Allion Labs / Joe Lee

今日、身の回りの至る所で無線信号が使われています。無線ネットワークは、メールやデータ転送だけでなく、高品質のマルチメディア伝送、オンラインゲームなど、様々な使い方がされるようになってきており、無線技術のさらなる発展が期待されています。設立20周年を迎えたWi-Fi Allianceは、IEEE 802.11ax向けに、2019年9月新たなWi-Fi認証であるWi-Fi CERTIFIED 6™(Wi-Fi 6)を発表しました。これにより無線ネットワークは本格的に新しい時代に入り、現代社会の人々の無線ネットワークに対するニーズを満たして、より速く、安全性が高く、省エネとなった無線伝送が提供されます。

Wi-Fi Allianceは1999年に設立され、20年にわたる成長を続けてきました。Wi-Fi Allianceは、無線製品の品質と互換性のために、IEEE 802.11規格に基づいて多くの試験や認証を開発し、2018年末からはサポートする規格を「世代」によって命名する方式で分類しています。初期のWi-Fi CERTIFIED a/b/gでは11Mbps/54Mbpsだった伝送速度も、2019年Wi-Fi Allianceが発表した新しい第6世代のWi-Fi 6では9.6Gbpsをサポートし、さらには最新のセキュリティ規格を採用し、より安全性なネットワークへと進化しています。次の表は、Wi-Fiの各世代の伝送速度です。

IEEE Band(GHZ) Speed(Mbps) Since
802.11a 5 54 2000
802.11b 2.4 11 2000
802.11g 2.4 54 2003
802.11n(Wi-Fi 4) 2.4/5 72~600 2009
802.11ac(Wi-Fi 5) 5 433~3467 2014
802.11ax(Wi-Fi 6) 2.4/5 600~9608 2019

 

技術的に見ると、各世代のWi-Fiは異なる帯域、変調方式、セキュリティ規格などを使用し、その時点での最新の技術を取り入れています。各項目について次の表を用いて説明します。

図1:各世代のWi-Fi規格の比較

Wi-Fi 6最大の変革は、もとの第4世代、第5世代からの大幅な速度向上のほか、安全性の部分でも現在最高のセキュリティ規格であるWPA3を採用したこと、また長らくWi-Fi最大の課題であった電力消費の面についてもソリューションを打ち出したことです。現在、IoT製品は市場にあふれておりますが、Wi-Fi技術はIoTの世界に不可欠です。IoT製品はバッテリー駆動されることも多く、省電力がキーとなりあす。そこで、Wi-Fi 6は省電力のソリューションもサポートするようになりました。

次に、Wi-Fi 6のキーテクノロジーをご紹介します。

A. OFDMA (orthogonal frequency division multiple access)

以前のWi-FiはOFDM技術を使用していました。OFDMでは、1つのサブキャリアを1つの端末が占有し、1度に1台の端末しかデータ通信を行えませんでした。この方式では、ACKのように小さなデータを送る際にもサブキャリアを一定時間占有してしまうため非効率でした。特に、端末数が多い環境では、待ち時間も増え、全体的なスループットも下がってしまいました。そこで、OFDMAはこのような問題を解決するため、サブキャリアを分割し、使用する帯域に合わせて複数の端末に割り当てるようにしました。これにより、端末数が増えても待ち時間は大幅に短縮され、帯域の使用率もあがり、大幅な遅延や全体的なスループットの低下も防ぐことができます。

B. 1024 QAM (quadrature amplitude modulation)

直角位相振幅変調(QAM)は、搬送波に振幅変調を施す方式で信号を伝送するもので、802.11nでは64QAMを、802.11acでは256QAMを、Wi-Fi 6では1024QAMを使用しています。簡単に言えば、従来は一度に送れるビット数が8bitだったものが10bitになったということです。Wi-Fi 6は、1024QAMという技術の使用によってだけでも前世代と比べて速度を25パーセント向上することができました。

図2

 

C. MU-MIMO (Multi-user multiple input, multiple output)

MU-MIMOは、複数のアンテナをそれぞれ別の端末に向けて調整することで、同時に複数の端末への通信を可能とするものです。この技術は802.11acではMU-MIMOダウンリンクがサポートされました。ここでは、ダウンリンク(Downlink)で最大4空間ストリーム(4 Spatial Streams)までのサービス提供が可能となりました。Wi-Fi 6ではアップリンクもサポートし、最大で8端末の同時接続が可能となりました。

図3

 

D. TWT (Target wake time)

昨今、各種のIoT製品が広く人々に使用されていますが、これらはバッテリーで動作するものも多く、省電力であることもキーとなります。そこで、Wi-Fi 6では、新たな省電力機能TWT(Target Wake Time)をサポートしました。

これまでのパワーセーブモードでは、アクセスポイントと端末が同期していなかったため、アクセスポイントは端末がいつスリープモードに入ったかわかりませんでした。そして、アクセスポイント側のタイミングですべての端末を一斉にAwake(目覚めさせる)ため、スリープモードに入ったばかりの端末もAwakeさせらることもあり、効率的ではありませんでした。TWT技術ではアクセスポイントと端末が同期してAwakeのタイミングをスケジュールします。端末ごとにWake Timeを定義して、使用していないときは端末をスリープさせ、スケジュールされた時間にAwakeする(目覚めさせる)ことができます。次の図をご覧ください。アクセスポイントがBeaconメッセージ中にTW時間を設定し、端末ごとに異なるTW時間を定義します。例えば、近接センサーのTWは短く、温湿度検出器のTWは長くすることができます。TW時間が来るとTriggerメッセージを送信して装置をWake upし、稼働させます。事前にWake Timeがわかっているため、それまで、端末はスリープしていることができます。このような方法で有効に消費電力を抑えることができます。

図4:Wi-Fi 6のTWT技術

E. BSS Coloring

無線ネットワークでは、CSMA/CAが使用され、複数の端末が同時に通信を行わないように制御されています。アクセスポイントが密集しているような環境では、隣り合うアクセスポイントが同じチャネルを使用している場合、隣のアクセスポイントの通信がある場合もビジーと判断してしまっていまい、通信ができませんでした。そのため、混雑した環境では、スループットが上がらないという問題がありました。

BSS Coloringでは、アクセスポイントごとに違う色を設定し、隣り合うアクセスポイントが同じチャネルを使用していても、色を識別することにより、ほかのアクセスポイントの通信の影響を受けにくくするというものです。今日のように無線ネットワークがどこでも混雑している状況では、このようなメカニズムで干渉を減らし、伝送効率を向上させることが重要です。

図5:BBS Coloring概略図

Wi-Fi 6は前述のような新たな技術を導入することで、以前よりも伝送速度を上げ、リソースの使用においても効率化を図っています。また干渉への対応力も強く、電力管理による省エネメカニズムも備えています。このほかにも、Wi-Fi 6には下位互換性があり、802.11a/​b/​g/​n/​acといった従来のWi-Fi規格の通信も保証されています。このため、Wi-Fi 6の認証試験では、Wi-Fi 6だけでなく次の関連試験も実施する必要があります。すべてに合格することで、Wi-Fi 6対応製品であることを表示することができます。下図の小さな三角形はWi-Fi 5認証で実施が必要となる項目、大きな三角形はWi-Fi 6で実施が必要となる項目を表しています。

  1. Wi-Fi CERTIFIED™ n
  2. Wi-Fi CERTIFED™ ac
  3. Wi-Fi CERTIFED WPA3™
  4. Wi-Fi CERTIFIED Agile Multiband™ (MBO)
  5. Protected Management Frames (PMF)

図6:Wi-Fi 6 認証項目

アリオンは、多くのラボのなかでも、現在Wi-Fi Allianceが認定したWi-Fi 6の試験設備を3組保有する、もっとも設備の整ったラボであり、試験時間の効率も最も高くなっています。また、Wi-Fi協会の推進する試験はその他30項目ありますが、現在アジア地域の認定ラボのなかで全ての項目を完全に実施できるのはアリオンだけであり、試験実施能力では現在最高のラボと言えます。アリオンが貴社の製品のWi-Fi 6認証取得をサポートします。

Wi-Fi 6認証試験サービスについてご興味をお持ちの方は、お気軽にservice@allion.co.jp までお問い合わせください。

■参考リンク

Wi-Fi 6認証試験サービスについて: https://www.allion.co.jp/certification/wi-fi/