Wi-Fi技術の進化

この規格は過去20年間、802.11n、802.11ac、802.11ax（Wi-Fi 6）などの新しいプロトコルを導入することで進化を続けてきた。新しい規格は、64 QAM、256 QAM、1024 QAM などの高次変調方式をサポートしています。これらの新しい規格は、単一のクライアントまたは複数のクライアントへの複数のデータ ストリームの同時送信をサポートしています。ピーク データ レートの増加に加えて、システムが利用可能なスペクトルをどれだけうまく利用しているかを示すスペクトル効率の向上にも取り組んでいます。ネットワーク効率とネットワーク容量を向上させるために、マルチ ユーザー マルチ ユーザ マルチ 入力マルチ ユーザ アウトプット (MU-MIMO) や直交周波数分割マルチ アクセス (OFDMA) などのマルチ ユーザ技術が導入されました。Wi-Fi (802.11) 規格がリリースされ実装されると、市場が開放され、新しい技術が登場し、世界は変化し始めました。新しい規格はそれぞれ、速度と信頼性の向上により、前の規格の上に構築されています。

Wi-Fi規格

新しい無線ネットワーク機器やモバイル機器の購入を検討している場合、多くの選択肢や略語に圧倒されるかもしれません。Wi-Fiが1997年に初めて消費者に提供されて以来、その規格は進化を続け、多くの場合、より高速な速度とネットワーク/スペクトル効率の向上をもたらしてきました。オリジナルの802.11規格に機能が追加されるにつれて、対応する補助規格（802.11b、802.11gなど）も知られるようになりました。表1は、さまざまな規格と、これらの規格に基づいて達成できる最大理論データレートを示しています。実際のレートは、距離による信号減衰、変調レートと前方誤り訂正符号化、帯域幅、MIMO乗数、ガードインターバル、および一般的なエラー率など、さまざまな要因により、理論値よりも低くなります。802.11ファミリーは、同じ基本プロトコルを使用する半二重無線変調技術のファミリーで構成されています。この記事では、各Wi-Fi規格の基本について説明します。

テーブル1Wi-Fiの歴史

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997は、このファミリーの最初の無線規格として1997年にリリースされましたが、現在は廃止されています。この規格は、衝突回避機能を備えたキャリアセンス多重アクセスプロトコル（CSMA/CA）ローカルエリアネットワーク（LAN）における、無線データ通信機器のプロトコルと互換性のある相互接続を定義しています。このプロトコルは、1Mbpsで動作する赤外線、1Mbpsおよびオプションで2Mbpsのデータレートをサポートする周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）、および1/2Mbpsのデータレートもサポートする直接シーケンススペクトラム拡散（DSSS）の3つの物理層技術をサポートしています。このプロトコルは、相互運用性の問題、コスト、および十分なスループットの不足により、広く普及しませんでした。

>> 802.11b standard

802.11b製品は1999年半ばに市場に登場しました。理論上の最大データレートは11Mbpsで、元の規格​​で定義されているCSMA/CAメディアアクセス方式と同じものを使用しています。802.11bのスループットが劇的に向上し、価格も大幅に下がったことで、802.11bは無線技術として広く受け入れられるようになりました。802.11bはISM非免許周波数帯である2.4～2.5GHzを使用し、DSSSの直接的な拡張であり、変調技術として相補符号鍵（CCK）を使用しています。802.11bは、アクセスポイントがアクセスポイントの範囲内のモバイルクライアントと通信するポイントツーマルチポイント構成で使用されます。

この範囲は、RF環境、出力電力、および受信機の感度に依存します。802.11bは22MHzのチャネル帯域幅を持ち、11Mbpsで動作できますが、エラーによるリプレイ率を下げるために5.5Mbps、2Mbps、および1Mbps（適応レート選択）にスケールダウンします[1]。802.11b規格は、他の無線規格と同じ周波数帯域幅を共有しています。そのため、電子レンジ、Bluetoothデバイス、コードレス電話などの家庭内の無線デバイスがWi-Fiに干渉する可能性があります。

>> 802.11a standard

802.11a は、元の規格​​と同じコア プロトコルを使用し、5 GHz で動作し、52 個のサブキャリア直交周波数分割多重 (OFDM) を使用し、理論上の最大データ レートは 54 Mbps で、実際のスループットは 20 Mbps になります。サポートされているその他のデータ レートには、6、9、12、18、24、36、48 Mbps があります。802.11a と 802.11b は、異なる非免許 ISM バンドで動作するため、相互運用できません。2.4 GHz バンドがますます混雑するにつれて、5 GHz バンドは 802.11a に大きな利点をもたらしますが、キャリア周波数が高いため、全体的な有効範囲は 802.11b/g よりも小さくなります。

802.11a 製品は、当初はコスト要因、カバレッジの悪さ、および 802.11b との非互換性のために広く受け入れられませんでした。52 個の OFDM サブキャリアのうち、48 個はデータに使用され、4 個はパイロットサブキャリアで、キャリア間隔は 312.5 kHz です。これらのサブキャリアはそれぞれ BPSK、QPSK、16 QAM、または 64 QAM にすることができます。チャネル帯域幅は 20 MHz、占有帯域幅は 16.6 MHz、シンボル持続時間は 4 マイクロ秒で、0.8 マイクロ秒のガードインターバルを含みます。OFDM の利点には、受信時のマルチパス効果の低減とスペクトル効率の向上が含まれます [2]。表 2 は、11a でサポートされているさまざまな変調方式とそれぞれの理論上のデータレートを示しています。

テーブル2802.11aの変調速度とデータレート、チャネル間隔20MHz

>> 802.11g standard

802.11gは2003年の夏に利用可能になりました。802.11aと同じOFDM技術を使用し、802.11aと同様に理論上の最大速度54Mbpsをサポートしますが、802.11bと同様に混雑した2.4GHz帯で動作するため、干渉やその他の要因の影響を受けやすいです。802.11gは802.11bとの下位互換性があります（つまり、802.11bデバイスは802.11gアクセスポイントに接続できます）。802.11gは、802.11aと802.11b/gを使用するデュアルバンドまたはデュアルモードアクセスポイントと互換性があります。

>> 802.11n standard

802.11nの導入により、Wi-Fiはより高速かつ信頼性の高いものになりました。この進歩は、物理層（PHY）にMIMOと40MHzチャネルを追加し、MAC層にフレーム集約を追加することで実現されました。MIMOは、マルチパス伝搬を利用するために複数の送信アンテナと受信アンテナを使用することで、無線リンクの容量を2倍にする手法です。これらのアンテナは空間的に分離する必要があり、各送信アンテナから各受信アンテナへの信号が異なる空間特性を持つようにすることで、受信側でこれらの信号ストリームを並列の独立したチャネルに分離できます。

40MHz帯域幅で動作するチャネルは、幅を2倍にすることで、単一の20MHzチャネルで2倍のPHYデータレートを実現できます。802.11nドラフトでは、最大4つの空間ストリームが使用可能で、理論上の最大スループットは600Mbpsです。

20 MHz チャネルには 56 個の OFDM サブキャリアがあり、52 個がデータ用、4 個がパイロット用で、キャリア間隔は 312.5 kHz です。これらのサブキャリアはそれぞれ BPSK、QPSK、16 QAM、または 64 QAM にすることができます。シンボルの合計持続時間は 3.6 マイクロ秒または 4 マイクロ秒で、それぞれ 0.4 マイクロ秒または 0.8 マイクロ秒のガードインターバルを含みます。表 3 は、単一のデータ ストリームのさまざまな変調および符号化方式を示しています (複数のデータ ストリームの場合、データ レートはストリーム数の倍数です)。802.11n はフレーム集約をサポートしており、複数の MAC サービス データ ユニット (MSDU) または MAC プロトコル データ ユニット (MPDU) をまとめてパックし、オーバーヘッドを削減して複数のフレームで平均化することで、ユーザ レベルのデータ レートを向上させます。さらに、802.11n は 802.11g、11b、および 11a と下位互換性があります [3]。 Qorvoは、パワーアンプ、低ノイズアンプ、スイッチ、統合型フロントエンドモジュール（FEM）など、802.11nコンポーネントの主要サプライヤーです。

テーブル3802.11n変調方式と単一データストリームのデータレート

>> 802.11ac standard

802.11ac は、802.11n の概念を拡張し、より広い帯域幅 (最大 160 MHz)、より多くの MIMO 空間ストリーム (最大 8)、ダウンリンク マルチユーザー MIMO (最大 4 クライアント)、高密度変調 (最大 256 QAM) を含めることで、ギガビット/秒を実現し、 Wi-Fi を高速化します。802.11ac は、3/4、5/6 の符号化率 (MCS8/9) で 256 QAM をサポートしており、より厳格な 6 dB システム レベル EVM (-34 dB) 要件が必要です。Qorvo の 11ac コンポーネントは、これらの EVM 要件を容易に満たします。802.11ac は 5 GHz 帯域でのみ動作するため、デュアルバンド アクセス ポイントとクライアントは、引き続き 2.4 GHz で 802.11n を使用します。 2013 年に最初にリリースされた 802.11ac は、80 MHz チャネルと最大 3 つの空間ストリームのみをサポートし、物理層で最大 1300 Mbps の速度を実現しました。第 2 波の製品 (802.11ac Wave 2) は 2015 年にリリースされ、より多くのチャネル ボンディング、より多くの空間ストリーム、および MU-MIMO をサポートしています。MU-MIMO は 802.11ac からの大きな進歩です。MIMO は複数のストリームを単一のユーザーに送信しますが、MU-MIMO は空間ストリームを複数のクライアントに同時に送信できるため、ネットワーク効率が向上します。さらに、802.11ac はビームフォーミングと呼ばれる技術を使用します。ビームフォーミングでは、基本的にアンテナが無線信号を特定のデバイスにビームします。802.11ac ルーターは 802.11b、11g、11a、および 11n との下位互換性があるため、すべてのレガシー クライアントは 802.11ac ルーターで正しく動作します [4]。

>>Wi-Fiを提供6 或 802.11ax規格

802.11ax は、802.11ac の強みを活かして無線容量と信頼性を向上させた第 6 世代の Wi-Fi です。802.11ax は、より高密度の変調 (1024 QAM、OFDMA) を適用し、サブキャリア間隔を縮小 (78.125 kHz)、スケジュールされたリソース割り当てに基づいてこれらの利点を実現します。802.11ac とは異なり、802.11ax は 2.4 GHz と 5 GHz のデュアルバンド技術であり、802.11a/g/n/ac クライアントと効率的に共存できるよう最大限の互換性を持つように設計されています。802.11ax は OFDMA を使用し、リソース ユニット (RU) がクライアントのニーズに基づいて帯域幅を分割し、複数のユーザーに同じエクスペリエンスをより高速で提供できるようにします。802.11ac の各 PLCP プロトコル データ ユニット (PPDU) のキャリア上の任意の時点で、Wi-Fi チャネルはより小さな OFDM サブチャネルのセットに分割されます。しかし、OFDMA（802.11ax）では、各サブキャリアグループがPPDUごとにリソースユニットとしてクライアントに割り当てられます（図2）。

图2 OFDMとOFDMAのリソース割り当ての比較

初期の 802.11 規格の CSMA/CA 方式では、無線クライアントはまずチャネルを検出し、チャネルがアイドル状態であると検出したときにのみ送信することで、衝突を回避しようとします。衝突を評価して回避するこの明確な方法は有用ですが、クライアントの数が非常に多くなると非効率になります。802.11ax プロトコルは、OFDMA とスケジューリングベースのリソース割り当てによってこの問題を解決します [5]。802.11ax アクセス ポイントはデバイスの動作タイミングを指示するため、クライアントをより効率的に処理できます。リソース スケジューリングは、スリープ タイム中の消費電力を大幅に削減し、クライアントのバッテリー寿命を向上させることもできます。表 4 は、802.11ac プロトコルと 802.11ax プロトコルの違いを示しています。Qorvo の幅広い 802.11ax 製品ポートフォリオには、2.4 GHz および 5 GHz (FEM) フィルタとバルク音響波 (BAW) フィルタが含まれています。このポートフォリオのエネルギー効率の高いFEMは、Wi-FiデバイスにおけるMIMOサポートに伴う熱負荷を軽減し、メーカーが製品サイズとコストを削減することを可能にします。QorvoのedgeBoost™（バンドエッジ）およびcoexBoost™（共存）BAWフィルタは、Wi-Fiサービスの品質を向上させ、隣接するLTE周波数への干渉を防ぎます。

テーブル4802.11ac vs. 802.11ax

この記事は「Qorvo著作権侵害やその他の問題がある場合は、削除いたしますのでご連絡ください。知的財産権の保護にご協力ください。転載の際は、出典と著者名を明記してください。