Wi-Fi6の主な特徴
Wi-Fiはその誕生以来、大きく進化してきました。 初期のIEEE 802.11規格は、2.4GHz帯で1Mbpsと2Mbpsの基本的なワイヤレス接続を導入しました。 その後リリースされたIEEE 802.11aや802.11bは、データ転送速度の向上を目指し、それぞれ5GHz帯で54Mbps、2.4GHz帯で11Mbpsを提供しました。 IEEE 802.11gは2.4GHz帯で動作し、最大54Mbpsの速度を達成することで、両方の長所を兼ね備えています。
IEEE 802.11nの登場は、Wi-Fiの進化における画期的な出来事でした。 この規格は2.4GHz帯と5GHz帯の両方で動作し、最大600Mbpsの速度を実現し、シームレスなマルチメディアストリーミングを可能にしました。 IEEE 802.11ac(Wi-Fi5)は性能をさらに向上させ、主に5GHz帯で1000Mbpsを超える速度を達成し、4Kビデオストリーミングを可能にしました。
最新の規格であるIEEE 802.11ax(Wi-Fi6)は、無線アクセス、アンテナ、省電力に進捗をもたらしました。 混雑した環境でもギガビットの速度を実現し、カバレッジを広げ、消費電力を削減しました。 しかし、Wi-Fi6が低消費電力の数値と高いデバイス密度でこのような高性能を実現しているのは事実であり、低消費電力IoTの採用候補として最適です。
Wi-Fi6が提供する比類なき無線性能は、IEEE 802.11ax規格によって実現された、さまざまな機能によるものです。 下図は、Wi-Fi6がサポートする主な機能の概要を示しています。 ただし、これらの機能の中には、バッテリー消費よりもデータ全体が優先されるような電力制約のないアプリケーションを主なターゲットとしているものもあるため、NordicのWi-Fiソリューションはこれらの機能のサブセットのみをサポートしています。 NordicのWi-FiソリューションがサポートするWi-Fi6の主な機能は以下のとおりです:
- 直行周波数分割多元接続(OFDMA)
- ビームフォーミング
- 長いシンボル期間
- ターゲットウェイクタイム
- BSSカラーリング
OFDMA
Wi-Fiは利用可能な周波数スペクトルをサブキャリアに分割する直交周波数分割多重(OFDM)として知られる、一般的な変調技術を使用しています。 サブキャリアの直交性は極めて重要な役割を果たし、干渉を引き起こすことなくサブキャリアをオーバーラップさせ、利用可能なスペクトルの使用を最適化します。 この直交性により、あるサブキャリアのピークと隣接するサブキャリアのヌルが一致し、互いに干渉することがありません。
しかし、1回のセグメントにつき、1人の ユーザーが特定のチャンネルの利用可能なサブキャリアをすべて占有します。 例えば、20MHzのWi-Fi5チャンネルでは、1人のユーザーがデータ伝送に利用可能な52のサブキャリアを使用します。
Wi-Fi6では、直行周波数分割多元接続(OFDMA)を導入することで、すでに利用可能な無線リソースをより効率的に利用することに焦点が移りました。 Wi-Fi6、より具体的には802.11ax規格では、利用可能なサブキャリアの下図も改善され、前バージョンの4倍に増加しました。
OFDMAは変調方式に周波数多重機能をもたせ、複数のユーザーを同時に使用できるようにします。 これはサブキャリアをリソース・ユニット(RU)にグループ化することで実現され、各ユーザーに1RUが割り当てられます。 RUの長さは可変で、最小は26サブキャリアです。
下の画像は、Wi-Fi2-5のOFDMとWi-Fi6のOFDMAによる周波数帯域の利用を示しています。 このように、OFDMAでは複数のユーザーが同じ時間セグメントを使用できるため、より多くの周波数帯域を使用できます。
Wi-Fi6におけるOFDMAの利点は以下のとおり:
- スペクトル効率の向上: 複数のデバイスが同時にデータを通信できるため、帯域幅の利用が最適化され、ネットワーク全体のパフォーマンスが向上します
- ネットワーク容量の向上: 複数のユーザーが同じリソースにアクセスできるため、サービス品質(QoS)を損なうことなく、より多くの同時接続が可能になります
- 待ち時間の短縮: パラレル送受信により、応答時間が短縮され、時間に敏感なアプリケーション の遅延が解消されます
長いシンボルガード間隔
前述したように、Wi-Fi6は同じチャンネル帯域幅のサブキャリア数を増やし、各サブキャリアの幅を狭くしています。 時間は周波数の逆数であるため、サブキャリアが狭くなるとシンボル時間が長くなります。 具体的には、Wi-Fi5の3.2μsからWi-Fi6の12.8μsに増加しました。
より長いシンボル持続時間により、Wi-Fi6はより長いシンボルガードインターバルを導入することができます。 ガードインターバルとは、連続するシンボル間でユーザーデータが送信されない時間のことです。 これはシンボル間のバッファとして機能し、シンボル間干渉を低減します。
このようなシンボル間の分離は、特に劣悪なマルチパス伝搬環境において鍵となります。 ガードタイムが長いということは、受信機がマルチパス伝搬によるビットエラーを受けにくいということであり、性能とカバレッジの向上に直結します。
BSSカラーリングと空間再利用
前のセクションでは、OFDMAがWi-Fi6のPHY層における多重アクセス・スキームとしてどのように機能し、異なるサブキャリア上での同時送信を可能にしているかを探りました。 次に、Wi-FiのMACサブレイヤで使用される多重アクセス方式、すなわちCSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)について説明します。
送信前に、Wi-Fi無線機はチャンネルが占有されているかどうかをチェックします。 チャンネルは、同じ基本サービスセット(BSS)内のデバイス、または隣接/重複するBSSのデバイスによって占有されている可能性があります。 チャンネルが占有されている場合、デバイスは再試行する前にしばらく待機します。 この方法では強豪が発生し、利用可能なリソースが充分に活用されない可能性があります。
Wi-Fi6は、BSSカラーリングと空間再利用を使用することでこれを解決しています。 簡単に言うと、BSSカラーリングとは、各BSSがWi-FiフレームのPHYヘッダーにカラー(6ビットフィールド)を追加することです。 デバイスがパケットを送信する前に、まずチャンネルを"感知"します。チャンネルが同じ色の送信によって占有されている場合、デバイスはこの送信が同じBSS内であることを認識し、送信せず降伏します。
しかし、空間再利用のため、デバイスが異なる色の送信でチャンネルが占有されていることを発見した場合、この送信は隣接/重複するBSSからのものであると理解します。 この送信の受信電力があるしきい値以下であれば、デバイスは関係なく送信を行います。 ネットワーク効率と性能の向上という点で、空間再利用のメリットは、比較的遠くにあるデバイスからの干渉によるパケットロスのわずかな確立を上回ります。
下の図では、オーバーラップしているBSS、つまり近くのAPやSTAか見えるサービスセットが見えます。 両方の基本サービスセットが同じチャンネ ルで動作している場合、CSMA/CAメカニズムは伝送に影響を及ぼします。
ビームフォーミング
ビームフォーミングとは、送信機のアンテナが特定のユーザーに向けて放射される信号を集中させ、そのユーザーのためのビームを形成する信号処理技術です。 これは、下図に示すように、従来の無指向性の放射パターンが球のように見えるのとは対照的です。
これにより、干渉の低減、信号品質と通信距離の向上、バッテリー寿命の延長など、ネットワーク性能に多くの利点がもたらされます。
ターゲットウェイクタイム
TWT(Target Wake Time)はWi-Fi6の最も重要な機能の1つであり、Wi-Fi6が低消費電力アプリケーションを実現する主な理由です。 ターゲットウェイクタイムは、Wi-FiデバイスがAPとスリープとウェイクアップの時間をネゴシエートすることを可能にします。
これは、レガシーWi-Fiで使用されている従来の省電力技術とは対照的で、デバイスはあらかじめ決められた間隔でウェイクアップし、APにメッセージをポーリングする必要があります。
ターゲットウェイクタイムとその他の省電力モードについては、別のドキュメントで詳しく説明します。