Cisco Aironet 3700 シリーズ

高密度ワイヤレス ネットワークで業界を牽引し続ける ClientLink 3.0 のパフォーマンス

ホワイト ペーパー





高密度ワイヤレス ネットワークで業界を牽引し続ける ClientLink 3.0 のパフォーマンス



Cisco® Aironet® 3700 シリーズ アクセス ポイントでは、革新的技術をさらに向上させて、業界トップクラスのパフォーマンスを実現しています。このホワイト ペーパーでは、高いパフォーマンスが達成される仕組みとその重要性について説明します。


概要


  1. Cisco Aironet 3700 シリーズ アクセス ポイントでは、ClientLink 3.0 を導入しています。
  2. ClientLink 3.0 は、実証済みの送信ビームフォーミング(TxBF)技術と最大比合成(MRC)技術を、802.11ac(80-MHz チャネル幅と 256 直交振幅変調(QAM))により追加される新機能向けに拡張することで、既存の ClientLink ファミリを拡張および強化します。これはすべての 802.11ac クライアント デバイスに利点をもたらします。
  3. どのような距離でも、TxBF によりクライアントへのダウンストリーム パフォーマンスとスループットが向上し、MRC によりクライアントからのアップストリーム パフォーマンスとスループットが向上します。TxBF と MRC により、クライアントとアクセス ポイント間の全体的な信号品質が向上します。つまり、TxBF により、クライアントは特定の距離でより高い品質の信号をアクセス ポイントから受信し、MRC により、アクセス ポイントは特定の距離でより高い品質の信号をクライアントから受信します。すべての種類のクライアント デバイス(802.11g、802.11a、802.11n、および 802.11ac)について、パケット単位でのこのような信号品質の向上が実現されています。
  4. また、ClientLink 3.0 により、標準ベースの明示的圧縮ビームフォーミング フィードバック(ECBF)を実装するクライアントに対する ECBF サポートが追加されます(ECBF は 802.11ac ではオプション機能です)。ECBF によりクライアントは、ワイヤレス チャネルの状態の予測情報をアクセス ポイントに提供します。これは効果的ではありますが、オーバーヘッドが伴います(通信時間が ECBF メッセージングに消費され、結果としてスループットと容量が低下します)。
    注:ECBF はよく Explicit Compressed Beam Forming(明示的圧縮ビームフォーミング)と短縮されることもあります(ただし、これは間違いです)。
  5. ClientLink 3.0 で導入された機能強化は、主に 5 GHz 向けです。これは、802.11ac が 5 GHz 専用であるためです。クライアントが関与しない、オーバーヘッドゼロの実証されたこのアプローチは、すべての 802.11ac クライアントに適用可能で、利点をもたらします。
  6. 5 GHz のすべての 802.11a/n クライアント、および 2.4 GHz のすべての 802.11g/n クライアントについて、ClientLink 3.0 と Cisco Aironet 3700 シリーズでは、クライアントが関与しない、オーバーヘッドゼロの実証された ClientLink/ClientLink 2.0 方式が引き続きサポートされます。
  7. ClientLink 3.0 は High-Density Experience(HDX)ソリューション スイートにおけるキー コンポーネントとなっています。

したがって、ビーム フォーミングは、Cisco ClientLink 3.0(およびその前身)など、クライアントによる支援を必要としない技術を使用した場合に最も効果的です。クライアントによる支援に頼らずにチャネル予測の問題を解決する ClientLink 3.0 は、真に付加価値をもたらす存在であり続けます。ClientLink 3.0 は、(1)従来の 802.11a/n クライアント、(2)802.11ac サウンディングをサポートしていない 802.11ac クライアント、および(3)2.4 GHz のクライアントを引き続き支援します。また、標準ベースの明示的なサウンディングによるオーバーヘッドを回避することもできます。

市場とテクノロジーの概要


Aironet 3700 シリーズのクラス最高レベルのパフォーマンスは、次のテクノロジーによって支えられています。

3 空間ストリームの 802.11ac デバイスが市場に出現し、iPad を始めとする 1 または 2 空間ストリームの 802.11ac デバイスも急激な広がりを見せている現在、あらゆるデバイスのパフォーマンスの最大化が重要な課題となっています。この問題に対処しないと、ネットワークの速度が遅くなり、すべてのデバイスのアプリケーション パフォーマンスが低下します。

Cisco Aironet 3700 シリーズ アクセス ポイントは、あらゆるデバイスにクラス最高レベルのパフォーマンスを提供できるように設計されているので、最適なネットワーク パフォーマンスを実現し、投資を有効に活用できます。企業はデバイスの空間ストリーム数を気にせずに任意のデバイスをネットワークで効果的に利用できるようになります。

  • エンタープライズ クラスの製品として初めての 4 トランシーバ 802.11ac MIMO(multiple-input multiple-output)設計(4x4:3)
  • すべての 802.11ac および 802.11n クライアントで機能する Cisco ClientLink 3.0 ビームフォーミング
  • Cisco CleanAir® テクノロジーによる干渉管理

これらのテクノロジーはどのように機能しているのでしょうか。これまでの歴史を振り返りながら説明を進めていきます。802.11n デバイスが初めて登場したのは数年前のことです。第一世代のデバイスの最大データ レートは 300 Mbps でした。このデータ レートは、空間ストリームを 2 つ使用し、それぞれ、20 MHz スペクトルあたり 75 Mbps のデータをダブルワイドの 40 MHz チャネルで伝送することにより達成されました。数式で表すと、75 Mbps X 2 ストリーム X 2 チャネル = 300 Mbps となります。双方向で 2 空間ストリームをサポートするためには、リンクの両端(アクセス ポイントとクライアント)に最低限 2 つの MIMO トランシーバが必要です。

次に、最大 3 つの空間ストリームをサポートできる、より新しい世代の 802.11n デバイスが市場に投入されました。理論的には 75 Mbps X 3 ストリーム X 2 チャネル = 450 Mbps の最大データ レートが達成可能です。この最大データ レートを双方向で達成するには、リンクの両端(クライアントとインフラストラクチャ)が 3 空間ストリームに対応していなければなりません。そのためには、両端に少なくとも 3 つの MIMO トランシーバが必要です。

ごく最近になって、新世代の 802.11ac デバイスが市場に投入されました。これらのデバイスは 3 空間ストリームをサポートできるだけでなく、80-MHz チャネル(802.11n の 2 倍、802.11a の 4 倍)、場合によっては最大 256-QAM(802.11a/n の変調能力に比べて最大 30 % の改善)もサポート可能です。つまり、理論上は、75 Mbps X 3 ストリーム X 4 チャネル X 1.3 = 1170 Mbps の最大データ レートが達成可能となりました。1170 Mbps には、800 ナノ秒(ns)のガード インターバル(GI)が仮定されていることにも注意が必要です。400 ナノ秒の GI を仮定すると、最大データ レートは理論上 1300 Mbps になります。

最大速度は重要ですが、その速度がどのくらいの割合で達成されるのかも考える必要があります。1300 Mbps の最大データ レートの達成は簡単なことではなく、綿密な設計が必要です。これについては、このホワイト ペーパーで後述します。ここでは、リンクの両端で 3x3:3 アーキテクチャ(3 トランシーバ、3 空間ストリーム)を使用する現在のソリューションが現実に 1300 Mbps を達成できることはまれで、短距離以外ではパフォーマンスが大幅に低下するということを覚えておいてください。現実の世界では、すべてのクライアントがアクセス ポイントから 3 メートル(10 フィート)以内にあるということはありません。3 空間ストリームを確実に機能させるためには、リンクの一方に 4 つ目のトランシーバを追加する必要があります。論理的に考えると、この 4 つ目のトランシーバを配置する場所は、おのずとバッテリ駆動のクライアントよりもサイズや電力の制約の少ないアクセス ポイント上となります。

結果として、アクセス ポイント上のこの 4 つ目のトランシーバは、リンク マージンの余剰デシベルとなり、それによってパフォーマンスが向上します。このホワイト ペーパーで後述しますが、アップリンク方向(クライアントからアクセス ポイントの方向)に追加のレシーバを入れることで MIMO イコライゼーションを向上できます。これにより、既存のソリューション(4.5 メートル、15 フィート)の 2 倍の距離(9.1 メートル、30 フィート)で 1300 Mbps の速度が達成可能になります。

ダウンリンク方向では、追加のトランスミッタによってクライアントへのビームフォーミングが可能となります。シスコが実装したビームフォーミングである ClientLink 3.0 は、あらゆる 802.11ac クライアント(標準ベースのビームフォーミングに対応しているデバイスと対応していないデバイスの両方)で機能するように設計されています。また、クライアントがサポートする空間ストリーム数が 3 でも 2 でも 1 であってもビームフォーミングが可能です。

したがって、3x3:3 アーキテクチャが提供するのは論理的なピーク データ レートだけですが、4x4:3 の Cisco Aironet 3700 シリーズは高いピーク データ レートと実用性の両方を提供します。もちろん、4x4:3 のソリューションの構築には、カスタム チップセットや追加のエンジニアリングが必要となるので、これを提供できるのはシスコのようにお客様の要件に迅速に対応できるベンダーに限られます。

現実的に 3 空間ストリームの効果を実感するためには、企業の典型的な使用範囲で機能しなくてはなりません。だからこそ、Cisco Aironet 3700 シリーズが必要となります。競合他社の設計でも 1300 Mbps のデータ レートは提供されますが、それが可能なのは 4.5 メートル(15 フィート)以下の範囲に限定されます。アクセス ポイントは天井に設置されることが多いので、使用可能な範囲が 4.5 メートル(15 フィート)では、4.5 メートルのフロア スペースをカバーできません。信号の伝送距離には天井からデバイスまでの距離が含まれるため、デバイスが典型的な高さにある場合、現在の設計で最大レートがカバーされるのは、アクセス ポイントから 3.7 メートル(12 フィート)より近い範囲となります。Aironet 3700 シリーズを使用すれば、3 空間ストリームで 1300 Mbps が達成される範囲が 9.1 メートル(30 フィート)に拡大します。範囲が 2 倍になると、実際には、1300 Mbps を達成できるカバレッジ エリアは 500 % 拡大します。

Cisco Aironet 3700 シリーズの強みは、旧型の 802.11n クライアントおよび 3 未満の空間ストリームをサポートする 802.11ac デバイスでもすばらしい利点が得られる点です。これらの利点は非常に重要です。すべてのクライアントが 3 空間ストリーム対応になるにはまだ長い期間がかかると考えられ、特に電話は(たとえ 802.11ac 対応で 256-QAM をサポート可能であっても)、1 空間ストリームのまま維持される可能性が高いためです。

詳細:アップリンク


理論上は 3 つの MIMO レシーバで 3 空間ストリームを十分に処理できるはずですが、チャネル フェージングや不可避のハードウェア障害に備えるための冗長性を確保できないという問題があります。残念なことに、実際に運用すると、短距離でしか機能せず、性能も安定しません。こうした理由から、Cisco Aironet 3600 シリーズでは、純粋に空間多重化に依存する製品を通り越して、4 つ目のレシーバを追加することで空間多重化とダイバーシティのハイブリッドを提供しています。シスコは、Aironet 3700 シリーズでも、引き続きこの妥協のないアプローチをとっています。

シスコのソリューションは、GPS ポジショニングに似ています。GPS ポジショニングでは、GPS レシーバの緯度と経度を判断するために、GPS 衛星信号が 3 つ必要です。位置情報の精度を高めるには 4 つ以上の GPS 衛星が必要であり、エントリレベルの GPS 製品でも 12 以上の衛星を追跡できます。

3 空間データ ストリームをサポートするために 4 つ目のレシーバを追加すると、冗長性利得とダイバーシティ利得によって大きな効果を得ることができます。

冗長性利得

余剰アンテナが捕捉した信号は、冗長性利得をもたらします。線形代数と同様、4 つ目のレシーバを追加することで、未知数が 3 つしかないところに方程式を 4 つ与えることができます。余剰な方程式があれば、送信された信号を復元する際の自由度が増します。1 つ増えると、冗長性利得により、距離範囲が約 10 % 拡大します。

ダイバーシティ利得

ダイバーシティ利得は冗長性利得よりもさらに重要です。チャネルにはフェージングが生じるものであり、大きなフェージングによってアンテナが受信する信号品質が大きく劣化することがあります。3 空間データ ストリームの場合、3 つのデータ ストリームの復元には、最低 3 つの強い信号が必要です。信号の 1 つに大きなフェージングが生じただけで、MIMO で情報を検出できなくなります。これに対して、4x4 の MIMO では、たとえ 1 本のアンテナで大きなフェージングがあっても、残りの 3 つの良好な信号から 3 つのデータ ストリームを復元できます。現実の実装では、4 つすべてのアンテナからの信号を、品質に基づいて入念に重み付けし、なるべく高品質の信号が利用されるようにします。4x4 MIMO は、空間多重化による高速化とダイバーシティ利得による堅牢性をバランスよく両立させるので、フェージング チャネル環境でのパフォーマンスが大幅に向上します。

4 つ目のレシーバを使用する手法は、技術用語では MIMO イコライゼーションといいます。MIMO イコライゼーションは、送信ビームフォーミング、時空間ブロック符号化、空間拡張、性能改善の有無などにかかわらず、受信信号を最大限に有効利用できる包括的な手法です。MIMO イコライゼーションで利得の増大に最も効果的なのは、受信チェーンの数を増やすことです。ただし、利得が最大となるのは、余剰受信チェーンが 1 つの場合で、それ以上追加しても効果は減少していきます。したがって、3x3 のアクセス ポイントは、3 空間ストリームではなく、2 空間ストリームの受信に適した選択肢です。

詳細:ダウンリンク


ダウンリンク方向でも(4 つ目のトランスミッタから)同様の効果を得るために、シスコは 4 MIMO 送信チェーンを最大限に活用できる方式として ClientLink 3.0 を開発しました。ClientLink 3.0 では、ビームフォーミングと空間多重化を組み合わせることで、ダウンリンク トラフィックの速度と信頼性を向上させます。クライアントがアンテナよりも少ない数の空間ストリームでフレームを送信した場合でも、ClientLink 3.0 は、特許申請中の高度なアルゴリズムを使用し、最大限のビームフォーミングを実現します。さらに、シスコのアクセス ポイントは、クライアントによる較正支援にもまったく依存しない設計となっています。ただし、ClientLink 3.0 では、クライアントによる支援が使用可能な場合はこれを利用することができます (802.11ac は、1 台の 802.11ac デバイスが 1 台の 802.11ac アクセス ポイントを支援するための 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、802.11n の明示的圧縮ビームフォーミング フィードバックのプロトコルに厳密に従います。詳細は、標準ベースのビームフォーミングの説明を参照してください)。

3 つのトランシーバしかないクライアントが 3 空間ストリームを受信しようとする場合について考えてみます。検出は非常に複雑で低品質の信号の影響を受けやすいため、アクセス ポイントによる支援があれば利用します。図 1 に示されているように、Cisco Aironet 3700 シリーズ アクセス ポイントは 4 つの送信チェーンを使用します。そのため、3 つの空間ビームを形成して(各ビームが 1 つのデータ ストリームを伝送)、それらを直接クライアントの受信チェーンに送るための自由度が得られます。これらのビームフォーミング信号はレシーバで同相加算され、それによってチャネル フェージングを低減できます。

図 1 ビームフォーミング信号の放射(4 つ目のトランシーバを使用)

図 1 ビームフォーミング信号の放射(4 つ目のトランシーバを使用)


ClientLink 3.0 の利点


ClientLink 3.0 の利点は 2 つの要素で構成されています。図 2 はこの利点を図示したもので、他社のアクセス ポイントの異なる距離におけるレートを示しています。3x3:3 アクセス ポイントとの間で送受信する 3x3:3 クライアントでは、1300 Mbps を達成できるのはこのアクセス ポイントから短距離においてだけということがわかります。

一方、アクセス ポイントに 4 つ目の受信チェーンを追加することによって、9.1 メートル(30 フィート)で 1300 Mbps が使用可能になります。これは、典型的な企業環境におけるアクセス ポイントの範囲に合った動作です。

2 つ目の利点は、たとえ空間ストリームの数が 3 以下であっても、4 つの送信チェーンがすべて使用される点です。これにより送信パワーが大きくなるので、信号レベルにいくらか利得が生じます。また、各ストリームが 4 つの送信チェーンすべてから一括で送信されるため、高いダイバーシティ利得が得られます(1 つまたは 2 つのアンテナに大きなフェージングが生じていても、1 つのストリームが完全に消滅することはありません)。

図 2 が示すように、所定の距離で達成されるデータ レートには明らかに改善が見られます。これはさらに、その距離における各レートの信頼性とも綿密に相関しています。典型的な企業環境では、9.1 メートル(30 フィート)の距離での使用が一般的です。この距離では、4x4:3 のアーキテクチャは 1300 Mbps で動作しますが、3x3:3 では 975 Mbps を超えることはできません。

図 2 ClientLink 3.0 搭載 Cisco Aironet 3700 シリーズと他社のアクセス ポイント(3ss-256 QAM)とのカバレッジの比較

図 2 ClientLink 3.0 搭載 Cisco Aironet 3700 シリーズと他社のアクセス ポイント(3ss-256 QAM)とのカバレッジの比較


図 2 は、余剰の送信チェーンによる利得を示しています。Cisco Aironet 3700 シリーズは、7.6 メートル(25 フィート)までの範囲で 1300 Mbps を実現します(水平距離では 7.3 メートル(24 フィート))。高度な信号処理と RF の専門知識があれば、冗長性の余剰次元がたった 1 つでも、大幅な改善が可能であることがわかります。

表 1 に、図 2 の結果の概要を示します。企業で一般的なパーティション環境において、41 回の測定を行いました。Aironet 3700 シリーズの場合ではすべての測定回において 256-QAM を達成できたのに対し、他社のアクセス ポイントが達成したのは測定回数の 51 % にとどまりました(しかも 1300 Mbps を達成できたのは測定時間の 7 % にとどまりました)。

表 1 他社との比較結果の概要

変調 MCS データ レート 他社のアクセス ポイント
でのデータ レートあたりの接続割合
Cisco Aironet 3700 シリーズ
でのデータ レートあたりの接続割合
256-QAM m9 1300 7 % 85 %
256-QAM m8 1170 51 % 100 %


まとめ


3x3:3 アーキテクチャ(256-QAM)はピーク レート 1300 Mbps を提供しますが、それだけです。有用な距離でこのピークレートを実現するため、Cisco Aironet 3700 シリーズには、高度なエンジニアリングとカスタム シリコンが使用されています。これはシスコのような大規模ベンダーにしかできないことです。アップリンクでは、4 つの受信アンテナと最適化された MIMO イコライザによって、1300 Mbps の距離が 7.6 メートル(25 フィート)まで拡大します。さらに長距離でも、ダイバーシティの効果により、3x3:3 設計よりもはるかに高いパフォーマンスを提供できます。ダウンリンクのハードルはもう少し高く、送信チェーンの追加が必要なだけでなく、重要な距離でより高いレートを提供するには、さらに ClientLink、ClientLink 2.0、ClientLink 3.0 のようにクライアントに依存しないビームフォーミングも必要になります。こうした理由から、ClientLink 3.0 は High Density Experience(HDX)ソリューション スイートにおけるキー コンポーネントとなっています。

付録:MIMO および関連する性能強化技術の基礎知識


802.11n の改訂には、WLAN 距離、信頼性、スループットを大幅に改善する一連の新機能が盛り込まれています。これらの新機能のなかで最も重要なのは、複数データ ストリームの同時送信を可能にする多彩なMIMO(multiple-input multiple-output)技術です(図 3)。

図 3 MIMO システムの仕組み

図 3 MIMO システムの仕組み


MIMO は、多様な使用方法が可能な柔軟な技術です。トランスミッタまたはレシーバ、またはその両方の純粋なダイバーシティもあれば、純粋な空間多重化もあります。その中間に位置するのがダイバーシティと空間多重化の両方を提供するハイブリッド モードです。

純粋なトランスミッタ/レシーバ ダイバーシティでは、同じデータ ストリームが複数のアンテナで送受信されます。同じデータが複数のコピーとして送受信されるので、信号にエラーが生じる可能性は著しく低くなります。したがって、トランスミッタ/レシーバ ダイバーシティには、リンクの堅牢性の強化という利点があります。

純粋な空間多重化では、複数のデータ ストリームが同じ帯域で同時に送受信されます。送信されるデータはデータ ストリームごとに異なります。データ ストリーム数を N とすると、同じ周波数帯域の同じ期間におけるデータ スループットは N 倍になります。したがって、空間多重化には、データ スループットの増大という利点があります。

ハイブリッド MIMO モードは両方の利点を提供します。ダイバーシティと空間多重化を追加することで、リンクの堅牢性とデータ スループットの両方を改善します。ハイブリッド MIMO モードはデータ ストリーム数よりもトランシーバの数が多ければ実現できます。たとえば、2 台の 4x4 MIMO デバイス間で 2 つのデータ ストリームを送受信できます。

ただし、トランスミッタ ダイバーシティとハイブリッド モードで最大の効果を得るには、ベンダーが標準以上の機能を提供する必要があります。最も重要なテクノロジーは送信ビームフォーミングで、これに時空間ブロック符号化(STBC)と空間拡張が続きます。これらの各テクノロジーについて順番に説明します。

送信ビームフォーミング


同じデータの複数のコピーが複数の送信アンテナから送信される場合、データの複数コピーは、ワイヤレス チャネルを通過後、受信アンテナでは減衰も位相も異なったものになります (位相は、+1 や -1 などの数字の記号で、さまざまな階調も備えたものだと考えてください)。これはデータの各コピーが異なるアンテナから放射され、受信アンテナへのパスを通過する際に異なる壁や備品で反射されるためです。同じ減衰で 1 つの場所に到達する 2 つのパスがあり、それらの位相が逆である場合、各パスは打ち消しあうので、その場所は信号受信には適しません。

この問題を克服しようとすることで、新しい手法が生まれます。各データ ストリームの位相がわかれば、送信アンテナで事前に位相を補正することで、データの複数のコピーを受信アンテナで同じ位相にすることができます。打ち消しあうのではなく、相互に加算結合されます。このように、データのコピーが受信アンテナに同相で到達するように位相を事前補正する手法を送信ビームフォーミングといいます。

送信ビームフォーミングによって、受信アンテナに到達するデータの複数のコピーは、同相で加算され、最大限に強化されます。その結果、受信アンテナでの信号品質が大幅に改善されます。送信ビームフォーミングは与えられたワイヤレス リンクを受け入れるだけでなく、変更して改善するのです。

送信ビームフォーミングには、送信チェーンと受信チェーンの間の位相(多くの場合減衰も)の情報、つまりチャネル情報が必要です。802.11n の改訂では、この情報を得るための 3 つの方法が導入されています。そのうち 2 つはクライアントハードウェアによるサポートに依存し、1 つはあらゆるクライアントで機能します。802.11ac の改訂では、クライアント ハードウェアのサポートに依存する方法が 1 つだけ規定されています。

802.11n の標準ベースのビームフォーミング


標準ベースのビームフォーミングには明示的ビームフォーミングと暗示的ビームフォーミングの 2 種類があります。

明示的ビームフォーミングでは、ワイヤレス チャネルについての情報がレシーバによってトランスミッタにフィードバックされます。レシーバがワイヤレス チャネルを測定できるようにするために、まずトランスミッタが特別なサウンディング パケットをすべての送信アンテナから送信します。レシーバは各受信アンテナでサウンディング パケットを検証し、ワイヤレス チャネルの情報を取り出して、トランスミッタに送信します。

明示的ビームフォーミングは 802.11n に定義されているオプション モードで、クライアント(レシーバ)によるサポートを必要とします。また、チャネル サウンディング プロトコルによりある程度のオーバーヘッドが生じます。それでも、明示的ビームフォーミングはすべての送信チェーンからすべての受信チェーンへのチャネル全体について、最も正確な情報を提供します。使用可能であれば、この手法を使用することが賢明です。

暗示的ビームフォーミングはサウンディング パケットの送信を必要としません。その代わり、Wi-Fi システムの特性であるチャネルの対称性や相互関係を使用してチャネル情報を取得します。アクセス ポイントでは送信チェーンと受信チェーンが同じアンテナ集合を共有するので、アクセス ポイントは、クライアントからアップリンク信号を受信すると、クライアントの送信チェーンからアクセス ポイントの受信チェーンまでのチャネル情報を抽出します。さらに、チャネルの相互関係により、同じチャネル情報をダウンリンクの送信ビームフォーミングにも同等に適用できます。

標準ベースの暗示的ビームフォーミングには、次の 2 つの問題に対処するために機能が追加されます。まず、暗示的ビームフォーミングが最も確実に機能するのは、MIMO クライアントがそのすべてのアンテナから送信する場合ですが、常にそうであるとは限りません。クライアントが少ないアンテナから送信する場合、アクセス ポイントはワイヤレス チャネルを完全には測定できず、ビームフォーミングの利得を最大化できません。第二に、暗示的ビームフォーミングは、デバイスの送信ハードウェアと受信ハードウェアが十分に一致していることを必要とします。実装によっては、製造時に対応できる場合も、現場での較正で対応できる場合もあります。最悪の場合にはクライアントによる無線での支援が必要となります。こうした理由から、802.11n では、最適なハードウェア モードが定められています。

  • クライアントは、追加の送信チェーンが実際のデータ送信に使用されない場合も、その追加の送信チェーンからサウンディング情報を追加送信できます。このモードがサポートされている場合、オーバーヘッドは非常に小さくなります。
  • クライアントはアクセス ポイントのキャリブレーションを支援できます。

802.11ac 向け標準ベース ビームフォーミング


理論上は、複数のアンテナを搭載しているデバイスは、いつでも他の任意のデバイスへのビームフォーミングが可能です。802.11ac では、レシーバのサポートによって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、ビームフォーミングを行うトランスミッタが、送信エネルギーをレシーバに合わせて正確に調整できるようにします。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、以下に示すように、802.11n の明示的圧縮ビームフォーミング フィードバック(ECBF)プロトコルにほぼ(完全にではありません)従います。

デバイスが Very High Throughput(VHT)Null Data Packet(NDP)Announcement フレームを送信します。ここでいうデバイスは通常アクセス ポイントです(詳細については後述します)。このフレームは、アクセス ポイント(ビームフォーミングを行う側)と宛先のクライアント受信側(ビームフォーミングを受け取る側)のアドレスを含むためだけのものです。VHT NDP Announcement フレームのすぐ後には、宛先の受信側向けの VHT NDP が続きます。意図された受信側はそれぞれ、VHT NDP のプリアンブルを使用してアクセス ポイントからの RF チャネルを測定し、チャネルを圧縮します。意図された最初の受信側が、圧縮されたチャネル情報を VHT Compressed Beamforming フレームに含めて即座に応答します。他の受信側は、後でアクセス ポイントによってポーリングされたときに応答します。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。ただし、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。

ECBF は、トランスミッタおよびレシーバにおけるあらゆる欠点を考慮に入れた、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、ECBF はまた、VHT NDP Announcement フレーム、VHT NDP 自体、そして各受信側からの圧縮フィードバックを含むフレームにより、オーバーヘッドを大幅に増加させます。4 本のアンテナを搭載したアクセス ポイントでは、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。1 本のアンテナを搭載した 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場合、この時間を使ってさらに 13,000 バイトを送信できることを考えると、その影響は小さくありません。

また、複数のアンテナを搭載したすべてのデバイスがいつでも他のデバイスにビームフォーミングできるとはいっても、実際には、ECBF の効果には、宛先の受信側のアンテナの数がビームフォーミングを行うデバイスよりも少ない方が理想的であるという制限があります。多くのクライアント デバイスにはアンテナが 1 本しかないためアクセス ポイントへのビームフォーミングができず、複数のアンテナを搭載したクライアントであっても、通常はアクセス ポイントのアンテナ数の方が多いため、あまり良い条件とはいえません。

そのため、クライアント実装による制約を受けたりクライアントによる支援に依存したりせずにサウンディングの問題を解決するテクノロジー(シスコの ClientLink テクノロジーなど)が、真に付加価値をもたらす存在であり続けています。このようなテクノロジーは、(1)従来の 802.11a/n クライアント、(2)802.11ac サウンディングをサポートしていない 802.11ac クライアント、および(3)2.4 GHz のクライアントを支援します。また、標準ベースの明示的なサウンディングによるオーバーヘッドを回避することもできます。

Cisco ClientLink 3.0 のビームフォーミングのご紹介


802.11a/g クライアントは、明示的、暗示的のいずれの標準ベースのビームフォーミングもサポートできません。また、802.11n および 802.11ac クライアントも、その多くは標準ベースのビームフォーミングをサポートできません。そのため、包括的なソリューションの提供を目指すベンダーにとっては、どのようなクライアントでも機能するビームフォーミング モードを搭載することが重要になります。Cisco ClientLink および ClientLink 2.0 と同様、ClientLink 3.0 のビームフォーミングもまさにその機能を備えています。

ClientLink は、1 本のアンテナを搭載したクライアントや 1 空間ストリームを使用するクライアント向けに設計されています。アクセス ポイントは、クライアントが送信すればいつでも(たとえ 1 パケットでも)ワイヤレス チャネルを測定でき、その情報を使用して、クライアントへのデータ返送を最大限に強化します。複数のアンテナを搭載したクライアントの場合、ベンダーは ClientLink 2.0 および 3.0 のような革新的なテクノロジーを使用する 必要があります。ClientLink 2.0 および 3.0 は、1 本のアンテナを搭載したクライアントにも利点をもたらします。

そのため、ClientLink および ClientLink 2.0 の場合と同様、ClientLink 3.0 のビームフォーミングも機能向上を実現し、またあらゆる 802.11a/n/ac クライアントで機能します。標準ベースのビームフォーミングをサポートしていない 802.11ac クライアントも使用可能で、オーバーヘッドも生じません。

つまりビームフォーミングは、アンテナ数が少ないデバイスが逆相のフェージングに対して脆弱であるため、特に有用であるといえます。802.11n は多くの互換性のないビームフォーミングの特性を提供し、しかもそれらはクライアントによる支援を必要とするため、業界に重視されることはありませんでした。802.11ac では、標準化された方式を 1 つ規定することによって状況を改善していますが、これにはオーバーヘッドが伴います。したがって、ビーム フォーミングは、Cisco ClientLink 3.0(およびその前身)など、クライアントによる支援を必要としない技術を使用した場合に最も効果的です。こうした理由から、ClientLink 3.0 は High Density Experience(HDX)ソリューション スイートにおけるキー コンポーネントとなっています。

MIMO イコライゼーション


受信側でのテクノロジーの選択肢は非常に少なく、MIMO イコライゼーションしかありません。MIMO イコライゼーションは、送信ビームフォーミング、時空間ブロック符号化、空間拡張、性能改善の有無などにかかわらず、受信信号を最大限に有効利用できる包括的な手法です。MIMO イコライゼーションで利得の増大に最も効果的なのは、受信チェーンの数を増やすことです。ただし、利得が最大となるのは、余剰受信チェーンが 1 つの場合で、それ以上追加しても効果は減少していきます。したがって、3x3:3 のアクセス ポイントは、2 空間ストリームの受信に適した選択肢です。2x3:2 のアクセス ポイントも同様です。受信アンテナの数が同数であるため、その向上の程度は同等となります。