11nの10倍以上！ 次世代無線LANの802.11acとは？：解剖！ ギガビット無線LAN最新動向（1）（2/2 ページ）
スマートフォンの急速な普及に応えようと、モバイルネットワークでもいくつか新しい技術革新が起こっています。その1つが、ギガビットイーサネットを視野に入れた新しい無線LAN規格、802.11acです。その仕様はどんなものなのか、解説します。
802.11acと802.11nの違い
まず11acの物理層での主要機能を以下にまとめてみます（表1）。11acでの拡張機能のほとんどが物理層の機能となっているため、ここでも物理層を中心に解説していきます。
| 機能 | 必須項目 | オプション |
|---|---|---|
| チャネル幅 | 20、40、80MHz | 80+80、160MHz |
| 変調方式、符号化 | MCS0-7（BPSK、QPSK、16-QAM、1/2、2/3、3/4、5/6） | MCS8、9（256-QAM、3/4、5/6） |
| 空間ストリーム数 | 1 | 2-8 |
| ガードインターバル | 800nsec | 400nsec |
| Beamforming feedback | - | Beamforming soundingへの応答 |
| Space-time block coding（STBC） | - | STBC送受信可 |
| 誤り訂正符号 | 畳み込み | LDPC |
| MU-MIMO | - | クライアント当たり最大4空間ストリーム |
11nを理解されている方であれば馴染み深いものが多く、MU-MIMO（MU＝マルチ・ユーザー）も、名前からどういうものか想像できそうですね。
実は11acの機能の多くは、11nの機能の拡張機能となっています。従って、11nをしっかり理解していれば11acの理解はそれほど難しくはありません。11nについてまだ知らない方は、この機会にぜひ、改めて11nを学んでみてください。
11acの必須機能（80MHz帯域幅、1 SS、MCS7（64QAM、5/6 Coding）、Long Guard Interval）で実現可能な最大無線（PHY）レートは293Mbpsとなっています。オプション項目も含めた最大無線（PHY）レートは約6.9Gbpsとなります。11nでは600Mbpsだったことを考えると、11acではその10倍以上のスループットが見込まれています。
それでは、11acで使われるテクノロジーについて少し詳しくみていきましょう。ここでは、11nで馴染みのあるテクノロジーから順に紹介していきたいと思います。
余談ですが、IEEEでは、11acのことをVHT（Very High Throughput）、11nのことをHT（High Throughput）、11nより前の規格をnon-HT（non High Throughput）と呼んでいます。知っておくと便利です。
チャネル割り当て
日本で使うことができる11acのチャネルは、11a/nの5GHz帯と同じで以下の通りです。2007年に5GHz帯の利用可能チャネルが大幅に増えましたが、11acで使用可能な最大チャネル幅160MHzを連続で確保できるのはわずかに2つだけです（図1）。
チャネル幅の拡張（チャネルボンディング）
11a、11n、11acではOFDMと呼ばれる変調方式を使っています。OFDMではデータを複数の搬送波（サブキャリア）に乗せて送ります。従って、このサブキャリアの数が増えれば増えるほど、一度に送信できるデータが増加します。
11aでは1チャネル20MHz幅で、その20MHzの中に52本のサブキャリアを持っていました（データ用は48本）。11nでは同じ20MHzの中に56本のサブキャリア（データ用は52本）を配置して高速化を実現しました。さらに11nでは、2つのチャネルを1つにまとめて40MHzを1チャネルとして扱うチャネルボンディングという機能を実装しました。
40MHzのチャネルの中には、114（データ用は108個）のサブキャリアを持っています。20MHzの2倍より多い理由は、20MHzで使用できなかったセンター周波数が2つの20MHzをまとめた際に利用できるようになっているからです（114＝56×2＋2）。
11acでは、このチャネルボンディングの機能を使い、最大160MHzのチャネル幅を使うことが可能となっています。また、表1にある80＋80というのは、160MHzのチャネル幅を連続して確保できない場合に、2つの80MHzのチャネル幅（例えば、36-48Chと116-128Ch）を1つの160MHz幅と見立てて利用することを意味します。ただし、80MHz幅は連続する必要があります。80MHzの中のサブキャリア数は242本（データ用は234本）、160MHzは80MHzが2つ並ぶだけになるので、その倍の484本（データ用は468本）となっています。
サブキャリア数とデータ用サブキャリア数が異なる理由は、サブキャリアの中にはデータ用の他に、パイロット・サブキャリアと呼ばれるものが含まれているからです。パイロット・サブキャリアは、OFDM信号の復調時の同期性能を向上するためのシンボル信号で、データ送信には利用できません。各チャネル幅のサブキャリア数、データ用サブキャリア数は以下の図2の通りです。
11nの20MHzと比較した11acのデータ用サブキャリア数は以下の用になります。この数の違いは、そのままスループットに影響しています。
- 11ac 40MHz：108／52＝2.07倍
- 11ac 80MHz：234／52＝4.50倍
- 11ac 160MHz：484／52＝9.31倍
変調方式の効率化
先に説明した通り、11acではOFDM変調方式を使います。これは11a/nと変わりありませんが、サブキャリアの変調方式の部分で少し機能が拡張されています。
無線LANの変調方式は使われる環境によって変わりますが、11nではもっとも理想的な環境で64QAMと呼ばれる変調方式を使っています。64QAM（2^6＝64）では、各サブキャリアが1シンボルで6bitを送信可能です。
11acでは、さらに効率のよい256QAM（2^8=256）を使用することが可能となります。この場合、各サブキャリアが8bitを送信可能となっています。
符号化率
OFDM変調では、干渉などによる符号誤りへの対策として、誤り訂正符号化と組み合わせて用いられるのが一般的です。符号化率とは、誤り訂正符号化をする時の出力ビット数に対する入力ビット数の割合のことを意味します。符号化率3/4であれば、3ビットの入力情報に対して、誤り訂正符号化後に4ビットの情報が出力されます。こちらは11nと11acでの違いはなく、最も効率のよいケースで5/6の符号化率となっています。
ガードインターバル
マルチパス遅延による干渉を軽減するために挿入されるインターバル時間を、ガード・インターバル（以下、GI）と言います。マルチパス遅延の4倍程度のGIがよいとされており、11a策定時は、マルチパス遅延は約200ナノ秒（ns）と見積もり、GIは800nsとしていました。
しかし、実際には屋内では100ns以下のマルチパス遅延が多かったため、11nからは、オプションで400nsも使用できるようになりました。これにより、11％程度のスループット向上が期待されます。11acでも11nと同様、オプションで400nsの使用が可能です。
空間ストリーム数の増加
11acでは、11nと同様にMIMO（Multiple Input Multiple Output）テクノロジーが使われています。11nでは最大4ストリームでしたが、11acでは最大8ストリームを使うことが可能になります。ストリーム数の増加はそのままスループットの増加につながるため、8ストリームは4ストリームの時の倍のスループットが期待されます。
ただし、アンテナ数を超えるストリーム数は使用できないため、8ストリームを使用したい場合は、受信側、送信側ともに8本のアンテナが必要になります。ノートPCやスマートフォンに8本のアンテナを実装することは現時点では現実的ではありませんが、アクセスポイントやセットトップボックス、専用機であれば十分実装可能です。
また、空間ストリームは英語で「Spatial Stream」と言うため、ストリーム数のことを略して1×SS、2×SSのように記載します。
MIMOについては、次回、MU-MIMOとともに詳しく解説したいと思います。
STBC（Space-time block code）、LDPC（Low Density Parity Check）
STBCとはストリーム数より多いアンテナを使って送信することで、受信信号の品質を高めることが可能です。STBCは11nで出てきた機能で、11acで大きな違いはありません。細かくみると、11nでは2×1、4×2、3×2、4×3が定義されていましたが、11acでは2×1、4×2、6×3、8×4のみとなります（左側の数字はSpace-Time Streamの数、右側の数字はSpatial Streamの数を意味しています）。
LDPCは、最も効率のよい誤り訂正符号のことで、11nから必須の畳み込み符号（Convolutional code）以外に、オプションでLDPCを使うことが可能になっています。こちらも11n、11acで大きな違いはありません。
MCS（Modulation and Coding Scheme）
MCSとは変調方式、符号化率などの組み合わせをIndex化したものです。11nでは、77段階に分けることで、ストリーム数の違いなども含めた全てのパターンをIndex分けしていました。11acではこれを簡素化し、MCSは0〜9の10段階とし、MCS、チャネル幅、ストリーム数の組み合わせで無線PHYレートが決定されるようになりました。以下がMCS値と無線PHYレートの対応表です。
ここまでで、11acの主要機能についてはほとんど紹介が終わりました。次回は11acでの一番大きな追加機能であるMU-MIMOを中心に紹介したいと思います。
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.