、256QAM は 64QAM より多くの帯域やアンテナを必要としません。

そして速度は空間ストリーム数に正比例します。空間ストリーム数が増加すると、トランスミッタとレシーバでより多くのアンテナ、RF コネクタ、RF チェーンが必要となります。アンテナは 1/3 波長(1.9 cm(3/4 インチ))以上の間隔をあけて配置する必要があり、RF チェーンが増加すると消費電力量も増加します。このため多くの携帯端末ではアンテナ数は 1 〜 3 本に制限しています。

これら 3 つが総合的に大きな速度向上を可能にします。図 2 および表 2 から分かるように、802.11ac 製品の最低許容速度は対応する 802.11n 製品より 4.4 倍高速であり、ミッドレンジおよびハイエンドの Wave 1 製品は約 3 倍高速で、最大 1.3 Gbps PHY データ レートに達しています。実際のスループットは MAC 効率(70 % を超えることはあまりない)およびリンクの各端点のデバイス性能に依存します。

図 2 802.11 物理層改良に伴うシスコ AP の進化

図 2 802.11 物理層改良に伴うシスコ AP の進化


表 2 802.11a、802.11n、802.11ac の重要なデータ レート

製品グレード 帯域幅(MHz) 空間ストリーム数 コンステレーション サイズおよびレート ガード インターバル PHY データ レート(Mbps) スループット(Mbps)*
802.11a
すべて 20 1 64QAMr3/4 ロング 54 24
802.11n
修正最小 20 1 64QAMr5/6 ロング 65 46
ローエンド製品
(2.4 GHz のみ+)
20 1 64QAMr5/6 ショート 72 51
ミッドレンジ製品 40 2 64QAMr5/6 ショート 300 210
最大製品 40 3 64QAMr5/6 ショート 450 320
修正最大 40 4 64QAMr5/6 ショート 600 420
802.11ac 80 MHz
修正最小 80 1 64QAMr5/6 ロング 293 210
ローエンド製品 80 1 256QAMr5/6 ショート 433 300
ミッドレンジ製品 80 2 256QAMr5/6 ショート 867 610
ハイエンド製品 80 3 256QAMr5/6 ショート 1300 910
修正最大 80 8 256QAMr5/6 ショート 3470 2400
802.11ac 160 MHz
ローエンド製品 160 1 256QAMr5/6 ショート 867 610
ミッドレンジ製品 160 2 256QAMr5/6 ショート 1730 1200
ハイエンド製品 160 3 256QAMr5/6 ショート 2600 1800
超ハイエンド製品 160 4 256QAMr5/6 ショート 3470 2400
修正最大 160 8 256QAMr5/6 ショート 6930 4900
* MAC 効率 70 % と仮定、802.11a は集約機能がないため除外。
* 40 MHz は他の AP が存在するため利用不可と仮定。

2.3 802.11ac の堅牢化

箱のラベルに記載された最大データ レートは、デバイスが 20 MHz または 40 MHz のみを使用するような既存の AP などの非 802.11 デバイスからの干渉やマルチパス フェージング、携帯端末上の少ないアンテナ数、レンジ内の弱い信号などに対処しなければならない実際の環境では、あまり意味を持ちません。802.11ac の実測速度を価値あるものにしているのは、現実的な条件下で信頼性の高いスループットを実現する拡張性です。

2.3.1 テクノロジーの概要

802.11ac は、表 3 に示すように、5 GHz 帯でのみ運用される設計となっています。これにより Bluetooth ヘッドセットや電子レンジなどを含む 2.4 GHz の干渉を大幅に回避でき、5 GHz 帯をより汎用的に使用できるようにするためユーザが携帯端末(およびホットスポット AP)をデュアル バンドにアップグレードする強力な動機付けとなります。また、この選択は 802.11 と 802.15 の支持者間の意見対立を回避することで IEEE プロセスを効率化することにもつながります。また、いずれにしても 2.4 GHz では 80 MHz の帯域幅はほとんどの規制ドメインで確保できません。

すでに見てきたように、802.11 ではより高レベルの変調(最大 256QAM)、チャネル ボンディングの強化(最大 80 または 160 MHz)、そして空間ストリーム数の増加(最大 8)を実現しています。後述するように、160 MHz の信号を送信する別の方法として、「80+80」MHz と呼ばれる方法もあります(セクション 2.3.6 を参照)。

802.11ac は、ショート ガード インターバルのオプション(10 % の高速化に貢献)、および高度な低密度パリティ検査(LDPC)前方誤り訂正符号を使用したレンジ内での増分的な速度改善を含む、802.11n の有益な機能を継承しています。これら LDPC 符号は 802.11n の LDPC 符号の進化版として設計されているため、実装すると現行のハードウェア設計を容易に拡張することが可能です。

オプションとして多様な時空間ブロック符号(STBC)を使用できますが、(1)このリストは 802.11n によって定義された豊富な機能から絞り込まれますし、(2)STBC はビーム フォーミングによって大幅に冗長なものとなっています。802.11n はコア STBC モードとして 2X1 および 4X2、拡張モードとして 3X2 および 4X3 も定義していますが、拡張モードは複雑さの増加に対して得るものが少ないため、製品化されていません。実際に、Wi-Fi Alliance で認定されているのは最も基本的なモードである 2X1 のみです。これを踏まえ、802.11ac では 2X1、4X2、6X3、8X4 のコア STBC モードのみを定義していますが、やはり 2X1 のみが製品化されると見込まれています。4 本のアンテナを搭載した AP がある場合、ビーム フォーミングが使用でき、またそれを使用すべきであるのに、4X2 STBC で満足できるとは考えられません。

また、802.11ac はビーム フォーミングのためのチャネル サウンディングの単一の実行法として、ECFB(明示的圧縮フィードバック)を定義しています。オプションではありますが、実装において標準ベースのビーム フォーミングのメリットを提供したい場合は、その単一のメカニズムを選択するしかなく、それにより相互運用性のテストを行うことができます。

表 3 802.11ac の主な要素

項目 802.11ac ドラフト 3.0
Wave 1 の Wi-Fi Alliance 認定
802.11ac(承認済み修正のサブセット)
Wave 2 の Wi-Fi Alliance 認定可能性
802.11ac 完全修正規格
帯域 5 GHz(規制地域によってサポートが異なる。米国では 600 MHz 近く) 6 GHz 未満、2.4 GHz を除く
帯域幅 必須:20、40、80 MHz 必須:20、40、80 MHz オプション:160、80+80 MHz
変調 必須:BPSK、QPSK、16QAM、64QAM オプション:256QAM
空間ストリーム数 必須:2(非モバイル AP*)、1(その他)
オプション:最大 3 空間ストリーム
必須:2(非モバイル AP*)、1(その他)
オプション:最大 4 空間ストリーム
必須:1
オプション:2 〜 8
前方誤り訂正 必須:BCC オプション:LDPC
STBC オプション:2X1 AP 対クライアント オプション: 2X1、4X2、6X3、8X4
ショート ガード インターバル オプション
サウンディング(単一の相互運用可能プロトコル) オプション
帯域幅が示された RTS に対する応答の CTS 必須
帯域幅が示された RTS オプション
集約 必須:A-MPDU の送信および受信オプション:A-MSDU の受信 A-MPDU 必須:A-MPDU の送信および受信
オプション:A-MSDU の受信 A-MPDU
A-MDPU、A-MSDU の A-MDPU
MU-MIMO - オプション
* Wi-Fi Alliance により導入された追加要件です。

802.11ac のチャネル帯域幅のほうが広いため、80 MHz AP が別の 20 MHz または 40 MHz AP と、また同様に 80 MHz または 160 MHz AP と、さらにはそれらの複数と、すべて別々のチャネルで、オーバーラップする可能性がずっと高くなります。この複雑さの中で信頼性の高い運用を可能にするために、802.11ac は RTS/CTS メカニズムに対する拡張、より強い Clear Channel Assessment(CCA)要件、そして新しいプライマリ チャネル選択規則を必須化しています。セクション 2.3.4 を参照してください。

802.11ac では、マルチユーザ MIMO と呼ばれる重要な新しいテクノロジーも導入されています。これは実現が困難なため、802.11ac 製品の Wave 2 まで保留され、オプションとなることが予想されます。この詳細についてはセクション 2.3.9で後述します。

2.3.2 802.11ac と 802.11n の違い

802.11ac は 802.11n の論争を回避し、代わりに 802.11n の大きな進歩を拡張して、次世代の速度と堅牢性を実現することに重点を置いてきました。

たとえば、802.11n では A-MPDU、A-MSDU、および A-MSDU の A-MPDU(付録を参照)を使い分けることで集約方法を開拓してきました。802.11ac では実際に、各 802.11ac 伝送が A-MPDU の集約として送信されることを必須としています。これは、1 つには A-MPDU の本質的な効率性がその理由であり、また他にもいくつかの理由があります(セクション 2.3.5 を参照)。

さらに別の例として、802.11ac は 802.11n のチャネル アクセス メカニズムを拡張しています。仮想キャリア センスとバックオフは 1 つの 20 MHz プライマリ チャネルで発生し、送信直前に残りの 20 MHz サブチャネルで CCA が使用されます。

A-MPDU のパワーと 802.11n のチャネル アクセス メカニズムを受け継いだ 802.11ac は、実際のところ MAC における革新をあまり必要としませんでした。事実、MAC の機能として新しく必須になったのは、RTS/CTS メカニズムの拡張だけです。

802.11n には価値が低いながらも多くのオプションがあります。802.11ac はそれらに対して非常に実用主義のアプローチを取っています。「無用(useless)」のオプションが使用されており、サードパーティのデバイスに影響を与える場合、一般に 802.11ac は(802.11ac モードで稼働する)802.11ac デバイスがそのオプションを使用することを禁じます。「無用」のオプションが 802.11n 製品で使用されていない、またはそのオプションを有効にしたデバイスのみが影響を受ける場合、その機能は 802.11ac 向けにアップデートされず、ただ「置き去り(left to die)」にされます。

たとえば、「802.11n greenfield」プリアンブル フォーマットの 802.11ac 版はありません。802.11ac はプリアンブル フォーマットを 1 つだけ定義しており、レガシー 802.11a または 802.11n デバイスからは、支障なく、802.11a プリアンブルに不良 CRC を含むペイロードが後続しているように見えます。これは、レガシー デバイスが 802.11ac の伝送中に送信しようとしたり、不良なペイロードを重ねて送信しようとすることがないことを意味します。

802.11n は短縮されたフレーム間隔(RIFS)を導入しており、これは連続した送信間のオーバーヘッドを削減しますが、A-MDPU が同じ問題をより効率的に解決できることが経験上示されています。802.11ac モードで稼働する 802.11acデバイスは、RIFS の送信が許可されていません(ドラフト 3.0 時点で)。

802.11ac 向けに更新されていない(または 802.11ac モードで稼働する 802.11ac デバイスに対して明示的に禁止されている)802.11n の機能には、拡張 LTF、キャリブレーション手順、アンテナ選択、PCO、L-SIG TXOP 保護、不均一変調、4X3 および 3X2 STBC モード、MCS32、デュアル CTS 保護を含む、すべての 802.11n のサウンディング オプションが含まれます。これらの用語を知らなくても、今後知る必要が生じることはおそらくないため、問題ありません。

2.3.3 標準ベースのビーム フォーミング

あらゆるデバイス(複数のアンテナを搭載しているもの)は、いつでも他の任意のデバイスにビーム フォーミングすることができます。802.11ac では、レシーバからの補助によってビーム フォーミングを行うトランスミッタがビーム フォーミング処理を向上できます。これは「サウンディング」と呼ばれ、ビーム フォーマからレシーバに向けて正確にエネルギーを誘導することを可能にします。802.11ac は、1 台の 802.11ac デバイスが他の 802.11ac デバイスにサウンディングを行うための 1 つのプロトコルをオプションとして定義しています。選択されたプロトコルは、次のように、802.11n の明示的圧縮フィードバック プロトコルに従います。

デバイス(通常は AP)は、「Very High Throughput(VHT)Null Data Packet(NDP)Announcement」フレームを送信します。その唯一の目的は、AP と宛先となる受信者のアドレスを含むことです。VHT NDP Announcement フレームのすぐ後には、宛先向けの「VHT Null Data Packet」(VHT NDP)が続きます。意図された各受信者が VHT NDP のプリアンブルを使用して AP から自身への RF チャネルを測定し、チャネル情報を圧縮します。最初の意図された受信者がすぐに VHT Compressed Beamforming フレーム内の圧縮チャネル情報で応答し、その他の受信者は AP によってポーリングされると応答します。VHT NDP Announcement フレーム、VHT NDP、および VHT Compressed Beamforming フレームはすべて、802.11n の機能に類似しています。しかし、若干の違いがあるために、802.11ac のサウンディングは 802.11n デバイスとの下位互換性がありません。

また、この新しい MU-MIMO 機能(セクション 2.3.9 を参照)をサポートするため、チャネル フィードバックには追加の詳細情報が含まれることがあります。

ECFB(明示的圧縮フィードバック)は、トランスミッタおよびレシーバでのあらゆる不完全性を考慮に入れた、最も正確なチャネル予測を提供することが知られています。

しかし、ECFB はオーバーヘッドを大幅に増加させます。VHT NDP Announcement フレーム、VHT NDP 自体、そして圧縮フィードバックを含むフレームのためです。4 本のアンテナを搭載した AP では、圧縮フィードバックはクライアントのアンテナ数および圧縮のレベルによって 180 〜 1800 バイトとばらつきがあります。アンテナ 1 本を搭載した 80 MHz クライアント 1 台だけでも、サウンディングに約 250 マイクロ秒かかります。デバイスが 433 Mbps の速度で伝送できるとき、代わりにこの時間を使ってさらに 13,000 バイトを送信することができることを考えると、これはもったいないです。

このため、クライアントの支援に頼らずサウンディングの問題を解決できるテクノロジー(Cisco ClientLink テクノロジーなど)は、高い付加価値があります。それらは、(1)レガシー 802.11a/n クライアントも支援し、(2)802.11ac サウンディングをサポートしない 802.11ac クライアントを支援し、(3)2.4 GHz 帯のクライアントも支援し、(4)実際には不必要であるときに標準ベースの明示的サウンディングのオーバーヘッドを回避することができます。

2.3.4 帯域幅が示された RTS/CTS

80 MHz(または 160 MHz など)で稼働する 802.11ac AP は、802.11a または 802.11n クライアントのアソシエーションを受け入れる機能を持っている必要があります。このため、ビーコンはその 80 MHz 内のプライマリ チャネルと呼ばれる 1 つの 20 MHz チャネルで送信されます。AP およびその AP にアソシエートしたすべてのクライアントがこのプライマリ チャネルとオーバーラップするそれぞれの送信を受信して処理し、デコード可能なフレームから仮想キャリア センスを抽出します。

しかし、AP は近接するその他の協調性がとれていない AP である場合もあります。このような AP は既存の 802.11a または 802.11n AP である可能性があり、それらのプライマリ チャネルは 802.11ac AP の 80 MHz 内の任意の 20 MHz である可能性があります。そして、異なる AP およびそれらに関連付けられたクライアントは異なる仮想キャリア センスを有するため、異なる時間に(オーバーラップする時間を含めて)、異なるサブチャネル上で送信することができます。802.11ac のチャネル帯域幅は広いため、このシナリオは 802.11n の場合よりも起こりやすくなります。

図 3 帯域幅シグナリングで強化された RTS/CTS

図 3 帯域幅シグナリングで強化された RTS/CTS


このため、802.11ac は強化型の RTS/CTS プロトコルを定義しています。RTS/CTS を使用して、図 3 に示すように、発信側と受信側の両方の周辺で、チャネル帯域幅がクリアかどうか、またどの程度クリアであるかを判断できます。

まず、802.11ac デバイスが RTS を送信するとき、(1)この発信側デバイスが周囲の 80 MHz チャネルがクリアであることを検証する必要があり、(2)RTS は通常 802.11a PPDU フォーマットで送信されます。(3)20 MHz 幅の基本の 802.11a 送信がさらに 3 回複製されて 80 MHz を埋め尽くします(または 7 回複製されて 160 MHz を埋めます)。その後付近の各デバイスが、802.11a または 802.11n あるいは 802.11ac のどのデバイスであるかに関わらず、デバイスがプライマリ チャネル上で解読可能な RTS を受信します。そして RTS を受信した各デバイスがその仮想キャリア センスをビジーに設定します(図 3a を参照)。プロトコルを堅牢にするため、RTS の複製帯域幅は 802.11a PPDU 内で報告されます。1

 802.11a PPDU フォーマットには帯域幅の表示がないため、802.11ac では下位互換性を維持するために若干の操作を行う必要があります。帯域幅の表示はスクランブル シーケンスでエンコードされ、また RTS フレーム内のトランスミッタ MAC アドレスの I/G(個別/グループ)ビットが「individual(個別)」から「group(グループ)」に変更されます。この最後の変更はスニファ トレースで見ることができます。

次に、複製された RTS によって宛先とされたデバイスが CTS で応答する前に、受信側デバイスはそのプライマリ チャネル上で、または 80 MHz 内のその他の 20 MHz 上で、自身の付近で送信を行っているデバイスがないかをチェックします。付近で帯域幅の一部が使用中の場合、受信側は利用可能で「使用できる」20 MHz サブチャネル上でのみ CTS を返し、CTS の PPDU 内の複製された CTS の帯域幅も報告します。ここで「使用できる」サブチャネルとは、20、40、または 80 MHz(ただし160 MHz を除く)の送信など、発信側デバイスが何かを送信できるサブチャネルを指します。これを示しているのが図 3b です。

続いて、CTS が RTS と同じように、802.11a PPDU フォーマットで、利用可能かつ使用できる帯域幅にわたり 20 MHz のチャンクで複製されて送信されます。ここでも、付近の各デバイスが自身のプライマリ チャネル上で解読可能な CTS を受信します。

このプロトコルにはその他のバリエーションもあり、発信側がすぐにより狭い帯域幅に切り替えることができない場合などに使用します。前述の説明は、受信側が「このサブチャネルは使用中のため、使用しないように」と判断できるという、強化の本質を示しています。

2.3.5 すべて A-MPDU

802.11 は、各 802.11 PPDU 送信が A-MPDU であると定義していますが、A-MPDU は単一の MPDU のみを含む場合もあります。なぜでしょうか。簡単な答えとしては、これは複雑だから、ということになります。

きちんと回答すると、これには次の 3 つの理由があります。(1)802.11a または 802.11n では、送信時間は送信のオクテット数とデータ レートによって設定されます。しかし 6.93 Gbps の速度での最大 5.5 ms の長さを送信すると 400 万バイトを超え、このオクテット数を表すには 23 ビットを要します。これらのビットは各 802.11ac 送信の開始時に最低の MCS 速度で送信されると、実質的に毎回 4 マイクロ秒が追加されることになります。代わりに、802.11ac 送信の長さは OFDM シンボルあたりのデータ ビット数の倍数に制限され、OFDM シンボル数のみをシグナリングすればよいことになります。さらに、4 マイクロ秒長(と仮定される)OFDM シンボル数は、すでにプリアンブルのレガシー部分で暗黙的に示されているため、このシグナリングはほぼ「無料」で行われます。2 そして、最後の OFDM シンボルまでデータを完全に埋める方法が必要です。A-MDPU はこれを容易にします。A-MDPU 内の MDPU サブフレーム内で MDPU としてデータを送信し、null MDPU サブフレームで A-MDPU をパディングして最後の OFDM シンボルまで埋めます。(2)このパディングのメカニズムは新しい MU-MIMO 機能で役立ちます。(3)A-MDPU は一般的に長いペイロードに対して信頼性を高めるよい方法です。

2.3.6 チャネル化と 80+80 MHz

802.11ac はチャネル化に対してシンプルさに徹したアプローチを採用しています。図 4 に示すように、隣接する 20 MHz サブチャネルをペアにして 40 MHz チャネルに束ね、隣接する 40 MHz サブチャネルをペアにして 80 MHz チャネルに束ね、そして隣接する 80 MHz サブチャネルをペアにしてオプションの 160 MHz チャネルに束ねます。BSS(AP とクライアント)は目的に応じて異なる帯域幅を使用しますが、使用状況は原則的にクライアントの機能によって左右されます。

図 4 802.11ac のチャネル化(米国)

図 4 802.11ac のチャネル化(米国)


米国では、20 〜 25 の 20 MHz チャネル、8 〜 12 の 40 MHz チャネル、4 〜 6 の 80 MHz チャネル、そして 1 〜 2 の 160 MHz チャネルがあります。これらの数は、図 4 に示す異なる帯域に関連する規制が変化し続けているため、範囲で示されています。

導入されたほとんどのクライアントがまだ最大 40 MHz の 802.11n クライアントだとしたら、どうなるでしょうか。802.11ac AP を導入することで、チャネル数が減少し、干渉が増加することになるのでしょうか。IEEE 規格から予想されるように、答えは断固とした「No」です。2 台の 80 MHz 802.11ac AP が同一の 80 MHz チャネル帯域幅を選択することはまったく問題なく、1 台の AP は下の 40 MHz をそのプライマリ 20 MHz チャネルとし、もう 1 台の AP は上の 40 MHz をそのプライマリ 20 MHz チャネルとします。これは、1 台目の AP に関連付けられた 802.11n クライアントは通常通り 20 または 40 MHz の送信ができ、それと同時に 2 台目の AP に関連付けられた 802.11n クライアントが 20 または 40 MHz を並行して送信できることを意味しています。802.11ac で新たに可能となるのは、802.11ac クライアントが 80 MHz 全体を利用可能と判断した場合、超高速モードを使用して 80 MHz 全体にわたって送信できるということです。これを示しているのが図 5 です。

図 5 同一の 80 MHz 上で異なるプライマリ 20 MHz サブチャネルを使用する 2 つの BSS での並列送信の例

図 5 同一の 80 MHz 上で異なるプライマリ 20 MHz サブチャネルを使用する 2 つの BSS での並列送信の例


オーバーラップしているがプライマリ チャネルが異なる AP の能力は、次によって実現されています。

  • 802.11n で定義されるセカンダリ CCA しきい値より最大 13 dB 厳格化された、802.11ac によって必須とされている強化されたセカンダリ CCA しきい値
  • RTS/CTS 交換への帯域幅表示の追加(セクション 2.3.4 を参照)

時間の経過と共に、クライアントは 802.11n から 802.11ac へと移行するにつれて、80 MHz がより多く使用されるようになります。この環境では、AP がプライマリ 20 MHz チャネルを変えて調整する必要があります。

80 MHz チャネルの機能は、より狭い帯域幅のものと比べて大幅に向上されています。これは、多くの典型的なシナリオで大きな価値を提供します。40 MHz AP に関連付けられた少数のクライアントが大量のトラフィックを送信する場合、802.11n の 300 または 450 Mbps に制限されます。これは、隣接する 40 MHz 上のすべての AP の負荷が軽くても関係ありません。より広域のチャネルでは、より多くのクライアントがデータをより高速に送信でき、より短時間で送信を完了できます。全体として、消費される電力が少なくて済み、他のクライアントは長く待つ必要がありません(Quality of Service(QoS)の向上につながります)。これはより多くの多重化が大容量トラフィックに対してより効率的となる「統計多重」に基づいています。

160 MHz チャネルの数は少ないため、160 MHz は一般的な企業向けではありません。家庭では、各 160 MHz チャネルは困難なレーダー検出規制要件の対象となります。このため、802.11ac は不連続な 80+80 MHz モードも導入しています。名前から容易に想像できるように、これは 160 MHz の波形ですが、2 つの個別の 80 MHz 周波数セグメントで送信され、それぞれ任意の許可された 80 MHz チャネル上に存在することができます。これを実現するために、時分割複信システムが用いられています。このシステムでは、AP およびクライアントは 80+80 上で送信するか、あるいは 80+80 上で受信するのみで、1 つの 80 MHz セグメントで送信して、もう 1 つの 80 MHz セグメント上で受信することは意図されていません。

図 6 に示すように、軽度または中度に使用されている帯域で、これは干渉を回避する大きな柔軟性をもたらします。160 MHz の 2 つのオプションに対し、80+80 MHz には 13 のオプションがあります(規制の問題を考慮しない場合)。残念ながら、80+80 MHz デバイスには RF チェーンが 2 倍必要なため、80+80 MHz デバイスは 160 MHz デバイスよりもはるかに複雑です。デバイスは、2 空間ストリームの 80 MHz デバイス、または 1 空間ストリームの 80+80 MHz デバイスのいずれかとして稼働できます。この場合、80+80 MHz ではより多くの帯域を使用できますが、その帯域の使用効率は半減します。

図 6 160 MHz および 80+80 MHz のチャネル オプション

図 6 160 MHz および 80+80 MHz のチャネル オプション


現在利用可能な帯域を踏まえると、160 MHz または 80+80 MHz のいずれも一般的な企業向けではありません。図 4 から分かるように、RRM はずっと複雑なタスクになります。次のことが要求されます。

  • レーダーを含むチャネルを回避する(ある場合)。
  • 各 AP によって使用されるチャネル帯域幅を均一に拡散し、AP のプライマリ 20 MHz チャネルも拡散することが望ましい。
  • 付近のその他の 20、40、80、160、または 80+80 MHz AP とオーバーラップするチャネルを回避する。
  • たとえば 1 つの 80 MHz チャネル帯域幅内で、プライマリ 20 MHz チャネルを他の AP と調整するか、または意図的にプライマリ チャネルを合わせないようにするかを決定する。これは、どちらかにはっきりと決められるわけではありません。
    • プライマリ チャネルを調整すると、仮想キャリア センスは完全に機能しますが、すべての 20 MHz および 40 MHz トラフィック(ブロードキャスト、マルチキャスト、802.11a または 802.11n デバイスへのデータ トラフィックを含む)が順番に送信されます。この間、40 MHz または 60 MHz の帯域は使用されません。それでも、クライアントの大部分が 802.11ac の場合、スループットおよびエアタイム フェアネスの観点からはこれが一般的に最善のアプローチです。
    • 反対に、1 台の AP のプライマリ チャネルを下の 40 MHz に、そして別の AP のチャネルを上の 80 MHz にそれぞれ割り当てた場合、20 MHz または 40 MHz トラフィックは並列化が可能です(図 5 参照)。クライアントの大部分が 802.11a または 802.11n の場合、このほうが優れた選択です。物理キャリア センスまたは帯域幅が示された RTS/CTS で測定された 80 MHz 全体が空いている場合、802.11ac デバイス間の 80 MHz の通信はやはり許可されます。

802.11ac を最大限に活用するためには AP チャネル割り当ての調整が不可欠で、通常は効果的な一元化 RRM アルゴリズムを利用します。

2.3.7 レンジと速度

高速性だけでなく、802.11ac では 802.11a または 802.11n よりも高い堅牢性が実現されます。

たとえば、450 Mbps を実現するには、802.11n では影響を受けやすい 64QAM コンステレーションで最大数の 3 空間ストリームを使用する必要がありますが、マルチパス耐性があまりなく、ショート ガード インターバルで符号化利得が非常に小さくなっています(符号化率 5/6、20 % が冗長性に割り当てられます)。しかし、40 MHz から 80 MHz に移行することで、802.11ac はロング ガード インターバル、16QAM、符号化率 3/4(すなわち 33 % の冗長性)のみを使用して 530 Mbps を達成します。

この改善は図 7 に示されており、80 MHz のリンクがすべてにおいて、より高いデータ レートを提供しています。Wave 1 では、製品構成によってメリットもさまざまですが、すべてが 802.11n から大きなステップ アップとなっています。一方 Wave 2、特に 160 MHz は、より一層の高速化を実現します。ただし、この改善は特に企業においては、利用可能な 160 MHz チャネルの数が非常に限られるため、直ちに役立つというわけではありません。

図 7 802.11ac の範囲内での速度シミュレーション

図 7 802.11ac の範囲内での速度シミュレーション


2.3.8 規制

規制要件は次の 5 つの点で 802.11ac に関わってきます。

  • 一部規制区域では、80、160、および(または)80+80 MHz の波形を送信するデバイスに対して新しい規則が必要とされます。
    • 2012 年 3 月より、40 MHz 超の運用は米国、欧州連合、オーストラリア、ニュージーランド、ブラジル、南アフリカで許可されており、その他複数の国々でも障害なく許可されることが見込まれています。
    • 一部には 80 MHz または IEEE による承認後 802.11ac の運用のみを許可する国もあります。
  • 現行の規則により隣接するサブバンド(例:5.15 〜 5.25、5.25、5.35 GHz)にまたがる 160 および 80+80 MHz波形が許可されている一部の規制区域では、デバイスに対して新たにテストが要求されます。
  • 現行の規則により隣接するサブバンドにまたがる波形(例:5.725 GHz を挟む上下、チャネル 144 とも呼ばれる)の送信が許可されていない一部の規制区域では、新たに規則が必要となります。
  • 802.11ac デバイス(およびその他未許可のデバイス)は 5.6 〜 5.65 GHz 内およびその周囲において時間領域気象レーダーを含む帯域へのアクセスが充分に確保できません。
  • 802.11ac の帯域幅はより広いため、たとえば 5.35 〜 5.47 GHz 帯(新たに 80 MHz チャネル 2 つと 160 MHzチャネル 1 つが確保できる)に、帯域を新たに開放するよう市場からの強い要求があります。
    • たとえば、米国 議会制定法 HR 3630 は、未許可の用途にこの帯域を開放する調査を行うよう NTIA に権限を与えています。

世界の規制は常に変化しているため、このホワイト ペーパーでこの主題について詳細に説明することは困難です。

2.3.9 MU-MIMO

802.11n では、デバイスは複数の空間ストリームを一度に送信できますが、宛先は単一のアドレスのみです。個別の受信側フレームにとって、これは一度に 1 台のデバイス(またはユーザ)のみがデータを取得することを意味します。これをシングルユーザ MIMO(SU-MIMO)と呼びます。802.11ac の登場に伴い、MU-MIMO(Multi-user Multiple input, Multiple output)と呼ばれる新しいテクノロジーが定義されています。このテクノロジーでは AP がアンテナ リソースを使用して複数のフレームを異なるクライアントに対して、同時に同一の周波数帯域で送信することが可能です。802.11n をハブに例えるなら、802.11ac は(ダウンリンクの)ワイヤレス スイッチに例えることができます。

しかし、MU-MIMO は正しく実装することが難しいテクノロジーであるため、Wave 1 の AP 製品では提供されません。利用可能になったとしても、MU-MIMO には注意が必要です。

図 8 に一因を示します。ユーザ 1 にデータを送信するために、右上に突出した青い曲線で示すように、AP は強いビームをユーザ 1 に向けて形成します。同時に、AP はユーザ 2 およびユーザ 3 の方向にあるユーザ 1 向けのエネルギーを最小化します。これは「ヌル ステアリング」と呼ばれ、青い線の V 字形に食い込んだ部分で示されます。また同時に、AP はユーザ 2 に対してもデータを送信しており、赤い曲線で示されるように、ユーザ 2 に向けてビームが形成され、このビームはユーザ 1 およびユーザ 3 の方向に V 字形が形成されています。黄色い曲線はユーザ 3 に向けた同様のビームで、ユーザ 1 およびユーザ 2 の方向では最小化されています。このようにして、各ユーザ 1、2、3 が希望するデータを強いビームで受信でき、他のユーザに向けたデータからの干渉による劣化は最小限に抑えられます。

図 8 ビーム フォーミングとヌル ステアリングの組み合わせを使用した MU-MIMO による複数のクライアントへの並行送信

図 8 ビーム フォーミングとヌル ステアリングの組み合わせを使用した MU-MIMO による複数のクライアントへの並行送信


このすべてを適切に動作させ、特に深いヌル値を形成するために、AP から全ユーザに至るワイヤレス チャネルを AP 自身が非常に正確に認識している必要があります。そしてチャネルは時間経過と共に変化するため、AP はチャネル測定を続ける必要があり、オーバーヘッドが増加します。一部の AP はより高いオーバーヘッドの 802.11ac サウンディング プロトコルのみを使用しますが、AP が ClientLink メカニズムなどとの明示的なサウンディングのやり取りの数を最小化することができる場合に MU-MIMO の最大のメリットが発揮されます。

一方、クライアントでは、他のユーザ向けの信号からの干渉によって、受信する希望の信号に歪みが生じます。この干渉のため MU-MIMO の伝送では 256QAM などの最高レベルのコンステレーションが実行不可能となります。

まとめると、MU-MIMO によって AP は関連付けられたクライアント、特にアンテナ数が 1 本に制限された小型フォームファクタのクライアント(BYOD クライアントなど)に対し、かなり多くのデータを提供することができます。AP が 2 〜 3 台のクライアントに対して送信を行う場合、有効な速度向上はワイヤレス チャネルの条件に応じて 1 倍3(速度アップなし)から 2 倍または 3 倍とばらつきがあります。

2.3.10 802.11ac プロジェクト認可要請

802.11ac の幕開けとなった 802.11ac プロジェクト認可要請(PAR; Project Authorization Request)には、スループットの数値として、500 Mbps のシングルユーザ スループットおよび 1 Gbps のマルチユーザ スループットなどが掲げられています。これらの数値は、802.11ac 修正規格(つまり文書)上の要件で、個別製品に対する要件ではありません。修正規格では、802.11ac 対応製品となる最低限の条件は、製品がシングルユーザで 290 Mbps で稼働でき、マルチユーザに対応しないことと定義しています。

3. 802.11ac が実現される時期

802.11ac は図 9 に示すように積極的に標準化が進められています。2012 年 5 月に 300 ページを超える成熟したドラフト 3.0 版が策定されています。Wi-Fi Alliance は、このドラフト版をベースにして、2013 年半ばに最初の「Wave 1」を認定しました。

IEEE は、業界専門家による継続的な改善に基づいて 802.11ac 修正規格の改良を続行しました。この作業によって一連のドラフトが作られ、承認版の発行に至り、2013 年末に完了しました。

並行して、Wi-Fi Alliance は、4 空間ストリーム、160 MHz の運用、MU-MIMO など、より幅広い 802.11ac の機能を盛り込んだ Wave 2 の認定を確立することが見込まれています。図 9 に示すように、Wave 2 の発表日は未定です。

図 9 802.11ac の標準化および認定スケジュール

図 9 802.11ac の標準化および認定スケジュール


4. 802.11ac による影響

4.1 互換性

互換性に関する懸念は不要です。

802.11ac は 802.11a または 802.11n デバイスとの上位および下位互換性を最大限にすべく慎重に設計されています。実際、表 4 に示すように、802.11ac の設計はよりシンプルで、802.11n の 802.11a デバイスとの互換性よりも徹底されています。

802.11ac デバイスは 802.11a および 802.11n のあらゆる必須モードをサポートする必要があります。このため、802.11ac AP は 802.11a または 802.11n フォーマットのパケットを使用して 802.11a および 802.11n クライアントと通信することができます。この目的で、AP は 802.11n AP と同じように動作します。同様に、802.11ac クライアントは 802.11a または 802.11n パケットを使用して 802.11a または 802.11n AP と通信することができます。このため、802.11ac クライアントの登場が既存のインフラストラクチャに問題を生じることはありません。

表 4 802.11a、802.11n、802.11ac デバイスの互換性および共存性

レシーバのロール トランスミッタ レシーバ 802.11a 802.11n 802.11ac
意図された受信者 802.11a ☑ 802.11n デバイスは 802.11a PPDU にドロップ ダウン ☑ 802.11ac デバイスは 802.11a PPDU にドロップ ダウン
802.11n 802.11n デバイスは 802.11n PPDU にドロップ ダウン
802.11ac
サード パーティ受信者 802.11a ☑ 送信される HT_MM PPDU の場合、サード パーティはプリアンブルのレガシー部分に示されたパケット長と追加の EIFS を待つ(したがって衝突がない)
HT_GF PPDU の場合、プリアンブルは、802.11a フォーマット PPDU を使用して送信された MAC 保護(たとえば RTS/CTS または CTS-to-self)が先行する場合のみ送信される(したがって衝突がない)
☑ サード パーティはプリアンブルのレガシー部分に示されたパケット長と追加の EIFS を待つ(したがって衝突がない)
802.11n ☑ サード パーティはプリアンブルのレガシー部分に示されたパケット長と追加の EIFS を待つ(したがって衝突がない)
802.11ac


さらに、802.11ac フォーマットのパケットのプリアンブルは 802.11a フォーマットのパケットと同じであるため、サードパーティの 802.11a および 802.11n デバイスの両方に対して CCA メカニズムが作用します。これらのサードパーティ デバイスは 802.11ac プリアンブルを参照すると即座にパケットの持続時間がわかり、その時間は送信を行わないことを理解します。また、パケットの後には一般的に 802.11a フレームで送信される Ack または Block Ack が続くため、サードパーティ デバイスは Ack または Block Ack を正しく受信し、通常通りの送信を試み続けることができます。最悪のシナリオは、サードパーティ デバイスが 802.11ac フレームを検出するものの Ack または Block Ack のトランスミッタの範囲外にある場合です。しかしここでも、サードパーティ デバイスは拡張フレーム時間(EIFS と呼ばれる)の間待機し、衝突を心配することなく Ack または Block Ack が送信される時間を与える必要があります。

このプリアンブル レベルの互換性のため、802.11ac デバイスは 802.11ac 送信の前に CTS-to-self または RTS/CTS を先行させる必要はありません。このような、802.11b デバイスが存在する中での 802.11g パケット送信に関連する非効率性は、5 GHz では完全に回避されます。

4.2 802.11ac にアップグレードする時期

幸運なことに IT 管理者には利用できる 2 つの優れたテクノロジーがあります。(1)A-MPDU、MIMO、ビーム フォーミング、そして 40 MHz 内で 65 〜 450 Mbps の速度を備えた 802.11n と、(2)A-MPDU、MIMO、ビーム フォーミング、そして 80 MHz 内で 290 〜 1300 Mbps の速度を備えた 802.11ac です。

802.11n は現時点で利用可能であり、多くの顧客の使用事例に充分な機能を備えています。

802.11ac はワイヤレス LAN の未来ですが、Wi-Fi 認定 802.11ac AP はまだ利用できません。802.11ac は範囲内で複数のユーザにフル HD ビデオを提供でき、クライアント密度を高め、QoS を向上し、ネットワークの接続切り替え速度を大幅に高速化することで電力を節約できます。

ほとんどの IT 管理者は、建物の整備や空間の改装と同時に新しい AP を導入します。これらの場合、現時点では 802.11n には大きな価値があるため、802.11n AP を設置することを推奨します。さらに、投資保護のため、容易に 802.11ac にフィールドアップグレードが可能なモジュール型の AP を設置するのが最も理想的です。802.11ac AP が利用可能になったとき、これらのユーザは 802.11ac AP の設置を開始すべきです。そちらのほうが高価だとしても、その金額の差よりも 802.11ac で追加される新たな価値のほうが大きいからです。

また、IT 管理者は通常 AP を 3 年〜 5 年程度のスケジュールでアップグレードします。今日の AP の機能は前世代の AP の機能を大幅に超えているため、IT 管理者はスケジュール通りに AP のアップグレードを続けるとよいでしょう。802.11ac AP が利用可能になるまで、802.11ac へのアップグレードの道を拓くモジュール型 802.11n AP の設置を推奨します。

4.3 無線リソース管理および WIPS の影響

802.11ac にアップグレードされない 802.11a または 802.11n の導入では、近隣で導入される 802.11ac の影響と、攻撃者が悪用する可能性を通常通り考慮する必要があります。

802.11ac はオーバーラップするデバイスが 80 MHz またはさらには 160 MHz を超えて送信可能であるため、RRM(無線リソース管理)に影響を与えます。ソフトウェア アップグレードにより、既存の RRM システムでビーコン フレーム内の新しい 802.11ac フィールドから 802.11ac AP の存在を検出し、影響を受ける帯域幅を抽出することは可能です。この知識を利用し、RRM システムは付近の 802.11ac AP からの影響を緩和できます。RRM システムは、(1)1 台のオーバーラップした 802.11ac AP はより広い帯域幅に影響を与え、かつ(2)任意の 20 MHz サブチャネルに対する影響は、ネットワーク内の AP とオーバーラップした AP のプライマリ 20 MHz サブチャネルが合致しているか否かによって異なる(セクション 2.3.6 を参照)ため、より大変な作業が必要となります。

ユーザは、自身の AP がすべての利用可能なチャネル(レーダー検出(DFS)要件の対象となるものも含む)を使用する能力があるかどうかを確認する必要があります (多くの消費者向け AP および一部の企業向け AP は規制により DFS チャネルでの運用が許可されていません。たとえば米国では 20 MHz チャネルの 63 % が DFS チャネルであるため、これは残念なことです)。

一般に、802.11a または 802.11n 導入のワイヤレス侵入防御システム(WIPS)は、802.11ac デバイス、特に単純な攻撃者による攻撃の多くを検出し、軽減することができます。802.11ac デバイスは、802.11a または 802.11n デバイスと通信するときに 802.11a または 802.11n フォーマットのパケットを使用しており、802.11ac デバイスは常にビーコン、プローブ要求、プローブ応答を 802.11a のレートで送信し続けるためです。しかし、802.11ac フォーマットを使用して送信されたパケットは 802.11a または 802.11n デバイスでデコードすることはできません。そのような攻撃に対して推奨される対策は、常時 WIPS を稼働する 802.11ac AP を数台配置する(たとえば、5 〜 6 台の稼働中 802.11a または 802.11n AP に 802.11ac WIPS AP 1 台)か、すべての AP を完全にアップグレードすることです。

5. まとめ

802.11ac は 802.11n の改良版で、より広い帯域幅でより高速の通信を提供します。802.11ac はそれが利用可能になり、特に混在するクライアントにおいて 802.11ac デバイスが多数派を占めるようになった場合に、高い利用価値があります。802.11n は現在すでに利用可能であり、比較的低速ながらも 11ac と同じ機能を多数提供します。近いうちにワイヤレス LAN に投資を考えている IT 管理者は、802.11ac へのフィールド アップグレードが可能な 802.11n AP を有力な候補として検討すべきです。

付録:802.11n とは


802.11 802.11n は 802.11a からの大きな進歩でした。802.11n では次のような MAC サブレイヤおよび物理(PHY)層に関するいくつかの大きな進歩が成し遂げられました。

  • Multiple Input, Multiple Output(MIMO)。MIMO は多くのメリットをもたらします。
    • 空間多重方式(SM)を利用して帯域消費量を増やすことなく速度を向上します。SM はデータを複数のピースに分割して各ピースを並行の「空間」チャネルで送信し、同じデータをシリアル処理で送信するよりもずっと短時間で済みます。SM がないと、802.11n の最大速度は 150 Mbps となります。SM を利用すると、トランスミッタとレシーバの両方が少なくとも 2 本および 3 本のアンテナ(および RF チェーン)をそれぞれ搭載していさえすれば、300 Mbps および 450 Mbps が利用可能になります。
    • より優れたアップリンクの信頼性。マルチパスのため、4 本のアンテナを搭載した AP はクライアントの信号の 4 つのコピーを受信します。各コピーは 4 つのまったく異なる方法で(同相あるいは逆相で)歪みが発生するため、すべてのコピーが同時に逆相でフェージングする可能性は非常に低くなります。このため、レシーバ内の MIMO イコライザはこれらすべてのコピーを集めて巧みに組み合わせ、より優れた信頼性を達成し、データ レートをより予測可能にすると共に、再試行回数を減らすことができます。当然ながらアンテナの数がより少ない AP は、特に空間ストリーム数が受信アンテナ数に近付くと、それほどうまく処理することができなくなります。
    • より優れたダウンリンクの信頼性(おそらく)。802.11n は、ビーム フォーミング(卓越したメリットがある)、時空間ブロック符号化(有用ながらメリットはビーム フォーミングに劣る)、巡回遅延ダイバーシティ(メリットはあまり大きくない)を提供します。しかし 802.11n は多くの互換性のないビーム フォーミングの特性も提供し、それらはクライアントの支援を必要とするため、業界はいずれも支持していません。したがって、ビーム フォーミングは Cisco ClientLink などのクライアントから支援を求めない手法からしか実質的に利用できません。アンテナ数が少ないデバイスは逆相のフェージングに対して脆弱なため、ビーム フォーミングは特に価値があります。

これについては関連のホワイト ペーパーで詳細に説明しています。

  • チャネル ボンディング。20 MHz から 40 MHz にチャネル帯域幅を 2 倍にすることにより、1 回の送信で同じ時間内に 2 倍の量のデータを送信することができます。実際には、従来の 2 つの 20 MHz チャネル間の保護帯域幅も使用できるため、利得は 2 倍よりもやや多くなります。
  • 集約。PHY が大きなパワーを生み出す自動車のエンジンであるとするなら、MAC はそのパワーを効率的に車輪に提供する役割を果たすトランスミッションのようなものです。

802.11a では、各データ フレームにはフレームのプリアンブル、往々にして ACK フレーム、およびこれらの送信の間とその付近のあらゆる時間の空白などさまざまなオーバーヘッドが含まれています。データ サイズがこのオーバーヘッドより小さくなると、データ ペイロードを高速化しても実効速度はあまり上がりません。MAC がパワーを浪費しているからです。

図 10 802.11n により導入された集約の形態

図 10 802.11n により導入された集約の形態


802.11n は A-MSDU および A-MPDU とわかりやすく名付けられた 2 つの集約手法を使用して、この懸念に対処しています。これらは「A-MSDU の A-MPDU」として相互に組み合わせることもできます。集約を通してデータは単一のユニットとしてまとめられ、1 つのプリアンブルを伴って送信され、単一の送信で確認されます。A-MSDU は MAC 送信パスの上で MSDU(たとえば、LLC+IP+TCP+ データ)をまとめるため、1 つの A-MSDU 中の個々の MSDU は、シーケンス番号やフレーム チェック シーケンスなどの MAC ヘッダーまたはフッターを含んでいません。これは効率の面でメリットであり、個々の MSDU レベルでの再試行を不可能にします。一方、A-MPDU は MAC の下で MPDU をまとめるため、A-MDPU 中の各 MPDU はそれぞれの MAC ヘッダーを含んでいます。効率は、特に短い MSDU ではあまり優れているわけではありませんが、たとえば単独のビット エラーなどにより、あるパケットがワイヤレス リンクを通過できない場合、他の MDPU は正しく受信でき、再送する必要が生じるのはエラーが発生したパケットのみとなります。これを示しているのが図 10 です。

  • 40 MHz のチャネル アクセス。802.11 の成功は、付近にどの 802.11 デバイスがすでに存在しているかに関わらず、誰もが AP を設置したり、クライアントを使用したりすることができ、また「とにかくちゃんと動作する」ことが大きな理由です。

    これは、チャネル アクセスが適正に効率的で、デバイスの数、AP までの距離、デバイスの性能などに関わらずすべてに対して公平である、簡潔に言うと「他のデバイスのパケットも自分のパケットと同様に重要である」という MAC の設計目標に起因しています。物理キャリア センス(多量のエネルギーを検出した場合送信しない)および仮想キャリア センス(誰かが送信または受信を行うと通知された場合送信しない)など、MAC の技術範囲における衝突の減少に効率の目標を見て取ることができます。公平性の目標は、各デバイスが同一のキャリア センスおよび衝突回避要件を満たした後のみ送信が許可されるという点に見出すことができます。

    しかし 40 MHz は、コスト的に許容されないか、2 つの 20 MHz サブチャネル上で並行して正確な物理キャリア センスと仮想キャリアセンスを維持することが不可能なため、衝突回避および公平性において難しい課題をもたらします。代わりに、キャリア センスおよび衝突回避に関する通常の厳格な要件を満たす「プライマリ」20 MHz チャネルが定義され、「セカンダリ」20 MHz チャネル上で物理キャリア センスを低下させることでこれを補強します。送信を行う際に、デバイスは通常どおり4 に、プライマリ 20 MHz サブチャネル上ですべてのチャネル アクセスを実行します。また、デバイスが 40 MHz パケットを送信する直前に、デバイスはセカンダリ チャネルの物理キャリア センスの状態を短時間で検査し、そのセカンダリ チャネルもクリアであることを確認します。クリアであれば 20 MHz パケットが送信され、そうでない場合デバイスは(1)プライマリ 20 MHz チャネルで 20 MHz パケットを送信するか、(2)再びバックオフして 40 MHz 全体がクリアであるかを再度確認します。注目すべきは、このシンプルなスキームは適度に公平で、オプション(1)は適度に効率的な点です。それでも一部のトポロジでは、セカンダリ 20 MHz チャネル上のデバイスが 40 MHz デバイスに対して不公平に扱われるため、802.11n にはこのシナリオを最初から回避するために追加のチャネル選択規則があります。これらの規則は 5 GHz 帯で利用可能な 40 MHz チャネルの数が多いことから、円滑に作用します。

802.11n はなかなか先に進まない、という悪評が標準化コミュニティ内ではありました。これには 3 つの原因があります。(1)802.11n が採用する案を選択するために選んだプロセスが論争を招きました。(2)802.11n は非常に注目を浴び、多くの専門家が手を差し伸べ、技術を提供しようとしました。論争を克服するために多くのオプション モードが採用され、これに非常に長い時間を要し、そしてすべてのオプション モードを改善するためにさらに長い時間が費やされました。(3)802.15 システム(Bluetooth など)に近接した 40 MHz チャネル幅を使用する 802.11 システムの 2.4 GHz 帯での運用は、802.15 コミュニティの一部の間で問題となりました。


1 802.11a PPDU フォーマットには帯域幅の表示がないため、802.11ac では下位互換性を維持するために若干の操作を行う必要があります。帯域幅の表示はスクランブル シーケンスでエンコードされ、また RTS フレーム内のトランスミッタ MAC アドレスの I/G(個別/グループ)ビットが「individual(個別)」から「group(グループ)」に変更されます。この最後の変更はスニファ トレースで見ることができます。
2 送信にショート ガード インターバルが代わりに使用され、OFDM シンボルが実際には 3.6 マイクロ秒長である場合、実際に存在する OFDM シンボル数を明確にするために必要なのはわずか 1 ビットです。
3 速度アップが 1 倍未満になると、AP は SU-MIMO を代わりに使用します。
4 つまり、デバイスはキャリア センスをチェックして、チャネルがビジーの場合はクリアになるまで待機し、ランダムに複数のスロットをバックオフして、これらのスロットがカウントされるまで待機します。