802.11n（無線LAN）の標準化動向（3）：600Mbpsを実現する物理層の仕組み（後編）

空間多重（MIMOの一種）技術の導入：
最大4空間ストリームまでの多重

前回にも説明したように、無線LANの高速化を実現する技術として最近、MIMO（Multiple Input Multiple Output、多入力多出力）が注目されているが、ここで、802.11nにおけるMIMOの位置づけを整理しておく。

802.11nの物理層で、300Mbpsや600Mbpsなどの高速な伝送速度を実現できるのは、40MHz帯域、サブキャリア数114本で構成されるOFDM信号（1つのOFDM信号の流れを802.11nでは、「空間ストリーム」という）を、複数本（2空間ストリームや4空間ストリームなど）多重化して伝送しているからである。

【1】802.11nにおけるMIMOの位置づけ：
重要な「空間ストリーム数」

一般的に、MIMOについては、広義の意味では、単純に送信側と受信側に複数のアンテナ（あるいは複数の送信器/受信器。モデムという場合もある）を設置して通信を行う場合をMIMOといっている。

一方、802.11nでいうMIMOの意味は、「空間ストリーム」（送信データの流れ）という考え方が重視され、各送信系統からのデータ・ストリームを空間上で多重することを意味している。

このため、802.11nの規格におけるMIMOとは、最大4空間ストリーム（4つのデータの流れ）までを空間上で多重する方式を指している。これの仕組みは、コンピュータのデータの流れの仕組みに例えれば、4ビット・パラレル（4本の並列信号）のバスをもつ通信路（チャネル）でデータをやり取りするケースに似ている。

【2】802.11nでは、空間ストリーム数が基準

例えば、2×2（送信側2、受信側2という意味）という場合、図2では、送信側のモデム〔1SS OFDM、SS: Spatial Stream (空間ストリーム) 〕が2個と、受信側のモデムが2個あるケースを示している。一方、図3では送信側のアンテナが2本で受信側のアンテナが2本というケースを示している。

図2 物理層の構成法（例：2ストリームの場合 モデムが2x2）(クリックで拡大)

図3 物理層の構成法（例：2ストリームの場合 アンテナが2x2）(クリックで拡大)

この例からわかるように、○×△という表現は、アンテナの本数を指すのか、モデムの台数を指すのか、曖昧性をもっている表現なのである。しかし、いずれのケースも2つのストリームを送受信するという意味では、根本的には同じものである。

そこで、802.11nでは、○×△と言う表現は一切使わずに、実装上の構成法の表現だけ、すなわち「空間ストリーム数」という、送信するデータの論理的な多重数（空間多重）という表現が使用される。

このような背景から、例えば図2では、物理層が2ストリーム構成の例を示しているが、この場合、モデムは2×2の構成であるが2×2とは呼ばないで、2空間ストリームという表現が用いられる。同じく図3では、アンテナは2×2の構成であるが2×2と呼ばないで、2空間ストリームという表現が用いられる。これは、言葉が混乱しないように注意が必要な重要な定義である。

【3】選択ダイバーシチの効果

図4は、物理層の特性を向上させるためにアンテナを4×4（送信側に4本、受信側に4本）にした場合である。すなわち、１つのモデムにアンテナを2本ずつ立てた構成となっている。これによって、選択ダイバーシチ（※3 用語解説）の効果が得られ、システムの特性を向上させることができることになる。

図4 物理層の特性を向上する方法（例：2ストリームの場合 アンテナが4x4）(クリックで拡大)

この場合、アンテナの本数が多いので、商品のキャッチフレーズとして、「4×4のMIMOを使用」という表現が使用されることが考えられる。しかし、実際の送信データは、2空間ストリームに分けて伝送されているので、その伝送速度は2空間ストリームの論理値以上に上がることはない。

すなわち、この場合、アンテナを増やすと通信品質の向上ができるメリットはあるとは言え、伝送速度が2倍と4倍とか向上することを意味していない。

【4】合成ダイバーシチの効果

図5は、アンテナではなく、図2のシステムに補助的なモデム（1SS OFDM）を1個増やし、3×3のモデムで構成したシステムである。このシステムは、図5上の2つのモデムが送ろうとしていたストリーム(1)とストリーム(2)の両方を、補助的モデムに追加して入れてやり、合成して送信する。

図5 物理層の特性を向上する方法（例：2ストリームの場合 3x3）(クリックで拡大)

受信側は合成された信号のストリームを受信するが、この方法は合成ダイバーシチといわれる。現在のところ、選択ダイバーシチよりも合成ダイバーシチのほうがよい特性を実現させている。

以上のように、802.11nの規格では、システムの構成法（アンテナ何本とか、モデム何台で構成するとか）を固定していないので、空中（エア）に出てくる電波に関して相互接続性が実現できるような規格が作られている。このため、802.11nのモデム（無線機）を作るメーカーの自由度が非常に高くなっている。したがって、単純に、見た目のアンテナの個数や、モデムの個数でMIMO的な表現をすると誤解を与える恐れがある。

極端な場合、この図5のシステムに、図4のような選択ダイバーシチの考え方を入れて各モデムに複数（2本）のアンテナを立てると、6×6のシステム（「6×6のMIMO」という表現が使用されるかもしれない）になるが、これは無線LANにおけるシステム性能の評価基準にはならないということである。

802.11nで600Mbpsが実現できる理由

【1】フレーム・フォーマットと周波数帯域の関係

次に、802.11a/gと802.11nのフレーム・フォーマット（前回のレポートの図3参照） と周波数帯域（ドメイン）との組み合わせを表1に示す。表1に示すように、レガシーの802.11a/gは、最大伝送速度54Mbps、空間ストリーム数は1空間ストリーム、周波数帯域は20MHz、ガード・インターバルは規格上必須となっている800ns（ナノ秒）となっている。

表1 フレーム・フォーマットと周波数帯域（ドメイン）との組み合わせ(クリックで拡大)

＜1＞1空間ストリーム、20MHz、800ns（ナノ秒）の場合

802.11nの場合は、同じ1空間ストリーム、20MHz、800ns（ナノ秒）でも最大伝送速度は65 Mbpsと高速となっている。この理由は、前述したようにサブキャリアの数が52本から56本に増えたこと、誤り訂正の符号化効率が改善されたことなどがあげられる。

＜2＞ガード・インターバルが400nsの場合

さらに、ガード・インターバルを必須の800nsからその半分の400ns（オプション）に減らしたことで72Mbpsまで高速化できる。

また、11nでは、新しい誤り訂正符号化率が導入され、今までの3/4から5/6（この値が1に近づくほど冗長性がなくなり、誤り訂正としては弱くなるものの通信速度は向上する）が定義されている。これらサブキャリアの増加、ガードインターバルの変更、そして新しい符号化率の導入による細かいパラメータの変更によって、同じ20MHz帯域で信号処理しているOFDMにもかかわらず、54Mbps の約1.5倍の高速化が実現されている。

＜3＞空間ストリーム数を増大させて600Mbpsを実現

次に、帯域を20MHzから40MHzに増やすと、前述したように、サブキャリアが2本分増えていることなどを含めて、150Mbpsまで高速化が実現される。さらに、空間ストリーム数を2倍（2空間ストリーム）、3倍（3空間ストリーム）、4倍（4空間ストリーム）としていくと、最大600 Mbpsまでの高速化が可能になる。

【2】200Mbpsを実現するだけでも28通りの方法がある

以上、見てきたように、802.11nでは、システムを実現するために非常に多くのパラメータ（変数）があるため、例えば200Mbps（±10％）の伝送速度を2空間ストリーム、40MHz幅で実現する場合は、表2に示すような4通りの組み合わせが考えられる。

表2 例：伝送速度200Mbps（±10％）を、2ストリーム、40MHz幅でシステムを実現する場合の4通りの方法(クリックで拡大)

さらに、表2に示した4通りのほか、200Mbps（±10％）の伝送速度を実現するには、3空間ストリーム/20MHz幅の場合に2通り、3空間ストリーム/40MHz幅の場合に8通り、4空間ストリーム/20MHHz幅の場合に5通り、4空間ストリーム/40MHz幅の場合に9通りある。

このため、200Mbps（±10％）の伝送速度を実現する場合だけでも、実に28通りの実現方法がある。これらの中からどのようなものを実装していくかが、無線LAN業界としての課題のひとつとなっている。

【3】802.11nの伝送距離は定義されない

また、802.11nはシステムの構成法によって、かなり伝送距離が変わってくるため、最大伝送距離については、規格の中に表記されていない。標準化のPHYの仕様化の目的は、空間上の波形を送信器の基本機能を定義することで仕様化することである。

当然、方式選定の中で伝送距離などは議論されるが、仕様の中に明示されることはない。40MHz幅で空間ストリームを少なくし（例：1空間ストリーム）、符号化率を1/2程度とし、BPSK（Binary Phase Shift Keying、2相位相変調）の変調方式などの条件の場合が、最も遠くまで電波を飛ばすことができる。

以上のように、802.11nは802.11a/gなどとかなり異なった規格となっており、標準でありながら、メーカーの実装方法によって伝送速度や伝送距離がかなり変わってくるというのも大きな特徴である。

次回は、802.11nのMAC（Media Access Control、媒体アクセス制御）について解説する。