IEEE802.11ac

MCSインデックス（IEEE802.11ac）

MCS Index	変調方式	符号化率	ボンディング幅（上）とストリーム数（下）
			20MHz				40MHz				80MHz				160MHz
			1	2	4	8	1	2	4	8	1	2	4	8	1	2	4	8
0	BPSK	1/2	7.2	14.4	28.9	57.8	15	30	60	120	32.5	65	130	260	65	130	260	520
1	QPSK	1/2	14.4	28.9	57.8	115.6	30	60	120	240	65	130	260	520	130	260	520	1040
2	QPSK	3/4	21.7	43.3	86.7	173.3	45	90	180	360	97.5	195	390	780	195	390	780	1560
3	16QAM	1/2	28.9	57.8	115.6	231.1	60	120	240	480	130	260	520	1040	260	520	1040	2080
4	16QAM	3/4	43.3	86.7	173.3	346.7	90	180	360	720	195	390	780	1560	390	780	1560	3120
5	64QAM	2/3	57.8	115.6	231.1	462.2	120	240	480	960	260	520	1040	2080	520	1040	2080	4160
6	64QAM	3/4	65	130	260	520	135	270	540	1080	292.5	585	1170	2340	585	1170	2340	4680
7	64QAM	5/6	72.2	144.4	288.9	577.8	150	300	600	1200	325	650	1300	2600	650	1300	2600	5200
8	256QAM	3/4	86.7	173.3	346.7	693.3	180	360	720	1440	390	780	1560	3120	780	1560	3120	6240
9	256QAM	5/6	-	-	-	-	200	400	800	1600	433.3	866.7	1733.3	3466.7	866.7	1733.3	3466.7	6933.3

IEEE802.11acで導入された新技術

主に物理層の新技術は伝送の高速化、MAC層の新技術は伝送の効率化を実現している。

対応レイヤー	新技術
11acMAC層  無線チャネルに対するアクセスを制御する機能ブロック。 伝送効率改善を実現	フレーム集約 フレームを束ねてオーバーヘッドを減らし、転送効率を向上	MU-MIMO アクセスポイントから最大4台の端末への下り伝送について、空間多重伝送を実現
	ブロックACK ACKを束ねて制御オーバーヘッドを減らし、転送効率を向上
11ac物理層  無線信号伝送を受け持つ機能ブロック。 伝送速度の高速化や高品質化を実現	伝送帯域幅の拡大 伝送用の周波数帯域を広げ、信号を運ぶサブキャリアの本数を増やす
	変調多値数の増加 1個の信号（シンボル）で送れるビット数を増やす
	空間多重数の増加 同時に伝送できるデータ数を増やす（SU-MIMO）

伝送帯域幅の拡大

11n規格で定義するチャネルは40MHz幅まで。データに使うサブキャリアの本数は108本。

11ac規格では新たに、80MHz幅と160MHz幅のチャネルを定義。サブキャリアの本数はそれぞれ234本と468本。11nと比べて最大伝送速度は2.17倍、4.33倍へ拡大。

隣接チャネルとの干渉を避けるため「ガードバンド」にもサブキャリアを配置し、帯域幅の拡大以上の高速化を実現。

11ac規格では、周波数軸上で不連続な2つの80MHzチャネル「80+80MHzチャネル」を規定。これを束ねて160MHz幅チャネルとして利用する「不連続周波数送信モード」を定義した。80+80MHzチャネルと通常の160MHzチャネルの違いは、周波数チャネルの連続性のみ。（サブキャリアの本数が同数なので伝送速度も同じ。）

空間多重数の増加

複数の送信アンテナから独立した情報を同時に、同一周波数で伝送する技術が空間多重伝送。

11nでは4空間多重まで。11acでは5～8空間多重を新たに規定。

最大多重数で比較すると伝送速度は2倍。

変調多値数の増加

11nの最大既定はOFDM信号の1サブキャリアを割り当てる「64QAM」まで。

11acでは新たに「256QAM」まで使用可能。約1.3倍の伝送速度拡大。

256QAMは64QAMに比べて信号点間の物理的距離が短くなり、雑音や干渉に対する耐性が相対的に弱くなるため、伝送距離が短くなる。

802.11無線LANでは、無線フレームごとに変調多値数を変えれれるため、伝搬環境に応じた最適な変調多値数を選べる。

MU-MIMO

＜SU-MIMOの伝送原理＞

SU-MIMOは、複数のアンテナで同時に信号を送り、受信側のデジタル信号処理で元の信号に分離する技術。

無線フレームのヘッダー部にある既知のビット列（HT-LTF、VHT-LTF）から推定した伝達係数を基に、混信した信号を元の信号に分離する。

上図の場合、T1、T2から受信局のアンテナR1、R2までの4つの伝搬路の状態は、h11（T1→R1）、h12（T2→R1）、h21（T1→R2）、h22（T2→R2）という4つの係数で表すことができる。

この場合、アンテナR1、R2に届く信号r1、r2は以下となる。

r1=h11・s1+h12・s2

r2=h21・s1+h22・s2

4つの係数を推定できれば、連立方程式を解くことで送信信号s1、s2が求まる。

＜MU-MIMOの伝送原理＞

MU-MIMOは、受信側で干渉となる混信信号がうまくキャンセルされるように、送信側で信号の位相や振幅を調整してから送信する。

上図のように2つの送信アンテナから放射される信号が「信号レベルが同一」かつ「互いに逆位相」という状態で受信アンテナに到達するように送信側で信号の位相・振幅をうまく調整しておく。（AP側の送信信号事前処理のことを「送信ビームフォーミング」と呼ぶ。）

送信ビームフォーミングは、伝搬路状態に応じて送信信号の位相・振幅を調整し、特定の場所に対してピンポイントで受信感度を調整する技術。

チャネル状態を正確に測定するため、11ac規格ではCSIフィードバックを規定。

CSI（Channel State Information）フィードバックは、APから端末へと向かう伝送路の状態を調べる仕組み。

APはNDP（Null Data Packet）を端末に送信、NDPのビット列は端末側が既知のため、伝搬路状態を推定することができる。端末はその推定結果をAPに返す。

＜MU-MIMOで端末を管理する仕組み＞

MU-MIMOでは、グループID（GID）という識別情報を使い、受信対象かどうか、空間多重数はいくつか、といった情報を端末ごとに管理している。

APが各端末にフレームを伝送する際に、無線フレームのヘッダー部分にGIDを格納する。

フレームを受信した端末は、GIDを見て自身宛てかどうかを判断する。

フレーム集約

802.11規格から11a/b/g規格までは、イーサネットフレームのペイロード部分（最大1500オクテット）をそのまま格納。11n/ac規格では、1つの無線フレームに多数のイーサネットフレームを格納してデータ長を拡大し、ヘッダーやフレーム間ギャップのオーバーヘッドを減らして伝送効率を改善する仕様「フレーム集約（フレームアグリゲーション）」を導入。

上図のように1個のIPパケットは「MSDU」という単位に入れられ、さらに複数のMSDUを、無線区間上の再送単位となる「MPDU」というデータにまとめる。

MSDUを多く束ねればオーバーヘッドを減らせるが、誤り発生時の再送データ量は増える。

MPDUをさらに「A-MPDU」という単位に束ね、これに無線フレームヘッダーを付けたものが1個の無線LANフレームとなる。

11n/acのA-MPDUは、ACKを集約してオーバーヘッドを減らす「ブロックACK」の利用を前提としている。

下図のようにヘッダーやフレーム間ギャップ、ACKフレームの送信といったオーバーヘッドが削減され、伝送効率が大幅に向上する。

MU-MIMOもACKやフレーム間ギャップを減らし、伝送効率を向上させる効果がある。

802.11a/n/acの仕様とスループットの比較

必須仕様だけで比較すると802.11acは11nの約3倍程度だが、オプション仕様での最大値を見ると11acはケタ違いの速さとなる。

	802.11a		802.11n		802.11ac
	必須仕様	オプション仕様	必須仕様	オプション仕様	必須仕様	オプション仕様
伝送帯域幅	20MHz	(規定なし)	20MHz	40MHz	20MHz, 40MHz, 80MHz	160MHz, 80+80MHz
空間多重数	(規定なし)		1	2,3,4	1	2,3,4,5,6,7,8
変調方式	BPSK, QPSK, 16QAM	64QAM	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	(規定なし)	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	256QAM
誤り訂正符号化率(R)	1/2	2/3, 3/4	1/2, 2/3, 3/4, 5/6	(規定なし)	1/2, 2/3, 3/4, 5/6	(規定なし)
ガードインターバル長	800ナノ秒	(規定なし)	800ナノ秒	400ナノ秒	800ナノ秒	400ナノ秒
A-MPDUの最大サイズ(オクテット)	(規定なし)		8192	6万5535	8192	104万8575
物理層での最大伝送速度	24Mビット/秒	54Mビット/秒	65Mビット/秒	600Mビット/秒	292.5Mビット/秒	6.933Gビット/秒

既存規格との共存技術

802.11規格では、各端末が「CSMA/CA」により自律分散的に動作しチャネルを使い分ける。「CSMA/CA」では送信権を得る端末がランダムに決まるため、フレームの受信を始めるまで、11a/n/acのどの規格なのか事前にわからない。

そこで、フレームの種類をヘッダーの先頭部分にある情報から判定している。

＜11a/n/ac規格の無線フレームフォーマット＞

先頭にある「L-STF」と「L-LTF」の2つのフィールドは、11a/n/acすべてに共通となるよう、11a規格のフォーマットで統一している。「L」は11a、「HT」は11n、「VHT」は11acを意味する。

＜受信したフレームが11a/n/acのどれかを判定する手順＞

最初の絞り込みでは、まずL-SIGフィールドを見る。11n/acでは「BPSK、R=1/2」に設定したダミー情報が使われているため、そうでない場合は11aと判断できる。ただし、11aでも「BPSK、R=1/2」を使っている可能性が残されている。そこで、続く２つのシンボル（1個分の信号）でBPSKと「Q-BPSK」という特殊な変調方式を組み合わせ、11a（BPSK、R=1/2）、11n、11acを識別できるようにしている。

＜既存規格と同一チャネルで共存する仕組み＞

11n/ac規格では、送信側で伝送帯域幅の決定を簡単に行えるよう、段階的なチャネル幅設定の仕組みを取り入れている。

まずAPと端末間で最大帯域幅を決めたうえで、通信時に必ず用いる20MHz幅の「プライマリーチャネル」を設定する。その後に「セカンダリーチャネル」を追加して帯域幅を拡大する。

11acでは、さらに80MHz幅向けの「セカンダリー40MHzチャネル」、160MHz幅向けの「セカンダリー80MHzチャネル」を規定している。

＜11a/n/acの共存環境での動作例＞

下図の例では、11ac対応アクセスポイントAに11ac対応端末Bと11a対応端末Cが接続し、11n対応アクセスポイントDに11n対応端末Eが接続している状況を想定している。

11ac対応機器はプライマリーチャネル（ここでは40ch）を占有されると、その間はフレームをやり取りできない。