Wi-Fi 6 とは? [機能説明編]

【Wi-Fi 6 とは? [基本編]】でWi-Fi 6 (IEEE 802.11ax。以下、802.11axと表記) について基本的な概要を説明しました。今回の内容は、Wi-Fi 6 (802.11ax) の特長となる機能について説明します。

Wi-Fi 6 (802.11ax)の各種機能

Wi-Fi 6はこれまでの規格に比べて、「高速」、「高効率」、「省エネ」といった特長があります。

今回は、この特長を実現する以下の機能を説明します。

  • UL MU-MIMO
  • OFDMA
  • TWT
  • CCAの拡張

UL MU-MIMO

UL MU-MIMOは「Up Link Multi User-MIMO」のことで、802.11axから追加された新たなMIMO機能です。以下ではまずMIMO、SU/MU-MIMOについて説明します。

●MIMO (Multiple Input Multiple Output)
MIMOを使用することで、送信データを複数の信号(ストリーム)に分割し、複数のアンテナで同時伝送できます。従って、アンテナ数が多いほど無線通信の高速化が可能です。
802.11nのMIMO最大ストリーム数は「4x4」ですが、802.11ac Wave 2では「8x8」まで拡張可能です。

●SU-MIMO(Single User-MIMO)、MU-MIMO(Multi User-MIMO)
802.11ac Wave 1はSU-MIMO機能を搭載し、親機(AP)と端末(User)が1対1で通信する仕様ですが、802.11ac Wave 2では親機(AP)と複数端末(User)が同時に通信できるMU-MIMO機能が搭載されています。

  • SU-MIMO
    1つのUserがAPへのアクセスを確保してデータの送受信を行います。
  • MU-MIMO
    複数 Userの同時動作が可能となります。

●UL/DL MU-MIMO (Up Link/Down Link Multi User-MIMO)
上述したMU-MIMOですが、802.11acから追加されたダウンリンクに加え、802.11axではアップリンクによるマルチユーザ動作が新たに追加されました。

  • DL MU-MIMO
    APに関連付けられた複数のUserに対して同時にデータストリームを送信するモード。
  • UL MU-MIMO
    複数のUserがAPに同時にデータを送信するモード。

OFDMA

OFDMAは「Orthogonal Frequency Division Multiple Access」のことで、OFDMをベースにした無線通信⽅式の⼀種で、複数Userがサブキャリアを共有し、それぞれのUserにとって最も伝送効率のよいサブキャリアを割り当てる技術です。 OFDMでは、最小で20MHzの帯域まるごと1つのUserに割り当てる方式でした。

対して、OFDMAでは20MHzの帯域をさらに細分化し、サブキャリアを複数のUser毎に割り当てることが可能となります。

●OFDMAのメリット
OFDMAは前述したように、複数のUserがサブキャリアを共有することでより多くのユーザデータを同時に伝送できます。
同時多接続、同時伝送により、スマートホームなどつながるIoTの実現に期待できます。

TWT

TWTは「Target Wake Time」のことで、802.11axのAPはTWT機能を使用することで、伝送を行うUserとの調整(Wake up時間と通信頻度の交渉)を行い、個々のUserがAPにアクセスする時間を定義することができます。このTWTのふるまいは次に説明するように省電力化に期待できます。

●802.11ac 従来のAP-User間の通信
APから送信されるBeacon毎にWake up する。

●802.11ax TWTを用いたAP-User間の通信
TWTによる調整を行い、Wake up時間を事前にAPに通達。TWTによってUserは⾃⾝のSleep時間を増加させることにより、⻑時間のSleepが可能になり、消費電⼒改善に貢献します(Userは任意の時間でWake upするようにスケジュールを要求できます)。

CCA の拡張

CCAは「Clear Channel Assessment」のことで、キャリアセンスのことをIEEEの通信規格ではCCAと呼んでいます。
Wi-Fiでは、自端末が送信する前にCCAによって空きチャネル判定を行い、他の通信中の電波があれば待機し、その電波の通信終了を検知後さらに一定期間待機してから自端末が送信することができます。Wi-Fiを使用しデータを送信するには高密度環境であればあるほど難しいものとなってきます。

●高密度環境におけるWi-Fiの問題とCCAによる改善
複数のAPが密に配置されているケースの場合、1つのUserがMYBSSとOBSSの両方の信号を受信できるような高密度環境な状況が考えられます。(下図の User2)

  • BSS(Basic Service Set)
  • 1つのAPとそのAPの電波内にいる配下のUserで構成されるネットワークです。
  • MYBSS
  • 自Userが存在するBSSです。今回はUser2のことで、AP1+User1+User2でMYBSSを構成しています。
  • OBSS(Overlapping BSS)
  • MYBSSと同一チャネルで形成されたBSSです。同一チャネルで運用されているので、MYBSSの通信を阻害する存在になり得ます。

User2は「AP1-User1間が通信していない間」かつ、「AP2-User3間が通信していない間」(つまりMYBSSとOBSSの両方が通信していない状況)でしか送信できないことになります。
この状況を緩和するために提案されているのがカラーコードを利用し閾値を変化させる方法です。

●カラーコードの追加
MYBSSとOBSSを区別するため、802.11axではMACフレームにカラーコードと呼ばれるものが新たに追加されました。あるBSSに属するAPやUserは同一のカラーコードを使うという決まりになっており、受信した際にはそのカラーコードを見れば、それがMYBSSのものか、OBSSのものなのかが判断できます。
カラーコードを利用することで閾値の上げ下げを行うことができます。

カラーコードによりBSS判別を行うことで、MYBSSの閾値を低め(CCA-SDの設定)、OBSSからの信号は閾値を高め(OBSS-PDの設定)に設定することで、MYBSSの通信は阻害せずに、OBSSが通信していてもそれなりの通信を行えるようにします。

※CCA-ED:CCA Energy Detection
※CCA-SD:CCA Signal Detection
※OBSS-PD:OBSS Packet Detection

担当エンジニアからの一言

Wi-Fi 6 の各主要技術について説明を行いました。
Wi-Fi 6に採用されている技術は複雑で、完璧に理解することは難しいと思います。
ですが、この記事が少しでもWi-Fi 6の理解の手助けになればと思います。

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